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Mit Wechselstrom gespeister mehrstufiger Gleichstromverstärker Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Verstärker und insbesondere
auf sogenannte Gleichstromverstärker, mit denen Gleichspannungen und sehr niederfrequente
Wechselspannungen verstärkt werden.
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Es ist oft erwünscht, einen Verstärker zu haben, der kleine Gleichspannungen
wirksam verstärkt. In bisher bekannten Systemen, bei denen mehr als eine Verstärkerstufe
notwendig war, ist eine Gleichstromverstärkung nichteinfach zu erreichen, weil dann
getrennte Batterien für jede Stufe oder ein Satz von Spannungsteilern für jede Stufe
oder eine sehr hohe Spannung notwendig ist, zu der die einzelnen Stufen in Reihe
miteinander liegen. Es ist auch bekannt, die Gleichspannung in Wechselspannung umzuwandeln,
diese zu verstärken und dann wieder in Gleichspannung zurückzuverwandeln. Alle diese
Methoden sind mehr oder weniger kompliziert und außerdem ziemlich schwierig einzustellen.
Es ist außerdem erwünscht, einen Verstärker zu haben, der direkt an die Wechselspannung
angeschlossen werden kann und geeignet ist, mit lichtelektrischen Zellen und anderen
Geräten, z. B. Temperaturüberwachungssystemen und Einbruchalarmsystemen zusammenzuarbeiten.
Es ist bereits bekannt, einen Gleichstromverstärker dadurch zu betreiben, daß alle
Betriebsspannungen einem Wechselstromtransformator entnommen werden, wobei für jede
Verstärkungsstufe eine besondere Heizwirkung vorgesehen ist. Diese bekannte Schaltungsanordnung
leidet unter dem Nachteil, da ß der Netzanschlußtransformator einer besonderen Ausgestaltung
bedarf sowie dafa die Kathoden nicht das gleiche Wechselpotential haben, was bewirkt,
daß die einzelnen Kathoden eine verschieden große Kapazität gegen Erde aufweisen.
, Diese Nachteile werden ,gemäß der Erfindung dadurch vermieden, daß die Anode einer
jeden Stufe über einen Ohmschen Widerstand, dem ein Kondensator gegebenenfalls über
einen Widerstand parallel geschaltet ist, an die eine Wechselstrom führende Leitung
gelegt ist und mit dem Steuergitter der, folgenden Stufe, das über einen Kondensator
mit der Kathodenleitung verbunden ist, über einen Ohmschen Widerstand bzw. im Falle
der Endstufe unmittelbar mit dem Verbraucher in Verbindung steht, während alle Kathoden
an die andere Wechselstromleitung geschaltet sind. Gemäß einem weiteren Merkmal
der
Erfindung können noch Maßnahmen zum Ausgleich von Spannungsschwankungen
der Spannungsquelle getroffen sein.
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Bei der Schaltungsanordnung nach der Er.-: @ findung wird das negative
Potential, das bei" einem gittergesteuerten, an einem Wechselstromnetz liegenden
Gleichrichter an der Anode auftritt, als Gittervorspannung für die folgende Röhre
verwendet, die auch an dem Netz liegt. Die zu verstärkende Energie wird dem Eingang
der ersten Röhre aufgedrückt, und die verstärkte Energie wird am Ausgang der letzten
Röhre verfügbar.
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Der Erfindungsgegenstand soll an Hand der beiliegenden Abb. i bis
5 näher erläutert werden. In diesen Abbildungen sind Schaltbilder von Gleichstromverstärkern
dargestellt, bei denen der Erfindungsgegenstand angewandt worden ist.
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In Abb. i sind 5 und 6 Leitungen, die mittels der Klemmen i und 2
an ein übliches Wechselstromnetz angeschlossen werden. Eine Elektronenröhre T1 mit
Anode, Kathode und Gitterelektrode wirkt als erster Verstärker für den Gleichspannungseingang.
