DE762168C - Rueckkopplungsschaltung zur Erzeugung amplitudenkonstanter Schwingungen ueber einen weiten Frequenzbereich - Google Patents

Description

• Rückkopplungsschaltung zur Erzeugung amplitudenkonstanter Schwingungen über einen Weiten Frequenzbereich

  Die vorliegende Erfindung gibt eine neue

  Röhrenschaltung zur Erzeugung von Schwin-

  gungen mittels Rückkopplung an. Derartige

  Schaltungen werden in der Regel nicht nur

  für eine einzige Frequenz gebaut, sondern die

  Frequenz der erzeugten Schwingungen soll in

  einem gewissen Bereich verändert werden

  können, und zwar entweder stetig oder in

  Stufen. Die einmal eingestellte Frequenz soll

  aber dann möglichst konstant sein.

  Diese Aufgabe ist bisher auf zwei Wegen

  gelöst worden. Die erste Möglichkeit ist in

  den bekannten Rückkopplungsschaltungen

  mit Resonanzkreisen verwirklicht. Deren

  Arbeitsweise kann allgemein so gekennzeich-

  net werden, daß nur im Resonanzbereich die

  zur Selbsterregung nötige Amplitude durch

  Rückkopplung an das Gitter zurückgeliefert

  wird, so daß die Einstellung des Resonanz-

  kreises die erregte Frequenz bestimmt. Die

  genaue Lage dieser Frequenz ist allerdings

  bei den meisten Schaltungen noch von Phasen-

  beziehungen abhängig.

  Schaltungen dieser Art haben den Vorteil,

  daß erhebliche Spannungen am Gitter auf-

  treten, auch wenn die Gesamtenergie der

  Schwingungen nicht sehr groß ist, und daß

  die sich erregende Frequenz durch die Ein-

  stellung der Kreise festgelegt ist. Nicht ganz

  einfach aber ist die Änderung der Frequenz.

  .Man pflegt z. B. die Spulen konstant zu halten

  und nur die Kondensatoren zu drehen; soll

  aber die Frequenz in sehr weiten Grenzen

  verändert werden, so müssen beide Schalt-

  elemente verstellt werden. Das führt dazu,

  daß die erzeugten Schwingungen in ihrer

  Amplitude stark frequenzabhängig werden.

  Die zweite Möglichkeit zeigt die Multi-

  vibratorschaltung. Hier wird durch Rück-

  kopplung über zwei Röhren eine Kipp-

  schwingung erzeugt. Die entstehende Fre-

  quenz ist leicht regelbar, aber sehr wenig

  sinusförmig und nicht konstant, da sie nicht

  nur von der äußeren Schaltung abhängt,

  sondern auch von den Betriebsbedingungen

  der Röhren (Heiz- und Anodenspannung).

  Zu dieser Klasse gehören z. B. auch die von

  Tank und Graf angegebenen Schaltungen.

  Auf andere vielbenutzte Anordnungen, bei

  denen aber die ATutzfrequenz nicht durch

  Rückkopplung erzeugt wird (Überlagerungs-

  summer, Bremsfeld-, Dynatronschaltungen

  usw.), braucht hier nicht näher eingegangen

  zu werden.

  Die Erfindung sieht einen anderen Weg vor

  zur Erzeugung von elektrischen Schwingun-

  gen, die gegenüber den bekannten Anordnun-

  gen über einen sehr weiten Frequenzbereich

  einstellbar sind, und zwar durch eine Rück-

  kopplungsschaltung unter Verwendung von

  konzentrierten Schaltelementen, wobei solche

  Phasenschieberschaltungen in den Rück-

  kopplungsweg eingefügt sind, die mindestens

  innerhalb des einstellbaren Frequenzbereiches

  alle Frequenzen mit im wesentlichen gleicher

  Amplitude von der Anode an das Gitter der

  Schwingröhre zurückführen, die dagegen die

  Phase für jede Frequenz um einen anderen

  Betrag verschieben, derart, daß nur für die

  eine Frequenz, auf welche die Elemente der

  Phasenschieberschaltung abgestimmt sind, der

  zur Schwingungserzeugung erforderliche

  Phasenwert vorhanden ist. Die besonderen

  Vorteile der Erfindung sind darin zu er-

  blicken, daß beliebige Frequenzen innerhalb

  eines sehr großen Frequenzbereiches erzeugt

  werden können mit einer Anordnung, die sehr

  einfach aufgebaut ist, wenig Schaltelemente

  aufweist und mit der eine sehr gute Frequenz-

  konstanz erhalten werden kann.

