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Anordnung zur Verstärkung der Differenz der Potentiale von zwei Punkten,
die nicht an Erde .liegen, mittels eines geerdeten Verstärkers Wenn die Aufgabe
vorliegt, ohne Benutzung vonKopplungstransförmatoren eineSpannung zu verstärken,
von der kein Pol geerdet sein kann, weil beide Pole eine veränderliche Spannung
gegen Erde haben, lassen sich die gebräuchlichen Verstärkeranordnungen nicht benutzen.
Solche Verhältnisse können vorliegen bei Ableitung der Spannungen vom biologischen
Objekt, wenn gleichzeitig die elektrischen Vorgänge an mehreren Punktenuntersucht
werden sollen. Es kann dann am gleichen Objekt nur ein Punkt geerdet werden, und
weil alle Punkte leitend miteinander verbunden sind, stehen die Spannungen aller
Punkte miteinander in -Beziehung. Für die Untersuchungen werden aber meistens die
Spannungsdifferenzen zwischen bestimmten Punkten benötigt, wie z. B. bei der gebräuchlichen
Aufüahme des Elektrokardiogramms, bei der gleichzeitig für Ableitung I die Spannung
zwischen dem linken und rechten Arm, für Ableitung II die Spannung- zwischen dem
rechten Arm und linken Fuß und ,für Ableitung III die Spannung zwischen dem linken
Arm und linken Fuß aufzuzeichnen ist. Mit geerdeten Verstärkern lassen sich nur
zwei Ableitungen durchführen, indem z. B. der rechte . Arm geerdet wird, während
@ die Ableitung III nur mit einer Differentialverstärkeranordnung aufgenommen werden
kann. Wegen der Aperiodizität der aufzunehmenden Spannungsänderungen und- wegen
des niedrigen Frequenzbereichs ist die Benutzung eines Eingangstransformators ausgeschlossen.
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Die Differentialverstärkeranordnung hat dieAufgabe, dieSpannungsdifferenz
zwischen den ungeerdeten Punkten so auf ein geerdetes Verstärkersystem zu überführen,
daß das geerdete Verstärkersystem nur* die Differenz erhält, unabhängig davon, welche
Spannungsänderungen beide Punkte gemeinsam gegen die Erdleitung erfahren. In einer
anderen
bekanntenAnordnung ist dieDifferenzbildung erst am Ausgang
der letzten Verstärkerröhre bewirkt, indem den Gittern von zwei Eingangsröhren die
Spannungen zugeführt werden, die zwischen Erde und zwei ungeerdeten` Punkten bestehen.
Diese Spannungen werden dann in den folgenden normal angekoppelten Verstärkerstufen
weiterverstärkt, bis am Ausgange des Verstärkers nur die Differenz der Aussteuerung
der beiden Endröhren auf das Registriergerät wirksam gemacht wird. Diese Anordnung
setzt aber voraus, daß die gemeinsame Spannung der beiden Punkte gegen die Erdleitung
nicht allzu groß ist gegen die Differenz. Die gemeinsame Spannung wird j a in gleichem
Verhältnis verstärkt wie die Differenz, und wenn die gemeinsame Spannung -z. B.
fünfmal größer ist als die Differenz, kann am Ausgang nur eine Differenz richtig
aufgenommen werden, die nur den fünften Teil der verfügbaren Ausgangsleistung beansprucht.
