-
Einrichtung zur Verstärkung kleiner Gleichspannungen oder von Spannungen
sehr niedriger Frequenz Die Verstärkung von kleinen elektronischen oder ionischen
Raumströmen, clie ihre Intensität für Zeitperioden über etwa z Sekunde behalten,
bietet ernstliche Schwierigkeiten hinsichtlich der Stabilität, Linearität und der
Kompliziertheit der Konstruktion. Für gewöhnlich wurden solche Ströme für die Zwecke
einer Messung, Steuerung usw. mit direkt angekoppelten Gleichstromverstärkern verstärkt,
wobei die allgemein bekannten Nachteile in Kauf genommen wurden. Um den Gebrauch
von Gleichstromverstärkern auszuschalten, sind verschiedene :Methoden benutzt worden.
Einige derselben verwenden mechanische Mittel zur Umwandlung der Gleichstromsignale
geringer Intensität in Wechselströme, welche sich leichter verstärken lassen. Andere
Methoden führen eine Wechselstromträgerwelle ein, indem einer der Verstärkerelektroden
eine Wechselspannung aufgedrückt wird, wobei die Verstärkung des Systems periodisch
schwankt. Die erstgenannte Methode ist nachteilig wegen ihres Gebrauchs von mechanisch
bewegten Unterbrechungseinrichtungen, während die letztere ernste Probleme hinsichtlich
der Erzielung eines genauen Gleichgewichtes stellt, damit keine Störungen durch
die Trägerwelle bei Abwesenheit eines zu messenden oder zu verstärkenden Raumgleichstroms
eingeführt werden.
-
Die gegenwärtige Erfindung betrifft eine Lösung für die Verstärkung
geringer elektronischer oder
ionischer Raumströme, welche die obengenannten
Nachteile vermeidet und eine stabile, einfache und wiedergebbere Verstärkung solcher
Ströme in einem Ausmaß bewirkt, wie es bisher nicht möglich gewesen ist.
-
Das Prinzip der Erfindung soll an Hand der Fig. z beschrieben werden,
in der in einem teilweise oder völlig evakuierten Gefäß z Elektroden :z und 3 angeordnet
sind, die eine Kathode bzw. Anode bilden, die in einem Stromkreis mit einem Widerstand
4 und einer Gleichstromquelle 5 eingeschaltet sind, In diesem Stromkreis kann ein
Strom aus folgenden Gründen fließen: Es kann eine Elektrodenemission von der Kathode
stattfinden, oder das Gas im Gefäß z kann ionisiert sein, oder es kann ein leitender
Pfad zwischen den Elektroden bestehen.. Während es oft erwünscht ist, die beiden
Raumströme zu verstärken, muß dennoch der Einfluß eines leitenden Pfades ausgeschaltet
werden.
-
Um dieses Ergebnis zu erreichen und die kleinen elektronischen oder
ionischen Raumströme leicht einer Verstärkung zugänglich zu machen, wird ein periodisch
sich änderndes magnetisches Feld dem Raum zwischen den Elektroden aufgedrückt und
so gerichtet, daß es mindestens eine Komponente rechtwinklig zum ungestörten Fluß
der Elektronen oder Ionen im Raum hat. Dieses magnetische Wechselfeld wird durch
einen Elektromagneten 6 in der Nähe der Elektroden 2 und 3 erzeugt und ändert periodisch
die Größe des Raumstroms zwischen den Elektroden und erzeugt daher ein Wechselpotential
längs des Widerstands 4, das einer stabilen Verstärkung fähig ist. Diese kleine
Wechselspannung wird über einen Kondensator 7 dem Eingang eines Verstärkers 8 zugeführt.
Die verstärkte Wechselspannung wird durch ein Filternetzwerk g geleitet, welches
alle Frequenzen außer der im Eingangskreis erzeugten schwächt. Auf diese Weise wird
das Ansprechen des Systems auf irgendwelche unerwünschten Spannungen oder Ströme,
z. B. Stromkreisgeräusche, Röhrengeräusche, Mikrophonströme oder äußere Störungen
verringert. Natürlich kann das Filternetzwerk entweder mit dem Verstärker selbst
oder mit dem Anzeigegerät zo vereinigt werden, das in den Ausgangskreis desselben
eingeschaltet ist. Eine Wechselstromquelle zz ist zur Erregung des Elektromagneten
6 vorgesehen, beispielsweise ein Transformator oder ein Wechselstromgenerator. Klemmen
12 sind vorgesehen, um eine verstärkte Spannung für Fernanzeige oder -kontrolle
abzunehmen. Gleichrichter von bekannter Konstruktion können verwendet werden, um
Gleichstrom vom Ausgangskreis zu erhalten.
