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Niederfrequentes Übertragungssystem mit selbsttätiger Amplitudenregelung
durch eine quer zum Übertragungsweg geschaltete Impedanz-Mehrgitterröhre Bei niederfrequentenÜbertraggungssystemen,
beispielsweise für die Aufnahme oder Wiedergabe von Rundfunkdarbietungen und Schallplatten,
ist häufig eine Kompression oder eines Expansion des Ampli.tudenbereiches erwünscht.
Hierbei erfolgt zweckmäßig die Kompreission oder Expansion über den ganzen Frequenzbereich;
sie kann aber auch für verschiedene Teile des Frequenzbereiches verschieden sein.
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Die Mehrzahl der heutigen Rundfunkübertragungssysteme hat den Nachteil,
daß das Amplitudenverhältnis während des Programms nicht naturgetreu übertragen.
wird; Musikstellen von einer größeren als einer gewissen Lautstärke werden gedämpft,
um eine Überlastung des Senders zu vermeiden, während die Lautstärke von sehr leisen
Stellen vergrößert wird, um sie über den. Pegel der unvermeid'baren übertraarungsstörgeräu,sche
zu heben.
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Diese Amplitudenregelüng wird häufig von Hand durch Verstellung eines
veränderlichen Dämpfungsgliedes ausgeführt, indem die
Größe der
Däinpftuig während lauter Stellen vergrößert und während leiser Stellen verringert
wird.
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Ähnliche Beschränkungen bezüglich des Amplitudenbereiches erwachsen
bei der Besprechung von Schallplatten, «-o Erwägungen auftreten, die analog den
soeben für die Rundfunkübertragung diskutierten sind.
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Es ist bereits bekannt, zur Amplituden-. inslyesondere zur Schwundregelung
quer zum Übertragungsweg eine Schirmgitterröhre zu legen, deren Gittervorspannung
in Abhängigkeit von gleichgerichteten Anteilen der \ utzwechselspatinungen gesteuert
wird.
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Die Erfindung bezieht sieh auf eine Weiterentwicklung einer solchen
Schaltungsanordnung, und zwar wird gemäß der Erfindung als Impedanzröhre eine negativ
rückgekoppelte, insbesondere frequenzabhängig negativ rückgekoppelte Mehrgitterröhre
hoher Innenimpedanz benutzt.
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Die Erfindung kann empfängerseitig, aber auch sonderseitig an Stelle
der erw<ilinten Ilandregelmig angewendet werden zu dein Zweck, eine Dämpfung
hoher Pegel und sele-kti.ve Verstärkung geringer Pegel herbeizuführen. In diesem
Fall ist die Anordnung so getroffen, daß die Impedanz der Röhre abnimmt. wenn der
Pegel zunimmt. Die Kompression kann durch die umgekehrte Expansion am Empfänger
leicht kompensiert werden.
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Bekanntlich hängt die Impedanz einer Röhre mit einer negativen Rückkopplung
zwischen ihrem Anoden- und Steuergitterkreis von der Größe der Rückkopplung und
von der Steilheit der Röhre a1>. Da die negative Rückkopplung vorn Anodenkreis auf
den Gitterlcreis stattfindet, ändert sich die Impedanz der Röhre in großem Umfange
mit der Stärke des Signals. Die Röhre kann zweckmäßig im N#eberrschluß zur Wicklung
eines Kopplungs- oder Ausgangstransformators angeordnet «-erden.
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Wenn die Rückkopplung sich mit der Frequenz ändert, ändert sich auch
die Impedanz der Röhre mit der Frequenz, und man kann die _\nordnung so treffen,
daß die Amplituden der verschiedenen Frequenzen im Ausgangskreis sich in jeder gewünschten
Weise entsprechend den Änderungen der mittleren Intensität der Eingangsamplituden
ändern. Zweckmäßig wirddieAnordnung so getroffen, tlaß mit fallender mittlerer Intensität
die Impedanz der Röhre bei den mittleren Frequenzen im Verhältnis zti ihrer Impedanz
bei den höchsten Frequenzen des Nutzfrequenzbandes fällt.