Eine entsprechende Vergrößerung der Röhrenleistung ist aber nicht immer zulässig,
weil damit die Möglichkeit verlorengeht, das angeschlossene Registriergerät, eine
Oszillographenschleife oder einen Tintenschreiber vor mehrfacher thermischer oder
mechanischer Überlastung zu schützen. Bei Benutzung von Kathoden= strahloszillographen
wird die Ablenkung zwar an sich nur beeinflußt durch die Spannungsdifferenz zwischen
zwei Ablenkungsplatten, aber eine Änderung der beiden Platten geineinsamen Vorspannung,
wie sie durch die verstärkte gemeinsame Spannung der beiden Ableitungspunkte gegen
die Erdleitung hervorgerufen würde, verändert die Geschwindigkeit der Elektronen
zum Leuchtschirm, verändert damit die Empfindlichkeit des Oszillographen und die
Konzentrierung des Elektronenstrahls: Aus diesen Gründen sind Anordnungen vorzuziehen,
in denen der Ausgang des Verstärkers in der üblichen Weise angeschlossen ist, wobei
nur die Differenz der Eingangsspannungen als Aussteuerung auf die Endröhre einwirkt.
Das ist möglich, wenn die Differenz schon in einer vorhergehenden Stufe getrennt
wird von der gemeinsamen Aussteuerung gegen Erde.
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Dies kann erreicht werden in einer Schaltung, in der man mit einer
Hilfsröhre das Vorzeichen der Aussteuerung der einen Ableitungselektrode umkehrt,
durch eilen Spannungsteiler auf die Verstärkungszahl i herabsetzt und dann gemeinsam
mit den Spannungsänderungen der anderen Ableitungselektrode auf das Gitter einer
folgenden Verstärkerstufe wirken läßt. Solange die Verstärkungsfaktoren der beiden
EEingangsröhren genau gleich sind, heben sich gemeinsame Aussteuerungen beider Elektroden
am Gitter der folgenden Verstärkerstufe gegenseitig auf. Nur eine Differenz zwischen
den Aussteuerungen beider Elektroden kann wirksam sein für die Aussteuerung des
weiteren Verstärkers. Aus welchen Gründen eine solche Phasenumkehrschaltung weniger
leistungsfähig ist als die Schaltung der vorliegenden Erfindung, wird weiter unten
in der Beschreibung dargelegt werden bei der Besprechung des Einflusses, den eine
Änderung des Verstärkungsfaktors einer der benutzten Röhren auf die Genauigkeit
der Differenzbildung hat.
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Zur Verstärkung der Difl:er°_nz der Potentiale von zwei Punkten, die
nicht an Erde liegen, mittels eines geerdeten --Verstärkers ist erfindungsgemäß
der eine Punkt a mit dem Gitter g einer Röhre i verbunden, deren gesamter äußerer
Widerstand R als Kathodenwiderstand wirkt, und der zweite Punkt b mit dem Gitter
m einer weiteren Röhre 2 verbunden, deren Kathode unmittelbar mit der Kathode der
ersten Röhre verbunden und von deren Außenwiderstand W die verstärkte Differenzspannung
abgenommen ist (Abb. 2).
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Die Schaltung der vorliegenden Erfindung erreicht diese Differenzbildung
mit einer sehr großen Genauigkeit und mit sehr geringer Empfindlichkeit gegen Veränderungen
in den benutzten Röhren. Die Schaltung selbst ist in Abb.2 dargestellt. Zunächst
sollen aber die für die Röhre i der Abb. 2 vorliegenden Verhältnisse an Hand der
Abb. i etwas eingehender berechnetwerden. DerWiderstandR des Anodenkreises ist hier
in seiner Anordnung gegenüber der üblichen Reihenfolge vertauscht mit der Anodenspannung
Eu, d. h. er liegt an der Kathode. Das ändert aber nichts an der Beziehung Il R
= Y1 # d Egk, wenn V1 der effektive Verstärkungsfaktor der Röhre i für die
Anodenkreisbelastung mit dem Widerstand R ist. Daß Tal auf verschiedenen Arbeitspunkten
der Röhrencharakteristik infolge deren Krümmung an den Enden sich ändert, kann hier
zunächst außer Betracht gelassen werden, weil für kleine Aussteuerungen V, praktisch
konstant ist.