-
Fig.2 ist ein Diagramm zur Illustrierung einer Methode, um den Raumstrom
I$ im Entladungsgefäß z zu variieren. Die obere Kurve stellt eine sinusförmige Änderung
des vom Elektromagneten 6 erzeugten Magnetfeldes gegenüber der Zeit dar. Die untere
Kurve deutet die entsprechende Änderung des Raumstroms I3 an, aufgetragen gegen
dieselbe Zeitskala. Der Strom erreicht ein Maximum I.ax, sooft da's Magnetfeld durch
Null hindurchgeht. Im"" ist der Raumstrom, der in Abwesenheit des Magnetfeldes fließt.
Wenn das Magnetfeld sein positives oder negatives Maximum erreicht, so wird der
Raumstrom I" infolge der Ablenkung der Elektroden oder Ionen von ihrem Wege zur
Anode unterdrückt. Die abgelenkten Partikel kehren entweder zur Kathode zurück oder
sie treffen auf die Wandungen des Gefäßes auf. Auf jeden Fall tragen sie nicht zum
Gesamtraumstrom bei. Andere Anordnungen, welche in einer anderen Beziehung zwischen
Strom und Magnetfluß resultieren, sind nachfolgend beschrieben. Das oben beschriebene
Prinzip, das in der periodischen Variation des sonst konstanten oder sich langsam
ändernden Raumstroms durch das magnetische Feld und in der darauffolgenden Verstärkung
der resultierenden Wechselspannung durch einen scharf abgestimmten Verstärker besteht,
kann auf die Verstärkung von Raumströmen angewandt werden, die die verschiedensten
Ursachen haben.
-
Eine Quelle des Raumstroms kann in der Ionisation der in dem Entladungsgefäß
vorhandenen Gase bestehen. Eine derartige Ionisation kann sowohl durch eine hohe
elektrische Feldstärke als auch durch Bestrahlung des Gases mit elektromagnetischer
Strahlung von kurzer Wellenlänge, wie ultraviolettem Licht, Röntgenstrahlen, Gammastrahlen
oder Kernteilchen, verursacht sein. In diesem Fall ist es möglich, durch eine zweckmäßige
Anordnung des magnetischen Feldes in bezug auf die Elektroden entweder ein Anwachsen
oder ein Abnehmen des Ionenstroms in Gegenwart des äußeren magnetischen Feldes zu
erreichen. In beiden Fällen bringt das periodisch schwankende magnetische Feld eine
Wechselstromkomponente des Ionenstroms hervor. Diese kann dann durch einen abgestimmten
Wechselstromverstärker mit hohem Verstärkungsverhältnis verstärkt werden.
-
Fig.3 zeigt eine Anordnung, die das Prinzip bei der Messung eines
Gasdrucks benutzt. Das Gasentladungsgefäß x ist in diesem Fall mit einem Verbindungsrohr
=3 versehen, das zu einem Vakuum oder zu einem Drucksystem führt, in welchem der
Gasdruck zu messen oder zu steuern ist. Ein Raumstrom, der teilweise auf die Ionisation
des Gases zurückgeht, fließt zwischen der Kathode 2 und der Anode 3 und durch den
Widerstand 4 und die Gleichstromwelle 5. Der Elektromagnet 6 verursacht eine periodische
Schwankung des Feldes im Raum zwischen der Kathode z und der Anode 3 und damit eine
periodische Schwankung des Stroms im System. Das resultierende Wechselpotential
wird durch einen Koppelkondensator 7 mit einem abgestimmten Verstärker 8 verbunden.
Der Elektromagnet 6 wird durch einen Transformator 15 von der Wechselstromquelle
zz her erregt. Um die totale Signalausgangsleistüng im zu messenden Druckgebiet
zu verbessern, wird vorteilhaft der Magnet 6 mit Hilfe einer Stromquelle 14 vorerregt
(Fig. 6).
-
Der Raumstrom kann auch durch thermionische Emission von der Kathodenoberfläche
erzeugt sein, die durch Wärmeleitung, Strahlen od. dgl. beheizt wird. In diesem
Fall ist die Ausgangsleistung des Verstärkers eine Funktion der kleinen Temperaturschwankungen
der Kathodenoberfläche oder deren thermischen Emissionsvermögens, ,
Vorteilhaft
wird dieses System gemäß der Erfindung für die Verstärkung geringer Raumströme benutzt,
die durch das Auftreffen elektromagnetischer Strahlung auf die Kathode hervorgerufen
werden, welche einer speziellen Behandlung zur Auslösung von Elektronen im Bereich
der gewünschten Strahlung unterworfen wird. Natürlich kann dieser Bereich im ultraroten,
sichtbaren, oder ultravioletten Teil oder im Röntgengebiet des Spektrums liegen.