Der Eingangskreis der Röhre T, stellt eine Verbindung zwischen der Gitterelektrode
und der Kathode dar und enthält Klemmen 3 und d., denen die zu verstärkende Gleichspannung
in beliebiger Weise zugeführt wird. Eine VorspannbatterieBt ist in dein Eingangskreis
vorgesehen, so daß das Gitter der Röhre T, ein bestimmtes Potential gegenüber der
Kathode aufweist. Die Kathode der Röhre T1 ist ebenfalls mit der Leitung 6 verbunden,
während, ihre Anode mit der Leitung 5 über einen Widerstand R, in Verbindung steht,
zu dem ein Kondensator Cl parallel liegt. Die Anode der Röhre T, ist mit der Leitung
6 noch durch einen Widerstand R2 und einen in Reihe damit liegenden Kondensator
C2 verbunden. Eine zweite Verstärkerstufe kann vorgesehen werden und besteht aus
einer Elektronenröhre TZ mit Anode, Kathode und Steuergitter. Das Gitter der Röhre
T2 ist direkt mit dein zwischen Widerstand R2 und Kondensator C2 liegenden Punkt
verbunden, so daß eine Gleichstromverbindung zwischen der Anode von T, und dem Gitter
von T2 über den Widerstand R2 entsteht. Die Anode von T2 ist mit der Leitung 5 über
einen Widerstand R3 verbunden, dem ein Kondensator C3 parallel geschaltet ist, während
ihre Kathode direkt mit der Leitung 6 in Verbindung steht. Die Anode der Röhre T2
ist außerdem mit der Leitung 6 über eine Reihenschaltung von einem Widerstand R4
und einem Kondensator C4 verbunden.
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Eine dritte Verstärkerstufe ist in derselben Weise angeschlossen.
Diese Stufe enthält ebenfalls eine Elektronenröhre T3 mit Anode, Kathode und Steuergitter.
Die Kathode liegt an der Leitung 6. Die Anode ist mit Leitung 5 über einen Widerstand
RS und einen 'parallel dazu liegenden Kondensator C5 verbunden. Das Steuergitter
führt zu dem Punkt zwischen R4 und C4. Es ist selbstverständlich, daß eine beliebige
Zahl von weiteren. Stufen hinzugefügt werden kann. Die gewählten und gezeichneten
drei Stufen sollen ja lediglich zur Erläuterung dienen. Als Verbraucherkreis oder
Belastung ist in der Abbildung ein Voltmeter V dargestellt, das parallel zum Widerstand
R; liegt.
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Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß der in Abb. i gezeichnete
Gleichstromverstärker drei Röhren enthält, deren Anoden an Wechselspannung liegen.
Beim Betrieb wird von der Gleichrichterwirkung der Röhren Gebrauch gemacht. Es fließt
ein pulsierender Gleichstrom durch die Röhren, so daß das Potential der Anoden negativ
gegenüber der Leitung wird. Die Gittervorspannung an der Röhre bestimmt die Größe
des inneren Widerstandes während der Halbwelle, während der die Anode positiv ist,
und steuert infolgedessen den Betrag des gleichgerichteten Stromes, der den Anodenkreiswiderstand
durchfließt. Die Änderungen des Gleichspannungsabfalles am Anodenwiderstand übertreffen
die Vorspannungsänderungen, so daß also eine Verstärkerwirkung vorhanden ist. Da
das Gleichspannungspotential beider Leitungen eines Wechselspannungsnetzes Null
ist, kann der Spannungsabfall am Anodenkreiswiderstand jeder Röhre nach Passieren
eines geeigneten Filters als Vorspannung für die nächste Röhre dienen. Auf diese
Weise kann jede Stufenzahl benutzt werden, um die gewünschte Spannungsverstärkung
zu erreichen. Bei der Benutzung von Röhren einer bestimmten amerikanischen Type
hat sich bei einer Schaltung gemäß der Abb. i eine Spannungsverstärkung von i i
je Stufe herausgestellt.
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Bei einer Anordnung, wie sie die Abb. i zeigt, ist die Verstärkung
jeder Röhre dadurch begrenzt, daß der Spannungsabfall im Anodenwiderstand gleichzeitig
die Gittervorspannung für die nächste Röhre darstellt. Das macht es notwendig, entweder
einen sehr niedrigen Anodenwiderstand zu verwenden oder aber die Röhre mit sehr
hoher negativer Vorspannung arbeiten zu lassen. Jedenfalls wird sich dadurch ein
Verlust an Verstärkung ergeben.
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Die in Abb. 2 dargestellte Schaltung ist mit einer Vorrichtung versehen,
durch die dieser obenerwähnte Verlust beseitigt werden kann. Der einzige Unterschied
zwischen den Abb. 2 und i ist der, daß in Abb. 2 eine Batterie B, in Reihe mit der
Netzschaltung angeordnet
ist, so daß der Spannungsabfall am Anodenwiderstand
auf einen Wert vergrößert wird, der gleich der Summe der Batteriespannung und der
Gittervorspannung ist. Diese Anordnung macht es also möglich, die Röhren besser
auszunutzen, und tatsächlich hat es sich gezeigt, daß die Spannungsverstärkung jeder
Stufe auf 25 bis 35 gesteigert werden kann.