  Bei Verwendung solcher Phasenschieber-

  schaltungen als Rückkopplungsvierpole ist es

  in einfacher Weise möglich, durch Verände-

  rung ihrer Schaltelemente die Höhe der-

  jenigen Frequenz, die gerade dierichtige Rück-

  kopplungsphase ergibt, zu ändern. Diese Fre-

  quenz ist also nur durch die äußere Schaltung,

  nicht durch die Röhrenbetriebsdaten gegeben,

  worin ein weiterer Vorteil der erfindungsge-

  mäßen Anordnungen begründet ist.

  Es sind zwar bereits Anordnungen bekannt,

  bei denen an Stelle der soeben genanntenVier-

  pole Leitungen verwendet «-erden. Diese

  Schaltungen führen zwar ebenfalls die Schwin-

  gungen eines größeren Frequenzbereiches mit

  gleicher Amplitude aber verschiedener Phase

  an das Gitter zurück, sie sind aber nur für

  kurze Wellen verwendbar, da man sonst zu

  unmöglichen Leitungslängen käme. Es ist auch

  weiter bekannt, an Stelle der natürlichen künst-

  liche Leitungen zu nehmen, die in üblicher

  Weise aus Spulen und Kondensatoren aufge-

  gebaut sind. Aber da ein solcher Kettenleiter

  nur dann eine Leitung einigermaßen nach-

  ahmt, wenn je Wellenlänge viele Glieder ge-

  nommen werden, käme man so zu sehr Kost-

  spieligen Schaltungen. Für beide Fälle (künst-

  liche oder natürliche Leitung als Rückkopp-

  lungsvierpol zwischen Gitter und Anode ge-

  schaltet) ist charakteristisch, daß sie für eine

  ganze Anzahl von Frequenzen die richtige

  Phase liefern, so daß die gewünschte Fre-

  quenz noch, z. B. durch zusätzliche Resonanz-

  kreise, hervorgehoben werden muß.

  Demgegenüber geht die Erfindung, die sich

  mehr auf den Bereich der mittleren und

  niederen Frequenzen bezieht, von der Erkennt-

  nis aus, daß das Wesentliche hei solchen

  Schaltungen nur der Frequenzgang der Phase

  ist, der sich mit bekannten einfachen Schal-

  tungen verwirklichen läßt. Der wesentliche

  Vorteil der Erfindung liegt daher in der

  großen Einfachheit und Übersichtlichkeit des

  Schaltungsaufbaues, wobei gleichzeitig wegen

  der geringen Zahl der Schaltelemente die Er-

  regung mehrerer Frequenzen von selbst aus-

  geschlossen ist.

  Das schließt allerdings nicht aus, daß die

  sich erregende Frequenz, genau wie bei jedem

  anderen Schwingungserzeuger, noch Ober-

  wellen enthält; es wird aber «-eiter unten ge-

  zeigt werden, daß der Grundgedanke der Erfin-

  dung auch Mittel an. die Hand gibt, die Stärke

  der entstehenden Oberwellen herabzusetzen.

  Schließlich ist eine Anordnung bekannt, bei

  der ein phasendrehendes Netzwerk im Rück-

  kopplungsweg eines Schwingungserzeugers

  enthalten ist. Bei dieser Schaltungsanordnung

  ändert sich jedoch nicht nur die Phase mit

  der Frequenz, sondern auch das Übertragungs-

  maß, und zwar in besonders starkem Grade.

  Tiefe Frequenzen können durch diese Schal-

  tung überhaupt nicht übertragen werden. Aus

  diesen Gründen ist eine solche Schaltung für

  den Zweck, für den die erfindungsgemäße An-

  ordnung geschaffen wurde, völlig ungeeignet.