In allen diesen Fällen kann die Ausgangsleistung des abgestimmten Verstärkers eine
Funktion entweder der Stärke oder spektralen Verteilung der Strahlung des Emissionsvermögens
der Kathode oder der zusätzlichen Ionisation der Gase innerhalb des Entladungsgefäßes
sein. Zu erwähnen ist noch, daß gemäß. der vorliegenden Erfindung eine Korpuskularstrahlung,
d. h. sich rasch bewegende Kernteilchen ebenfalls als Ursache einer Elektronenemission
von einer geeigneten Kathodenfläche benutzt werden können. Es ist oft erwünscht,
Raumströme zu verstärken, die durch eine Sekundäremission einer leitenden Oberfläche
erzeugt werden. Dies ist z. B. der Fall mit sogenannten Photomultiplikatorröhren.
Bei solchen Einrichtungen kann es unpraktisch sein, ein variables Magnetfeld auf
die nicht erregte Kathode wirken zu lassen, während vorzugsweise der Strom in einer
oder mehreren der darauffolgenden Stufen des Geräts periodisch geändert wird. Diese
Stufen arbeiten mit Raumströmen, die einer Sekundäremission ihre Entstehung verdanken
und gemäß der Erfindung durch ein Magnetfeld moduliert werden können.
-
Ebenso wenn kleine Elektronenraumströme von hoher Geschwindigkeit
gemessen werden sollen, ist es äußerst vorteilhaft, die stärkeren Elektronenraumströme
zu verstärken, die durch Sekundärelektronen von verhältnismäßig geringer Geschwindigkeit
erzeugt werden. Derartige Elektronen erfordern sehr viel geringere elektromagnetische
Felder zur Erzeugung einer nennenswerten W echselstromkomponente, die sich für eine
Verstärkung eignen.
-
Das System gemäß der vorliegenden Erfindung gestattet auch bequem,
Elektronenraumströme zu verstärken, die an der Kathode durch Gasionen erzeugt werden,
welche auf die Oberfläche der Kathode auftreffen und Elektronen durch Ionenbombardement
freisetzen. Die Ausgangsleistung des abgestimmten Verstärkers ist dann eine Funktion
der Anzahl und Energie der Ionen und der charakteristischen Eigenschaften der Kathodenoberfläche.
-
Der Verstärker 8 und der Filter g, die in einer Einrichtung gemäß
der Erfindung benutzt werden, können entweder auf die gleiche Frequenz wie die des
magnetischen Feldes 6, oder auf eine Oberfrequenz hiervon abgestimmt sein, in Abhängigkeit
von der Art der modulierenden Einrichtung und der Anzeigeeinrichtung der Ausgangsleistung.
Die Grundfrequenz ist besonders dann geeignet, wenn gewisse synchrone Anzeige- oder
Steuervorrichtungen gebraucht werden, die nur auf die Grundfrequenz ansprechen.
Auf der anderen Seite bietet die Benutzung einer Oberfrequenz des periodischen Erregerstroms
des Elektromagneten 6 Vorteile, vor allen Dingen in der Richtung, daß etwaige Streuspannungen,
die elektrostatisch oder induktiv durch den Erregerstrom im Eingangskreis erzeugt
werden, im Verstärker- oder Anzeigegerät unterdrückt werden, die. beispielsweise
auf die doppelte Grundfrequenz abgestimmt sein können und auf die unerwünschte Grundfrequenz
nur im geringen Maße ansprechen. In ähnlicher Weise werden vorteilhaft höhere Harmonische
des Erregerstroms benutzt, wenn eine sehr starke Verstärkung mit entsprechend niedrigem
Störungsspiegel erforderlich ist.
-
Zwecks Erzielung eines guten Wirkungsgrades bei der Grundfrequenz
oder einer Harmonischen werden als Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
verschiedene Konstruktionen in den Entladungsgefäßen benutzt, die nachstehend beschrieben
sind.
-
Fig. q. zeigt eine grundlegende Anordnung, die einen hohen Prozentsatz
des Wechselstroms bei der Grundfrequenz f. liefert. Elektronen, die die Kathode
--
verlassen, treffen auf die Anode 3 nur dann auf, wenn das durch die Feldspule
6 erzeugte magnetische Feld die Elektronen auf die Anode 3 richten. Während der
Zeitperiode, in der das Magnetfeld eine entgegengesetzte Polarität hat, werden die
Elektronen von der Anode 3 mit einem entsprechenden Abfall des Raumstroms abgelenkt.
