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Regelbarer Gleichstromverstärker Wie bei allen Verstärkern, so besteht
auch beim Gleichstromverstärker, bei dem also zur Kopplung der einzelnen Stufen
lediglich Ohmsche Glieder dienen, der Wunsch, die Verstärkung stufenweise oder stetig
bzw. stufenweise und stetig zu regeln, mit anderen Worten: man will in der Beziehung
y-s#V#x, in der x die Eingangsspannung und y die Ausgangsspannung
bzw. den Ausgangsstrom bedeuten, die Verstärkungsziffer von ihrem Höchstwert V herab
regeln. Hierbei ist s folgender Bedingung unterworfen: o<s<z. Eine Regelung
am Eingang des Verstärkers ist für hohe Frequenzen wenig zweckmäßig, und sie scheidet
auf jeden Fall dann aus, wenn die zu verstärkende Größe nicht belastet werden darf,
z. B. bei Verstärkungen von fotoelektrischen oder piezoelektrischen Strömen und
Spannungen. Eine Regelung am Ausgang ist ebenfalls unzweckmäßig, denn man wünscht
die Verstärkungsziffer s # h nicht deshalb zu erniedrigen, um bei gegebenem
x ein kleineres y zu erlangen, sondern um bei gegebenem y ein größeres x zulassen
zu können. Bei der Ausgangsregelung würde in diesem Falle aber der Verstärker übersteuert
werden und nicht mehr linear arbeiten.
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Man muß also die Verstärkungsziffer zur Vermeidung von Übersteuerungsmöglichkeiten
nahe am Eingang, z. B. zwischen der ersten und zweiten Stufe, verändern. Bekannt
sind hierfür hauptsächlich folgende Methoden: Änderung der Gittervorspannung an
einer Regelröhre, also einer Röhre mit einer Kennlinie veränderlicher Steilheit,
Änderung
der Spannung an einem anderen Gitter, z. B. dem Schirmgitter, oder Änderung des
Anodenwiderstandes.
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Diese Methoden sind beim Gleichstromverstärker jedoch nicht anwendbar,
weil sich bei der rein Ohmschen Kopplung gleichzeitig mit der Regelung das Gitterpotential
der folgenden Röhre zwangsläufig derart verändert, daß diese Röhre außerhalb ihres
erforderlichen Arbeitspunktes betrieben wird.
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Die Erfindung bezieht sich nun auf eine Anordnung zur frequenzunabhängigen
Regelung des Verstärkungsgrades von Meßverstärkern mit gleichstrommäßig über Spannungsteiler
gekoppelten mehreren Stufen, bei denen der regelbare Abgriff des wechselstrommäßig
parallel zum Außenwiderstand einer Stufe liegenden Spannungsteilers mit dem Gitter
der folgenden Stufe verbunden ist. Das Kennzeichen dieser Anordnung besteht darin,
daß die Anzapfungen der alle Stufen speisenden Gleichspannungsquelle derart gewählt
sind, daß das Ruhepotential der Anode einer Stufe äquipotential mit dem Anzapfpunkt
des zugehörigen Spannungsteilers ist und die Kathoden gegenüber ihren Steuergittern
konstant positiv vorgespannt sind.
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Bei einer derartigen Regelung hat es sich gezeigt, daß die Arbeitspunkte
sämtlicher Röhren streng gewahrt bleiben, gleichgültig, ob eine ein- oder mehrstufige
Regelung v orgenommen wird. Es sei übrigens noch bemerkt, daß eine frequenzunabhängige
Regelung zwischen zwei über einen Kondensator gekoppelten Stufen bereits bekannt
ist.
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In Fig. i ist eine einstufige Regelung und in Fig. 2 eine zweistufige
Regelung jeweils eines Teiles der Anodenspannung dargestellt. Die Fig.3 und q. zeigen
besonders zweckmäßige Potentiometerausführungen für die Verstärkungsregelung.
