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Gegentaktverstärker für Sprache- und Musikwiedergabe Die Erfindung
bezieht sich auf einen sogenannten AB-Verstärker mit Kathodenwiderständen, der für
Sprache- und Musikwiedergabe bestimmt ist, und gibt eine neue Bemessung der Kathodenwiderstände
und der Überbrückungskondensatoren an. Ein solcher Verstärker ist bekanntlich nach
Abb. z im Gegentakt geschaltet. Die Gittervorspannungen werden durch Widerstände
erzeugt, die in den Kathodenleitungen liegen und so groß bemessen sind, daß bei
kleinen Amplituden der annähernd gerade Teil, jedoch bei großen Amplituden der untere,
stark gekrümmte Teil der Gitterspannungsanodenstromkennlinie ausgesteuert wird oder
sogar zurr Teil der B-Betrieb erreicht wird, bei dem während der negativen Gitterspannungshalbwelle
die betreffende Röhre fast stromlos ist. Infolge der teilweisen Gleichrichtung bei
der Aussteuerung steigt der bei fehlender Aussteuerung fließende Ruhestrom und erzeugt
an den Kathodenwiderständen eine größere negative Gittervorspannung, welche den
Arbeitspunkt verschiebt. Diese Verschiebung ist um so stärker, j e größer die Kathodenwiderstände
sind. Die obere Grenze der Widerstandswerte ist dadurch gegeben, daß der Klirrfaktor
zu groß wird. Der Verlauf des Klirrfaktors K in Abhängigkeit von der Gittervorspannung
-U" ist in Abb. 2 oben dargestellt. Es ist angenommen, daß die Röhren jeweils bis
zum Gitterstromeinsatz, also bis etwa U" = o V ausgesteuert werden. Daher
ist rechts bei UD = o der Klirrfaktor gleich Null. Er steigt dann allmählich
an, erreicht ein Maximum und dann ein
Minimum und steigt links oben
infolge der Aussteuerung des gekrümmten Teiles der Gitterspannungsanodenstromkennlinie
i in Abb. 2 wieder an. Diese Kennlinie verläuft nach dem bekannten Gesetz
Der Klirrfaktor ist hauptsächlich durch die dritte Harmonische bestimmt, weil sich
in einer Gegentaktschaltung die zweiten Harmonischen auslöschen.
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Bei der Messung eines AB -Verstärkers ist es üblich, eine einzelne
sinusförmige Tonfrequenz zur Aussteuerung zu verwenden. Dabei ergibt sich infolge
der erwähnten teilweisen Gleichrichtung eine Zunahme des Gleichstromes von der Kennlinie
i aus bis zur Kennlinie 2 bei jeweils fester Gittervorspannung. Befindet sich der
Arbeitspunkt z. B. im Punkt a, so steigt der Anodenstrom bis zum Punkt b.
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Bei Verwendung von Kathodenwiderständen verschiebt sich der Arbeitspunkt
zugleich in Richtung nach ,einer größeren negativen Gittervorspannung nach links.
Diese Verschiebung läßt sich leicht übersehen, wenn man die Widerstandskennlinie
des Kathodenwiderstandes einzeichnet. Ist der Kathodenwiderstand so bemessen, daß
die Widerstandskennlinie durch den Punkt a verläuft, so gelangt der Arbeitspunkt
bei voller Aussteuerung mit einer sinusförmigen Schwingung bis zum Punkt d, also
in diesem Beispiel bis zu einem Klirrfaktor K von 5 °/o. Bei mittlerer Aussteuerung
ist dann das Minimum des Klirrfaktors K erreicht. Diese Bemessung geht davon aus,
daß eine volle Aussteuerung nur ,ganz kurzzeitig, z. B. bei Paukenschlägen oder
lauten Klavieranschlägen, vorkommt, und daher ein größerer Klirrfaktor zugelassen
werden kann, während im Durchschnitt eine mittlere Aussteuerung vorhanden ist, die
möglichst verzerrungsärm sein soll.
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Die soeben beschriebene Bemessung der Kathodenwiderstände scheint
durchaus richtig zu sein, jedoch ist sie bei AB-Verstärkern für Sprache- und Musikwiedergabe
nicht die günstigste, wie die Erfindung zeigt. Die Erfindung besteht darin, daß
die Kathodenwiderstände wesentlich größer, als sich bei einer Bemessung für volle
Aussteuerung mit einer einzelnen sinusförmigen Schwingung konstanter Amplitude zur
Erzielung eines möglichst kleinen Klirrfaktors ergeben würde, insbesondere etwa
um 25 bis 7o °/o größer bemessen sind. Sinngemäß das gleiche gilt, wenn die beiden
Gegentaktröhren in bekannter Weise einen gemeinsamen Gittervorspannungswiderstand
besitzen.
