DE815199C - Schaltung zur Verstaerkung eines elektrischen Signals - Google Patents
Schaltung zur Verstaerkung eines elektrischen SignalsInfo
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Description
(WiGBl. S. 175)
AUSGEGEBEN AM !.OKTOBER 1951
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Verstärkung eines elektrischen Signals, bei der
dieses Signal gemeinsam mit einer Hilfsschwingung einem elektrischen Kreis zugeführt wird, in
den ein Kondensator mit einem Dielektrikum eingeschaltet ist, dessen Eigenschaften von der über
dem Kondensator auftretenden Spannung und/oder von dem den Kondensator durchfließenden Strom
abhängig sind (Modulation) und die mit dem Signal modulierte Hilfsschwingung nachher wieder
denioduliert wird.
Gemäß der Erfindung besteht bei einer derartigen Schaltung das Dielektrikum des Kondensators
wenigstens zum Teil aus einem Erdalkalititanat, und der Kondensator bildet einen Teil eines
Schwingungskreises, dessen Abstimmfrequenz dermaßen von der Trägerwellenfrequenz der erwähnten,
modulierten Schwingung abweicht, daß diese Trägerwellenfrequenz sich bei der erwähnten
Steuerung längs einer der Flanken der Resonanzkurve des Schwingungskreises bewegt.
Die Abstimmfrequenz des Kreises weicht im allgemeinen nicht mehr als um einen Faktor 3 von der
erwähnten Trägerwellenfrequenz ab.
Bei einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung wird außerdem das verstärkte
Signal ganz oder teilweise in positivem odej; negativem Sinne auf den Modulatorteil der Schaltung
rückgekoppelt.
Günstige Ergebnisse werden gleichfalls mitStoffen erzielt, die im wesentlichen aus Vertretern des
ternären Systems BaTiO3-SrTiO3-PbTiO., bestehen.
Es ist in diesem Fall nicht erforderlich, daß die drei Bestandteile des ternären Systems alle
gleichzeitig vorhanden sind.
Sehr günstige Ergebnisse werden mit Dielektrika erzielt, die im wesentlichen aus BaTiO3
oder aus Vertretern des binären Systems BaTiO3-
SrTiO3 bestehen, z.B. BaTiO3 mit höchstens
35 Mol. % SrTiO3. Wenn die Schaltung bei Zimmertemperatur
angewendet wird, ist es empfehlenswert, den Prozentsatz SrTiO3 zwischen 15 und 30
zu wählen. Die verschiedenen binären und ternären Mischprodukte bilden homogene Mischkristalle, die
ähnlich wie die zusammengesetzten Rohstoffe eine Perowskitstruktur aufweisen.
Nicht alle Eigenschaften des Dielektrikums brauchen spannungs- und/oder stromabhängig zu
sein; in der Regel zeigt die Dielektrizitätskonstante, häufig auch der Verlustwinkel, und manchmal
zeigen sie beide diese Abhängigkeit.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der mehrere Ausführungsbeispiele dargestellt sind.
In Fig. ι bezeichnet 1 die Quelle, die das zu verstärkende
Signal, z. B. ein Niederfrequenzsignal oder eine Gleichspannung, liefert. Es ist im allgemeinen
erwünscht, daß das Signal den Charakter einer Gleichspannung hat. Es kann z. B. aus
der Überlagerung einer Wechselspannung und einer Gleichspannung bestehen, in der Weise, daß
das kombinierte Signal stets die gleiche Polarität aufweist. In dem die Quelle 1 enthaltenden Kreis
liegen außerdem noch ein Kondensator 2 mit einem Dielektrikum 3, die Sekundärwicklung 5 eines
Transformators 4 sowie die Primärwicklung eines Transformators 15.
Der Primärwicklung des Transformators 4 wird eine Wechselspannung zugeführt. Infolgedessen
wird über die Sekundärwicklung 5 in dem vorerwähnten Kreis des Kondensators 2 eine Wechselspannung
induziert, die in ihm als Hilfsschwingung wirksam ist.
Bei der Verstärkung von Niederfrequenzschwingungen, wozu sich die Schaltung besonders
gut eignet, muß die Frequenz der Hilfsschwingung höher als und vorzugsweise hoch in bezug auf die
höchste in den zu verstärkenden Schwingungen vorkommende Frequenz sein.
Als Dielektrikum 3 ist ein Stoff gewählt, dessen Eigenschaften von der über den Kondensator 2 auftretenden
Spannung und/oder von dem diesen Kondensator durchfließenden Strom abhängig sind,
z. B. Seignettesalz oder eines der vorerwähnten Perowskite. Diese Abhängigkeit ist häufig verwickelt,
da die erwähnten Eigenschaften in der Regel nicht nur von der Signalspannung, sondern
auch von der Hilfsspannung abhängen.