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Es ist klar, daß die in Abb.2 gezeigte Lösung mit der zusätzlichen
Batterie B nicht immer befriedigend ist. Deshalb ist eine Anordnung nach Abb.3 entworfen
worden. In Abb. 3 ist die Batterie B der Abb. 6 durch einen zwischen den Leitungen
5 und 6 liegenden DiodengleichrichterDl und einen Kondensator C, ersetzt, der zwischen
der Klemme r und dem Anschlußpunkt der Kathode des Diodengleichrichters an die Leitung
5 liegt. Bei den in Abb. z und 2 gezeigten Systemen hat sich außerdem herausgestellt,
daß bei der Verstärkung sehr kleiner Spannungen mit einer Reihe von Stufen Netzschwankungen
auch mit verstärkt werden und den Verstärker unstabil machen. Die Diode D1 in der
Schaltung der Abb. 3 ersetzt nun nicht nur die Batterie B2 der Ab-b. 2, sondern
wirkt auch den durch die Netzschwankungen bedingten Instabilitäten entgegen. Wenn
z. B. in der Schaltung der Abb. 3 die Netzspannung abnimmt, wird der Spannungsabfall
am Anodenwiderstand der Röhre geringer werden mit dem Ergebnis, daß auch die Gittervorspannung
der verschiedenen Röhren abnimmt. Nun wird aber die der Leitung überlagerte Gleichspannung
ebenfalls abnehmen, wodurch das Potential der Anoden und damit die Gittervorspannung
der verschiedenen Röhren stärker negativ wird.
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Es kann also die Änderung der gleichgerichteten, überlagerten Gleichspannung
infolge der Netzspannungen den Wirkungen der Wechselspannungsschwankungen entgegenarbeiten,
wenn es erwünscht ist. In einer gemäß Abb. 3 aufgebauten Schaltung hat sich gezeigt,
daß bei einer gegebenen Empfindlichkeit die Instabilität auf annähernd ein Sechstel
des Wertes vermindert werden kann, der bei Schaltungen gemäß Abb. r und 2 vorhanden
ist.
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Wie oben bei der Beschreibung der Abb. 3 schon erwähnt, kann die Instabilität
dieses Systems nur zum Teil kompensiert werden. Es ist begreiflich, -daß es wünschenswert
ist, daß manche Anordnungen eine vollkommene Unabhängigkeit von Netzschwankungen
erhalten. Solch eine Anordnung zeigt Abb. 4, bei der ein Potentiometerwiderstand
R6 zwischen den Leitungen 5 und 6 angeordnet ist und eine Verbindung von der Anode
der Röhre T1 über den Kondensator Cl nach dem Schieber 7 führt. Der Kondensator
Cl der Abb. q. liegt dort nicht wie in Abb. 3 parallel zum Widerstand R1, sondern
in der Verbindung nach dem Widerstand R, Im übrigen entspricht die Abb. 4 der Abb.
3. Mit Hilfe des Potentiometers R6 kann die Wechselspannung an der Anode der Röhre
T1 unabhängig von der Gleichspannung geändert werden. Auf diese Weise kann erreicht
werden, daß die eben beschriebenen Wirkungen der Wechselspannung und der Gleichspannung
einander vollkommen aufheben und. somit die Verstärkung und die Ausgangsspannung
unabhängig wird von Schwankungen des Netzes innerhalb gewisser Grenzen.
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Im folgenden soll die den vorhergehenden Ausführungen zugrunde liegende
Theorie noch eingehender erläutert werden.
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Eine Triode soll mit Wechselspannung an ihrer Anode betrieben werden
und Änderungen der ihrem Gitter zugeführten Gleichspannung verstärken. Die Röhre
muß als Gleichrichter arbeiten und ein negatives Potential an der Anode aufbauen.
Der Wert dieses Potentials kann durch das Gitterpotential der Röhre gesteuert werden.
