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Anordnung zur Erzeugung eines sägezahnförrnigen Stromverlaufs, insbesondere
für die magnetische Ablenkung von Kathodenstrahlen für Oszillographen- und Fernsehzwecke
Bei dem Problem der Erzeugung sägezahnartiger Kurvenformen, die insbesondere für
die Ablenkung von Kathodenstrahlen in Oszillographen- und Fernsehröhren notwendig
sind, hat man zu unterscheiden, ob eine sägezahnförmige Spannung hergestellt werden
muß, d. h. ob es sich um eine Kathodenstrahlröhre mit Ablenkplatten handelt oder
ob ein sägezahnförmiger Strom gewünscht wird, wie er für den Betrieb einer Kathodenstrahlröhre
mit Spulenablenkung notwendig ist. Die Erzeugung sägezahnförmiger Spannungskurvenbereitetkeinebesonderen
Schwierigkeiten. Man pflegt zu diesem Zwecke einen Kondensator, beispielsweise über
einen Widerstand, aus einer konstanten Spannungsquelle langsam zu laden und diesen
Kondensator dann über eine Glimmlampe, eine gasgefüllte Verstärkerröhre o. dgl.
schnell wieder zu entladen. Viel schwieriger ist es jedoch, in einer Ablenkspule
einen sägezahnförmigen Strom zu erzeugen, insbesondere wenn die Linearität der schwach
geneigten Sägezahnflanke so gut, die Rücklaufzeit so klein und die Frequenz des
.Sägezahnstromes so hoch sein soll, wie dies beispielsweise für Fernsehzwecke heute
notwendig ist. Man hat zu diesem Zweck der Verstärkerröhre, in deren Anodenkreis
die Ablenkspulen liegen, bereits eine Sägezahnspannung sowie einen aus einzelnen
Impulsen bestehenden Spannungsverlauf zugeführt, welche beide zusammen einen sägezahnförmigen
Strom durch die Ablenkspule hervorrufen, Die hierzu erforderliche Schaltungsanordnung
ist verhältnismäßig kompliziert,. da zur Erzeugung der Impulsspannung eine besondere
Röhre notwendig ist, so daß, ein derartiger Sägezahngenerator im ganzen zwei Röhren
erfordert. Es ist bei einem derartigen Sägezahngenerator auch bekanntgeworden, die
zweite Röhre, in deren Anodenkreis die Ablenkspule liegt, mit einer Stromrückkopplung
zu versehen, um die durch unerwünschte Einflüsse im Anodenkreis dieser Röhre entstehenden
Verzerrungen des Sägezahns zu vermeiden. Eine solche Stromrückkopplung hat jedoch
mit der weiter unten zu beschreibenden bei der Erfindung benutzten Spannungsrückkopplung
nichts zu tun. Gleichzeitig hat man auch in ihrem Anodenkreis die Ablenkspule enthaltende
Röhre mit einem Schirmgitter versehen. Dieses Schirmgitter
ruft
jedoch ebenfalls nicht die bei der Erfindung erzielten Wirkungen hervor, sondern
dient nur zu dem Zweck, den Innenwiderstand der Röhre zu vergrößern, damit durch
die Ablenkspule auch ein der sägezahnförmigen Spannung am Steuergitter der Schirmgitterröhre
proportionaler Strom hindurchfließt. Man hat außerdem bei einem Sägezahngenerator,
bei dem eine Sägezahnspannung mit einer überlagerten Impulsspannung über eine weitere
Röhre erst einen sägezahnförmigen Strom durch die Ablenkspule hervorruft, auch bereits
die erste Röhre, mit deren Hilfe erst die Sägezahnspannung mit überlagerten Impulsen
hergestellt wird, mit einem Schirmgitter ausgerüstet. Dieses erfüllt jedoch ebenfalls
nicht die Aufgabe, die dem bei der Erfindung verwendeten Schirmgitter zufällt, sondern
dient nur als Anode der für diese erste Röhre verwendeten Sperrschwingerschaltung,
so daß der Anodenkreis der ersten Röhre rein elektronisch mit der Sperrschwingerschaltung
gekoppelt wird. Es besteht auch die Möglichkeit, Kippschwingungen von annähernd
sägezahnförmigen Verlauf mittels eines Dynatrons zu erzeugen, d. h. mittels einer
Röhre, deren Stromspannungscharakteristik infolge der innerhalb der Röhre auftretenden
Sekundärelektronenemiss s ion einen Bereich negativen Widerstandes aufweist (Abb.
