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Mit einer oder mehreren Verstärkerröhren zusammengebautes Mikrofon
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für Mikrofone mit geringem
Pegel, insbesondere Kondensatormikrofone. Solche Mikrofone werden in der Regel mit
einer Verstärkerröhre baulich vereinigt. Infolge des durch die Verstärkerröhre angehobenen
Pegels werden die Störwirkungen, die von außen auf das Kabel treffen, relativ schwächer
wirksam. Man gewinnt weiter dadurch noch die Möglichkeit, unverzerrt über eine längere
Leitung arbeiten zu können, indem man mit einem Transformator den Röhrenwiderstand
auf etwa aoo Ohm heruntersetzt.
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Zu einem derartigen Kondensatormikrofonbetrieb wird bei den üblichen
Ausführungen ein Batteriekasten benötigt, der mit einem vieladrigen Kabel die nötigen
Spannungen an das Mikrofon mit seiner Verstärkerröhre heranbringt. Von dem Batteriekasten
aus geht dann die zweiadrige zoo-Ohm-Leitung weiter, unter Umständen über eine große
Entfernung bis zum Verstärker bzw. zu der Zentrale.
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Die Anwendung eines Batteriekastens ist insofern nachteilig, als die
Batterien Wartung und Überwachung erfordern. Ferner ist ein mehrädriges Zuführungskabel
für die einzelnen Stromkreise erforderlich; die Heizung der mit dem Mikrofon zusammengebauten
Röhren erfolgt über die zweite Ader b der zweipoligen, die Nutzimpulse übertragende
Leitung. Die Rückleitung des Anodenstromes und des Heizstromes erfolgt über den
Erdmantel 11T. Da bei solchen Mikrofonanlagen die Erdleitung ganz einwandfrei sein
muß, weil sonst die unangenehmsten Störungen' auftreten können, ist nicht zu befürchten,
daß bei der Benutzung dieser Erdleitung als Rückleitung irgendwelche Beeinträchtigungen
des
Anoden- oder Heizstromkreises eintreten können.
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Der Übersichtlichkeit halber ist die Erzeugung und Zuführung der Gitterspannungen,
die in normaler Weise erfolgt, nicht eingezeichnet, ebenso auch nicht die an sich
vorteilhafte Verwendung von indirekter Heizung und von Schirmgitterröhren.
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Die ganze Anordnung läßt sich statt mit Batterien auch über Gleichrichter
vom Wechselstromnetz aus betreiben.
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Aber nicht nur für Kondensatormikrofone, wie es die Abb. i veranschaulicht,
sondern auch für piezoelektrische Mikrofone hat der Erfindungsgegenstand beträchtliche
Bedeutung. Die neuerdings auf den Markt gebrachten Kristallmikrofone weisen den
Nachteil auf, daß zwischen Mikrofon und nachfolgendem Leitungsverstärker nur eine
begrenzte Leitungslänge zulässig ist. Auch bei der Verwendung von Spezialkabeln
dürfen nur wenige Meter Leitung zwischen dem Mikrofon und dem nachfolgenden Verstärker
liegen, da Frequenzgang und Empfindlichkeit sonst stark benachteiligt werden.
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Zur Erzielung einer ausreichenden Empfindlichkeit ist bereits bekannt,
ein membrangekoppeltes System zu verwenden. Das Kristallsystem bekommt eine möglichst
hohe Kapazität, die ihrerseits mittels eines übertragers auf Werte heraufgesetzt
wird, die größere Leitungslängen zulassen. Ganz abgesehen davon, daß membrangekoppelte
Systeme wegen der Eigenschwingungen der Membranen, die stets im Hörbereich liegen,
ein schlechtes Frequenzband ergeben, wird auch durch die Primärinduktivität des
verwendeten Übertragers eine zusätzliche Dämpfung der tieferen Frequenzen bewirkt,
die ebenfalls das Frequenzband etwa von i5o Hz abwärts stark beeinträchtigt. Der
Grund liegt darin, daß die Klangzelle einen Generator mit kapazitiv em Innenwiderstand
darstellt. Mit der Transformation des Generator innenwiderstandes wird selbstverständlich
gleichzeitig auch die Empfindlichkeit herabgesetzt.