Von demli entsprechenden Diagramm (Fig. 5) ist es ersichtlich, daß der momentane
Raumstrom IS um seinen Durchschnittswert I"" schwankt, und zwar im wesentlichen
rnit der Grundfrequenz des Magnetfeldstroms Im. Die Wellenform der Wechselraumstromkomponente
nähert sich der rechteckigen Form, die ein Maximum an Energie bei der erwünschten
Fundamentalfrequenz aufweist.
-
Fig.6 zeigt andererseits eine Konstruktion, die gestattet, ein Wechselfeld
bei der Fundamentalfrequenz oder einer Harmonischen zu erzeugen. Das Gefäß i enthält
eine Kathode 2 und eine Anode 3. Ein Elektromagnet 6 erzeugt ein magnetisches Feld
zwischen diesen Elektroden, das mindestens eine Komponente rechtwinklig zum Elektronenpfad
hat. Der Elektromagnet 6 wird durch eine Wechselstromquelle ii über einen Transformator
15 erregt. Ein Schalter 16 gestattet die Einschaltung einer Gleichstromquelle 14.
in den Stromkreis des Elektromagneten 6.
-
Fig. 7 zeigt die Beziehung zwischen dem Wechselstrom Im in
der Spule 6 und den resultierenden periodischen Schwankungen des Raumstroms I, Kurve
17 stellt den Wert von I, als Funktion von positiven .oder negativen Werten von
I. dar. I"t und 1"z' stellen den Magnetstrom ohne und mit einer Gleichstromkomponente
entsprechend den möglichen Stellungen des Schalters 16 dar. Die entsprechenden Raumströme
sind mit I"' und I8" bezeichnet und von der Kurve 17 in bekannter Weise abgeleitet.
Ersichtlich wird in Abwesenheit einer Gleichstromkomponente in I, wesentlich das
Doppelte der Fundamentalfrequenz f, im Raumstrom I. erhalten. Hingegen verrückt
der Vormagnetisierungsstrom IU in der oberen Lage des Schalters 16 den Arbeitspunkt
in solcher Weise, daß die ursprüngliche Frequenz f o durch I," wiedergegeben wird.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Elektromagnet
6 im Gefäß i eingeschlossen, wie es in Fig. 8 dargestellt ist. Eine derartige
Anordnung
garantiert eine größtmögliche Annäherung des modulierenden Feldes an die Elektroden
und erhöht infolgedessen den Wirkungsgrad und setzt die Raumbeanspruchung der Konstruktion
herab. Die geerdete Elektrode 2 ist vorzugsweise mit Fortsätzen versehen, die die
.Spule 6 abschirmen und eine Beeinflussung des Potentials der anderen Elektrode
3 durch kapazitive Einwirkung verhindern.
-
Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorteilhaft
in allen Ausführungsformen ein Elektromagnet von sehr niedriger elektrischer Impedanz,
zweckmäßigerweise unterhalb 2 Ohm verwendet, so daß ein ausreichendes magnetisches
Feld im Raum zwischen den Elektroden bei einer geringen Antriebsspannung von beispielsweise
2 Volt oder weniger vorhanden ist. Auf diese Weise wird eine elektrostatische Störung
durch die Spulen auf ein Minimum reduziert, obgleich nur eine mäßige Schirmwirkung
auf die Teile hoher Impedanz des Eingangskreises ausgeübt wird.
-
Wie oben. angedeutet, können die Vorrichtungen gemäß einer Weiterbildung
der Erfindung mit verbessertem Wirkungsgrad betrieben werden, wenn der Raumstrom
in Rechteckform moduliert wird: Eine Fourieranalyse der verschiedenen nicht sinusförmigen
Wellen lehrt, daß eine solche Wellenform den größten Anteil der sinusförmigen Grundkomponente
enthält. Der Scheitelwert der sinusförmigen Grundkomponente einer rechteckigen Welle
von Einheitsgröße ist ungefähr 1,3 oder etwa 30 °/o größer als die rechteckige Welle
selbst. In Fig. g stellt die Kurve 18 den Strom IS in Abhängigkeit vom Strom 1t,
ähnlich wie in Fig. 7, dar. Die Kurve 18 deutet eine höchst nichtlineare Beziehung
zwischen Magnetstrom und. Raumstrom an und zeigt, daß eine sinusförmige Variation
des Stromes I," wirksam eine rechteckige Wellenkomponente des Stroms Is mit dem
Zweifachen der Frequenz des Magnetfeldes erzeugt. Dieser Modulationsprozeß ist in
ausgezogenen Kurven dargestellt. Die Zuführung einer Gleichstromkomponente durch
eine Batterie oder einen permanenten Magneten resultiert in einer rechteckigen Wellenform
mit einer Fundamentalfrequenz, wie sie durch die gestrichelten Linien dargestellt
ist.