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Die erwähnte frequenzabhängige Dynamikrcgelung gestattet die Anpassung
der Dynainikregelung an die Ohrempfindlichkeit. Wegen der Form der Ohreinpündlichkeitscharakteristik
des normalen inenschlichev Ohrs rufen L,l;:rtragtingss5-steme dann den natürlichsten
Eindruck hervor, wenn sie so ausgebildet sind, daß bei niedrigem Pegel die hohen
und tiefen Frequenzen des Torifrequenzbereiches verhältnismäßig mehr verstärkt werden
als die mittleren Frequenzen. Bei höheren Pegeln jedoch hat es sich als zweckmäßig
herausgestellt, alle Frequenzen innerhalb des gleichen Frequenzbereiches annähernd
gleichi riä » ßig zu übertragen. g Die Röhre mit veränderlicher
Impedanz kann in Reihe mit einem Widerstand oder einer sonstigen Impedanz angeordnet
werden, so daß sie mit diesem einen Spannungsteiler bildet. Die Signalspannung wird
dann den Enden dieses Spannungsteilers zugeführt. Der Teil der Spannung, die an
der Röhre entsteht, wird dein Ausgangskreis zugeführt.
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Die Abbildungen erläutern oder veranschaulichen Schaltungsbeispiele
gemäß der Erfindung. Die Abb. i zeigt ein schematische. Schaltbild zur Erläuterung
der Erfindung. Die Abb.2 bringt ein spezielles Schaltungsbeispiel entsprechend dem
schematischen Beispiel nach Abb. i. Die Abb. 3 zeigt eine Abänderung der Schaltungsanordnung
nach der Abb. 2 in der Richtung, daß der Expansionsbereich gegenüber der Schaltung
nach .@1>1>. 2 vergrößert ist. Die Abb. d. und ; zeigen Ausfülirungsmöglichlceiten
der Schaltungsanordnung gemäß der schematischen Darstellung nach Abb. 3. Die Abb.
6 zeigt ein Übertragungssystem mit frequenzabhängiger Kompression oder Expansion.
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Bei der Schaltung nach Abb. i ist eine 1Zölire V, deren Steuergitter
vorgespannt ist, mit einer Steilheit g und einem Innenwiderstand IZi in Reihe mit
einem Widerstand R, angeordnet. Ihr Anodenkreis ist auf den Steuergitterkreis negativ
rückgekoppelt. Das Verhältnis der der Anode zugeführten Wechselspannung zu der Wechselspannung,
die infolge der negativen Rückkopplung am Gitter entsteht, wird mit k bezeichnet.
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Es werde angenommen, daß an die Reihenschaltung von Ri und Ri eine
Wechselspannung l'1 angelegt «-erden und daß die resultierende Spannung an der Röhre
h l', beträgt.
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Dann ist die \,#'echselspannting zwischen Stetierglitter und Kathode
gleich k1'., und
Demgemäß verhält sich die Röhre h so, als ob ihre Impedanz von
Anode- zu Kathode gleich
wäre. Wenn die Röhre hohen Innenwiderstand besitzt, etwa eine Pentode ist, ist dieser
Ausdruck annähernd gleich gk . Dann. hängt also die effektive. Impedanz der Röhre
nur von dem Faktor k und daher von der Natur und Größe der negativen Rückkopplung
FB und von der Steilheit g der Röhre V ab. Man kann demnach die Röhre leicht so
ausbilden, daß sie durch geeignete Wahl der Rückkopplung-jede gewünschte Impedanz
oder Impedanzkombination nachahmt. Ihre Impedanz kann leicht durch Veränderung der
Steilheit verändert werden.