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Die Nachteile der bekannten Kristallmikrofonschaltungen werden nun
dadurch v ermieden, daß der an Hand der Abb. i für Konden-Batormikrofone veranschaulichte
Erfindungsgedanke in sinngemäßer Abänderung auch für Kristallmikrofonschaltungen
benutzt wird. Solche Mikrofone bestehen im allgemeinen aus mehreren Einzelzellen,
die in bestimmter Weise parallel oder hintereinandergeschaltet sind, um ein Optimum
der Empfindlichkeit zu erreichen. Dieses Optimum ist bedingt durch den Innenwiderstand
des Mikrofons bei 5o Hz und durch den Gitterableitwiderstand, der im allgemeinen
in der Größenordnung von 5 bis io Megohm liegt. Bei den heute üblichen Werten der
Gesamtkapazität der Mikrofonzellen kann der Gitterableitwiderstand ohne weiteres
so bemessen werden, daß auch bei 5o Hz nur ein geringer Frequenzabfall vorlianden
ist.
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Die nachfolgende Verstärkerröhre wird wieder wie bei dem Ausführungsbeispiel
nach Abb. i als Widerstandstransformator geschaltet. Ihre Verstärkung liegt wieder
in der Größenordnung von i oder ist gar kleiner als i. Der Anodenwiderstand ist
mitbestimmt durch die Kapazität der auf die Verstärkerröhre folgenden Leitungslänge,
wenn man festlegt, wie weit das Frequenzband nach oben hin übertragen werden soll.
Bei einem üblichen Kabel beträgt z. B. der kapazitive Nebenschluß bei 200 m Leitungslänge
für 8ooo Hz etwa iooo Ohm. Wenn man dem Abschlußwiderstand ebenfalls einen Widerstand
von iooo Ohm gibt, tritt ein Abfall von etwa 30 % ein, der noch gerade zuläs-sig
Ist.
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Das Mikrofon und die zugehörige Verstärkerröhre werden zweckmäßig
mit ihren Schaltelementen mit Ausnahme des Außenwiderstandes in ein kleines Gehäuse
eingesetzt. Durch diese Anordnung wird erreicht. daß die tiefen Frequenzen nicht
benachteiligt werden, da der Gitterableitwiderstand geniigend hoch gehalten werden
kann, daß die hohen Frequenzen nicht durch Leitungskapazitäten gedämpft werden,
daß durch Fortfall der Transformation die Empfindlichkeit der Kristallzellen voll
erhalten bleibt, daß ohne Kopplung mit irgendeiner Membran, also auch ohne störende
Eigenresonanz der Koppelglieder, bearbeitet werden kann und daß weiterhin durch
Fortfall des Übertragers keine Störungen mehr durch fremde Felder und durch die
sonstigen Nachteile des Transformators (Gewicht usw.) eintreten.
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Mit der neuen Anordnung kann man finit einem zweiadrigen, normal abgeschirmten
Kabel eine Entfernung von ioo bis 2001171 ohne unzulässig hohen Abfall der Verstärkung
bei £ooo Hz überbrücken. Bei der Benutzung von Spezialkabeln (etwa konzentrischer
Bauart) in kapazitätsarmer Ausführung können noch größere Entfernungen zwischen
Leistungsverstärker und Mikrofon überbrückt «-erden.
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Die Abb.2 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der neuen Schaltungsanordnung.
In der Kapsel 2o ist das Kristallmikrofon 2 1 mit der -zugehörigen Röhre 22 eingebaut.
Die Anodenspannung und die Heizspannung wird dieser Röhre über die unter Uinstäncieii
ioo bis 200 in lange zweipolige Leitung 23 zugeführt, deren Erdmantel wieder als
Rückleitung dient. Der Abschlußwiderstand 2.1 ist unter Umständen etwa ioo in entfernt
vom
Mikrofon zweckmäßig in einen Kasten eingesetzt, der noch eine
Vorverstärkerröhre 25 enthält. Ferner kann dieser Kasten noch die für den Betrieb
der beiden Röhren erforderlichen Stromquellen (Anodenspannungsquelle und Heizspannungsquelle)
enthalten, z. B. in Form eines Netzanschlußgerätes.
