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Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades von fremderregten modulierten
Sendern Vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, den Wirkungsgrad von
Hochfrequenzsendern (Telephoniesendern) zu verbessern. Es ist nach dieser Richtung
hin schon ein Vorschlag bekannt, der nach folgendem Grundprinzip arbeitet: Von den
Modulationsströmen wird ein Gleichstrom abgeleitet, der den Arbeitsruhepunkt in
Abhängigkeit von der Modulationsamplitude verschiebt. Hierdurch wird erreicht, daß
die Trägeramplitude im wesentlichen gerade so groß ist, daß sie voll durchmoduliert
wird, d. h. keine Übersteuerung stattfindet. Es sind auch eine Reihe von Ergänzungen
dieses Verfahrens bekannt, die sich zur Aufgabe gestellt haben, Verzerrungen in
Empfängern mit nicht linearer Gleichrichtung zu vermeiden. Durch dieses Verfahren
wird eine ganz wesentliche Verbesserung des Wirlcungsgrades erzielt. Vorliegende
Erfindung hat sich jedoch zur Aufgabe gestellt, ein Verfahren zu schaffen, bei dem
die Wirkungsgradverbesserung noch größer als bei dem bekannten ist. Diese Aufgabe
liegt heute in immer stärkerem Maße vor, da der Energiebedarf eines Großsenders
mit allen seinen Nebeneinrichtungen beträchtlich ist, so daß durch eine Wirkungsgradverbesserung
die laufenden Unkosten wesentlich herabgesetzt werden lcönnen.
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Es ist vorgeschlagen worden, bei . einer Anodenspannungsmodulationsschaltung
die Betriebsgleichspannungen der Hochfreqtienzv erstärkerendstufe und der Modulationsverstärkerendstufe
einer aus einem Starkstromnetz betriebenen Gleichspannungsquelle zu entnehmen und
die Größe der gelieferten Anodengleichspannung in Abhängigkeit von der Amplitude
der Modulationsschwingungen zu regeln. Es ist ferner der Vorschlag gemacht worden,
in der Endstufe Röhren mit kleinem Anodendurchgriff zu verwenden und die der Endstufe
zugeführte Betriebsspannung in Abhängigkeit von der Signalstärke zu ändern.
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Im Zusammenhang mit dem nachstehend erläuterten Erfindungsgedankens
verdient noch Erwähnung, daß zum Stand der Technik Verstärkereinrichtungen gehören,
bei denen der Arbeitspunkt der Verstärkerröhre durch eine von der Steuerspannung
durch Gleichrichtung gewonnene Regelspannung verändert wird, ferner Empfangsschaltungen,
bei denen die dem gleichen Zweck dienende Regelspannung von der Zwischenfrequenz
abgeleitet wird.
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Vorliegende Erfindung schlägt nun zur Verbesserung des Wirkungsgrades
von fremderregten modulierten Sendern ein Verfahren vor, das dadurch ausgezeichnet
ist, daß in Abhängigkeit von den mittleren Amplitudenschwankungen der Modulationsfrequenzen
die Anodengleichspannung der Hochfrequenzröhren derart geändert wird, daß praktisch
konstante Spannungsausnutzung eingehalten wird und gleichzeitig die Gittervorspannung
dieser Röhren derart gesteuert wird, daß die
durch die Anodenspannungsänderung
infolge der Anodenrückwirkung hervorgerufene Verschiebung des Arbeitspunktes durch
die Steuer der Gitterv orspannung derart ausgeglichen wird, daß der hochfrequente
Trägerwert konstant bleibt.
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Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß der Wirkungsgrad
der Röhren' bei den bisher gebräuchlichen Sendern deshalb sehr schlecht ist, weil
die Spannungsausnutzung im Durchschnitt sehr schlecht ist (unterspannter Zustand),
denn die größten Modulationsamplituden treten ja nur kurze Zeit auf. Der höchste
Wirkungsgrad wird nur dann erreicht, wenn die Röhre voll ausgesteuert wird. Gemäß
der Erfindung wird daher die Anodenspannung für die jeweilige Modulationsamplitude
so gewählt, daß die Röhre gerade voll ausgesteuert wird. Steigt die Modulationsamplitude,
so wird die . Anodenspannung vergrößert und durch entsprechende Anodenspannungsänderung
eine höher liegende Kennlinie ausgewählt, die ebenfalls voll ausgenutzt wird.