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Die Schaltung gemäß Abb-.2 enthält eine Doppel-Diode-Triode i, deren
Anode 2 mit der positiven Klemme 3 einer Spannungsquelle über eine Drossel 4 und
einen Entkopplungswiderstand 5 verbunden und deren Kathode 6 mit der negativen Klemme
7 dieser zweckmäßig geerdeten Quelle über einen Vorspannungswiderstand 8 verbunden
ist, der durch einen Kondensator g überbrückt ist. Die Eingangsklemmen io und i
i sind mit der Vorröhre eines Verstärkers verbunden. Die Anode von i ist über einen
durch einen Kondensator ai überbrückten Widerstand 1a mit der Anode einer. Exponentialpentade
verbunden, deren Schirmgitter über einen Widerstand 14 mit der positiven Anadenstromklemme
3 verbunden ist, wobei zwischen dem Schirmgitter und Erde ein Entkopplungskondensator
15 angeordnet ist. Die Kathode von 13 'i!st direkt mit der Kathode von i verbunden.
' Ein Teil der Ausgangsspannung von i wird durch den Diodengleichrichter gleichgerichtet,
der durch die Dioden-Anoden 16 und die Kathode der Röhre i gebildet wird. Die Anoden
16 sind mit der Kathode über Begrenzerwiderstände 17 und 18 und einen Belastungswiderstand
ig verbunden. Die gleichzurichtenden Schwingungen werden den Anoden 16 der Diode
über einen Kondensator 2o zugeführt, der zwischen der Anode von i und dem Verbindungspunkt
der Widerstände 17 und 18 liegt. Der Widerstand 17 hat die Funktion, den Strom in
der Diode 16, 6 zu begrenzen und so die durch die Diode und ihre dazugehörigen Kreise
entstehende Nichtlinearität der Belastung der Röhre i zu begrenzen. Die Diode 16,
6 ist durch einen Kondensator 22 und der Widerstände ig durch einen Kondensator
23 überbrückt.
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Das von Erde entfernte Ende des Bela:stungswiderTstan ,des ig ist
über einen Widerstand 24 mit dem Steuergitter der Pentode, 13 verbunden. Auf diese
Weise wird die Gittervorspannung und damit die Steilheit dieser Röhre durch die
gleichgerichtete Potentialdifferenz an dem Widerstand i9 gesteuert.
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Erforderlichenfalls kann an Stelle des dargestellten Halbweggleichrichters
ein Vollweggleichrichter verwendet -,werden. Der Belastungswiderstand 19
wird so groß wie möglich gemacht, damit der Gleichrichterkreis für die Röhre i eine
hohe Impedanz darstellt.
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Die Anode der Pentode 13 ist mit ihrer Kathode über einen Kondensator
25 in Reihe mit der Primärwicklung 26 des Kopplungs-oder Ausgangstransformators
27 verbunden. Der Einfachheit halber wird die Sekundär-. Wicklung 28 als der Ausgangskreis
des Übertragungssystems dargestellt.
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Bei der beschriebenen Schaltung treten die den Klemmen io und i i
zugeführten Schwingungen nach Verstärkung in der Röhre i an .einem Spannungsteiler
auf, den den festen Widerstand 12 in Reihe mit der Anoden-Kathoden-Strecke der Pentode
13 enthält. Der Ausgangstransformator liegt an der Strecke Anode-Kathode der Röhre
13. Die zwischen Steuergitter und Kathode der Röhre 13 liegende Gittervorspannung
nimmt in negativer Richtung zu, wenn die Amplitude, der zu übertagenden Schwingungen
zunimmt, und zwar wegen der von der Diode 16, 6 zugeführten gleichgerichteten Spannung.
Wenn die Amplitude der zugeführten Schwingungen sehr klein ist, hat das Potential
am Steuergitter von 13 die Tendenz, dem Kathodenpotential gleich zu werden. Demgemäß
beginnt in den Widerständen 24 und ig Gitterstrom zu fließen. Diese Widerstände
haben solche Werte, daß bei sehr kleinen Amplituden eine kleine negative Vorspannung
am Steuergitter der Pentode 13 besteht, die dann mit ihrer größten Steilheit arbeitet.