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Die Aussteuerung der Röhre i findet nicht, wie üblich, zwischen Gitter
g und Kathode h (d Egk) statt, sondern zwischen dem Punkte h und dem Gitter
g (dEgk). Die Kathode hat nämlich kein festes Potential in bezug auf die Erde. Es
gilt dann
Je größer T, ist, um so mehr nähert sich der Faktor in der Klammer dem Werte i.
Er bleibt aber für endliche Werte von h1 immer
kleiner als i. Die
Spannungsänderungen d Il # R am Widerstand R, d. h. -die Aussteuerung
der Kathode K ist also immer geringer als die Aussteuerung am Gitter g, wobei es
einerlei ist, ob die Aussteuerung von g auf die Erdleitung E oder auf die Leitung
h bezogen wird, da zwischen E und h eine feste Spannung, z. B. - 45 Volt, besteht.
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Die Schaltung der Abb. 2 solt nun die Aufgabe erfüllen, daß am Punkte
P, an dem die weiteren normal geschalteten Verstärkerstufen angeschlossen sind,
keinerlei Aussteuerung auftritt (I2 = konst.), wenn die Gitter g und m der Verstärkerröhren
i und 2 gleichzeitig gleich stark und gleichsinnig ausgesteuert werden, Eine derartige
Aussteuerung könnte z. B. stattfinden durch eine Spannungsänderung unter der Elektrode
E. Diese Spannungsänderung soll im weiteren Verstärker nicht erscheinen, sondern
nur die Aussteuerung zwischen den Elektroden a und b. Die Wirkungsweise soll zunächst
nur betrachtet werden von dem Gesichtspunkte, auf welche Weise die gemeinsamen Aussteuerungen
beider Gitter g und m unwirksam bleiben für P. Die Wirkung der Differenzen zwischen
a und b oder zwischen g und m
wird später besprochen. Die Kathode der
Verstärkerröhre 2 ist mit der Kathode der Röhre i verbunden und erhält dadurch alle
Aussteuerungen, welche durch die Aussteuerung des Gitters g der Kathode K aufgedrückt
werden. Es wirkt dann an R nicht nur I1 # R, sondern auch I2 # R. Da bedingungsgemäß
I2 konstant sein soll, wenn gemeinsame Aussteuerungen stattfinden, wirkt sich das
Vorhandensein der Röhre 2 auf die Größe der Aussteuerung der Kathoden gar nicht
aus, weil bei I2 = konst. der Widerstand des Stromkreises der Röhre 2 als unendlich
groß betrachtet werden kann. Es ist 12 nur als Gleichspannungsabfall in R mit 12
# R wirksam und vermindert deswegen den tatsächlich vorhandenen Wert von I1 so weit,
bis I1 +. I2 so groß ist, wie I1 sein würde ohne das Vorhandensein von 12. Es könnte
auch eine entsprechende Verminderung von R stattfinden.
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Es liegen jetzt an der Röhre 2 drei Aussteuerungen für den Anodenstrom
I2 : i-.. am Gitter m ebenso wie am Gitter g der Wert dEglt, der gleich -T i gesetzt
wird, 2. an der Kathode der Röhre 2 ist dann die von der Röhre i übertragene Aussteuerung
-(- i
vorhanden, die einerseits gegenüber dem Gitter m der Röhre 2 und anderseits 3. gegenüber
der Anode P der Röhre 2 wirksam ist. Da 14 = konst. gesetzt ist, bleibt P auf konstantem
Potential, und diese unter 3. genannte Aussteuerung Kathode-Anode ist dann ebenso
wirksam wie eine Aussteuerung von Kathode-Gitter um den Wert - - . -` , worin /2
der theoretische Verstärkungsfaktor der Röhre 2
,u2 für einen unendlich großen Anodenkreiswiderstand ist. Die Schaltung arbeitet
richtig, -wenn sich alle drei -Aussteuerungen vollständig aufheben.