-
Fig. io zeigt eine Ausführungsform, in der die obenerwähnten neuen
Prinzipien der Erfindung verwirklicht sind. Die dargestellte Anordnung der Elektroden
und des Magnetfeldes resultiert nicht nur in der oben dargestellten Charakteristik,
sondern sie arbeitet auch mit einem sehr viel schwächeren Magnetfeld. Das Gefäß
i enthält eine Kathode 2 und eine Anode 3, die so gestaltet und angeordnet sind,
daß bei normalem Operationspotential und einem verschiedenen Magnetfeld praktisch
alle Ladungsträger auf der Anode 3 vereinigt werden. Der Pfad dieser Ladungsträger
ist durch ausgezogene Linien zwischen den beiden Elektroden dargestellt. Fernerhin
sind zusätzliche Anoden oder Sammelelektroden ig und 2o vorgesehen, welche alle
Ladungsträger auffangen, die von der Anode 3 weggelenkt werden, wenn das Magnetfeld
einen vorbestimmten Wert erreicht. Der Raumstrom wird daher von der Anode 3 abwechselnd
auf die Sammelelektroden ig, 2o abgelenkt und die resultierende Wechselstromkomponente
im Belastungswiderstand q. wird in der vorbeschriebenen Weise verstärkt. Eine Steigerung
der Nutzverstärkung wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung erreicht durch
eine Kombination des Wechselpotentials am Widerstand 21 durch einen Kopplungskondensator
22 mit dem Signal vom Widerstand q. in einer im Gegentakt geschalteten Eingangsstufe.
Diese Alternative ist in gebrochenen Linien dargestellt.
-
Noch höhere Vielfache der Grundfrequenz können in einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung gemäß Fig. ii erreicht werden. Bei dieser Konstruktion ist eine Vervielfachung
der Anodensysteme vorgesehen, die derart untereinander verbunden sind, daß das Raumstrombündel,
das über die Anoden hinweggeht, viele Male während eines einzigen Zyklus des Magnetfeldstroms
von .einem Anodensystem zum anderen geschaltet wird. Die resultierende Wechselstromkomponente
des Raumstroms ist eine Harmonische höherer Ordnung des Feldstroms und ein auf diese
höhere Frequenz abgestimmter Verstärker ist völlig unempfindlich gegen Störungen
von der niedrigeren Grundfrequenz.
-
Das Prinzip der magnetischen Vereinigung an Stelle der Ablenkung.
wird vorteilhaft benutzt in der Ausführungsform nach Fig. 12. Das Gefäß z enthält
eine flache Kathode 2 und zwei ringförmige Elektroden 3 und ig, von, denen 3 als
Anode und ig als Sammelelektrode ausgebildet sein kann, oder umgekehrt, oder es
können auch beide Elektroden als aktive Anoden, wie in Fig. io dargestellt, benutzt
werden. Die als Solenoid ausgebildete Magnetspule 6 umgibt den Raum zwischen den
Elektroden und erzeugt ein. Feld, das im wesentlichen mit den ringförmigen Elektroden
koaxial ist. Wenn, der Momentanwert des Magnetfeldes Null ist, fließt praktisch
aller Raumstrom zur Anode 3, während in Gegenwart eines Magnetfeldes von vorbestimmtem
Wert ein größerer Teil der ladungsführenden Teilchen auf die Sammelelektrode ig
fällt. Eines oder beide der Wechselpotentiale, die an den Widerständen q. und 21
auftreten, können für Verstärkungszwecke benutzt werden.
-
'Fig. 13 zeigt eine Ausführungsform für die Messung von elektromagnetischer
Strahlung. Die Kathode --
ist in diesem Fall direkt an der Innenfläche des
Gefäßes i angebracht, dessen Wandung zweckmäßig für die in Frage kommende und in
der angedeuteten Richtung einfallende Strahlung durchlässig ist: Die freigesetzten
Elektronen verlassen die Kathode und fallen entweder auf die ringförmige Anode 3
oder die flache Sammelelektrode ig in Abhängigkeit von dem Ausmaß der magnetischen
Einstellung, die durch das momentane Feld der durch den Strom I "L erregten Magnetspule
6 hervorgerufen wird. Die Kathode 2 kann in gleicher Weise konstruiert sein, daß
sie das Lambertsche Kosinusgesetz der Lichtstärke befolgt, wodurch die Ausführungsform
in hohem Maße für Lichtstärkemessungen und -steuerungen geeignet gemacht wird. Die
Wechselstromkomponente des auf eine oder beide der Elektroden 3 und ig fallenden
Raumstroms kann bequem für eine Verstärkung durch ein abgestimmtes Verstärkungssystem
benutzt werden.