i). Jedoch lassen sich derartige Röhren nicht mit genügend gleichmäßigen Sekundäremissionseigenschaften
fabrizieren, um alle praktischen Anforderungen zu befriedigen. Man könnte daran
denken, zur Vermeidung dieses Nachteils an Stelle des Dynatrons eine Triode mit
Spannungsrückkopplung zu setzen. Jedoch besitzt die Strome, einer solchen Röhre
mit Spannungsrückkopplung keinen genügend steilen Ast a-b, weil die Stromspannungskennlinien
bei einer Triode anfänglich sehr flach verlaufen, wie es in Abb. 2 veranschaulicht
ist. Der Parameter der einzelnen Kurven in Abb.2 ist die Gitterspannung, die in
der Richtung des Pfeiles p immer negativer wird. Es ist auch bekannt, eine '#,Iehrgitterröhre
mit Spannungsrückkopplung zu verwenden, jedoch nur in der Form, daß eine Raumladegitterröhre
benutzt wird. Auch in diesem Falle ist der erste Ast der Stromspannungscharakteristik
etwa ebenso flach wie bei einem Dynatron oder einer rückgekoppelten Triode.
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Gemäß der Erfindung wird deshalb eine 1lehrgitterröhre mit Rückkopplung
der an der Anodenkreisinduktivität, vorzugsweise der Ablenkspule selbst auftretenden
Spannung in den Gitterkreis, verwendet, bei welcher zwischen dem rückgekoppelten
Gitter und der Anode ein Gitter auf gegenüber Kathode positiven Potential liegt.
Die Stromspannungsl:ennlinie einer solchen Mehrgitterröhre mit Spannungsrückkopplung
besitzt im Gegensatz zu der Kennlinie nach Abb. i und der Kennlinie einer Triode
sowie einer Raumladegitterröhre einen steil ansteigenden Ast im Gebiet kleiner Anodenspannungen,
wie es die Abb. 3 erkennen läßt, welcher einem Widerstand von 4.oo Ohm oder weniger
und selbst in ungünstigen Fällen noch einem Widerstand von etwa 8oo Ohm entspricht.
Dies hängt damit zusammen, daß die Stromspannungskennlinien von Penthoden für eine
konstante Schirmgitterspannung den in Abb..4 angedeuteten Verlauf mit steiler Anfangstangente
besitzen. Der Parameter dieser Kurven ist ebenfalls die Spannung am Steuergitter,
«-elche in der Richtung des Pfeiles p' negativer wird. An Stelle des Astes c-cl
in Abb. i bei einem reinen Dynatron tritt ein sehr flacher abfallender Ast. der
in Abb. 3 mit ä-f bezeichnet ist. Der Ast g-f in Abb. 3 ist ebenso bei einer spannungsrückgekoppelten
Triode vorhanden, da durch die Rückkopplung der Anodenstrom rechts von der Linie
T%
in Abb.3 stets nur kleiner werden kann. Wenn man auch einen zur Spule parallel
liegenden Ohmschen Widerstand berücksichtigt, kann bei der 1VIehrgitterröhre gemäß
der Erfindung der Ast e-f in Abb. 3 erreicht werden. Dieser Widerstand ist für die
gemäß der Erfindung zu treffende Schaltung, welche in Abb. 5 wiedergegeben ist,
in der Abb.6 eingetragen und dort mit TI' bezeichnet.