  Im folgenden soll der Erfindungsgedanke

  durch einige praktische Schaltungsbeispiele

  näher erläutert werden. Eine einfache Aus-

  führungsform des Erfindungsgedankens zeigt

  Abb. r. Im Anodenkreis liegt ein Differen-

  tialtransformator Ti. Die Schaltelemente Cl. R1

  bilden einen Phasenschieber, so daß an den

  Punkten AB eine Phase abgenommen wird,

  die in den Grenzfällen ' l > R1 oder @l <R,

  ungefähr gleich bzw. entgegengesetzt der

  Phase der Anodenspannung ist; im Falle

  i = R1 hat die Spannung an AB dagegen

  (U Cl

  9o° Phasenverschiebung gegen die Anoden-

  spannung. Die zweite Phasenschieberschal-

  tung, rechts von AB verdreht die Phase

  nochmals, und die so erhaltene Spannung wird

  an das Gitter zurückgeführt. Wenn man nun

  eines oder zwei der vier Elemente Cl, C2, R1, R2

  als veränderliche Glieder ausbildet, so erregt

  sich diejenige Frequenz, für die die Summe

  der beiden Phasendrehungen r8o° beträgt.

  Phasenschieberschaltungen der hier be-

  nutzten Art dürfen eigentlich nicht belastet

  werden. Für den zweiten Phasenschieber R."

  C2, der auf das Gitter arbeitet, trifft das auch

  zu, für den ersten aber nur dann, wenn der

  rechts von AB befindliche Teil der Schaltung

  hochohmig gegen R1, C1- ausgeführt wird. Je

  besser diese Bedingung erfüllt ist, mit um so

  größerer Annäherung kann festgestellt werden,

  daß alle Frequenzen mit gleicher Amplitude

  an das Gitter zurückgelangen.

  Da der Transformator T1 kapazitiv be-

  lastet ist, bildet er für das Rohr einen nicht

  rein reellen Belastungswiderstand. Wie be-

  kannt, wirkt sich das dahin aus, daß die Fre-

  quenz etwas vom Betriebszustand des Rohres

  abhängig wird. Es ist deshalb vorteilhaft, par-

  allel zur Primär- oder Sekundärwicklung von

  T, einen nicht zu hohen ohmschen Widerstand

  zu legen, wie z. B. in der Abb. 2 geschehen ist.

  Damit dadurch der Wirkungsgrad nicht zu

  sehr sinkt, ist es- zweckmäßig, niedrigohmige

  Röhren zu verwenden. Denselben Erfolg er-

  reicht man mit einem hochohmigen Rohr und

  einem Vorschaltwiderstand vor dem Trans-

  formator.

  Wichtig ist die Polung der Phasenschieber.

  Vertauscht man z. B. in Abb. z C2 und R2 mit-

  einander, so entsteht eine Schaltung, bei der

  der zweite Phasenschieber die Spannung

  wieder zurückdreht, und man kann es dahin

  bringen, daß die an das Gitter gelangende

  Phase überhaupt nicht mehr von der Frequenz

  abhängt. Eine derartige Anordnung liefert

  Kippschwingungen mit ihren eingangs er-

  wähnten Nachteilen, die durch die Erfindung

  gerade überwunden werden sollen. Dagegen

  behält die Abb. z einen der Hauptvorteile der

  Kippschwingschaltungen bei, nämlich den, daß

  keine Spulen verwandt werden, deren Streu-

  felder, Temperaturabhängigkeit usw. häufig

  zu Störungen Anlaß geben.

  Theoretisch läßt sich mit solchen Phasen-

  schieberschaltungen jede gewünschte Frequenz

  herstellen. In der Praxis ist jedoch der Fre-

  quenzbereich eingeschränkt, und zwar ist der

  Anwendungsmöglichkeit der Phasenschieber

  hauptsächlich wegen der sich bei hohen Fre-

  quenzen bemerkbar machenden scheinbaren

  Gitterkapazität eine obere Grenze gesetzt, die

  etwa bei roo ooo Hz liegt.

