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Schaltungsanordnung mit steilheitsgesteuerten Blindwiderständen In
der Hochfrequenztechnik werden häufig einstellbare Scheinwiderstände benötigt, so
z. B. zum Abstimmen von Brücken in Meßgeräten, zum Abstimmen von Schwingungskreisen
in Empfängern oder auch in Sendern, beispielsweise bei der Übertragung eines Meßwertes
durch bestimmte Wahl der Sendefrequenz oder zur periodischen Änderung einer Sendefrequenz
für verschiedene. Meßzwecke und für andere Zwecke mehr-Man kann beispielsweise hierzu
den Scheinwiderstand eines Drehkondensators durch mechanische Bewegungen leicht
und stetig in weiten Grenzen ändern. In vielen Fällen möchte man die Änderung aber
nicht von Hand vornehmen, sondern sie einem Gerät überlassen, in dem durch irgendwelche
Veränderungen vorgeschrieben wird, wie der Scheinwiderstand zu ändern ist. Oft sind
diese steuernden Änderungen elektrischer Natur oder können sehr leicht in Spannungs-oder
Stromänderungen umgeändert werden. Man hat sie dann in mechanische Bewegung umzusetzen,
die man z. B. an einem Drehkondensator angreifen läßt. Solche Motoren enthaltenden
Umsetzer bringen zusätzliches Gewicht, Lärm der mechanisch bewegten Teile und mechanische
Trägheitsmomente hinzu.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, verwendet man besser Scheinwiderstände,
die, wie die der bekannten dynamischen Kapazität einer Verstärkerröhre, von der
Steilheit abhängen, die sich durch die Gittervorspannung unmittelbar elektrisch
und ohne die Zwischenschaltung mechanisch bewegter Teile einstellen läßt. Die dynamische
Gitterkapazität selbst hat aber den Nachteil, daß die Hochfrequenzspannungen, die
sie aufnehmen kann, durch den Einsatzpunkt des Gitterstromes und den geradlinigen
Teil der Kennlinie auf wenige zehntel Volt begrenzt sind.
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Mit Vorteil werden daher dynamische steilheitsgesteuerte Widerstände
benutzt, die sich zwischen Anode und Kathode einer Röhre hohen inneren Widerstandes,
insbesondere einer Schirmgitterröhre, darstellen lassen. Derartige Schaltungen,
bei denen zwischen Anode und Gitter ein Blindwiderstand induktiven oder kapazitiven
Charakters und zwischen Gitter- und Kathode ein Ohmscher Widerstand angeordnet ist,
oder umgekehrt,
beruhen auf einer mit etwa 9o° Phase behafteten
Spannungsteilung zwischen Anoden-und Gitterspannung. Sie haben den Nachteif daß
die mit ihnen erzeugten Blindwiderstände einen verhältnismäßig großen frequenzabhan
gigen Verlustwinkel besitzen, der sich in besondere beim Überstreichen eines großen
Frequenzgebietes äußerst störend bemerkbar macht.
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Bei Schaltungsanordnungen mit steilheitsgesteuerten Blindwiderständen
unter Anwendung einer Röhre hohen inneren Widerstandes, insbesondere einer Schirmgitterröhre,
wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, zwischen Anode und Gitter einen Blindwiderstand
und zwischen Gitter und Kathode eine Kombination eines oder mehrerer Ohmscher Widerstände
mit einem oder mehreren Blindwiderständen oder zwischen Gitter und Kathode einen
Blindwiderstand und zwischen Anode und Gitter eine Kombination eines oder mehrerer
Ohmscher Widerstände mit einem oder mehreren Blindwiderständen zu schalten und die
Widerstands-Blindwiderstands-Kombinationen so aufzubauen und zu bemessen, daß in
der Gleichung für den gesteuerten Scheinwiderstand
der Wirkleitwert mit zunehmender Steilheit abnimmt oder sich nicht ändert. In dieser
Gleichung ist N1 der Scheinwiderstand der Schaltelemente zwischen Anode und Gitter,
N_ der Scheinwiderstand der Schaltelemente zwischen Gitter und Kathode und S die
Röhrensteilheit.