Wir haben festgestellt, daß das magnetische Wechselfeld,
welches für die günstigste Funktion erforderlich ist, im hohen Grade in seiner Stärke
verringert werden kann, wenn die Anodenspannung, die in den Elektroden aufgedrückt
wird, von ihrem gewöhnlichen Wert auf einen herabgesetzt wird, der gerade noch zur
Erzeugung von Emissionsströmen ausreichend ist. Bei solch einem niedrigen Anodenpotential
sind die Elektronengeschwindigkeiten entsprechend herabgesetzt und ein geringeres
Magnetfeld ist für Ablenkung, Unterdrückung oder Konzentrierung der 1ädungsträger
erforderlich. Fig. 1q. zeigt eine Gruppe von Kurven, die Emissionsströme in Abhängigkeit
von Anodenspannungen entsprechend drei verschiedenen Parametern darstellen. Diese
Kurven zeigen, daß die Sättigung annähernd dort einsetzt, wo sie die strichlierte
Linie 22 schneiden. Die Anodenspannung in einem gegebenen Abschnitt des Parameters
soll entsprechend unserer Erfindung nahe dem Werte, welcher diesem Schnittpunkt
entspricht, eingestellt sein.
-
Um die Ursachen von unerwünschten Wechselstromsignalen vom Eingangsstromkreis
weiterhin zu verringern, sollen gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die in der
Elektronenröhre eingeschlossenen Bestandteile aus unmagnetischem Material gemacht
sein. Dies verhindert, daß sie durch das magnetische MTechselfeld der Spule 6 zu
Schwingungen- erregt werden. Eine weitere Störungsquelle wird vermieden, wenn die
Anode und Kathode hinsichtlich des magnetischen Feldes so angeordnet werden, daß
keine Wirbelströme in ihnen erregt werden. Sollte dies nicht vollständig durchführbar
sein, empfehlen wir, die Elektroden derartig mit Schlitzen zu versehen, daß solche
Wirbelströme verringert werden.
-
Weiterhin empfehlen wir in praktischen Ausführungen unserer Erfindung,
die Elektroden derartig zu konstruieren und befestigen, daß sie große mechanische
Festigkeit gegen Schwingungen in der Frequenz der größten Verstärkung des Verstärkersystems
oder in deren Nähe aufweisen. Dies wird in hohem Maße Störungen durch Erregung durch
mechanische Er-. schütterungen verringern, die oft in solchen Systemen auftreten.
-
Bei der Überprüfung des Systems, wie es in Fig. i dargestellt ist,
haben wir festgestellt, daß sich während ständiger Emission der Kathode das Wechselstromeingangssignal
Ei an -den Verstärker 8 entsprechend der Kurve 23 in Fig. 15 verändert, wenn. sich
die Wechselspannung der Stromquelle ändert. Falls der Verstärkungsgrad des Verstärkers
8 so eingestellt ist, daß er der Kurve 24. für diese Spannungsänderungen folgt,
dann wird die resultierende Gesamtausgangsspannung im. wesentlichen konstant und
innerhalb eines weiten Abschnitts unabhängig von Änderungen der Spannungsquelle
bleiben und durch Kurve 25 dargestellt sein. Indem das Magnetfeld und der Verstärkungsgrad
in der oben geschilderten Weise abgeglichen wird, schaltet unsere Erfindung die
Notwendigkeit einer weiteren Stabilisierung der Versorgungsspannung aus.
-
Wir haben festgestellt, daß eine sehr große Verstärkung von photoelektrischen
Strömen erzielt werden kann, indem ein sich periodisch änderndes '_Vlagnetfeld einer
Photoverstärkerröhre der üblichen Konstruktion aufgedrückt wird. Bei einer solchen
Anwendung unserer Erfindung kann man das sich ändernde Magnetfeld eine oder mehrere
Stufen der Verstärkerröhre mit einer entsprechenden Veränderung der Umwandlungsfrequenz
und Leistung durchdringen lassen.
-
Bei der Beschränkung der Reaktion unserer Einrichtung auf Frequenzen
auf die gewünschte Signalfrequenz ist es von großem Vorteil, synchrone Gleichrichtung
der verstärkten Signalströme anzuwenden. Fig. 16 zeigt eine Anwendung unserer Erfindung,.
bei welcher ein Gleichrichter der Vibratortype synchron zu dem Magnetwechselfeld
6 auf die Elektronenröhre angewendet wird. Die Ausgangsleistung des Verstärkers
8 wird über den Transformator 26 den Vibratorkontakten 27, 28 zugeführt. Der Vibrator
wird durch die Spule 29 erregt, welche von einer üblichen Stromquelle mit Spule
6 gespeist wird. Dadurch ist das Ansprechen auf einige wenige Frequenzen beschränkt,
wodurch eine entsprechende günstige Erhöhung des Verhältnisses zwischen Signal und
Geräusch und eine Unterdrückung von Störfrequenzen stattfindet.