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Die an der Kathode vorhandenen Aussteuerungen 2. und 3. haben umgekehrten
Wirkungssinn wie die am Gitter m vorhandene Aussteuerung i. Wenn sich alle drei
Aussteuerungen aufheben, so inuß die Summe der Aus-steuerungsspannungen gleich o
sein. Es ist dann
Diese Bedingung wird erfüllt für &,2=V,. Da V1 immer kleiner ist als ccl, der
theoretische Verstärkungsfaktor der Röhre i, muß ,cti > ,cc2 sein.
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Wenn ,y2 nicht = V1 ist, wird
=x, worin x der Anteil der gemeinsamen Aussteuerung ist, der als Aussteuerung des
Punktes P zur Wirkung kommt.
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Die Größe des Fehlers bei Nichtübereinstimmen von ,u2 und L'1 ist
daher annähernd gegeben als
Im Gegensatz dazu wird sich in einer Differentialverstärkerschaltung mit Phasenumkehrröhre,
wie "sie oben erwähnt wurde, j ede Änderung des Verstärkungsfaktor s irgendeiner
der .beiden Eingangsröhren im vollen Umfange auf die Genauigkeit der Differenzbildung
auswirken. Die Größe des durch jede Röhre (Phasenumlcebrröhre oder Eingangsröhre)
hervorgerufenen Fehlers ist daher:
Daraus geht hervor, daß der Fehler in der Schaltung nach der vorliegenden Erfindung
unter gleichen Umständen immer um das VZ-fache oder p2-fache kleiner ist als in
einer Ph.asenumkehrschaltung: Das gilt für Änderungen= der Verstärkungsfaktoren,
die
durch Altern der Röhren oder Änderungen in den Betriebsspannungen hervorgerufen
sind.. Ein Vergleich fällt aber noch erheblich günstiger aus, wenn man die Genauigkeit
der Differenzbildung untersucht für größere gemeinsame Aussteuerungen. Wenn diese
so groß sind, daß infolge der nicht völligen Linearität der Röhrencharakteristik
VI oder ,u2 auf andere Werbe kommen., wird sich ein gewisser Fehler einstellen auch
dann, wenn die Schaltung für beliebig kleine Aussteuerurigen richtig abgeglichen
ist. :Bei einer Aussteuerung d Egh= i ist d Egk (V, + i) = i oder
d Egk =
Es ist also bei einer. gemeinsamen Aussteuerung von d Egh der Wert
d Egk, welcher die Verschiebung auf der Röhrencharakteristik bedeutet, nur
von der tatsächlichen Aussteuerung. _ Die Aussteuerung kann also (V, ''-, i)-mal
größer sein, bis die gleiche Änderung von h1 erreicht ist, die in einer Phasenumkehrschaltung
aufgetreten wäre. Da diese Änderung von VI sich hier nur mit etwa steuerung etwa
V,2-mal größer sein als in
auf den Fehler auswirkt, kann die Auseiner Phasenumkehrschaltung, bis der gleiche
Fehler auftritt. Das gilt auch für u, weil auch in der Röhre 2 die tatsächliche
Änderung der zwischen Gitter und Kathode liegenden Spannung (d Egk2) nur
etwa das
fache der an den Gittern einwirkenden gemeinsamen Aussteuerung ist.
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Diese Beziehung zwischen der gemeinsamen Aussteuerung d Egh
= d Egk (V1 + i ) ist nicht nur wichtig für die Kleinhaltung des Fehlers
in der Differentialwirkung, sondern es geht auch daraus hervor, daß der absolute
Betrag .der gemeinsamen Aussteuerung J1 Egh um das VI -f- i-fache größer sein darf
als der zulässige -Bereich von d Egk. Wenn der letztere z. B. = 3 Volt ist
und VI = 2o, darf d Egh = 63 Volt sein. Für die gemeinsame Aussteuerung
sind also ganz erhebliche Absolutwerte zulässig, während in einer Phasenumkehrschaltung
nur Aussteuerungen im Bereich des zulässigen dEgk möglich sind.