  Abb.2 zeigt ein anderes Beispiel für den

  Erfindungsgedanken. Hier sind beide Phasen-

  schieber unbelastet, und man wird zweck-

  mäßig beide CR-Glieder hochohmig gegen den

  Röhrenwiderstand ausführen. Das daneben

  gezeichnete Vektordiagramm erläutert die

  Phasenverhältnisse. Die Spannungen U sind

  aus der Schaltzeichnung zu entnehmen; die

  Transformatoren sind als ideal angenommen.

  cpl sinkt, 9p, wächst mit steigender Frequenz;

  diejenige Frequenz erregt sich, bei der pl = (p2

  wird. Obwohl die Schaltung beider Röhren

  ganz symmetrisch ist, kann es doch vorteil-

  haft sein, die eine zu unterheizen und dadurch

  dafür zu sorgen, daß sie allein die Amplitude

  der erzeugten Schwingungen bestimmt, wäh-

  rend die andere als reiner Verstärker wirkt.

  Die Schaltungen der Abb. i und 2 weisen

  noch den Nachteil auf, daß Transformatoren

  verwandt werden, die etwas von der Amplitude

  der sie durchfließenden Gleich- und Wechsel-

  ströme abhängen. Abhilfe schafft die Gegen-

  taktschaltung der Abb.3, die alle Bedingungen

  am idealsten erfüllt, dafür aber die doppelte

  Anzahl von Röhren und Schaltelementen be-

  nötigt.

  Eine andere Möglichkeit zeigt die Abb. q..

  Es muß beachtet werden, daß die Wider-

  stände Wi und W2 einander parallel liegen.

  Die Schaltungen Wl', Wl, Rl, Cl und W2','W2,

  R2, C2 geben deshalb nicht, wie reine Phasen-

  schieberschaltungen, für alle Frequenzen die

  gleiche Amplitude; bei geeigneter Dimen-

  sionierung ist aber die Veränderlichkeit der

  Amplitude nur geringfügig.

  Eine besonders einfache Schaltung zeigt

  Abb. 5. Diese stellt zwar keine reine Phasen-

  schieberschaltung mehr dar, bei der das ganze

  Frequenzband mit gleicher Amplitude über-

  tragen wird. Sie ist aber als eine besonders

  einfache Näherungsschaltung anzusehen, da

  auch bei ihr in einem verhältnismäßig großen

  Bereich die Frequenzen mit im wesentlichen

  gleicher Amplitude an das Gitter zurückge-

  führt werden. Diese Schaltung unterscheidet

  sich von der bekannten Mültivibratorschal-

  tung nur durch die Vertauschung von R2 und C2.

  Dadurch wird erreicht, daß mit steigender

  Frequenz 991 sinkt, 9p, wächst (vgl. das Vek-

  tordiagramm), während bei der Multivibra-

  torschaltung die gesamte Phasendrehung von

  der Frequenz unabhängig wird; gerade des-

  halb bestimmt nicht die Schaltung, sondern

  der Betriebszustand der Röhren die Frequenz.

  An Hand des Vektordiagramms der Abb. 5

  macht man sich leicht klar, daß man dann nur

  konstante Amplituden erhält, wenn Cl = C2

  und R1 = R2 gemacht wird. Dann wird

  Tl=T2=45".

  Die Schaltungen der Abb. i bis .4 können so

  dimensioniert werden, daß für die dritte (oder

  sonst eine störende) Oberwelle die Phase nicht

  um i8o°, sondern um mehr als 270= bzw.

  weniger als goy gedreht wird. Dann wird

  diese Oberwelle besonders stark gedämpft,

  was die Kurvenform der erzeugten Schwin-

  gung verbessert. Die einfachere Schaltung der

  Abb. 5 gibt diese Möglichkeit nicht.

  Die bisher beschriebenen Anordnungen

  kamen ohne Spulen aus. Das bietet mancher-

  lei Vorteile, ist aber kein notwendiges -Merk-

  mal der Erfindung. Die Abb.6 zeigt eine

  Schaltung mit nur einem Rohr, bei der ein

  Kreuzglied an Stelle des ersten Phasenschie-

  bers der Abb. i tritt. Cl, R1 sind hochohmig

  gegen TV, und 1V2, der Widerstand `Wl -f- If,'2

  = :2 TV, muß gleich dem Wellenwiderstand

  des Kreuzgliedes gemacht werden.