Für die Lieferung dieser Gittervorspannung kann man auch andere Mittel, beispielsweise
eine Batterie, verwenden. -Zwischen Anode und Kathode von 13 liegt ein Rückkopplungsspannungsteiler,
bestehend aus einem Kondensator 29 in Reihe mit zwei Widerständen 30 und
31, deren Verbindungspunkt über einen Kondensator 32 mit dem Steuergitter von 13
verbunden ist. Im Nebenschluß zum Widerstand 3o kann ein weiterer punktiert gezeichneter
Kondensator 33 angeordnet werden, der die Beeinträchtigung der höheren Frequenzen
durch die Eigenkapazität der Primärwicklung 26 des Transformators 27 kompensiert.
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Auf diese Weise wird ein Teil der Spannung, die an der Anoden-Kathoden-Strecke
der Pentode 13 durch ihre Lage im Spannungsteiler
12, 13 erzeugt
wird, in negativem Sinne auf den Gitterkreis der Pentode rückgekoppelt; d. h. die
rückgekoppelten Schwingungen wirken nach Verstärkung in der Pentode den Schwingungen
an dem Spannungsteiler 12, 13 in dem gemeinsamen Ausgangskreis 28 entgegen, der
an die Anoden-Katboden-Strecke der Pentode angeschlossen ist.
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Wie oben erwähnt, ändert sich wegen der negativen Rückkopplung die
Impedanz der Exponentialröhre 13 umgekehrt wie, die Steilheit dieser Röhre. Da die
Ausgangsspannung an der Strecke _@noden-ILatliode der Röhre 13 abgegriffen wird
und da die Steilheit mit zunehmender Amplitude der zugeführten Schwingungen abnimmt,
wird offensichtlich die Gesamtverstärkung der Röhre 13 zunehmen, wenn die Amplitttd
e der zttgefültrteii Schwingungen zunimmt.
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Die Zeitkonstante des Regelkreises, der die Steilheit und damit die
Impedanz von 13 regelt, ist verhältnismäßig lang, so daß sehr schnelle Änderungen
des Pegels keinen Einfluß ausüben. Beispielsweise ist bei einem Wert von o,i Ilegolim
für die Widerstände 17 und 18, 2,3 Megolim für den Widerstand i g und o,d.pF für
den Kondensator 23 die Zeitkonstante für das Laden des Kondensators 23 gleich o,i
Sekunden und für (las Entladen gleich i,o Sekunden.
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Ein Merkmal der Beschriebenen Anordnung besteht darin, daß die Verstärkung
bei hohen Eingangsspannungen gleich ihrem Wert beim Fehlen der Exponentialröhre
ist, wenn das Verstärkungsverhältnis zwischen Eingang Lind Ausgang linear ist. Auf
diese Weise ist (fier maximal zulässige Eingangspegel, d.li. der Pegel, bei dein
noch keine Überlastung eintritt, bekannt. DieserPegel ist im wesentlichen unabhängig
vom Arbeiten der Exponentialröhre, so daß man eine- Überlastung leicht vermeiden
kann.
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Bei der Schaltung nach Abt. -2 kann z. B. die Anordnung so ausgebildet
sein, daß der Kompression- oder Expansionsbereich io \eper beträgt tind daß kein:
Kompression oder Expansion stattfindet, wenn der Eingangspegel etwa i Neper unter
dein Überlastungspegel des Übertragungssystems liegt. Aus verschiedenen Gründen
kann es jedoch erwünscht sein, Kompressions- und Expansionsbereich der Eingangsamplituden
zu erweitern. Die Abb. 3 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung zur Lösung dieser
Aufgabe.
