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Röhrenvoltmeter mit Kompensation desAnodenstromes der Eingangsröhre
mit Hilfe einer zweiten Elektronenröhre Die Kompensation des Anodeninstrumentes
beim einstufigen Röhrenvoltmeter mittels Kompensationsbatterie und Regelwiderstandes
bewirkt eine Empfindlichkeitssteigerung, da sie infolge der ermöglichten N5ullpunkteinstellung
die Verwendung empfindlicherer Instrumente gestattet. Eine weitere Empfindlichkeitssteigerung,
nicht von der Seite des Meßinstrumentes her, die meßtechnisch nicht erwünscht ist,
sondern durch Erhöhung der Allgemeinempfindlichkeit, war bislang hauptsächlich nur
durch vor oder nachLgeschaltete Verstärkung zu erzielen, die aber im Verein mit
obengenannter Kompensation einen großen schaltungstechnischen Aufwand erforderlich
machte. Unter vorgeschalteter Verstãrkung ist die Maßnahme zu verstehen, daß die
zu messende Wechselspannungsamplitude zunächst in einem Verstärker vergrößert und
dann erst an das Gitter des eigentlichen Röhrenvolmeters angelegt wird. Nachgeschaltete
Verstärkung bedeutet, daß die Anoctenruhestromänderungen des Röhrenvoltmeters als
Spannungsabfall an einem Ohmschen Widerstand einer nachgeschaltetenRöhre zur Steuerspannung
dienen, wobei das Meßinstrument im Anodenkreis der zweiten Röhre liegt und den ganzen
Ruheanodenstrom dieser Röhre anzeigt. Wird dann das im Anodenkreis der zweiten Röhre
liegende Instrument noch kompensiert, dann ist zu dieser Schaltung ein verhältnismäßig
groß er-Aufwand erforderlich.
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Ferner ist eine Schaltung zur Kompensierung des Anodenruhestromes
bekannt, deren Grundschaltung auf der Wheatstoneschen Brücke beruht und bei welcher
die eine der beiden geschlossenen Maschen aus der Brückendiagonale und von zwei
in parallelen Zweigen liegenden kongruenten Röhren gebildet wird. Die Eingangsröhre
in dieser Schaltung arbeitet als Anodengleichrichter.
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Die erforderliche negative Gittervorspannung wird automatisch als
Spannungsabfall einem in der Kathodenleitung liegenden Widerstand entnommen. Diese
automatische Gittervorspannung ist für die Eingangröhre wie auch für die zweite
Röhre gemeinsam. Diese Schaltung hat den Vorteil, daß Heiz- und Anodenspannungsschwankungen,
wie
sie bei -vollständigem Netzanschluß unvermeidlich Isind, automatisch ausgeglichen
werden. Erhöht sich beispielsweise die an die Brückenschaltung angelegte Spannung,
so erhöht sich auch die gemeinsame automatische negative Gittervorspannung; somit
ändert sich der innere Widerstand beider Röhren in gleichem Sinne, und das Brückeninstrument
bleibt trotz dieser: Spannnngsschwankung in Ruhe. Steigt der Anodenstrom der Eingangsröhre
als Funktion einer angelegten Meßspannung, so steigt wie derum der Spannungsabfall
an dem Kathodenwiderstand, und die erhöhte negative Gittervorspannung bewirkt eine
Verschiebung des Arbeitspunktes der Eingangsröhre nach unten, welche -dem Anodenstromanstieg
eine unerwünschte negative Rückkopplung entgegensetzt. Es tritt nun bei dieser Schaltung
der besondere Fall ein, daß diese negative Rückkopplung durch die Anordnung der
zweiten Röhre wieder ausgeglichen wird. Betrachtet man die Anodenstromänderungen
beider Röhren beim Anlegen einer Meßspannung für sich, so erkennt man, daß der Anodenstrom
der Eingangsröhre steigt und der Anodenstrom der zweiten Röhre als Wirkung der nun
erhöhten negativen Gittervorspannung sinkt. Da beide Röhren Paralleizweige einer
Brückenmasche sind, so verursachen diese entgegengesetzten Strom- bzw Widerstandsänderungen