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Bei Anwendung der Erfindung müssen die Kennlinien der Kathodenwiderstände
in Abb.2 flacher verlaufen. Es gilt statt der Kennlinie I nun z. B. die Kennlinie
II. Die Ursache für diese andere Bemessung liegt darin, daß bei Aussteuerung mit
Sprache und Musik -der Gleichstrommittelwert kleiner als bei Aussteuerung mit einer
reinen Sinusschwingung ist, weil bei der Überlagerung von Schwingungen außer einer
Addition von Augenblickswerten auch eine Subtraktion stattfindet.
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Versuche haben gezeigt, daß der bei der Aussteuerung eines AB-Verstärkers
mit Sprache oder Musik auftretende Gleichstromzuwachs etwa um 1/3 kleiner als bei
der Aussteuerung mit einer reinen Sinusschwingung ist: Der Gleichstromzuwachs ist
um ein weiteres Drittel kleiner, wenn man die Überbrükkungskondensatoren der Kathodenwiderstände
sehr viel größer als bisher bemißt, nämlich z. B. 75o,uF. Auf diese Bemessung wird
weitet- unten noch näher eingegangen.
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Der Gleichstromzuwachs ist dann also im ganzen etwa um zwei Drittel
auf etwa ein Drittel gesunken. Diese Werte gelten für eine Schaltung mit Kathodenwiderständen.
Daher liegen die Punkte der zu diesem kleineren Gleichstromzuwachs gehörigen Kennlinie
3 auf einem Drittel der schrägen Abstände längs der Widerstandskennlinien. Der Gleichstrom
ist also z. B. vom Punkt a nur bis zum Punkt c statt bis -zum Punkt
d
gestiegen. Man sieht, daß die bisherige Bemessung der Kathodenwiderstände
entsprechend der Kennlinie I nicht die günstigste Bemessung war, denn bei mittelstarker
Aussteuerung mit Sprache oder Musik, nämlich bis zur Mitte zwischen den Punkten
a und c, lag der Arbeitspunkt noch sehr nahe beim Maximum des Klirrfaktors K.
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Bemißt man dagegen erfindungsgemäß die Kathodenwiderstände entsprechend,
der Kennlinie II so groß, daß bei der größten Aussteuerung mit Sprache oder Musik
der Arbeitspunkt bei einem Klirrfaktor von 5 °/o auf der Kennlinie 3, nämlich im.
Punkt f, liegt, so ergeben sich im Durchschnitt kleinere Verzerrungen, da bei kleiner
und mittlerer Aussteuerung der Klirrfaktor um das Minimum der Kennlinie K herum
liegt. Der Ruhepunkt e befindet sich nämlich in der Nähe des Minimums des Klirrfaktors
K. Eine derartige Bemessung wäre bei einer Aussteuerung mit einer einzelnen Sinusschwingung
und mit einem kleinen Überbrückungskondensator von 50 AF nicht durchführbar, weil
dann bei Aussteuerung der Arbeitspunkt auf der Kennlinie I bis zur Kennlinie :z
ansteigen und dadurch der Khrrfaktor unzulässig hoch würde.
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In diesem Beispiel werden die Kathodenwiderstände entsprechend der
Kennlinie II um 7o % größer, also auf das i,7fache gegenüber den Kathodenwiderständen
nach der Kennlinie I vergrößert. Bei Anwendung der Erfindung braucht die Vergrößerung
der Kathodenwiderstände jedoch nicht in jedem Fall so groß zu sein: Man kann die
Kathodenwiderstände auch z. B. nach der Kennlinie III bemessen. Dann wird bei allen
vorkommenden Amplituden ein Klirrfaktor K von etwa 2,5 % nicht überschritten. Die
zugehörigen Kathodenwiderstände sind etwa um 40 % größer, also gleich dem i,4fachen
gegenüber den Kathodenwiderständen nach der Kennlinie I. Waren die Kathodenwiderstände
z. B. bisher je gleich =5o Ohm, so wird man sie bei Anwendung der Erfindung etwa
zu Zoo bis 250 Ohm bemessen, also gleich dem 1,33- bis i,66fachen. Die maximal
abgegebene Leistung bei Aussteuerung bis zum Gitterstromeinsatz ist zwar gemäß der
Kennlinie N etwas kleiner, jedoch ist der Unterschied gering im Vergleich zu den
Vorteilen.