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Bei der Schaltung gemäß Abb. 3 liegt der Gleichrichter 3:1. im Nebenschluß
zum Widerstand 12. Demgemäß ist die Eingangsspannung des Gleichrichters von dem
Strom abhängig, der durch den Spannungsteiler 12, Z_ hindurchgeht. Da der Wert der
Inipedenz Z am größten bei hohem Pegel ist, nimmt die Eingangsspannung des Gleichrichters
3.4 langsamer ab als der Pegel zunimmt. Die so erhaltene Expansion ändert sich daher
langsainer als beispielsweise bei der Schaltung gemäß Abb. i. -Man kann daher den
Expansionsbereich erweitern.
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Zwei auf der Abb. 3 aufgehatite praktische Schaltungen sind in Ahb..I
und 3 dargestellt. Abb. d. zeigt eine Z"erstärkerröhr.e i mit Eingangsklemmen io
und ii, deren Anode finit cl,-,r positiven Klemme 3 der Spannungscluelle über einen
Widerstand d. verbunden ist, während die Kathode mit der negativen Klemme 7 über
einen @@'id:rstan d S verbunden ist, der durch einen Kondensator g überbrückt ist.
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Die Anode von i ist finit der Anode einer Doppel-Diode-Triode i3 verbändet,
deren Kathode mit der Klemme 7 über einen Widerstand 12 verbunden ist. Die Dioden
Anoden 16 sind mit der Kathode 43 über Begrenzerwiderstände 17 und i8 und einen
Belastungswiderstand ig verbunden. Letzterer ist durch z-inen Kondensator 23 überbrückt.
-Der Verhindungspunkt von 1S und ig ist über einet Widerstand 24 mit dein Gitter
der Rühre 13 @-erbunden, während zwischen dein Verl>indu11gsPunkt von 17 und 18
und dem von der Kathode .I3 entfernten Ende des Widerstandes 12 ein Kondensator
-2o liegt.
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Wie. in Ahh. -2 ist ein Rückkopplungsportentiotneter
29, 30, 31 vorgesehen, wobei der Verbinduaigspunl;t der Widerstände
30 und 31 über einen Kondensator 32 mit dem Gitter der Röhre 13 verbunden
ist.
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Wie in der Schaltung gemäß Abb. 2 bilden Röhre 13 und Widerstand 12
einen Spannungsteiler, dem die Schwingungen vott der Röhre i zugeführt werden. Die
Ausgangsspannung wird am Transformator 27 abgenommen, dessen Primärwicklung 26 in
Reihe finit einem Kondensator 23 zwischen Anode und Kathode von 13 liegt. Die am
Widerstand 12 entstehenden Schwingungen «erden durch die Diode 16,43 gleichgerichtet.
laitspreclien(ldiesen gleichgerichteten Schwingungen wird die Gittervorspannung
von 13 gesteuert. Mit zunehmender Gittervorspannung nimmt die Impedanz von 13 zu.
Die Potentialdifferenz am Widerstand 12 bildet jetzt einen kleineren Teil der Ausgangs,spantiung
der Röhre i. So nimmt mit zunehmender Signalstärke das Änderungsmaß der Impedanz
der Röhre 13 ab. Auf diese Weise erhält man eine Erweiterung des Expansionsbereiches
gegenüber der Anordnung gemäß Abb. 2.
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Die Schaltung gemäß Abb. 3 unterscheidet sich von der gemäß Abb..I
dadurch, daß sie
eine Vollwegdiodengleichrichtung verwendet. Die
Dioden werden über einen Transformator 4.4 gespeist, dessen Primär-,vicklung q.5
über einen Kondensator 45' im Nebenschluß zum Widerstand i2 angeschlossen ist. Der
Transformator ¢I kann erforderlichenfalls ein Spannungsaufwärtstransformator sein,
in welchem Falle das Änderungsmaß der Impedanz der Röhre 13 mit zunehmender
Intensität abfällt.