der zweiten Röhre einen größeren Ausschlag des Brückeninstrumentes Bevor näher auf
diesen vergrößerten Ausschlag des Brückeninstrumentes eingegangen wird, ist es notwendig,
auf einen grundsätzlichen Nachteil dieser Kompensation des Anodenruhestromes nach
Art der Wheatstoneschen Brücke hinzuweisen, der darin besteht, daß die Anodenstromänderung
der Eingangsröhre nur zur Hälfte in den Ausschlag des Brückeninstrumentes eingeht,
da sich die Anodenstromänderung auf die in der zweiten Masche enthaltenen parallelen
Zweigwiderstände verteilt. Ein größerer Ausschlag des Brückeninstrumentes durch
die entgegengesetzte Stromänderung der zweiten Röhre wird erstens durch eine Spannungsrückwirkung
auf die Eingangsröhre erzielt, wodurch sich der Anodenstromanstieg der Eingangsröhre
vergrößert, und zweitens wird das ungünstige Verhältnis zwischen dem Ausschlag des
Brückeninstrumentes und der Anodenstromänderung der Eingangsröhre verbessert. Die
der Verstärkung entgegenwirkende Verschiebung des Arbeitspunktes der Eingangsröhre
wird durch die entgegengesetzte Stromänderung der zweiten Röhre wiederaufgehoben.
Legt man an diese Schaltung den Maßstab einer Brückenschaltung, in der beide Röhren
derart vereinigt sind, daß jede von der zu messenden Größe verursachte Änderung
des Anodenstromes der Eingangsröhre eine entgegengesetzte Änderung des Anodenstromes
der zweiten Röhre herbeiführt, so daß der Ausschlag des Brückeninstrumentes vergrößert
wird, dann ist der Nachteil dieser Schaltung vor allem darin begründet, daß einer
entgegengesetzten Stromänderung der zweiten Röhre eine Verschiebung und negative
Rückkopplung des Arbeitspunktes der Eingangsröhre gegenübersteht. Weiterhin ist
ersichtlich, daß die entgegengesetzte Stromänderung der zweiten Röhre nur ein Teilhetrag
der Anodenstromänderung der Eingangsröhre ausmachen kann. Ein weiterer S7achteil
liegt in der erzwungenen Anodengleichrichtung der Eingangsröhre; die empfindlichere
Gittergleichrichtung oder Audionschaltung ist nicht anwendbar.
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Durch die Erfindung wird eine Empfindlichkeitssteigerung und weitere
Herabsetzung der unteren Grenze des Meßbereiches beim kompensierten Röhrenvoltmeter
unter Vermeidung der den angeführten Schaltungen anhaftenden Nachteile erreicht.
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Vor der weiteren Darlegung der Erfindung muß zunächst wieder auf
den Ausgangspunkt zurückgegriffen werden, nämlich der Kompensation des Njieß instrumentes
mittels Kompensationsbatterie und Recelwiderstaildes. Eine derartige Schaltung,
in welcher die Eingangsröhre als Verbraucher parallel einer Anodenbatterie und der
Regeiwiderstand parallel einer Kompensationsbatterie geschaltet ist, ist in ihren
Verhältnissen eindeutig, klar und übersichtlich Die Grundschaltung entspricht einem
Dreileitersystem mit zwei Stromquellen oder Generatoren, zwei Außenleitern und einem
gemeinsamen Nulleiter. Die Anodenstromänderung der Eingangsröhre geht hier im Gegensatz
zur Wheatstoneschen Brücke in voller Größe in den Ausschlag des kompensierten Instrumentes
ein. Auf der Grundlage dieser auf einem Dreileitersystem beruhenden Kompensationsschaltung
wird durch die Erfindung die Allgemeinempfindlidkeit ohne großen zusätzlichen Aufwand
in vorteilhafter Weise gesteigert und der zur Kompensation des Meß instrumentes
dienende Kompensationsstrom während der Messung in Abhängigkeit von dem Anodenstrom
der Eingangsröhre in entgegengesetzter Stärke wie der Anodenstrom veränderlich gemacht.