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Das Verbindungskabel endet zweckmäßig in einem Anschlußkasten. Dieser
Anschlußkasten enthält neben dem oben bereits erwähnten Außenwiderständ 24, z. B.
etwa i 1S2, eine Spannungsverstärkerstufe einschließlich der Versorgung für Heizung
und Anode aus dem Netz. Es sind also in diesem Fall für den Betrieb des Mikrofons
keine Batterien notwendig, sondern stets nur die Netzspannung, die ja auch für den
nachfolgenden Leistungsverstärker benötigt wird. Die Leitung zwischen dem Anschlußkasten
und dem Leistungsverstärker soll möglichst nur wenige Meter betragen, da sie von
einem Ouellwiderstand mit beispielsweise 25 kQ auf den normalen Verstärkereingang
mit ioo kn führt. Aus dem Vorstehenden ergibt sich also, daß das Mikrofon als vollkommen
selbständige Einheit an beliebigem Ort unabhängig von irgendwelchen örtlichen Spannungsquellen
aufgestellt werden kann.
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Des weiteren bereitet oft die Aufstellung der Batterie Schwierigkeiten,
da sie zweckmäßig in der Nähe des Mikrofons angeordnet sein muß. Die eingebauten
Batterien müssen besonders gewartet werden, was einen Unsicherheitsfaktor in die
Anordnung -hineinbringt. Ferner darf nicht vergessen werden, vor der Besprechung
die Batterien zusätzlich einzuschalten.
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Es ist bereits bei Mikrofon- und Fernsprechanlagen bekannt, die Heiz-,
Anoden-und Mikrofonvorspannung einpolig über die zur Übertragung der Nutzimpulse
dienende zweiadrige Leitung zuzuführen. Diese Anordnung befriedigt auch in manchen
Fähen bei Kondensatormikrofonen mit zusammengebauter erster Verstärkerröhre. Sie
leidet jedoch unter dem Nachteil, daß die Änwendung des an sich üblichen Transformators
erforderlich ist. Der Übertrager ist gerade bei Kondensatormikrofonschaltungen unerwünscht,
da er stets empfänglich für magnetische Streufelder ist und sein Widerstand weder
rein ohmisch noch frequenzunabhängig ist. Ebenso ist bekannt, den Kabelmantel zur
Rückleitung zu benutzen.
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Die Erfindung bezieht sich nun auf ein mit einer oder mehreren Verstärkerröhren
zusammengebautes Mikrofon, insbesondere Kondensatormikrofon, bei dem die Heizung
einpolig über die zur Übertragung der Nutzimpulse dienende zweiadrige. Leitung erfolgt
und bei dem der Scheinwiderstand des die Leitung speisenden Generators stark herabtransformiert
ist, das die Nachteile der vorbekannten Schaltungen nicht aufweist. Es wird nämlich
gemäß der Erfindung die Ausgangsröhre des mit dem Mikrofon zusammengebauten Verstärkers
anodenseitig durch einen an dem unter Umständen etwa ioo m oder weiter von dem Mikrofon
entfernten Ende der von dem Mikrofon ausgehenden Übertragungsleitung am Anfang der
eigentlichen zum Leistungsverstärker führenden Mikrofonleitung liegenden kleinen
Widerstand praktisch kurzgeschlossen, der zur Ankopplung des nachgeschalteten Verstärkers
dient. Diese Anordnung gestattet es, mit einem lediglich zweiadrigen Kabel über
größere Entfernungen. und ohne Benutzung eines in der Nähe, des 1Vjikrofons aufgestellten
Batteriekastens das Mikrofon mit Strom zu versorgen, d. h. Heizung, Anodenspannung
und Mikrofonvorspannung an das Kondensatormikrofon heranzubringen und gleichzeitig
den Sprechstrom abzuführen.
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Es ist an sich bekannt, den Außenwiderstand einer Verstärkerröhre
sehr klein zu machen, um Verzerrungen durch weitere frequenzabhängige Widerstände
im Ausgangskreis herabzusetzen.
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Weiter ist bekannt, einen hochohmigen Eingangswiderstand dadurch herabzutransformieren,
daß man eine Röhre, die nicht zu Verstärkungszwecken dient, zooprozentig gegenkoppelt.
Dementsprechend wird der Kopplungswiderstand, von dem aus die zu übertragenden Spannungen
dem nachgeschalteten Verbraucher zugeführt werden, zwischen Kathode und Erde geschaltet.