-
Fig. 17 zeigt eine andere und neue Art der synchronen Gleichrichtung,
welche besonders in Verbindung-mit unserer Erfindung günstig ist. Die Wechselstromsignalausgangsleistung
des Verstärkers 8 wird über einen Transformator 26 einem Stromkreis zugeführt, der
aus zwei thermionischen Dioden 30 und 31 und der Anzeigevorrichtung io besteht.
Die thermionischen Dioden sind beide in der Nähe einer Feldspule 32, welche durch
die gleiche Wechselspannung erregt wird, die auch den Elektromagneten 6 im Eingangskreis
des Verstärkers erregt. Wenn das Magnetwechselfeld, das durch Spule 32 erzeugt wird,
einen bestimmten Wert erreicht, unterdrückt es den thermionischen Strom in beiden
Dioden 30 und 31. Wenn andererseits das Magnetfeld unter diesem bestimmten
Werte bleibt, sind beide Dioden leitend. Daraus kann ersehen werden, daß der Strom,
der durch die beiden Dioden und das Instrument io fließt, während jedes magnetisierenden
Zyklus zweimal durchgehen wird, und zwar in genau der gleichen Weise, wie der Emissionsstrom
durch die Elektronenröhre i durchgeht (Fig. 2). Ein solches System bildet im wesentlichen
einen synchronen Gleichrichter einer neuen Type in der Hinsicht, daß er vollkommen
unempfindlich für Wechselspannungen ist, welche nicht die doppelte Frequenz des
Magnetwechselfeldes haben. Durch Hinzufügung eines konstanten Gleichstroms zu dem
Wechselstrom in Spule 32 wird die Gleichrichtung eher mit der Grundfrequenz als
mit der zweiten harmonischen Oberschwingung synchronisiert sein, genau so wie es
in Fig. 7 für den Emissionsstrom unserer Elektronenröhre im Eingangsstromkreis gezeigt
wird. Der. große Vorteil eines solchen Systems der Gleichrichtung ist das vollständige
Fehlen von mechanisch bewegten Teilen und die Einfachheit und Wirksamkeit der Kontrolle
der richtigen Synchronisierungsfrequenz.
-
In Fig. 18 zeigen wir eine thermionische Schaltvorrichtung auf Grund
.des vorherbeschriebenen
Prinzips, in welcher wir getrennte Anodenoberflächen
ausscheiden, nur zwei emittierende Kathodenflächen 33 und 34 anwenden, welche in
einem einzigen Gehäuse 35 eingeschlossen sind. Der Raum zwischen diesen beiden Kathoden
ist unter der Wirkung des Elektromagneten 32, während eine Heizvorrichtung vorgesehen
ist, um die Kathoden im emittierenden Zustande zu erhalten. Falls eine solche Einrichtung
in den Ausgangsstromkreis eingeschaltet wird, wie es in Fig. ig gezeigt ist, erreichen
--wir entsprechend unserer Erfindung synchronisierte Gleichrichtung.
-
Wenn der Signalstrom I, die doppelte Frequenz des Magnetfeldes
Im hat, wird die synchronisierte thermionische Schaltvorrichtung 36 in Abhängigkeit
von der relativen Phase entweder positive oder negative Halbwellen durchlassen.
Nachdem sie durch einen Verstärker, welcher keine Phasenverschiebung bei dieser
Frequenz hat, durchgegangen sind, werden diese positiven oder negativen Halbwellen
bei der Schaltröhre 36 in einem Moment eintreffen, wenn das Magnetfeld klein ist,
so daß die Elektronen ungestört fließen und einen mittleren Gleichstrom im Anzeigeinstrument
io erzengen werden.
-
Bei allen anderen Frequenzen werden die bei der Schaltröhre eintreffenden
Spannungen abwechselnd sowohl positive als negative Werte haben und keine mittlere
Gleichstromkomponente werden in. dem Stromkreis, welcher das Anzeigeinstrument io
enthält, auftreten. Da dieses Anzeigeinstrument nur auf Gleichstrom anspricht, wird
es durch solche unerwünschte Frequenzen nicht beeinflußt.