Falls, wie im vorstehenden bereits erwähnt wurde, die kombinierte Signalspannung den Charakter
einer Gleichspannung hat, deren Polarität dauernd die gleiche ist und die Hilfsspannung
einen gleichbleibenden Wert aufweist, ergibt sich, daß die Dielektrizitätskonstante der genannten
Dielektrika im allgemeinen bei steigender Signalspannung abnimmt. Bei den genannten Perowskiten
findet man jedoch auch Gebiete, in denen gerade das Umgekehrte stattfindet. Bei der praktischen
Anwendung der erwähnten Dielektrika ist dies selbstredend zu berücksichtigen.
Infolge der nichtlinearen Eigenschaften des Kondensators 2 wird unter anderem die Hilfsschwingung
mit dem Signal amplitudenmoduliert. Gemäß der Erfindung kann nun der modulierten
Hilfsschwingung durch Demodulation das verstärkte Signal entnommen werden. Dies erfolgt
mittels einer Diode 12 in Vereinigung mit der Parallelschaltung eines Widerstandes 13 und eines
Kondensators 14. Das verstärkte Signal kann dem Widerstand 13 entnommen werden. Der Kondensator
2, die Primärwicklung des Transformators 15 und die Sekundärwicklung 5 des Transformators 4
bilden einen Schwingungskreis, der so bemessen ist, daß beim NichtVorhandensein eines Signals
die Frequenz der Hilfsschwingung einem Punkt auf einer der Flanken der Resonanzkurve entspricht.
Um die erforderliche Selbstinduktion im Kreis zu erhalten, ist es in der Regel erforderlich, eine
zusätzliche, in der Figur nicht dargestellte Spule vorzusehen. Die Wirkungsweise der Schaltung ist
nun folgende:
Die von der Signalspannung hervorgerufenen Kapazitätsänderungen des Kondensators 2 bringen
den Schwingungskreis mehr oder weniger in Resonanz für die Frequenz der Hilfsschwingung. Angenommen,
daß bei steigender Signalspannung die Dielektrizitätskonstante und somit die Kapazität
des Kondensators abnimmt und die Frequenz der Hilfsschwingung kleiner als die Abstimmfrequenz
des genannten Schwingungskreises ist, wird bei steigender Signalspannung der Schwingungskreis
mehr aus der Resonanz für die Hilfsschwingung geraten und der Strom der Hilfsschwingung im
Kreis stark abnehmen, so daß die dem Demodulator übertragene Spannung abnimmt. In ähnlicher
Weise nimmt bei abnehmender Signalspannung der Strom der Hilfsschwingung stark zu; das Signal too
kann darauf durch Demodulation der modulierten Hilfsschwingung entnommen werden.
Es ist zu bemerken, daß die im Kreis auftretende Erscheinung noch etwas verwickelter ist,
da in dem zuletzt geschilderten Fall abnehmender Kondensatorimpedanz auch der Hilfsspannungsabfall
über dem Kondensator 2 abnimmt.
Fig. 2 stellt eine Schaltung dar, in der außerdem das verstärkte Signal auf den Modulatorteil
der Schaltung rückgekoppelt ist. n0
Zu diesem Zweck ist in den Kreis ein Widerstand 8 eingeschaltet, über den eine Spannung des
verstärkten Signals auftritt. Dieser Widerstand kann die Funktion des Widerstands 13 aus Fig. 1
erfüllen; es ist jedoch auch möglich, in den Demodulatorkreis noch einen weiteren, in der
Figur nicht dargestellten und durch einen Kondensator zu überbrückenden Widerstand einzuschalten.
In diesem Fall wird nur ein Teil der verstärkten Signalspannung für die Rückkopplung
verwendet. Bei der Schaltung nach Fig. 2 sind die Polarität der Signalspannung und der über den
Widerstand 8 auftretenden Spannung derart gewählt, daß eine positive Rückkopplung entsteht.
Durch Umschalten der Quelle 1 oder der Diode 12 entsteht eine negative Rückkopplung. Die positive
Rückkopplung ergibt eine größere Verstärkung und eine negative Rückkopplung, eine mehr lineare Verstärkung
und eine größere Stabilität der Schaltung. Zur leichten Einstellung der Resonanzfrequenz
des Schwingungskreises ist parallel zur Primärwicklung des Transformators 15 ein veränderlicher
Kondensator 16 geschaltet.
Mit dieser Schaltung und unter Anwendung von Seignettesalz als Dielektrikum wurde ein Signal
von 30 V, ι «Λ bis auf 200 V, 400 μΑ verstärkt.