Wollte man diese Anordnung für mit einem Verstärker zusammengebaute Kondensatormikrofone
verwenden, so wäre es jedoch nicht möglich, mit einem zweiadrigen Kabel auszukommen.
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An Hand der Ausführungsbeispiele nach den Abb. i und 2 soll der der
Erfindung zugrunde liegende Gedanke näher erläutert werden. Die obenerwähnten, für
den praktischen Betrieb sehr wesentlichen Vorteile lassen sich bei der in der Abb.
i dargestellten Schaltung dadurch erzielen, daß die auf die lange Mikrofonleitung
arbeitende Röhre 3 nicht in der üblichen Weise verstärkend wirkt, sondern vielmehr
durch einen kleinen Widerstand :l. am entfernt liegenden Anfang der Übertragungsleitung
anodenseitig kurzgeschlossen ist, so daß bei der Übertragung der Anodenstromschwankungen
die Kabelkapazität keine Rolle spielt. Obgleich also der Widerstand q. schalttechnisch
zur Röhre 3 gehört, liegt er unter Umständen bis zu Zoo m von dieser i entfernt
am- Anfang der zum Leistungsverstärker führenden Leitung. Der Verstärkungsverlust,
der
durch diese Betriebsweise des Rohres entsteht, wird durch den Einbau einer weiteren
Verstärkerröhre 2 ausgeglichen oder mehr als ausgeglichen.
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Die Einzelheiten der Schaltung sollen an Hand des schematischen Schaltbildes
im folgenden genauer erläutert werden: Das Mikrofon i wirkt auf das Gitter der ersten
Röhre 2, die die Spannung entsprechend verstärkt weitergibt auf das Gitter der Röhre
3. Diese Röhre 3 wirkt nicht verstärkend, sie ist vielmehr am fernen Anfang der
Mikrofonleitung durch den kleinen Widerstand q. praktisch kurzgeschlossen. Ihr Verstärkungsfaktor
ist daher kleiner als i und beträgt beispielsweise nur noch o,5.
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An den Enden des Widerstandes q. wird die ?Nutzspannung des Mikrofons
abgenommen. Da der Blockkondensator 6 groß genug gemacht werden kann, so ist sein
Widerstand ohne Einfluß, und da weiterhin zwischen Erde und dem Punkt 7, an dem
eine Gleichstromquelle mit v ernachlässigbarem inneren Widerstand liegt, keine Wechselspannungsdifferenz
besteht, so wird man somit am Ausgang 5 stets den Wert des Widerstandes .a. als
den inneren Widerstand des Ausgangskreises messen.
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Infolge des Umstandes, daß der Anoden- . widerstand q. am Ende des
Kabels liegt, ist die Möglichkeit einer Fernspeisung der Röhren 2 und 3 geschaffen.
Die Anodenspannung wird bei 7 zugeführt. über den Widerstand und die Ader a des
zweipoligen Kabels gelangt diese Spannung an die Anode der Verstärkerröhre 3. Diese
Ader a kann auch für die Zuführung der Anodenspannung zu der Verstärkerröhre 2 ausgenutzt
werden. Hierbei tritt jedoch die Schwierigkeit ein, daß die Anode der Röhre :2 die
betriebsmäßigen Spannungsschwankungen der Nutzwechselspannung an der Anode 3 nicht
mitmachen darf. Um dies sicherzustellen, ist gemäß weiterer Ausbildung der Erfindung
die Siebung 9, io vorgesehen, die bewirkt, daß die Spannungsschwankungen an der
Anode der Röhre 3, die infolge des Kurzschlusses dieser Röhre so- , wieso verhältnismäßig
klein sind, nicht auf die Röhre.2 übertragen werden. Die Röhre selbst arbeitet auf
den Anodenwiderstand 13.
Für die Zuführung der Vorspannung zum Mikrofon i
wird ebenfalls keine besondere Leitung benötigt. Die Spannung wird vielmehr auch
von der Anodenleitung für die Röhre 3 abgenommen und dann durch die Siebung 11,
12 gesiebt. Es ist offensichtlich, daß es nicht nötig ist, stets die volle Spannung,
die an der Anode der Röhre 3 liegt, zur Anwendung zu bringen, man kann vielmehr
auch durch Spannungsteilung Teilbeträge herstellen, ferner kann man auch noch Spannungen
für andere Zwecke, z. B. für ein Schirmgitter, abzweigen.