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Unter Verwendung einer spannungsrückgekoppelten Mehrgitterröhre gemäß
der Erfindung ergibt sich nun ein sägezahnförmiger Strom, wie unter gleichzeitiger
Zuhilfenahme der Abb. 5 erläutert werden soll. Die Anodenspannungsquelle l'a möge
den in Abb. 3 eingezeichneten Betrag besitzen. Wenn nun der Strom in der Röhre Full
ist und die Schaltung so wie in Abb.5, in welcher cüie Spule I_ im Anodenkreis der
Röhre liegt, besteht, steigt der Spulenstrom zunächst mit annähernd konstanter Tangente
langsam an, da in jedem Punkte zwischen dein Koordinatenursprungspunkt und dem Punkte
b in Abb. 3 die Spannung VIt zwischen der Anode und der Kathode der Mehrgitterröhre
auftritt, während die Spannung l'L an der Ablenkspule liegt. Da zwischen dem Koordinatenursprungspunkt
und dem Punkte b die Spannung VL stets annähernd gleich groß ist, ist die Tangente
des Stromanstieges annähernd konstant. Im Punkte b will nun der Röhrenstrom wieder
abnehmen, was zu einer Vergrößerung der an der Ablenkspule L liegenden Spannung
infolge der elektromotorischen Kraft der Selbstinduktion führt. Die Spulenspannung
steigt dabei ohne Stromabnahme sprunghaft so stark an, bis wieder ein stabiler
Zustand
erreicht wird, d. h. bis zum Punkte e auf dem flach ansteigenden Ast der Stromspannungskennlinie
(der Ast g-f der Stromspannungskennlinie in Abb.3 soll vorläufig außer Betracht
bleiben). Im Punkte e besitzt nun die Spannung an der Spule L das umgekehrte Vorzeichen
wie vor Erreichung des Punktes b, da nämlich die Summe der Anodenspannung und der
Spulenspannung wieder den Betrag V," der Anodenspannungsbatterie ergeben muß. Für
jeden Punkt auf dem Aste e-f der Stromspannungskennlinie hat die Spannung zwischen
Kathode und Anode der Röhre den Wert-WR und die Spulenspannung den Wert h'L. Dieser
letztere Wert ist viel größer als der Wert VL, und der Strom in der Spule muß sich
daher -ziel schneller ändern als während der Zeit, in welcher der Kurvenast bis
zum Punkte b durchlaufen wird. Da die Spannung v'L außerdem, wie bereits erwähnt,
das umgekehrte Vorzeichen besitzt wie die Spannung TL, muß die Stromänderung in
der Spule in der umgekehrten Richtung vor sich gehen wie bis zum Punkte b, d. h.
der Spulenstrom muß schnell abnehmen, während er bis zum Punkte b langsam zugenommen
hat. Im Punkte f will der Röhrenstrom wieder zunehmen und die an der Spule entstehende
Spannung der Selbstinduktion ändert sich sprunghaft, bis wieder der Punkt a auf
dem steil ansteigenden Ast der Stromspannungskennlinie erreicht ist, worauf der
beschriebene Vorgang sich wiederholt. Der horizontale Verlauf der sogenannten Sprunggeraden
b-e und f-cc bedeutet eine starke Spannungsbeanspruchung der Mehrgitterröhre, da
nämlich,- wie bereits auseinandergesetzt, die Spannung TI'R wenigstens in der Nähe
des Punktes e sehr viel größer ist als die Spannung Va. Um die Spannungsbeanspruchung
der Röhre zu vermindern, wird der parallel zur Spule liegende Widerstand Tij benutzt.
Der Ast e-f steigt dann um so steiler an, je kleiner dieser Widerstand wird, und
die Spannungen VR werden also kleiner.
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Wenn man den Vorgang der Erzeugung eines Sägezahnstromes unter Betrachtung
des Astes g-f (statt des Astes e-f) verfolgen will, muß man beachten, daß die Sprunggeraden,
welche in Abb.3 horizontal eingezeichnet sind, nunmehr geneigt gezeichnet werden
müssen, da die Spannungssprünge ja bei konstantem Strom ausgeführt ' werden, und
die Sprunggeraden infolgedessen parallel zur Widerstandsgeraden liegen müssen. Dies
ist in Abb. 7 dargestellt, in welcher b'-e' und f'-ui die nunmehr schräg liegenden
Sprunggeraden bezeichnen und G die Widerstandsgerade des Widerstandes fr.
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Im folgenden soll nun der Einfluß der Eigenkapazität der Spule L untersucht
werden. Zu diesem Zweck soll, um die Betrachtung zu erleichtern, angenommen werden,
daß der Ast f-g der Stromspannungskennlinie so nahe der waagerechten Achse des Koordinatensystems
.verlaufen möge, daß man die Stromspannungskennlinie durch die in Abb. 8 dargestellte
Kurve annähern kann, welche im Punkte P auf der Abzissenachse mündet. Bis zum Punkte
b' und längs des ersten Teiles der geneigten Sprunggeraden geht der Vorgang dann
in derselben Weise vor sich wie oben beschrieben. Sobald die durch den Punkt P gelegte
vertikale Gerade überschritten und etwa der Punkt O erreicht ist, ist die Mehrgitterröhre