Wenn der Anode einer Vakuumröhre eine reine Gleichspannung über einen Belastungswiderstand
zugeführt wird, ist das Gleichspannungspotential der Anode immer positiv und ändert
sich mit der Betriebsspannung. Führt man der Anode einer Röhre gleichzeitig Wechsel-und
Gleichspannung zu und hält dabei das Verhältnis von Wechselspannung zu Gleichspannung
konstant, so wie es der Fall ist, wenn die Wechselspannung zur Beschaffung der Gleichspannung
gleichgerichtet wird, so kann erreicht werden, daß die beiden Wirkungen bezüglich
der Netzsparinungsschwankungen entgegengesetzt gerichtet sind. Wenn ein geeignetes
Verhältnis zwischen Wechselspannung und Gleichspannung gewählt wird, kann erreicht
werden, daß praktisch eine Kompensation über einen gewissen Bereich der Netzspannungsschwankungen
eintritt. Wenn das Verhältnis zwischen Wechsel- und Gleichspannung zu hoch ist,
wird sich eine überkompensation ergeben, wenn es zu niedrig ist, wird die Kompensation
nicht vollständig sein. Wegen der Tatsache, daß eine einzige Verstärkerstufe beträchtlich
überkompensiert werden kann, kann die gesamte Kompensation verschiedener, in Kaskade
liegender Stufen in einer einzigen Stufe bewirkt werden, wie das z. B. Abb. 4 zeigt,
in der eine Kompensationswirkung nur in- der ersten Stufe auftritt und so groß ist,
daß der Verstärker als Ganzes kompensiert ist.
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Bisher ist die Wirkung von Heizstromschwankungen nicht erwähnt worden.
Es ist augenscheinlich, daß das Verhältnis zwischen
Wechsel- und
Gleichspannung so gewählt werden kann, daß auch diese Wirkungen mit kompensiert
werden können. Allerdings wird die Kompensation in diesem Falle gleichzeitig mit
der Netzspannungsschwankung auftreten, während die Wirkungen auf die Temperatur
der Kathode erst etwas später auftreten. Wenn die Zeitkonstante des Ansprechens
des Verstärkers größer ist als die Heizzeit der Kathode, kann eine Kompensation
erreich werden ohne momentane Dekompensation.
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Wie schon erwähnt, ist es möglich, überzukompensieren oder mit nicht
ausreichender Kompensation zu arbeiten, so daß das Anodenpotential mit schwankender
Netzspannung ebenfalls schwankt. Auf Grund dieser Tatsache ist es möglich, in einer
Stufe die Wirkungen der Netzspannungsschwankungen aller anderen Stufen zu kompensieren,
und auch die Wirkungen der Heizspannungsschwankungen auszugleichen.
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In Abb. 5 ist das Schaltbild eines vereinfachten, wechselstromgespeisten
Gleichstromverstärkers gegeben, der sich seine Gitterverspannung selbst erzeugt
und für Netzspannungsschwankungen ausgeglichen ist. Wie in Abb. i bis -. sind die
Leitungen 5 und 6 mit einem Wechselspannungsnetz über die Klemmen i und :2 verbunden.
Es sind lediglich drei Röhren T5, To, T7 gezeigt, ohne daß die Erfindung
dadurch beschränkt werden soll. Die erste Röhre T5 enthält Anode, Kathode und Gitterelektroden.
Eine Seite der Kathode ist mit der Leitung 6 verbunden, während die Anode mit dem
Leiter 5 über einen Kondensator C8 in Verbindung steht. Die Anode ist außerdem mit
dem Leiter 6 über zwei Wege verbunden, von denen der eine den Widerstand Rlo und
der andere einen Widerstand R11 und einen Kondensator C9 in Reihe enthält. Die zu
verstärkende Gleichspannung wird den Klemmen 3 und 4 zugeführt, von denen Klemme
3 mit dem Gitter der Röhre T5 verbunden ist, während Klemme 4. zu einem variablen
Abgriff 12 des Widerstandes Rlo führt. Ein Kondensator C, liegt zwischen Klemme
4. und dem Leiter 6.
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Die zweite Röhre enthält ebenfalls Anode, Kathode und Gitterelektrode,
wobei die Anode mit dem Leiter 5 über einen Kondensator Clo verbunden ist, während
die eine Seite der Kathode direkt mit dem Leiter 6 in Verbindung steht. Das Steuergitter
der Röhre T, ist mit dem Schieber 13 des Widerstandes R11 verbunden. Wie
schon bei der Röhre T5 ist die Anode der Röhre TB mit dem Leiter 6 über zwei Wege
verbunden. Einer dieser beiden Wege enthält den Widerstand R12, während der andere
den Widerstand R13 und den Kondensator C11 in Reihe enthält. Auch die dritte Röhre
T7 enthält eine Anode, eine Kathode und Gitterelektrode. Die Kathode ist direkt
mit dem Leiter 6 verbunden, während die Gitterelektrode zu dem Verbindungspunkt
des Widerstandes R13 mit dem Kondensator C11 führt. Die Anode der Röhre T? ist mit
einer Ausgangsklemme i I verbunden. Die andere Ausgangsklemme io liegt am Ende des
Leiters 5.- Selbstverständlich kann jeder beliebige Verbraucher zwischen den Klemmen
io und i i angeschlossen werden.