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Der Vorteil des kleineren Klirrfaktors bei Anwendung der Erfindung
wurde bereits erwähnt. Hinzu kommt infolge des kleineren Anodenruhestromes als Vorteil
die kleinere Anodenverlustleistung bei fehlender
Aussteuerung und
die entsprechend kleinere Verlustleistung bei der Aussteuerung. Dies ist gleichbedeutend
mit einem geringeren Stromverbrauch (im obigen Beispiel .etwa um ein Viertel bis
ein Drittel kleiner) und hat zur Folge, daß der Netzteil kleiner bemessen werden
kann und daß kleinere und daher billigere Röhren verwendet werden können.
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Die Bemessung des Außenwiderstandes der Gegentakt-AB-Stufe ist, wie
bekannt, auch von Einfluß auf den Klirrfaktor. Er wird so bemessen, daß der Klirrfaktor
ungefähr ein Minimum hat. Dann liegen das Minimum und das Maximum der Kennlinie
K in Abb.2 ungefähr am tiefsten. Die gestrichelte Kennlinie K, zeigt den Klirrfaktorverlauf
für den 1,25fachen Außenwiderstand.
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Der günstigste Wert der Kathodenwiderstände läßt sich nicht nur, wie
oben angegeben, auf graphischem Wege, sondern auch durch eine Messung ermitteln.
Es wurde durch Versuche festgestellt, daß es dabei nicht notwendig ist, die Messung
mit Sprache- oder Musikschwingungen durchzuführen, sondern es genügt, zur Messung
zwei Sinusschwingungen gleicher Amplitude zu verwenden, die nicht in einem harmonischen
Verhältnis zueinander stehen. Die Gesamtamplitude wird so bemessen, daß die Röhren
bis zum Gitterstromeinsatz ausgesteuert sind. Der Gleichstromzuwachs ist dann bei
fester Gittervorspannunghalb so groß wie bei Verwendung einer einzigen Sinusschwingung.
Dies trifft für die Kennlinie 3 in Abb. 2 zu, da sie, bezogen auf die senkrechten
Abstände, etwa in der Mitte zwischen den Kennlinien 1 und 2 liegt. Damit ist gleichzeitig
ziemlich genau die Bedingung erfüllt, daß bei Verwendung von Kathodenwiderständen
der Gleichstromzuwachs im Fall einer Aussteuerung mit Sprache oder Musik gleich
einem Drittel des Gleichstromzuwachses bei Aussteuerung mit einem reinen Sinuston
ist, denn der senkrechte Abstand zwischen a und c beträgt etwa ein Drittel des senkrechten
Abstandes zwischen a und d.
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Die Verzerrungsmessung geschieht in der Weise, daß das bei der Aussteuerung
der Röhre mit zwei Sinusschwingungen gleicher Amplitude erhaltene Frequenzgemisch
zunächst einer üblichen Klirrfaktormeßbrücke zugeführt wird, die auf die eine der
beiden Grundfrequenzen abgestimmt ist. An der Brückendiagonalen erhält man dann
außer der zweiten Grundfrequenz die Oberwellen- und Kombinationsfrequenzen. Entfernt
man dann in einer zweiten Brückenschaltung die zweite Grundfrequenz, so bleiben
die Oberwellen und Kombinationsfrequenzen übrig, die im Vergleich zur ursprünglichen
Amplitude der Grundfrequenzen gesetzt werden und ein Verzerrungsmaß ergeben, welches
wegen des Einflusses der Kombi nationsfrequenzen etwas größer als der üblicherweise
verwendete Klirrfaktor ist. Die Kathodenwiderstände werden dann so groß bemessen,
daß sich bei voller Aussteuerung das zugelassene Verzerrungsmaß ergibt.
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Weil bei der Anwendung der Erfindung Röhren mit kleinerer Verlustleistung
verwendet werden können, würde eine Messung mit einer reinen Sinusschwingung zu
einer Überlastung führen, und zwar besonders zu einer Überlastung des Schirmgitters,
da bei großer Aussteuerung der Schirmgitterstrom infolge der bekannten Stromübernahmeerscheinung
auf Kosten des Anodenstromes besonders stark zunimmt. Verwendet man jedoch das oben
angegebene neue Meßverfahren mit zwei Sinusschwingungen, so wird eine derartige
Überlastung bei der Messung vermieden.
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Werden die Kathodenwiderstände, wie üblich, mit einem so großen Kondensator
überbrückt, _daß eine Gegenkopplung auch der tiefsten Frequenzen verhindert wird,
z. B. mit 5o ,uF, so müssen bei Anwendung der Erfindung die Kathodenwiderstände
bereits größer als bisher bemessen werden (um etwa 25 °/o), weil bei Sprach- und
Musikwiedergabe der Gleichstromzuwachs um etwa 3o °/o kleiner als, bei der Aussteuerung
mit einer einzelnen Sinusschwingung ist.
