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Vorrichtung zur Verstärkung eines elektrischen Signals Die Verwendung
von Kondensatoren mit einem Dielektrikum, dessen Eigenschaften von der am Kondensator
liegenden Spannung bzw. von denn ihn durchfließenden Strom abhängen; für Zwecke
der Frequenzmodulation, ist bekannt. Man kann spannungsabhängige Kondensatoren auch
zur Verstärkung eines elektrischen Signals verwenden, wenn man dieses Signal gemeinsam
mit einer Hilfsschwingung einem Kreise zuführt, der einen oder mehrere solcher Kondensatoren
enthält; wodurch eine Modulation der Hilfsschwingung eintritt. Das verstärkte Signal
kann hierbei der modulierten Hilfsschwingung durch Dernodulation entnommen werden.
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Die Erfindung geht von .der Erkenntnis aus, daB solche Verstärkerschaltungen
urbefriedigend arbeiten, wenn die Signalquelle einen hohen Widerstand für Wechselstrom
hat, insbesondere für Wechselstrom von der Frequenz der Hilfsschwingung; 'und daß
keine oder nur eine geringe Spannungsverstärkung erzielt wird, wenigstens sofern
keine Transformatoren verwendet werden. Die Erfindung bezweckt, diese Übelstände
zu beseitigen: Gemäß der Erfindung wird eine Reihenschaltung von wenigstens vier
spannungsabhängigen Kondensatoren in Serie mit der Ausgangsimpedanz in den Kreis
der Hilfsschwingungsquelle eingefügt; während die Signalspannung diesen Kondensatoren,
in-Parallelschaltung zugeführt wird: Die Signalspannung kann dabei mittels Widerstände,
Spulen oder auf die Hilfsschwingung abgestimmter Parallelschwingungskreise den Kondensatoren
zugeleitet werden; vorzugsweise werden als solche hochohmige Widerstände verwendet.
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Diese Mittel können jedoch unterbleiben, wenn eine Signalquelle verwendet
wird; die wenigstens für Wechselströme von der Hilfsschwingungsfrequenz einen hohen.
Innenwiderstand hat, wie z. B. eine Photozelle.
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Die Erfindung wird an Hatd der Zeichnung roch
näher
, erlättext, f n der eine Anzahl von Ausführut@sbeispie@lenet`vu thnten Verstärkerschaltung
dargestellt ist; bei die Erfindung angewendet ist.
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In Fig. i bezeichnet i@;die ;Quelle, die das :zu verstärkende Signal
upz. B. ein Niederfrequenzsigrral oder eines roleichspaanung, liefert. Es ist im
allgemeinen. erwsdseht; daß -ras Signal den Verlauf' e"uwr' Gleichspannung hat;
es kann z. B: aus der Überlagerung einer Wechselspannung und einer Gleichspannung
bestehen, derart, daß das kombinierte Signal stets die gleiche; Polarität aufweist.
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Gemäß der Erfindung ist eine Anzahl von Kondensatoren 2, 2'; 2"; 2',
deren Dielektrikum mit 3 bezeichnet ist, in Reihe in einen Kreis eingefügt,. in
dem weiter noch die Sekundärwicklung 5 eines Transformators 4 und ei#e . Brückenschaltung
7 enthalten sind. Die Brückenschaltung 7 ist in der Praxis als Grätzschaltung bekannt
und enthält vier Gleichrichter und'elnm Widerstand B. Der Primärwicklung des Tramformators
4 wird eine Hilfsschwingung ub zugeführt. Diese wird über die Sekundärwicklung 5
n den vorhererwähnten Kreis übertragen.