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Normalerweise wird die Anode, beispielsweise der Röhre T5, ein hohes
negatives Potential besitzen. Dieses Potential ist zu hoch, um als Gitterverspannung
die optimale Verstärkung zu geben. Da aber der . Belastungswiderstand an das Nullpotential
zurückgeführt ist, kann mittels eines Schiebers von diesem Widerstand jede beliebige
Spannung zwischen Null und dem Anodenpotential abgenommen werden. In bestimmten
Fällen ist es möglich, daß das Gleichspannungspotential in der Größenordnung von
-8o Volt liegt.
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Wenn -4 Volt die normale Gitterverspannung für die Röhre ist, muß
also der Schieber so eingestellt werden, daß ein Potential von -4 Volt erreicht
wird. Der Kondensator C, dient als Nebenschluß für die Wechselspannung, und es wird
dadurch die, vom Gitter der Röhre T, ferngehalten.
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Bei den angenommenen Werten von -4 Volt und -8o Volt liegt also nur
1/Q0 des Widerstandes Rlo im Gitterkreis, und 'die Gegenkopplung infolge dieser
Verspannung beträgt nur 1/2O der Spannungsverstärkung. Selbstverständlich stellen
die oben gegebenen Werte nur ungefähre Werte dar, wie sie aber normalerweise auftreten.
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Der Potentiometerwiderstand R11 stellt gleichstrommäßig nur einen
Widerstand dar, dessen Größe gegenüber dem inneren Gitterwiderstand der Röhre TB
vernachlässigt werden kann. Die Kondensatoren Cl, und C11 sind ohne Wirkung auf
die Gleichspannung. Für die Wechselspannung aber bildet das Potentiometer R11 einen
Spannungsteiler für die Netzspannung. Die Kondensatoren C8 und C9 haben vernachlässigbare
kleine Wechselstromwiderstände. Der Momentanwert des Potentials am Gitter der Röhre
T8 ist die Summe der Gleichspannung an der Anode der Röhre T5 und des Momentanwertes
der Wechselspannung an dem Punkt, an dem sich der Schieber 13 auf dem Widerstand
R11 befindet. Während des Teils der Periode, in dem die Röhre TB leitend ist, ist
der Momentanwert der Wellenspannung, der dem Gitter der Röhre TB zugeführt wird,
in solch einer Richtung, daß er der normalen Gleichspannung der Anode der Röhre
T5 entgegengerichtet
ist. So wird also das Gitter während .der leitenden
Halbwelle der Periode weniger negativ sein als die normale Vorspannung und wird
einen solchen Wert haben, daß die Röhre T, auf einem geeigneten Arbeitspunkt liegt.
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Für den Fall, daß die Netzspannung, d. h. die Wechselspannung an der
Anode zunimmt, nimmt auch das negative Anodenpotential zu. Das hat zur Folge, daß
die normale Gitterspannung -der Röhre T, stark negativ wird. Ein Anwachsen der Netzspannung
bedingt aber auch eine Zunahme der überlagerten Wechselspannung am Gitter der Röhre
T, und diese wiederum ein Verschieben des Gitterpotentials ins Positive während
der Arbeitshalbwelle der Periode. Da die beiden obenerwähnten Wirkungen einander
entgegengesetzt gerichtet sind, kann die Wirkung auf Spannungsschwankungen des Netzes
aufgehoben werden: Die Kompensation wird eingestellt durch Verändern der Wechselspannung
am Gitter der Röhre TE, und zwar durch Einstellung des Schiebers 13 am Potentiometer
R11. Wie schon erwähnt, ist es möglich, Überkompensation zu erhalten, so daß die
notwendige Kompensation für verschiedene Stufen in einer Stufe vorgenommen werden
kann. Es kann auch eine Kompensation der Wirkung von Heizspannungsschwankungen erzielt
werden.
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In dem in Abb. 5 gezeigten System soll der Schieber 13 so auf
den Widerstand R11 eingestellt werden, daß das Gitter der Röhre T6 nicht positiv
gegenüber der Kathode wird, sondern immer im Arbeitsbereich der Röhre schwingt.
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Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß die Werte der Widerstände und
Kondensatoren nicht kritisch sind. Bei einem Aufbau gemäß Abb. 8 wurde ein 2ooo
Ohm Widerstand als Nebenschluß zum Wechselstromnetz gewählt, während die Anodenwiderstände
je i Megohm, die Gitterwiderstände je 2 Megohm und die Kondensatoren je o,i ,uF
waren.