stromlos und die Schaltung besteht dann, wie es aus Abb. j ersichtlich ist, praktisch
nur aus der Spule L, deren Eigenkapazität als parallel zur Spule L liegende Kondensator
C -gezeichnet ist und dem ebenfalls zur Spule parallel liegenden Widerstand W. Dies
ist aber nichts anderes wie ein gedämpfter Schwingungskreis, in dessen Spule ein
gewisser Strom fließt (Ordinate des Punktes O) und an dessen Kondensator eine gewisse
Spannung besteht (Abzisse des Punktes Q). Ein solcher Schwingungskreis führt wegen
der Dämpfung durch den Widerstand W Schwingungen mit allmählich abnehmender Amplitude
aus, die sich im Stromspannungsdiagramm als eine einrollende Spirale, die im Punkte
Va der Abzissenachse endet, darstellen. In diesem. Punkte besteht nämlich in der
Spule der Strom Null und gleichzeitig am Kondensator die Spannung Null. Die Spirale
verläuft vom Punkte D ab zunächst etwa so wie es durch die Kurve S dargestellt ist,
da bis zur Erreichung der vertikalen ' Linie durch den Punkt P die Röhre voraussetzungsgemäß
stromlos ist. Nach Überschreitung dieser Linie kann kein genau spiralförmiger Verlauf
mehr stattfinden"da nun ein Parallelstromzweig zum Schwingungskreis, nämlich durch
die Röhre hindurch besteht, welcher den Verlauf der abklingenden Schwingungen beeinflußt,
und zwar in einer Weise, die hier nicht näher untersucht zu werden braucht. Man
kann den Wertdes Widerstandes W nun so wählen, daß -die Kurve S in der Nähe des
Koordinatenursprungspunktes den steil ansteigenden Ast der Stromspannungskennlinie
schneidet, worauf bis zum Punkte b' wieder der langsam ansteigende Teil der Sägezahn=
kurve durchlaufen wird. Die Dauerdes Stromverlaufs vom Punkte Q bis zur Wiedereinmündung
in den steil ansteigenden Ast der Stromspannungskennlinie wird durch die Größen
von L und C bestimmt. Um diese Rücklaufzeit möglichst kurz zu machen, empfiehlt
es sich, ,die Größe C möglichst klein zu wählen, d.h. die Ablenkspule nach irgend=
einer bekannten Methode möglichst kapazitätsarin
zu wickeln. Die
Dämpfung des Schwingungskreises L. C in Abb. 9 wird zweckmäßig kleiner gewählt als
es dem aperiodischen Grenzfall entspricht, d. h. der Widerstand 117 wird so bemessen,
daß die Spirale S erst nach mehreren vollen Umläufen den Punkt V" erreichen würde.
Man erreicht hierdurch, daß nach etwa drei Vierteln eines `ollen Umlaufs, wie in
Abb.8 dargestellt. wieder der steil ansteigende Ast der Stromspannungskennlinie
durchschnitten wird, d.h. daß der flach ansteigende Teil der Sägezahnkurve wieder
beginnt.
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. Der Verlauf der spiralförmigen Kurve S kann auch noch dadurch beeinflußt
werden, daß die Eigenkapazität der im Gitterkreis liegenden Wicklung bzw. die Größe
eines dieser Wicklung parallel zu schaltenden Kondensators, der in Abb. io mit K
bezeichnet ist, so gewählt wird, daß die Eigenschwingzeit des Gitterkreises gleich
oder größer ist als die des Anodenkreises. Dann ist nämlich die Röhre auch noch
nach Überschreitung der durch den Punkt P in Ab:b. 8 hindurchgehenden vertikalen
Geraden noch gesperrt, so daß unter Umständen bis zur Einmündung in den steil ansteigenden
Ast der Stromspannungsk ennlinie ein spiralförmiger Verlauf stattfinden kann. Eine
geeignete Dämpfung für den in der Gitterleitung liegenden Schwingungskreis kann
man mittels des Widerstandes R einstellen.
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Es empfiehlt sich, die Betriebsspannungen der Mehrgitterröhre so zu
wählen, daß der Schirmgittergleichstrommindestens gleich und möglichst größer als
der Anodengleichstrom ist. Man erreicht hierdurch einen steilen Anstieg des ersten
Astes der Stromspannungskennlinie, was den Vorteil mit sich bringt, daß die Spannung
der Anodenbatterie I', während des langsamen Anstiegs der Sägezahnkurv e nahezu
vollständig an der Spule liegt, d. h. daß die Spannung an der Spule möglichst unabhängig
von dem bereits fließenden Strom ist. -Um den Stromsägezahngenerator gemäß der Erfindung
möglichst genau auf die erforderliche Ablenkfrequenz einstellen zu können, empfiehlt
es sich, eine Anodenspannungsquelle zu verwenden, deren Spannungshöhe veränderlich
ist. Man kann hierdurch gleichzeitig den durch die Röhrenabweichungen erzeugten
Einfluß auf die Frequenz des erzeugten Sägezahnstrorneskompensieren. Sofern man
den Sä:gezalingenerator synchronisieren will, kann die entsprechende Synchronisierungsspannung
in den Gitterkreis eingeschaltet werden.