  Die hier als Beispiele für die Erfindung be-

  schriebenen Schaltungen können zur Erzeu-

  gung von Schwingungen in dem obengenann-

  ten Bereich, der von den tiefsten Frequenzen

  bis ins Hochfrequenzgebiet hinein reicht, an-

  gewendet werden. Im Niederfrequenzbereich

  bieten sie, wenn die Widerstände oder Kon-

  densatoren stetig verändert werden, einen

  Ersatz für den Überlagerungssummer. Es ist

  allerdings nicht möglich, durch Drehung

  eines Kondensators oder eines Schleifwider-

  standes die Frequenz in so weiten Grenzen zu

  ändern, wie es beim Überlagerungssummer

  gelingt. Doch ist die Unterteilung des Fre-

  quenzbereiches in mehrere Stufen bei den hier

  beschriebenen Schaltungen so einfach, daß

  dieser Nachteil selten ins Gewicht fallen wird.

  Sie haben aber andererseits den Vorteil, daß

  die Frequenz leichter konstant gehalten wer-

  den kann als beim überlagerungssummer.

  Denn bei diesem muß j a die Hochfrequenz

  z. B. auf io-5 genau konstant gehalten werden,

  wenn für die Niederfrequenz eine Konstanz

  von io-s verlangt wird, während die hier be-

  schriebenen Schaltungen die Niederfrequenz.

  direkt erzeugen.

  In sämtlichen Abbildungen sind nur die

  eigentlichen Schwingschaltungen gezeichnet

  «-orden. Mittels einer weiteren Verstärker-

  stufe können die Schwingungen einem Ver-

  braucherwiderstand zugeführt werden; in be-

  sonderen Fällen kann aber auch einer der in

  den Schaltungen angegebenen Widerstände

  selber der Verbraucher sein.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Rückkopplungsschaltung mit Elek- tronenröhren und unter Verwendung von konzentrierten Schaltelementen zur Er- zeugung von elektrischen Schwingungen, die über einen weiten Frequenzbereich einstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß solche Phasenschieberschaltungen in den Rückkopplungsweg eingefügt sind, die mindestens innerhalb des einstellbaren Frequenzbereiches alle Frequenzen mit im wesentlichen gleicher Amplitude von der Anode an das Gitter der Schwingröhre zu- rückführen, die dagegen die Phase für jede Frequenz um einen anderen Betrag ver- schieben, derart, daß nur für die eine Fre- quenz, auf welche die Elemente der Phasenschieberschaltung abgestimmt sind. der zur Schwingungserzeugung erforder- liche Phasenwert vorhanden ist. 2. Rückkopplungsschaltung nach An- spruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die die einzustellende Frequenz bestimmenden Glieder nur Widerstände und Konden- satoren enthalten. 3. Rückkopplungsschaltung nach An- spruch i und 2, dadurch gekennzeichnet. daß die Rückkopplungsschaltung für die Anodenkreise der Röhren einen für alle Frequenzen im wesentlichen reellen Wider- stand darstellt, so daß die Frequenz der erzeugten Schwingungen nicht durch den Betriebszustand der Röhren beeinflußt wird. Rückkopplungsschaltung nach An- spruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet. daß der Frequenzgang der Rückkopplungs- phase dcp/dm so groß gemacht wird, daß störende Oberwellen durch die Rückkopp- lung nicht mehr entdämpft, sondern ge- dämpft und damit weitgehend unterdrückt werden. ZurAbgrenzung des Erfindungsgegenstands vom Stand der Technik sind im Erteilungs- verfahren folgende Druckschriften in Betracht gezogen worden: Deutsche Patentschriften Nr. 3:19 003, 361 447, 368 029, 555 378, 577 6-k3: französische Patentschrift Nr. 696 356: britische Patentschriften Nr. 369 167, 373 336, 413 868; Zeitschrift »Phy sica« (Holland) 1934, S.437 bis 448; Zeitschrift für Hochfrequenztechnik. 1927, Bd. 29, S. 151 bis 1.54; Zeitschrift für Physik, 1927, Bd. .k2, S. 773 bis 778.