Um den den Transformator 15 durchfließenden
Strom von der Frequenz der Hilfsschwingung möglichst niedrig zu halten, ist die Schaltung in
Gegentakt ausgebildet, was dadurch erreicht worden ist, daß parallel zur Reihenschaltung der
Sekundärwicklung 5 und des Kondensators 2 eine zweite Reihenschaltung vorgesehen wurde, die
durch eine andere Sekundärwicklung 6 des Transformators 4 und einen veränderlichen Kondensator
9 mit einem spannungsunabhängigen Dielektrikum, z. Ii. mit Luft als Dielektrikum, gebildet
wird. Der Kondensator wird so eingestellt, daß beim NichtVorhandensein eines Signals kein oder
nahezu kein Strom von der Frequenz der Hilfsschwingung in demjenigen Zweig der Schaltung
fließt, in dem die Primärwicklung des Transformators 15 liegt. Diese Einstellung kann noch dadurch
verbessert weiden, daß, wie in der Figur dargestellt ist, parallel zum Kondensator 9 eine aus
einem veränderlichen Kondensator 10 und einem Widerstand 11 bestehende Reihenschaltung geschaltet
wird.
Durch geeignete Einstellung des Kondensators
10 und des Widerstands n können die Verluste des Kondensators 2 nachgebildet werden, so daß
ein nahezu vollständiger Ausgleich des Stroms der Hilfsschwingung erzielt werden kann.
Ein noch etwas besserer Augleich kann dadurch
erreicht werden, daß der veränderliche Kondensator 9 und die Reihenschaltung des Widerstands
11 und des veränderlichen Kondensators 10 durch
einen nicht dargestellten Kondensator mit einem Dielektrikum der gleichen Art wie der Kondensator
ι ersetzt werden und daß in Reihe mit jedem der Kondensatoren eine Gleichspannungsquelle angebracht
wird, die über die entsprechenden Kondensatoren Vorspannungen erzeugen, welche die
Signalspannung übersteigen und für beide Kondensatoren das entgegengesetzte Vorzeichen haben.
infolgedessen nimmt der absolute Wert der Spannung in dem einen Zweig der Schaltung bei ansteigendem
Wert des Signals zu, während er im anderen Zweig abnimmt. Die Schaltung wird derart
eingestellt, daß, wenn die Spannung der Quelle 1 gleich Null ist, die Kapazitätswerte der
beiden Kondensatoren einander gleich sind. Diese Schaltung weist den Vorteil auf, daß Temperaturänderungen
keinen Einfluß auf den Ausgleich haben.
Wie im vorstehenden bereits erwähnt wurde, ist es in der Regel erwünscht, eine zusätzliche Spule
in den Kreis einzuschalten, um die erforderliche Selbstinduktion in den Kreis einzuführen. Dies
ist sogar erforderlich, wenn keine Transformatoren 4 und 15 verwendet werden, wenn somit die
Hilfsschwingung auf andere Weise dem Kreis zugeführt wird und der Demodulator auf andere
Weise mit dem Kreis verbunden ist. Wenn in diesem Fall die Spule mit einem ferromagnetischen
Kern ausgerüstet ist, kann man die Selbstinduktion der Spule zweckmäßig durch einen dem
Demodulator entnommenen vormagnetisierenden Strom beeinflussen lassen. Es ist auf diese Weise
z. B. möglich, eine noch größere Verstärkung zu erzielen.
Es ist auch möglich, die Selbstinduktion det Spule durch einen der Signalquelle entnommenen,
vormagnetisierenden Strom beeinflussen zu lassen und dem Kondensator eine vom Demodulator herkommende
Spannung zuzuführen.
Wenn die zusätzliche Spule und der Kondensator parallel zueinander geschaltet sind, erübrigt
sich in der Regel eine Gegentaktschaltung wie oben erwähnt.
Die beschriebenen Schaltungen eignen sich nicht nur zur Verstärkung von Niederfrequenzsignalen
und Gleichspannungen, sondern auch zur Verstärkung von auf eine Trägerwelle modulierten
Signalen und sind z. B. in Radioempfängern anwendbar.
Es ist manchmal empfehlenswert, in dem Kreis einen oder mehrere Schwingungskreise vorzusehen,
die auf die Frequenz der Hilfsschwingung oder auf die Differenzfrequenz der Hilfsschwingung und des
zu verstärkenden Signals abgestimmt sind. Den über diese Kreise auftretenden, modulierten Schwingungen
kann, gegebenenfalls nach weiterer Verstärkung, durch Demodulation das verstärkte Signal
entnommen werden.
Es ist nicht erforderlich, die Signalquelle, die Hilfsschwingungsquelle, den Kondensator und die
Ausgangsimpedanz oder den Demodulator alle in Reihe in den elektrischen Kreis einzuschalten. Es
ist auch möglich, eine Anzahl dieser Elemente parallel zu schalten, wenn nur das Auftreten von
unerwünschten Kurzschlüssen für die im Kreis wirksamen Schwingungen vermieden wird.