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Es hat sich nun gezeigt, daß sich Vorteile ergeben, wenn die Überbrückungskondensatoren
sehr viel größer bemessen werden, z. B. 75o ,uF bei einem Kathodenwiderstand von
Zoo Ohm. Dann ist der Gleichstromzuwachs nochmal etwa um 30 % kleiner, so daß die
Kathodenwiderstände entsprechend größer bemessen werden müssen, und es treten geringere
Verzerrungen auf.
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Der Zweck der großen Kondensatoren geht aus folgendem hervor: Der
Aussteuerbereich eines Verstärkers muß nach den lautesten überhaupt vorkommenden
Stellen der Wiedergabe bemessen werden. Es können nun zwar laute Stellen mehrere
Sekunden lang dauern, jedoch haben Versuche ergeben, daß die lautesten Stellen,
z. B. harte Klavieranschläge oder Paukenschläge, nicht wesentlich länger als o,i
bis o,2 Sekunden dauern. Bemißt man nun die Zeitkonstanten der Kathodenwiderstände
und Überbrückungskondensatoren so groß, wie die Dauer dieser Dynamikstellen beträgt,
so steigt die, C;ittervorspannung während dieser Dynamikstellen weniger, nämlich
nur etwa halb so stark an, weil die große Kapazität erst auf eine andere Gittervorspannung
aufgeladen werden muß.
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Aus diesem Grunde kann die Gittervorspannung von vornherein durch
Verwendung größerer Kathodenwiderstände so groß bemessen werden, als ob diese Dynamikstellen
nur etwa halb so stark wären. Dadurch ergibt sich, wie oben bei Abb. 2 gezeigt wurde,
ein tiefer liegender Ruhearbeitspunkt (e statt ä) und damit eine Stromersparnis.
Bei Kathodenwiderständen von Zoo Ohm und Überbrückungskondensatoren von
750 yF ergibt sich eine Zeitkonstante von Zoo # 75o # 1o-6 = 0,15 Sekunden.
Diese Zeitkonstante gilt auch bei gemeinsamem Kathodenwiderstand.
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Derart große Überbrückungskondensatoren haben noch einen weiteren
Vorteil, nämlich geringere Verzerrungen. Versuche haben nämlich gezeigt, daß bei
plötzlichen Lautstärkeänderungen Pendelungen der Gittervorspannung auftreten, welche
Verzerrungen hervorrufen. Es wurde auf eine AB-Verstärker-Stufe mit einer Frequenz
von 8oo Hz ein rechteckförmiger Impuls von o,2 Sekunden Dauer gegeben und die Änderung
der Gittervorspannung gemessen. Abb.3 zeigt, daß sich der entstehenden Gittervorspannungsänderung
ein Ein- und Auspendelungsvorgang von 6o bis 8o Hz überlagert, welcher eine Klangfälschung
hervorruft. Bei dieser Bemessung war der Überbrückungskondensator sogar schon 25o
AF groß. Erst
bei 75o yF war praktisch keine Pendelung mehr zu erkennen.
Die Pendelung - erklärt sich aus der beschränkten Ladefähigkeit des Siebkondensators
des Netzteiles. Beim Beginn des Impulses wird nämlich zunächst der Siebkondensator
stark entladen. Infolgedessen nehmen die Anoden- und Schirmgittergleichspannung
der Röhre und damit auch die Anodenwechselspannung stark ab. Im anschließenden zweiten
Stadium liefert die vorher entlastete Drossel aus ihrer aufgespeicherten Energie
Strom nach, so daß jetzt umgekehrt die Betriebsgleichspannungen und damit die Anodenwechselspannung
zunehmen, und zwar stärker, als dem späteren eingeschwungenen Zustand entspricht.
Dieser Vorgang schwingt sich allmählich auf den Endzustand ein. Ein getreues Abbild
dieses Vorganges ist der in Abb. 3 dargestellte Verlauf der Gitterspannung am Kathodenwiderstand,
da dieser Verlauf identisch ist mit dem Verlauf des Kathoden- bzw. Anodenstromes.
Beim Ausschalten wiederholen sich diese Vorgänge im umgekehrten Sinne. Der Anodenstrom
wird plötzlich kleiner, infolgedessen steigt die Spannung zunächst am Siebkondensator
auf Kosten der Energie der Drossel stark an. Im zweiten Stadium füllt sich die Energie
der Drossel wieder auf, und die Spannung am Kondensator schwingt unter den Wert
des Endzustandes. Infolgedessen sinkt auch der Anodenruhestrom der Röhre und damit
die am Kathodenwiderstand sich einstellende Gittervorspannung unter den normalen
Wert.
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Die Messungen wurden bei Verwendung eines Siebkondensators von 32
AF gemacht. Ein Siebkondensator von 16 ßF änderte den Kurvenverlauf nicht wesentlich.