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Die Erfindung wird an Hand der Fig. i bis .I noch näher erläutert.
In der Fig. i ist ein steilheitsgesteuerter Blindwiderstand unter Anwendung einer
Schirmgitterröhre dargestellt, und zwar eine steilheitsgesteuerte Kapazität. Zwischen
Anode und Gitter ist eine Kapazität C geschaltet und zwischen Gitter und Kathode
ein Ohmscher Widerstand R. Die von der Batterie B und dem eigentlichen steuernden
Geber gelieferte Gittervorspannung ist veränderbar, wie durch Pfeil - angedeutet.
Der innere Wider-'id Ri der Röhre ist sehr hoch, z. B. größer als t MQ und stellt
daher einen vernachlässigbaren Parallelwiderstand zu dem gittervorspannungsgesteuerten
Scheinwiderstand dar. Wenn S die Röhrensteilheit ist, ergibt sich zwischen Anode
und Kathode ein Wider-' stand
Hierin ist
Der Widerstand e verhält sich also wie eine verlustbehaftete Kapazität C, die um
den von der Steilheit S abhängigen Faktor i + RS größer ist als die Kapazität C.
Der Verlustfaktor tg (5 hat die Größe tg a = Co CR.
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Der Verlustwinkel stört vor allem bei großen Steilheiten und entsprechend
kleinen Scheinwiderständen. Tritt beispielsweise die Forderung auf, die Kapazität
C über einen weiten Bereich von kleinen
zu großen Kapazitätswerten
durch Verändern der Steilheit S zu variieren, so ist, da die maximal erreichbaren
Steilheiten von Röhren größenordnungsmäßig festliegen, der Wert R möglichst hoch
zu wählen. Ein großer Wert von R bedingt aber bei hohen Frequenzen einen großen
Verlustwinkel. Es läßt sich also nicht gleichzeitig durch die Schaltung nach Fig.
i eine Kapazität C verwirklichen, die über einen großen Kapazitätsbereich regelbar
ist und dabei einen kleinen Verlustwinkel innerhalb eines weiten Frequenzbereiches
besitzt. An dein Zahlenbeispiel der Tabelle I ist diese Tatsache klar veranschaulicht:
Ist z. B. C die Kapazität eines Schwingkreises, dessen Resonanzfrequenz durch Ändern
von C` mittels Steilheitssteuerung über einen weiten Bereich variiert werden soll,
so wird unerwünschterweise dieser Frequenzbereich nach hohen Frequenzen zu durch
den zunehmenden Verlustwinkel bald begrenzt. ,
Die gleichen ungünstigen
Verhältnisse bezüglich des Verlustwinkels ergeben sich bei Schaltungsanordnungen,
die zwischen Anode und Gitter eine Induktivität und zwischen Gitter und Kathode
einen Ohmschen Widerstand, sowie bei Schaltungen, die zwischen Anode und Gitter
einen Ohmschen Widerstand und zwischen Gitter und Kathode eine Induktivität oder
eine Kapazität enthalten.
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Der störende Verlustwinkel kann durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen
wesentlich vermindert werden. Für das in Fig. i behandelte Beispiel der steilheitsgesteuerten
Kapazität, bei der zwischen Anode und Gitter einer Schirmgitterröhre eine Kapazität
C angeordnet ist, wird der zwischen Gitter und Kathode angeordnete Widerstand des
Spannungsteilers durch Schaltungen verwirklicht, die angenähert der Parallelschaltung
eines Ohmschen Widerstandes mit einer negativen Kapazität entsprechen. Denkt man
sich parallel zum Widerstand R eine zusätzliche Kapazität vom Betrag
geschaltet, so errechnet sich damit der Verlustwinkel tg 8 zu o. Durch die im folgenden
behandelten Schaltungen werden Näherungslösungen angegeben, die insbesondere für
eine wesentliche Verringerung des Verlustfaktors ergeben.- Der Bereich.
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ist wegen der Kleinheit des geradlinigen Teiles der Kennlinie auch
der hauptsächlich interessierende Bereich.