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An Hand zunächst der Abb. I sei nun die Erfindung im einzelnen erläutert.
Das Röhrenvoltmeter besteht in der Hauptsache aus zwei Elektronenröhren, aus der
Eingangsröhre R1, an deren Gitter die zu messende Gleich- oder Wechselspannung angelegt
wird, und aus einer Röhre R2, welche im Verfolg des der Erfindung zugrunde liegenden
Gedankens an Stelle eines Ohmschen Regeiwiderstandes in den
Kompensations-
oder Gegenstromkreis eingeschaltet ist und somit auch als Kompensationsröhre bezeichnet
werden kann. Die Ko,mpensationsröhre liegt mit Anode und Kathode in Gegenlage zur
Eingangsröhre. In der Diagonale zwischen dem Verbindungspunkt der beiden Stromquellen
und der Kathode der Kompensationsröhre liegt das Meßinstrument.
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Die Steuerung der Kompensationsröhre erfolgt über den im Anodenkreis
der Eingangsröhre liegenden Widerstand W, der für Wechsel spannung durch den Kondensator
C kurzgeschlossen und über die Leitung K mit dem Gitter der Kompensationsröhre verbunden
ist.
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Der Spannungsabfall am Anodenwiderstand erteilt der Koml?ensationsröhre
eine vom Anodenstrom der Eingangsröhre abhängige negative Gittervorspannung.
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Wie verläuft nun der eigentliche Meßvorgange Es sei vorerst angenommen,
daß die Gitterleitung der Kompensationsröhre noch nicht an dem Anodenwiderstand
angeschlossen ist und daß an der Kompensationsröhre eine freie negative Gittervorspannung
liegt, daß aber Stromgleichgewicht herrscht und das In-Instrument auf Null steht.
Eine zwischen die Eingangsklemmen Er und E angelegte Wechselspannung bewirkt, sofern
der Eingang als Audio mit Serienkondensator und hochohmigem Ableitwiderstand geschaltet
ist, eine Abnahme des Anodenstromes der Eingangsröhre.
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Durch diese Abnahme wird das Gleichgewicht gestört, und das Instrument
gibt einen Ausschlag von der Größe der Anodenstromäntderung der Eingangsröhre, Bis
hierher unterscheidet sich der Vorgang nicht von einem üblich kompensierten Röhrenvoltmeter
mit unveränderlichem Gegenstrom. Nun wird an den Anodenwiderstand die Gitterleitung
der Kompensationsröhre angeschlossen und die negative Gittervorspannung und damit
auch der innere Widerstand der Kompensationsröhre mit Hilfe des regelbaren Anodenwiderstandes
so weit geregelt, bis wiederum Gleichgewicht vorhanden ist. Verringert sich nun
infolge einer angelegten Wechselspannung der Anodenstrom der Eingangsröhre, so verringert
sich auch der Spannungsabfall an dem Anodenwiderstand und damit die negative Gittervorspannung
und der innere Widerstand der Kompensationsröhre, was zur Folge hat, daß der Strom
der Kompensationsröhre steigt.
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Es kommt hierbei das Prinzip der Umkehrung zur Wirkung. Es leuchtet
ein, daß das Fallen des Stromes Je der Eingangsröhre uad das Steigen des Stromes
Jg der Kompensationsröhre eine verstärkte Störung des Gleichgewichtes zur Folge
hat und daß das Instrument auch einen dementsprechend größeren Ausschlag aufweist.
Es tritt eine Superposition der beiden Ströme ein. Der resultierende Strom in der
Meßstrecke ist gleich der Differenz beider Ströme, und zwar in diesem Fall mit negativem
Vorzeichen, wenn die Richtung von A nach B der Meßstrecke mit dem positiven Vorzeichen
versehen sein soll. Die Differenz ist gleich der Summe der beiden sich in umkehrender
Weise voilziehenden Stromänderungen. Fällt beispielsweise der Strom der Eingangsröhre
um I mA und steigt der Strom der Kompensationsröhre um 3 mA, so beträgt die Summe
4 4mA, welchen Strom das Instrument nunmehr anzeigt 'Der Ausschlag des Äifeßinstrumentes
entspricht einer Addition der Stromänderungen beider Röhren.