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Als Dielelctri.3-im.eitb an: sich bekannter Stoff gewählt, dessen
Eigenschaften von der am Kondensator 2 auftretenden Spanndung bzw. von denn den
Kondensator durhfließendm Strom abhängig sind, z. B. Seignettesalz oder ein Vertreter
des ternären Systems BaTi 0a-Sr Ti 0a-Pb Ti 0g. Bei der Verwendung des-zuletzt.erwähnten
Stoffes ist es nicht erforderlich, daß alle drei .Komponenten des ternären Systemsosizrd:
.Sehr gute Ergebnisse -liefern Dielektrika; die im wesentlichen aus BaTiOs oder
aus Vertretern des binären Systems Ba TiO$-SrTi0a beste; z. BBaTi03 mit höchstens
35 Molpro@ent ,$;Ti:(%. Wenn die Schaltung bei Zimmertemperatur werwe# wird, ist
es empfehlenswert, den Prozentsatz des SrTiO$ zwischen 15 und 30' zu vifen: , .
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Die verschiedenen binären und ternären Mischerzeugnisse bilden homi>gene
Mischkristalle.
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Als Kondensatpren tnit einem. spannuxigsabhängigen Kapazitätswert
;könaen auch Sperrschichtgleichrichter ,verwendet, werden.
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Die Eigenschaften des .Digjektrikums brauchen nicht alle spannenge
1)zw; etromabhängig zu sein; in der Regel :reist , d D,elektrizitätskonstante, häufig
der Verlustwinkel,: und manchmal weisen beide diese Abh#ggkeit auf. , Die von der
Quelle i gelieferte Signalspannung gua wird, gemäß einer bevor, zugwn Ausführungsform
der Erfitbdum& durch hochohmige Widerstände 6, 6' und 6" in;`Parallelsehaltung
den Kondensatoren 2; 2', 2" und 2$'po zugeführt, während die Hilfsschwingung in
Reihenschaltung de Kondensatoren zugeleitet wird: Die Wirkungsweise der .Schaltung
ist nun folgende: An jedem der Kondensatoren tritt eine Signalspannungwund eine
Spannung von der Hilfsschwingung auf. Infolge der nichtlinearen Eigenschaften der
Xondep-satoren wird der durchgelassene Hilfswechselstrom sich ändern, wenn der Momentanwert
der Signalspannung an den Kondensatoren sich ändert, und es wird somit die Hilfsschwingung
vom Signal in der Amplitude moduliert. Unter Zuhilfenahme der Brückenschaltung kann,
gemäß der Erfindung, durch Demodulation, in diesem Falle Gleichrichtung, das verstärkte
Signal u" der modulierten Hilfsschwingung entnommen werden; das verstärkte Signal
tritt am Widerstand 8 auf.
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Es ergibt sich nun, daß die bei der beschriebenen Schaltung am Widerstand
8 auftretende Spannung annähernd das Vierfache der Spannung ist, die entstehen würde,
wenn nur ein einziger Kondensator verwendet werden würde. Auf diese Weise kann also
eine wesentliche Spannungsverstärkung bewerkstelligt werden.
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Die erfindungsgemäße Schaltung ist in den Fällen vorteilhaft verwendbar,
in denen die Signalquelle einen hohen Widerstand für Wechselstrom hat, besonders
für Wechselstrom mit einer der Hilfsschwingungsfrequenz entsprechenden Frequenz.
Dieser Fall tritt z. B. auf, wenn eine photoelektrische Zelle als Signalquelle wirksam
ist; die Kapazität einer solchen Photozelle ist verhältnismäßig gering, so daß diese
einen hohen Widerstand für die Hilfsschwingung bildet.