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Es ist gezeigt worden, d.aß V,=,u, sein soll. Wenn nun die gleiche
Röhrentype für Röhre i und 2 benutzt wird, ist V1 kleiner als ,u2. Wenn z. B. p2
=:20 ist und h, nur 18, wird der Fehler sein
Der Fehler ist also auch schon sehr klein, ohne daß zu seinem Ausgleich etwas Besonderes
unternommen wird. Es sind verschiedene Wege möglich, um den Fehler zu beseitigen.
Das Gitter m kann. an die Elektrode b so über einen regelbaren Spannungsteiler angeschlossen
werden, daß es nur der Aussteuerungen von der Elektrode
b erhält. Man kann sich auch aus einer Gruppe von Röhren gleicher Type eine Röhre
mit größerer Steilheit für i und eine Röhre mit geringerer Steilheit für 2 aussuchen.
Dann kann man natürlich auch eine Röhrentype für 2 benutzen, welche eine geringere
Steilheit als die für i verwendete Type besitzt. Wenn dann V1 zu groß ist, kann
ein regelbarer Ausgleich geschaffen werden durch Einfügung eines kleinen Widerstandes
zwischen der Anode der Röhre i und dem Anschluß der positiven Anodenspannung. Die
Aussteuerung der Kathoden würde dadurch geringer gemacht. Es kann auch, wie dies
in Abb. 3 dargestellt ist, eine Hilfsröhre 5 gemeinsam und in gleicher Weise wie
die Röhre i ausgesteuert werden: Deren Kathode p wird daim über einen regelbaren
Widerstand Z mit der Anode P der Röhre 2 verbunden, so daß dieser eine zusätzliche
Aussteuerung der- Elektrode a zugeführt wird.
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Anstatt zur Beseitigung des Fehlers einen Spannungsteiler in die Gitterzuleitung
einer Röhre einzuschalten, ist es auch möglich, den Eingängen: der Differentialstufe
eine etwa ungleiche Aussteuerung zu geben, indem jede der beiden Eingangsspannungen
zunächst über eine besondere Röhre vorverstärkt wird. Die Verstärkungsfaktoren dieser
beiden Röhren können leicht etwas voneinander abweichend gemacht werden. .
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Wenn die Aussteuerungen von den Anoden der Vorröhren abgenommen werden
durch galvanische Verbindung mit den Gittern der Differentialstufe, erhalten die
letzteren bereits ein positives Potential. Dann ist es nicht mehr nötig zu dein
Zweck, daß die Gitter der Röhren i und 2 (Abb. 2) eine geeignete Vorspannung gegenüber
den Kathoden erhalten, den Punkt h (Abb. 2) mit einer besonderen negativen Spannungsquelle
zu: verbinden, sondern er kann mit der Erdleitung oder dem negativen Pol der Anodenspannung
verbunden sein.
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Es ist auch möglich, die Grundschaltung (Abb. 2) mit Schirsngitterröhren
auszuführen. An Stelle der gegenüber der Anode geltenden Größen Vi und ,u2 müssen
dann die entsprechenden, unter Berücksichtigung des Schirmgitters sich ergebenden
Verstärkungsfaktoren zur Berechnung benutzt werden. Die Schirrngitterspannungen
können von Anzapfungen der positiven Anodenspannung entnommen werden.
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Die wirksame Verstärkung für die zwischen den Elektroden a und b vorhandene
Aussteuerung der Röhre 2 in der Schaltung nach
Abb. 2 ist ;geringer
als bei Benutzung der gleichen Röhre in einer normalen Schaltung. Es wird nämlich
von der Elektrode a nur das y1 -fache auf die Kathode der Röhre 2 hi -I-
I
übertragen, so daß zunächst dadurch die wirksame Verstärkungsich mindert.
r Außerdem ruft eineAussteuerung der Röhre 2 iun
an dieser eine Änderung des Anodenpotentials um d I2 # W = V, hervor.
h2 ist der wirksame Verstarieungsfakto.r
für- die Röhre 2 mit der Anodenkreisbelastung Ih.