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Es ist wichtig, die Betriebsspannung LTa groß gegenüber der Sättigungsspannung
US zu
machen. Für U, = io L', ist dann die Spannungsausnutzung lt =
i -
= 0,9 = 90 % (s. B a r k h a u s e n , Elektronenröhren, .l. A. i933 Bd. 2,
S. 123 bis i59). Für eine Stromaussteuerung
welche für einen Arbeitspunkt im Nullpunkt der Kennlinie in Frage kommt und ein
h. = go °/o, ist der Wirkungsgrad il = 72 °/o. Dieser hohe Wirkungsgrad wird nur
erreicht, wenn man den Arbeitspunkt in den Nullpunkt der Kennlinie legt und die
Kennlinie (Röhre) voll aussteuert, wie das Abb. i zeigt. In diesem Falle arbeitet
der Sender kurz vor der Grenze des überspannten Zustandes. Bei modulierter Hochfrequenz
kann man aber die Röhre mit dem Ruhestrom der Trägerwelle nicht voll aussteuern,
um einen Wirkungsgrad von 72 % zu erhalten, da bei der Amplitudenmodulation
bei voller Aussteuerung die Amplituden sich zwischen Null und dem doppelten Wert
des Trägers ändern. Aus diesem Grunde darf der Träger im Ruhezustand (Modulationspause)
nur bis zur Mitte der Kennlinie ausgesteuert werden, wie es in Abb. 2 dargestellt
ist. Damit fällt aber die Spannungsausnutzung k. auf die Hälfte, auf .I5 %, und
dadurch auch der Wirkungsgrad von 72 % auf 36 %. Wird nun der Träger
moduliert, und zwar für den Grenzfall (höchste Modulationsamplitude) mit in
= i, darin ergibt sich folgendes Bild (s. Abb. 3) : Die Stromaussteuerung
bleibt in diesem Falle für jeden Punkt annähernd die gleiche. Es ändert sich aber
die Spannungsaussteuerung, und zwar zwischen Null und dem vollen Wert (h
= o bis go °/(,). Die Anodengleichstrornaufnahine bleibt dieselbe, es ändert
sich aber die Wechselstromleistung, diese wird für in - i gleich i + in =/2,
wobei der Ruhewert der Leistung gleich i gesetzt ist. Die Leistung (Ausgang) steigt
damit um die Hälfte von i auf 1,5 und der Wirkungsgrad der Röhre von 36 % auf
Die Aussteuerung ist aber nur in ganz selten auftretenden'Spitzen groß, während
dieselbe im Mittel nur io bis 15 °/o beträgt. Bei Telephoniesendern ist daher der
mittlere Wirkungsgrad der Endröhren nur wenig größer als 36 °/o.
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Für verschiedene Modulationsgrade ergeben sich folgende Liniendiagramme
(s. Abb.4). Aus diesen ersieht man, daß nur für die volle Aussteuerung in
= i in den größten Spitzen die volle Spannungsausnutzung von h = go °/o erreicht
wird. Während dieselbe für in = 0
ini Mittel am geringsten gleich 1t - 45
°/o ist. Für alle Zwischenwerte liegen die Spitzenwerte für einen bestimmten Modulationsgrad
unter h = go °/o.
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Um nun die Spannungsausnutzung zu verbessern, wird erfindungsgemäß
die Anodengleichspannung (,rd und die Gittervorspannung im Takte der Modulationsgradschwankungeii
(.Aussteuerung) so geändert, daß die Spitzen der Hochfrequenzamplituden dauernd
eine Spannungsausnutzung von h --_ go °/o haben. Für die folgende Betrachtung sei
der Durchgriff der Röhre theoretisch gleich Null angenommen. Um für alle Modulationsgrade
in den Spitzen eine Spannungsausnutzung von 9o °/o zu haben, muß man die Anodengleichspannung
zwischen o,5 und i # U,, ändern. Für irt = 0, d. h. für den Trägerruhestrom
erhält man dann einen `'Wirkungsgrad von 27 = 72 % (1t ---
go °/o, j = i,6). Für in, = i wird der Wirkungsgrad dann ll = 5.4°/0.
Es ändert sich also hier bei dem neuen Verfahren der Wirkungsgrad der Endröhre zwischen
72 und 54'/0, während bei konstanter Anodenspannung nach dein normalen Verfahren
sich der Wirkungsgrad zwischen 36 und 5-10/, bei wachsender Modulation änderte.
Der mittlere Wirkungsgrad und damit die Ersparnis gegenüber der normalen Schaltung
richtet sich nach dem mittleren Schwankungsverhältnis der Modulation. In vorstehendem
war der Durchgriff theoretisch gleich Null gesetzt, um die Anodenrückwirkung vernachlässigen
zu können; dieses ist aber praktisch nicht der Fall. Bei der Berücksichtigung der
Anodenrückwirkung ergibt sich bei der Änderung der Anodengleichspannung folgendes:
Man erhält für verschiedene Anodengleichspannungen eine Schar von Kennlinien (s.
Abb.5).