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Bei größeren Stromänderungen muß vermieten werden, daß durch das
Ansteigen des Stromes die Kompensationsröhre in Gebiete zu hoher Anodenbelastung
hineingerät. Um dem vorzubeugen, werden als Eingangs- und Kompensationsröhre Röhren
verschiedener Anodenbeiastungeingesetzt Durch diese Maßnahme wird die Aussteuerfähigkeit
der Kompensationsröhre auch für größere Stromänderungen genügend groß gehalten den,nldurch
das Herunterregeln des Stromes der mit höherer Anoden,belastung arbeitenden EKompensationsröhre
auf den Wert des Stromes der mit geringerer Anodenbelastung arbeitenden Eingangsröhre
wird der Arbeitspunkt der Kompensationsröhre, wenn die Verhältnisse richtig gewählt
sind, an den Anfang der unteren Kennlinienkrümmung gelegt, so daß noch ein genügend
langes Stück der Kennlinie nach oben zur Aussteuerung übrigbleibt. Die an heide
Röhren angelegten Hilfsspannungen können ungleich sein. So ist es z. B. beim Audion,
in welcher die Eingangsröhre mit einer verringerten Anodenspannung betrieben wird,
vorteilhaft, an die Kompensationsröhre die zulässige maximale Anodenspannung anzulegen,
wodurch sich das Übersetzungsverhältnis der Stromänderung der Kompensationsröhre
gegenüber der Eingangsröhre vergrößert. Bei der Messung von Gleichspannung wird
an Stelle des Andioneinganges dem Gitter der Eingangsröhre eine solche negative
Vorspannung erteilt, daß der Arbeitspunkt etwa in der Mitte des geraden Teiles der
Rennlinie zu liegen kommt. Beim Anlegen des negativen Potentials der Gleichspannung
an das Gitter der Eingangsröhre verlaufen die Stromändetungen wie beim Audion, -
der Strom der Eingangsröhre fällt, und der Strom der Kompensationsröhre steigt.
Wird die Eingangsröhre als Anodengleichrichter geschaltet, dann steigt beim Anlegen
einer Wechselspannung der Strom der Eingangsröhre, und der Strom der Kompensationsröhre
fällt. Es können hier zwei kongruente Röhren zur Verwendung kommen. Bei der Anodengleichrichtung
gilt die Einschränkung, den Arbeitspunkt der
Eingangsröhre nicht
zu nahe dem Fußpunkt der Kennlinie zu legen, da bei gleichem Arbeitspunkt der Aussteuerungsbereich
der Kompensationsröhre sonst zu sehr eingeschränkt wi rd.
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Der Anodenwiderstand W wird zum Zweck einer Feineinstellung des Nullpunktes
in einen festen und in zwei in verschieden kleinen Bereichen regelbare Widerstände
unterteilt.
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Bei Netzspeisung des Röhrenvoltmeters muß das der Schaltung übergeordnete
Merkmal eines Dreileitersystems mit zwei Stromquellen gewahrt bleiben. Es wird vorgeschlagen,
bei Netzspeisung als Stromquellen oder Generatoren, und zwar möglichst geringen
inneren Widerstandes, Glimmröhren zu verwenden, welche wie eine Pufferbatterie parallel
zur Netzstromquelle geschaltet sind. Ein weiterer Vorteil bei Anwendung von Glimmröhren
liegt in der Konstanz der abgegebenen Spannung. In Abb. 2 ist die schaltungsmäßige
Ausführung mit den beiden Glimmröhren G, und G. dargestellt. Die aus dem Netzgerät
zur Verfügung stehende Gesamtspannung Z' wird über den zur Begrenzung des Querstromes
dienenden Vorwiderstand VW an die Glimmröhren angelegt. Die beiden Glimuiröhrensysteme
können auch in einem Glaskoll)en mit insgesamt drei Elektroden vereinigt sein. Die
Eingangs- und Kompensationsröhre wirken gegenüber den Glimmröhren als belastende
Nutzlast. Ändert sich während der AIessung die Stromaufnahme beider Röhren und damit
die Belastung. so ändert sich auch der durch die Glimmröhren fließende Querstrom.