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Wenn W = R gewählt ist, würde dies an R eine gleich große Spannungsänderung
erzeugen, wenn nicht der Gesamtwert (Ii+I2)R+Esk durch die am Gitter g liegende
Spannung festgehalten -#vürde. Deshalb erfährt bei einer Steigerung von 12 der Wert
von I, eine entsprechende Verminderung, und diese Änderung - 4'I,
R bedingt einen neuen Wert für E,k der Röhre i, nämlich
Dieser Wert geht der Aussteuerung der Röhre 2 verloren. Für V2 = h, ist das Gleichgewicht
zwischen diesen einander entgegenwirkenden Erscheinungen vorhanden, wenn die Aussteuerung
an beiden Kathoden von
auf
-abgesunken ist. Dann ist die Anodenspannungsänderunz in
Die dadurch hervorgerufene Rückwirkung auf das Kathodenpotential ist gleich
Auf diese Weise wird die eigentlich mögliche Kathodenaussteuerung von i # -
verteilt auf die tatsächlich eintretende Aussteuerung
- und aü.f die Rückwirkung
Um diese Rückwirkung kleiner zu - machen, ist es zweckmäßig, den Widerstand W groß
zu machen gegenüber R, weil dann die Änderungen von . I2 kleiner werden. Es. ist
so, möglich, den Verstärkungsfaktor der Röhre 2 für Differenzspannungen auf über
% des Wertes zu bringen, der in einer normalen Schaltung finit entsprechendem Anodenwiderstand
.erzielt werden würde.
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Wenn das Gitter in der Verstärkerröhre 2 allein ausgesteuert wird,
findet eine gleichartige Rückwirkung statt. Wenn die zu Beginn abgeleiteten Bedingungen
für die Differentialbildung erfüllt sind, muß der wirksame Verstärkungsfaktor der
Röhre 2 gleich groß sein für Aussteuerungen vom Gitter m -wie für Aussteuerungen
vom Gitter g. Die beiden Aussteuerungen haben gegensinnige Wirkung, weil die eine
das Gitter der Röhre 2, die andere die Kathode der Röhre ,-q beeinflußt.
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Der Nachteil einer Herabminderung der Verstärkung ist in Phasenumkehrschaltüngen
zur Differenzbildung auch vorhanden. Der Mehraufwand an Schaltmitteln bei der Anordnung
nach der Erfindung beschränkt sich wie bei den bekannten Phasenumkehrschaltungen
zur Differenzbildung gegenüber einem Verstärker mit einfachem Eingang auf eine zusätzliche
Verstärkerröhre i und einen Widerstand R. Auch dann, wenn keinerlei Mittel zum Abgleich
der Differentialwirkung vorgesehen werden, ist der Fehler der Differentialbildung
immer -erheblich geringer als in anderen Schaltungen, bei denen die Fehlergröße
direkt von Änderungen eines Verstärkerfaktors abhängt.
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Wenn R und W sehr verschiedene Größen haben, wird der Wert für Egk
in Röhre i und Röhre 2 voneinander abweichen für die Bedingung, daß in beiden Röhren
der Arbeitspunkt etwa auf der Mitte der Charakteristik liegt. Das kann abgeglichen
werden durch Anschluß der Röhre i an eine niedrigere Anodenspannung - oder bei Benutzung
von Schirmgitterröhren durch Wahl verschiedener Schirmgitterspannungen.
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Wenn im vorstehenden von Elektroden gesprochen ist, so bedeutet das
nicht, @da,ß die Anwendung dieser Schaltung auf bioelektrische Spannungsableitungen
beschränkt ist.