Beim normalen Telephoniesender wird der Arbeitspunkt meistens in den Nullpunkt der
Kennlinie gelegt (Punkt I, Kennlinie A). Wird die Anodenspannung auf die Hälfte
herabgesetzt, dann arbeitet man auf der Kennlinie B. Der Arbeitspunkt liegt nun
nicht mehr im Nullpunkt -der Kennlinie B (Punkt II), sondern für diese Kennlinie
B im negativen Teil bei. Punkt I, und zwar ist der Arbeitspunkt für die Kennlinie
B um D - A* U" ins Negative verschoben, damit ist die wirksame Steuerwechselspannung
für die Kennlinie B um den gleichen Betrag gesunken, Der Trägerstrom ist damit gefallen,
und zwar in der Spitze von a auf b (s. Abb. 5). Um nun den gleichen Trägerstrom
bei veränderlicher Anodengleichspannung zu haben wie bei konstanter Anodenspannung,
wird diese durch die Anodenrückwirkung hervorgerufene Verschiebung des Arbeitspunktes
erfindungsgemäß wieder ausgeglichen durch Beeinflussung der Gittervorspannung. Es
muß erreicht werden, daß für jede Größe der Anodengleichspannung für diese betreffende
Kennlinie der Arbeitspunkt im Nullpunkt dieser Kennlinie liegt, für die halbe Anodengleichspannung
z. B. im Punkt II (s. Abb. 5). Es wird daher die Gittergleichspannung so eingestellt,
daß für den Trägerruhewert der Arbeitspunkt im Nullpunkt der Kennlinie für die halbe
normale Anodengleichspannung liegt. Wird der Sender nun moduliert, so wird bei steigender
Anodenspannung die Gittervorspannung nach der negativen Seite hin vergrößert, und
zwar für jede Vergrößerung der Anodenspannung von U" um D - A U, Damit wird
erreicht, daß der Trägerwert der Hochfrequenz in der Antenne immer die gleiche konstante.
Größe beibehält, wie es auch heute bei normalen Sendern mit konstanter Anodenspannung
der Fall ist (s. Abb. 6).
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In der beiliegenden Abb.7 ist eine beispielsweise Schaltungsanordnung
zur Durchführung des Erfindungsgedankens gezeigt. Die Endstufe des Hochfrequenzsenders
ist mit E bezeichnet. Der Steuersender mit den Vorstufen des Senders ist nur schematisch
gezeichnet und mit St bezeichnet. Durch die Modulationseinrichtung M, die aus einem
Mikrophon und einem Verstärker besteht, wird sowohl der Anodenspannungsgleichrichter
Gl als auch die Gittervorspannung der Endstufe gesteuert. Der Anodengleichrichter
wird aus einem Wechselstromnetz N gespeist. Die Anodengleichspannung wird in bekannter
Weise vom Gleichrichter über eine Siebanordnung S bzw. eine Hochfrequenzdrossel
H der Endstufe zugeführt. Die Anodenspeisung des Steuersenders bzw. der Vorstufen
ist nicht gezeigt, da sie für den Erfindungsgedanken unwesentlich ist. Die Modulationseinrichtung
NI beeinflußt einerseits eine Gittersteuerungseinrichtung A und andererseits einen
Gleichrichter B. Durch die Gittersteuerungseinrichtung A des Gleichrichters
Gl wird die Spannungsabgabe des gittergesteuerten Gleichrichters GZ durch Verlagerung
des Zündpunktes in an sich bekannter Weise beeinflußt. Es kann hier jede der bekannten
Steuerungsschaltungen für derartige Gleichrichter Anwendung finden. Es wäre auch
möglich, an Stelle des gittergesteuerten Gleichrichters eine andere Spannungsquelle,
wie z. B. eine Maschine, zu benutzen, deren Erregung beeinflußt wird. Die Modulationsfrequenzen
werden aber auch andererseits durch den Gleichrichter B gleichgerichtet und beeinflussen
über eine Kette K die Gittervorspannung der Endröhre E.
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Die für die Steuerung des Anodengleichrichters und des Gitters der
Endstufe aufgewendete Leistung ist nur gering gegenüber der eingesparten Leistung.
Die Einsparung nicht aufgenommener Gleichstromleistung richtet sich nach dem Schwankungsverhältnis
der Modulation. Dieses Schwankungsverhältnis- ist, über längere Zeit genommen, sehr
klein und liegt, wie neuere Untersuchungen gezeigt haben, bei 6 - o,2, wobei schon
ein großer Sicherheitsfaktor miteingerechnet wurde. Für diesen Wert von 6 und einer
Anodenspannungsänderung von 0,5 auf i - U" ergibt sich eine Ersparnis
-an Gleichstromaufnahme von etwa 40 °%. Damit ist der Wirkungsgrad der Senderöhre
im Mittel auf 6o % gestiegen, welcher beim normalen Sender nur unwesentlich
über 36 °/o liegt. Soll die Anodenspannung aus Modulationsgründen nicht so tief
gesenkt werden, so ergibt sich z. B. für dasselbe ß von o,2 und einer Spannungsänderung
zwischen o,6 und i - U, eine Ersparnis an Gleichstromaufnahme von etwa 33"/s
%, welches einem mittleren Wirkungsgrad für die Röhre von. etwa 54 °/o entspricht.
Die Ersparungsmöglichkeiten durch das erfindungsgemäße Verfahren sind also sehr
beträchtliche.