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In Fig. i ist mit i die Röhre der Eingangsstufe bezeichnet, an deren
Gitter die Eingangsspannung x, liegen möge. Die Spannung an der Anode sei, wenn
x,= o ist, mit x2 bezeichnet. Ihre Anodenspannung erhält die Röhre
über den Widerstand a von einer als Spannungsteiler dargestellten allgemeinen Spannungsquelle
3. Mit der Anode der Röhre i ist ein Spannungsteiler q. höheren Ohmwertes verbunden,
dessen anderer Pol an dem Spannungsteiler 3 liegt. Der Abgriff 5 des Spannungsteilers
q. ist nun so eingestellt, daß, wenn die Eingangsspannung x, = o ist und infolgedessen
die Spannung an der Anode x2 = o ist, d. h. seinen Ruhewert aufweist, die Spannung
am Abgriff 5 genau gleich diesem Ruhewert ist. An dem Spannungsteiler d. herrscht
demnach in diesem Falle kein Potentialabfall. Von dem Spannungsteiler q ist über
einen @Xbgriff 6 die Steuerspannung für die Röhre 7 der nächsten Stufe entnommen.
Die Röhre 7 erhält ihre @@nodenspannung wiederum über einen Widerstand 8, und das
»Klemmenpaar 9 stellt den belasteten oder unbelasteten Ausgang des `'erstärkers
dar.
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Durch den besonderen Abgleich des :#,bgriftes 5 des Spannungsteilers
q. auf den Ruhewert der -Anode der Röhre z wird auch bei Verlagerung des Abgriffes
6 die Gittervorspannung für das Gitter des Rohres 7 in keinem Falle geändert. Lediglich
der abgegriffene Teil der verstärkten Eingangsspannung, der gemäß der Einstellung
von 6 jeweils größer oder kleiner ist, gelangt an das Steuergitter der Röhre 7 und
erzeugt die verstärkte Spannung _r, am Ausgang dieser Röhre.
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Der Vorgang der Verstärkungsregelung lälit sich zahlenmäßig sehr einfach
ausdrücken.
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Es ist '
d. h. also gleich dein am Spannungsteiler abgegriffenen Verhältnis, ferner ist xa=Y2i'
x" worin L'2, der Verstärkungsfaktor der Röhre i ist, und schließlich ist x2 = S
' -lf worin .r2' das Potential am Gitter der Röhre 7 ist und schließlich ist xa
= v32, x2 wobei V32 der Verstärkungsgrad der Röhre 7 ist.
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Aus dem Obigen ergibt sich: xs=Ys:'v2i's' xi oder, da 1732 # V21 gleich
der Gesamtverstärkung 1' des Verstärkers ist, x3= v's' x,
d. h. die Ausgangsspannung
ist proportional der Eingangsspannung mal dem V erstärkungsfaktor und dem am Spannungsteiler
eingestellten Verhältnis.
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Will man s in weiten Grenzen oder sehr feinfühlig regeln, so ist eine
mehrstufige, praktisch also zweistufige Regelung für s notwendig, wobei im allgemeinen
die Grobregelung stufenweise und .die Feinregelung stetig erfolgen soll.
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Für den Aufbau der Regelung sind zwei Fälle zu unterscheiden, und
zwar Verstärker mit nur zwei Röhren und Verstärker mit drei oder mehr Röhren.
Am
übersichtlichsten liegen die Verhältnisse bei Verstärkern mit drei oder mehr Röhren.
Hier kann man gemäß Abb. 2 zwischen der ersten und der zweiten Stufe etwa eine Grobregelung
vornehmen und zwischen der zweiten und der dritten Stufe eine Feinregelung. Unter
Beibehaltung der für die mit Bezug auf die Fig. i gleichartigen Teile bzw. Potentialpunkte
ist eine weitere Stufe io hinzugefügt, die ihre Gittervorspannung aus dem Potentiometer
i i erhält und deren Anode über den Widerstand r2 mit dem Potentiometer 3 verbunden
ist. Der Ausgang des gesamten Verstärkers ist mit 13 bezeichnet.
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Bezeichnet man das am Potentiometer q. eingestellte Verhältnis mit
s, und das Verhältnis am Potentiometer i.i mit s2, so ist offenbar x4=h#s wenn S=Sl,s2
ist. Zweckmäßig ist dafür zu sorgen, daß durch die Feinregelung gerade immer eine
Lücke zwischen zwei Stufen der Grobregelung überstrichen wird, d. h. man wählt für
die st-stufige Grobregelung die Abstufung-S, - pr' worin r=o,r,
....... 11-i p-< i und für die stetige Regelung s2 den Bereich x>s2 so
daß die Gesamtregelung wie gewünscht s=pr's2 ist. Selbstverständlich kann man kleine
Abweichungen von der obenerwähnten Stufung für s, zulassen, um im Dezimalsystem
zu bleiben, z. B.