Fällt der Strom der Eingangsröhre, so vermehrt sich der Querstrom der parallel geschalteten
Glimmröhre um denselben Betrag. Steigt der Strom der Kompensationsröhre, so verringert
sich der Querstrom der parallel geschalteten Glimmröhre um diesen Betrag. Die Spannung
an den Elektroden bleibt konstant, auch wenn sich die Nutzstromentnahme ändert.
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Bei Batteriespeisung sind außer den beiden Anodenbatterien B1 und
B2 zwei Heizbatterien erforderlich, da die Heizkreise getrennte Kathodenpotentiale
aufweisen. Die Heizung bei Netzspeisung erfolgt zweckmäßigerweise mit indirekt geheizten
Kathoden, wodurch sich eine galvanische Trennung der beiden Heizkreise erübrigt.
Die Heizung der Kompensationsröhre kann indessen auch mit einer direkt mit Wechselstrom
geheizten Kathode stattfinden. Bei direkter Heizung der Kompensationsröhre sind,
um zwischen Heizfaden und Kathoden schicht der Eingangsröhre eine zu holme Spannung
zu vermeiden, getrennte Heizwicklungen am Transformator vorzusehen.
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In der Meßstrecke ist außer dem Instrumeint noch der Schalter S angebracht,
der vor jeder Inbetriebnahme bis nach Beendigung der Anheizzeit der Röhren geöffnet
sein soll Bis zur vollen Emission der Röhren bleibt das Gleichgewicht gestört; durch
das Öffnen dieses Schalters während der Anheizzeit, wird sowohl die Kompensationsrähre
wie auch das Instrument vor Überlastungen geschützt. Der Schalter wird zweckmäßigerweise
mit einen Meßbereichumschalter gekuppelt, wie Abb. 3 zeigt. In der Stellung o des
Meßbereichumschalters ist das Instrument kurzgeschlossen und der Schalter S geöffnet.
Durch diese Art der Kupplung soll erreicht werden. daß das Instrument nach der Inbetriebnahme
erst von einem Bereich geringer Empfindlichkeit zum nächsthöheren zugeschaltet wird.
Der durch Nebenwiderstände zu vergrößernde WIeßbereich des Instrumentes wird durch
die Aussteuerfähigkeit der Röhren festgelegt. Um auch höhere Spannungen, die über
der Aussteuerfähigkeit der Röhren liegen, messen zu konnen. ist im Eingangskreis
zusätzlich ein Meßbereichspannungsteiler erforderlich, welcher die Eingangsspannung
reduziert.
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Der meßtechnische Vorteil des ertindungsgemäßen Röhrenvoltmeters
liegt in der vereinigten und gleichzeitigen Anwendung der Kompensation und Superposition.
Gegenüber der bekannten vor- und nachgeschalteten Verstärkung, worin das Meßinstrument
im Anodenkreis der zweiten Röhre liegt und den ganzen Ruheanodestrom dieser Röhre
anzeigt, kommt bei der Erfindung ohne weiteren Aufwand ein lsompensiertes Instrument
zur Anwendung, und außerdem gehen die Stromänderungen beider Röhren als Summe in
den Ausschlag des Instrumentes ein. Im Gegensatz zu der angeführten Wheatstoneschen
Brückenschaltung besteht bei der Erfindung keineVerkettung der Gittervorspannungen
beider Röhren; die Gittervorspannungen sind getrennt und unabhängig voneinander,
eine Verschiebung und negative Rückkopplung des Arbeitspunktes der Eingangsröhre
während der Messung findet nicht statt. Weiterhin im Gegensatz zu dieser Schaltung
ist das Verstärkungsprinzip bei der zweiten Röhre wirksam, d. h die Stromänderung
der zweiten Röhre ist größer als die der Eingangsröhre. Der Vorteil einer Addition
der Stromänderungen beider Röhren im Meßinstrument bleibt auch gegen über dieser
Schaltung gewahrt.