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In -der Fig. z wird der Gitterkathodenwiderstand des Spannungsteilers
durch die Reihenschaltung des Ohmschen Widerstandes R mit einer Induktivität L =
C # R2 gebildet. Bei dieser Annäherung wird die Steuergröße RS für die Zusatzkapazität
Cz noch nicht berücksichtigt. Ebenso wird auch in der Schaltung nach Fig.3, bei
der der Widerstand zwischen Gitter und Kathode durch die Reihenschaltung des durch
die Kapazität C überbrückten Ohmschen Widerstandes R mit der Induktivität L = 2
C # R' = gebildet wird, die Steuergröße RS nicht berücksichtigt. Die beiden Schaltungen
habenden Anodenleitwert
Hier ist zwar noch ein Wirkleitwert w2 C= R vorhanden, er ist aber sehr klein und
unabhängig von der eingestellten Steilheit S, sodaß z. B. der Resonanzwiderstand
eines Parallelschwingungskreises, den man reit dem gesteuerten Blindwiderstand verstimmen
will, unabhängig von der Verstimmung bleibt. Die dynamische Kapazität C' = C (t
-j-- RS) ist von der Steilheit linear abhängig. Gibt man der Induktivität im Schaltungsbeispiel
nach Fig. 2 nicht den Wert C # R°, sondern- den Wert und ebenso in dem Ausführungsbeispiel
der Fig. 3 den Wert
und der Kapazität den Wert C so wird in diesen so geänderten
Schaltungen die mit der Steuergröße RS sich ändernde Zusatzkapazität näherungsweise
durch einen konstanten Ausdruck Cz = - C (i -f- RS,) ersetzt. Für die so geänderten
Schaltungen wird bei der Steilheit S = So auch der bei den Schaltungen nach Fig.
2 und 3 noch vorhandene Wirkleitwert kompensiert. Es ergibt sich dabei für Steilheiten
größer als So ein negativer Verlustwinkel. So ist entsprechend dem Verwendungszweck
zu wählen. Um die Gefahr der Selbsterregung zu vermeiden, kann es vorteilhaft sein,
So etwa mit der höchsten benutzten. Steilheit zusammenfallen zu lassen.
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Für die Schaltungsbeispiele nach Fig.2 und 3 befolgt der Verlustwinkel
näherungsweise das Gesetz
In Tabelle II ist hierfür an dem gleichen Zahlenbeispiel wie bei Tabelle I der Verlustwinkel
in Abhängigkeit von der Frequenz angeführt:
Die Verbesserung des Verlustwinkels wirkt sich also dann. besonders vorteilhaft
aus, wenn man in dem überstreichbaren Kapazitätsbereich auf den Teil kleiner Kapazitäten
verzichten
kann. Für die behandelten geänderten Schaltungen, die
die Steuergröße RSo noch berücksichtigen, ist der Verlustwinkel
Die durch die Erfindung erreichten Verbesserungen sind in Fig. q. zusammengestellt.
Die Kurve i zeigt den Verlustwinkel der Schaltung nach Fig. i über der eingestellten
Steilheit S aufgetragen. Er ist von der Steilheit S unabhängig. Die der Erfindung
entsprechenden Schaltungen nach Fig. 2 und Fig. 3 haben Verlustwinkel nach Kurve
2. Sie sind in einem weiten Steilheitsbereich wesentlich kleiner geworden. Berücksichtigt
man bei der Bemessung der Gitter-Kathoden-Impedanz die Steuergröße
RS, so
erhält man Verlustwinkel nach Kurve 3, die bei der Steilheit So vollkommen verschwinden
und darüber negativ werden.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird man auch mit Erfolg
dort anwenden, wo feste Kapazitäten mit kleinem Verlustwinkel herzustellen sind.
Hierzu wird man RS möglichst groß wählen und die Tatsache benutzen, daß der Verlustwinkel
bei geeigneter Wahl der Schaltelemente von positiven zu negativen Werten übergeht.
Hierdurch läßt sich auch bei Zusammenschaltung dieser Kapazität mit. anderen Blindwiderständen
deren. Wirkwiderstand kompensieren.