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si = i; 0,3; 0,0i; 0,003; . . . . . . ., . und man kann ebenfalls
zwecks Überlappung den Regelbereich von s2 etwas erhöhen.
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Besitzt der Verstärker nur zwei Röhren oder will man zur Vermeidung
von Übersteuerungen beide Regelstufen schon nach der ersten Röhre einsetzen, so
ist der Spannungsteiler 4 in Fig. i durch einen der beiden Spannungsteiler nach
Fig.3 oder Fig.4 zu ersetzen. Der Spannungsteiler nach Fig.3 liefert eine arithmetische,
also gleichmäßige Unterteilung der Grobstufen, während der nach Fig. 4 eine geometrische,
d. h. verhältnisgleiche Unterteilung erzeugt. In beiden Fällen wird durch einen
Feinregler der Bereich zwischen je zwei Grobstufen gerade ausgefüllt.
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Nach Fig. 3 ist der gesamte Widerstand in beispielsweise sieben gleiche
Teile 14 bis 2o eingeteilt. Durch den Umschalter 2 1 wird zu jeweils zwei aufeinanderfolgenden
Widerständen dieses Reglers als Feinregler ein Spannungsteiler 22 parallel geschaltet,
dessen Abgriff 23 an das Gitter der nächstfolgenden Röhre gemäß Fig. i oder 2 geführt
ist: Der Ohmwert des Potentiometers 22 ist gleich dem Ohmwert zweier Teilwiderstände
des Grobreglers, so daß also die Parallelschaltung den Ohmwert eines Teilwiderstandes
aufweist. Durch eine einfache Überlegung erkennt man, daß auch bei dieser Art der
Regelung der gesamte Bereich o@s<i lückenlos erfaßt wird.
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Bei dem Spannungsteiler gemäß Fig. 4 ist eine Anzahl untereinander
nicht gleicher Stufen 24 bis 30 mit Zuführungen zu einer Kontaktbahn vorgesehen,
und mittels des Kontaktarmes 31 kann zu je einem Teil der Stufen 24 bis 3o
das mit einem Festwiderstand vereinigte Feinregelpotentiometer 32 parallel geschaltet
werden, dessen Abgriff 33 zum Steuergitter der folgernden Stufe führt. - Auch hier
kann man leicht errechnen, daß die bereits früher bei der Erklärung der Fig. i aufgestellte
Beziehung s=pr's2 genau eingehalten ist.
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Durch die Art der Grobregelung nach Fig.4 wird der Gesamtwiderstand
zwischen den beiden Endpunkten des aus den Widerständen 24 bis 3o bestehenden Spannungsteilers
geändert. Falls dieser Widerstand nicht "hinreichend hochohmig ist und seine Änderung
eine Änderung der Verstärkungsziffer hervorrufen sollte, kann man zweckmäßig durch
eine nicht dargestellte, mit dem Grobregler mechanisch gekuppelte Kontakteinrichtung
zu jeder Stufe einen solchen Widerstand zu dem Gesamtpotentiometer parallel schalten,
daß -der Gesamtwiderstand unabhängig von der gewählten Stufe eingehalten bleibt.
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Unter Umständen kann es auch vorkomtuen, daß die Ruhespannung beispielsweise
von x2 in Fig. i nicht genau gleich der Spannung an dem Abgriff 5 des Potentiometers
3 ist. Die Verschiebung der Arbeitspunkte bleibt zwar in tragbaren Grenzen, jedoch
wandert der Nullpunkt bei Einstellung des Verstärkungsgrades ein wenig ab. Es ist
daher zweckmäßig, eine Regelung vorzusehen. Entweder wird man den Abgriff 5 oder
den anderen Festanschluß des Potentiometers 4 veränderlich gestalten, bzw. man wird
die Gittervorspannung oder die Gesamtspannung des Rohres i regelbar einrichten.
Die Einstellung ei#folgt dann so, daß bei kurzgeschlossener
Eingangsspannung
die Ausgangsröhre immer unabhängig von der Reglerstellung, also von der Stellung
des Kontaktes 6, bleibt.
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Zu erwähnen ist, daß die Schaltungen auch dann anwendbar sind, wenn
entgegen der bisherigen Voraussetzung die Röhren mit ihren Kathoden auf gleichem
Potential liegen. In diesem Falle sind die bei Gleichstromverstärkern bekannten
Mittel zur Einstellung der erforderlichen Betriebsspannungen zu verwenden.