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Zur Verbesserung könnte parallel zur Signalquelle ein Kondensator
geschaltet werden. Im allgemeinen wird als solcher ein Kondensator mit einer verhältnismäßig
hohen. Kapazität verwendet werden, da die Impedanz des ganzen elektrischen Kreises
bedeutend niedriger sein muß, als die Impedanz des Kondensators mit dem spannungsabhängigen
Dielektrikum, weil sonst die von der Signalspannung herbeigeführten Kapazitätsänderungen
dieses Kondensators nur einen geringen Einfluß auf den Wechselstrom ausüben. Nun
wird z. B. der spannungsabhängige Kondensator möglichst groß gewählt werden, um
eine maximale Energie bei einer minimalen Frequenz der Hilfsschwingung sichern zu
können. Wird jedoch den erwähnten Kondensatoren ein hoher Kapazitätswert erteilt,
so wird diese Zeitkonstante der Schaltung für die Signalspannung zu groß, und die
Schaltung kann die Änderungen der Signalspannung nicht mehr einhalten. Die Zeitkonstante
der Schaltung setzt also der maximal zulässigen, parallel zur Photozelle schaltbaren
Kapazität ein Ziel.
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Bei der Verwendung einer Schaltung, in der nur ein einziger spannungsabhängiger
Kondensator vorhanden ist, bedeutet dies, daß ein großer Teil der zulässigen Kapazität
für den zur Photozelle parallel zu schaltenden Kondensator verwendet werden muß,
was also auf Kosten der mittels der Schaltung erzielbaren Verstärkung geht.
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Dieser Nachteil kann nun durch die Verwendung der erfindungsgemäßen
Schaltung behoben werden. In Fig.2 ist eine praktische Ausführungsform der Kondensatoren
dargestellt, die bei der Schaltung nach Fig. i verwendet werden kann. Die Widerstände
6, 6', 6" und 6"' werden hierbei von schlecht oder halbleitenden Stoffen gebildet,
'die
entweder unmittelbar oder auch, wie dies in der Figur dargestellt
ist, durch leitende Zwischenschichten mit dem Dielektrikum in Kontakt stehen. Die
leitenden Schichten sind in der Figur mit starken schwarzen Strichen bezeichnet.
Besonders, wenn eine große Anzahl spannungsabhängiger Kondensatoren in derselben
Schaltung verwendet werden, bietet die in Fig. 2 dargestellte Bauart eine bedeutende
Vereinfachung der Schaltung.
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Wenn die Breite der leitenden Schichten von der Größenordnung der
Stärke des Dielektrikums wird, können diese Schichten auch wegfallen. In diesem
Falle entsteht eine Bauart wie die in Fig. 3 dargestellte. Die halb- oder schlechtleitenden
Stoffe 6, 6' usw. sind dabei durch Zwischenräume voneinander getrennt; auf diesen
Stoffen sind zwei Elektroden 12, i2' angebracht, die mit diesen sämtlichen Stoffen
auf der oberen bzw. unteren Seite des Dielektrikums einen Kontakt herstellen. Zwei
Elektroden 13 und 13' sind an beiden Enden unmittelbar am Dielektrikum befestigt.
Die Signalquelle wird mit den Elektroden 12, 12' und die Hilfsspannungsquelle mit
den Elektroden 13, 13' verbunden.
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Man kann noch einen Schritt weiter machen und die Zwischenräume zwischen
den schlecht- oder halbleitenden Schichten mit dem gleichen Stoff ausfüllen, so
daß die Querschlitze im Halbleiter verschwunden sind. Es entsteht dann die in Fig.
4 dargestellte Vorrichtung.
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Die beschriebenen Schaltungen eignen sich nicht nur gut zur Verstärkung
von Niederfrequenzsignalen und Gleichspannungen, sondern auch zur Verstärkung einer
Trägerwelle aufmodulierter Signale und können z. B. auch in Funkempfängern verwendet
werden.
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Bei der Verstärkung von Niederfrequenzschwingungen muß die Hilfsschwingungsfrequenz
die höchste in den zu verstärkenden Schwingungen auftretende Frequenz übersteigen
und vorzugsweise groß im Verhältnis zu ihr sein.
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Es ist manchmal empfehlenswert, in den Kreis einen oder mehrere Schwingungskreise
einzufügen, 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 Weiterverstärkupg,
durch Demodulation das verstärkte Signal entnommen werden.