Es ist grundsätzlich möglich, die Einstellung des Kreises derart durchzuführen, daß die Schaltung
labil wird und Schwingungen im Kreis erzeugt werden. Falls sinusförmige Schwingungen erzeugt
werden sollen, so ist in den Kreis ein geeigneter Schwingungskreis einzufügen.
Zur Verbesserung der Spannungsverstärkung können in den Kreis mehrere Kondensatoren mit
einem spannungs- und/oder stromabhängigen Dielektrikum eingeschaltet werden, die z. B. von
der Signalquelle in Parallel- und von der Hilfsspannungsquelle in Reihenschaltung gespeist werden.
Claims (13)
- PATENTANSPRÜCHE:i. Schaltung zur Verstärkung eines elektrischen Signals, bei der dieses Signal gemeinsam mit einer Hilfsschwingung einem elektrischenKreis zugeführt wird, in den ein Kondensator mit einem Dielektrikum eingeschaltet ist, dessen Eigenschaften von der über dem Kondensator auftretenden Spannung und/oder von dem den Kondensator durchfließenden Strom abhängig sind (Modulation) und die mit dem Signal modulierte Hilfsschwingurig nachher wieder demoduliert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum wenigstens zum Teil ausίο einem Erdalkalititanat besteht und der Kondensator einen Teil eines Schwingungskreises bildet, dessen Abstimmfrequenz dermaßen von der Trägerwellenfrequenz der erwähnten, modulierten Schwingung abweicht, daß diese Träger-Wellenfrequenz sich bei der erwähnten Steuerung längs einer der Flanken der Resonanzkurve des Schwingungskreises bewegt.
- 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den elektrischen Kreis eine Selbstinduktion aufgenommen ist, die zusammen mit dem Kondensator und gegebenenfalls außerdem im Kreis vorhandenen Impedanzen den erwähnten Schwingungskreis bildet, wobei dieser Selbstinduktion die Spannung für den Demodulator entnommen wird.
- 3. Schaltung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem das verstärkte Signal ganz oder teilweise in positivem oder negativem Sinne auf den Modulatorteil der Schaltung rückgekoppelt ist.
- 4. Schaltung nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsschaltung in Gegentakt ausgebildet wird, und zwar derart, daß beim Nichtvorhandensein eines Signals keine oder nahezu keine Spannung der Hilfsschwingung über den Demodulator bzw. über die Impedanz, mit der die modulierten Schwingungen dem Demodulator übertragen werden, auftritt.
- 5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem einen Gegentaktzweig der obenerwähnte Kondensator und in dem anderen Gegentaktzweig eine oder mehrere Kapazitäten und gegebenenfalls einer oder mehrere Widerstände vorgesehen sind, wobei die Elemente derart eingestellt sind, daß beim Nichtvorhandensein eines Signals die Schaltung in bezug auf die Hilfsschwingung im Gegentakt ist.
- 6. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einem der Gegentaktzweige ein Kondensator und eine Gleichspannungsquelle vorgesehen sind, wobei die Kondensatoren mit demselben spannungs- und/oder stromabhängigen Dielektrikum versehen sind und die Gleichspannungsquellen den Kondensatoren Vorspannungen mit einem entgegengesetzten Vorzeichen erteilen, während der Wert der Gleichspannungen den der Signalspannung übersteigt.
- 7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurcli gekennzeichnet, daß als Dielektrikum Seignettesalz oder ein im wesentlichen aus einem Vertreter des ternären Systems BaTi O3-SrTi O3-PbTi O3 bestehender Stoff angewendet wird.
- 8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Dielektrikum im wesentliehen ein Stoff angewendet wird, der aus BaTi O3 mit höchstens 35 Mol. °/o SrTiO3 besteht.
- 9. Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Dielektrikum im wesentlichen ein Stoff angewendet wird, der aus einem Mischkristall von BaTiO3 und zwischen 15 und 30% SrTiO3 besteht.
- 10. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie derart eingestellt ist, daß das Signal im Kreis selbst erzeugt wird.
- 11. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dielektrikum angewendet wird, bei dem die Dielektrizitätskonstante bei steigender Signalspannung abnimmt und die Frequenz der Hilfsschwingung niedriger als die Abstimmfrequenz des Schwingungskreises ist.
- 12. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dielektrikum angewendet wird, bei dem die Dielektrizitätskonstante bei steigender Signalspannung zunimmt und die Frequenz der Hilfsschwingung höher als die Abstimmfrequenz des Schwingungskreises ist. ,
- 13. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungskreis eine Spule mit ferromagnetischem Kern enthält, die von einem dem Demodulator entnommenen Strom vormagnetisiert wird.Hierzu 1 Blatt Zeichnungen© 1556 9.51
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