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Die beschrietenen Schaltungen können leicht fürselbsttätige
Tonregelung angepaßt werden. Es ist schon darauf hingewiesen, daß wegen der Form
der Empfindlichkeitscharakteristik des menschlichen Ohrs es erwünscht ist, die hohen
und die tiefen Freqenzen verhältnismäßig mehr zu verstärken als die mittleren Frequenzen
des Niederfrequenzbereiches, wenn der Eingangspegel sich unterhalb eines be= stimmten
Wertfes befindet. Die beschriebenen Anordnungen können daher so ausgebildet werden,
daß die Rückkopplung bei den mittleren Frequenzen verhältnismäßig größer ist als
bei den hohen und tiefen Frequenzen. Dieses kann man beispielsweise durch geeignete
Wahl der Werte der Elemente des negativen Rückkopplungskreises erreichen. So kann
man in Abb. 2 den Widerständen 30 und 31 und den Kondensatoren 29, 32 und
33 solche Werbe geben, daß man bei den mittleren Frequenzen mehr Rückkopplung erhält
als bei den hohen und tiefen Frequenzen. Ähnliche Ergebnisse kann man dadurch erreichen,
daß man in Reihe mit dem Rückkopplungspotentiometer einen auf die Mitte des Niederfrequenzhereiches
abgestimmten Resonanzkreis anordnet; andere Verfahren zur Erzielung dieses Zweckes
kann jeder Fachmann ohne weiteres selbst ausführen.
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Um den Störpegel, der bei Übertragungssystemen gemäß der Erfindung
auftreten kann, herabzusetzen, wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß der Störpegel
im allgemeinen im wesentlichen im Bereich der höheren Frequenzen liegt. Dies macht-
eis möglich, eine Schaltungsanordnung vorzusehen, durch welche Änderungen des Störpegels
vermieden werden können. Die Abb. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer solchen
Schaltungsanordnung. In dieser Abbildung ist die Impedanz Z eine Röhre mit negativer
Rückkopplung zwischen dem Anoden- und Gitterkreis. Die Ausgangsspannung wird von
den Klemmen 38 abgenommen. Die: Impedanz Z ist in Reihe mit der Induktanz L zwischen
diese Klemmen geschaltet. Für hohe Frequenzen und wenn der Eingangspegel hoch isst,
ist die Impedanz des. Kreises L, Z im wesentlichen gleich Z. Der Ausgangspegel wird
bei hohen Frequenzen entsprechend Z geregelt. Bei hohen Frequenzen und Eingangspegeln
geringer Stärke ist die Impedanz des Kreises L, Z_ gleich der von L. Der Pegel ist
daher unabhängig von Z. DerAusgangspegel bei tiefen und mittleren Frequenzen wird
bei allen Eingangspegeln im Verhältnis zu Änderungen von Z geregelt. Die Anordnung
arbeitet also so, daß, wenn der Eingangspegel fällt, wie z. B. am Ende einer Musikstelle,
der Ausgangspegel aller Frequenzen fällt, bis die Amplituden einen mittleren Eingangspegel
erreichen, von dem ab der Ausgangspegel der tiefen und mittleren Frequenzen weiter
fällt, der Pegel des im Bereich der hohen Frequenzen liegenden Störgeräusches jedoch
konstant bleibt. Die umgekehrte Wirkung erhält man, wenn der Pegel steigt.
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Bei der vorstehenden Beschreibung ist besonders Gewicht auf Schaltungen
für Rundfunkgeräte und Sprechmaschinen gelegt, bei denen verlangt wird, daß die
Expansion und Kompression über den ganzen Frequenzbereich ausgedehnt wird. Die Erfindung
bezieht sich aber auch, wie erwähnt, auf frequenzselektive Expansion und Kompression.
Zur Verringerung der nichtlinearen Verzerrungen durch die Regelröhren kann man im
Rückkopplungskreis einen nichtlinearen Widerstand anordnen. Zu diesem Zweck kann
die rückzukoppelnde; Spannung einer Exponentialröhre zugeführt werden, deren Gittervorspannung
entsprechend der'- Stärke des zugeführten Signals geregelt wird.