-
Die Elektroden 33 und 34 und Elektromagnet 32 können, wie in Fig.
ig gezeigt wird, so angeordnet werden, daß während der geringen Werte des Magnetfeldes
die Elektronen die gegenüberliegende Anode erreichen können. Wenn das Magnetfeld
einen bestimmten Wert erreicht, werden die Elektronen auf die Sammelelektrode 36
gebündelt, oder abgelenkt, welche in einer Weise ängeschlossen ist, die geeignet
ist, die abgelenkten Elektronen aus dem Stromkreis zu entfernen. Eine solche Anordnung
wird das Magnetfeld in Spule 32, welches für eine zufriedenstellende Funktion erforderlich
ist, beträchtlich herabsetzen. -Entsprechend unserer Erfindung können wir auch die
Anzeigeeinrichtung im Ausgangskreis mit der des Eingangskreises ohne Gleichrichtung
synchronisieren, indem wir das System benutzen, das in Fig. 2o gezeigt wird. Der
Ausgangsstrom des Verstärkers 8 erregt die Feldwicklung 37 der Anzeigevorrichtung
io, während die Rotorwicklung von einer Wechselstromquelle synchron mit dem Magnetfeld
6 des Eingangskreises erregt wird. In dieser Weise werden.=alle nichtlinearen Elemente
aus dem Ausgangskreis eliminiert, und wir erhalten eine Anzeige, welche mit der
Phase und Größe des Wechselstromeingangskreissignals in Beziehung steht. Durch Verbindung
der Feldwicklung mit dem Verstärker kann eine vollkommene Übereinstimmung ohne die
Benutzung eines Transformators erreicht werden, falls wir diese Wicklung in der
richtigen, Impedanz wickeln. Der oben beschriebene Ausgangsstromkreis wird natürlich
nur auf die Wechselströmsignale der Feldfrequenz ansprechen und so weitere Filterstromkreise
unnötig machen. Zur Steuerung einer mechanischen Bewegung als Funktion von Phase
und Größe des Ausgangsstroms können wir entsprechend dieser Erfindung sowohl die
Feldwicklung eines in der Nähe befindlichen als auch eines entfernten Elektromotors
mit den Ausgangsklemmen verbinden. Wenn wir die Wicklung dieses Motors synchron
mit Spule 6 im Eingangsstromkreis erregen, erhalten wir ein mechanisches Drehmoment,
dessen Richtung und Größe eine Funktion der Phase und Größe der Ausgangsspannung
der entsprechenden Frequenz ist.
-
Unsere Erfindung ist daher ganz besonsers zur Verstärkung von Emissionsströmen
geeignet, die in einer Anzahl von getrennten Elektronenröhren vorhanden sind. Fig.
21 zeigt z. B. drei Photozellen, welche Einrichtungen des Ausgangskreises auslösen,
welche die Gesamtmenge des Lichtes, welches auf alle drei Zellen fällt, anzeigen
wird. Offenbar können die drei Photozellen auf verschiedene Wellenlängen des Spektrums
empfindlich sein oder sie mögen mit verschiedenen Filtern ausgerüstet sein. Der
totale Lichteinfall einer bestimmten Verteilung wird zusammengefaßt.
-
Fig. 22 zeigt ein neues System für die getrennte Anzeige von Mengen
von mehreren Signaleinrichtungen im Eingangskreis entsprechend unserer Erfindung.
Die drei Elektronenröhren 39, 40 und q1 werden wieder gezeigt, von denen
j ede mit einem Magnetfeld q.2 bzw. q.3 und 44 ausgestattet ist. Diese Elektromagneten
werden von Wechselströmen von verschiedenen Frequenzen f1, f2 und f3 erregt, welche
günstigerweise von elektronischen Schwingungserzeugern erzeugt werden,, können.
Bei entsprechender Konstruktion des Verstärkers 8 ist gleichzeitige Verstärkung
der drei Signalspannungen ohne Interferenz zwischen ihnen gesichert, und wir erhalten
weiter eine vollkommene Separierung des Ausgangssignals, indem wir synchrone Ausgangseinrichtungen
benutzen, wie oben beschrieben, welche für die entsprechenden Frequenzen als scharf
abgestimmte Filter wirken. Eire große Anzahl von unabhängigen kleinen Spannungen
kann für Nutzbarmachung in yveiter Entfernung verstärkt werden, indem ein einziger
Verstärker in dieser Anordnung unserer Erfindung verwendet wird.
-
Unsere Erfindung ist für ihre Anwendung nicht auf die Verwendung von
äußeren Wechselstromquellen oder getrennten Wechselstromgeneratoren beschränkt.
Wie es in einer anderen Ausführung unserer Erfindung gezeigt wird, ist es möglich,
einen Teil der Wechselstromausgangsleistung zur Erregung des Magnetfeldes im Eingangsstromkreis
zu verwenden, wie es in Fig. 23 gezeigt wird. Die Magnetwicklung 6 wird hier vom
Ausgangskreis über zwei Zuleitungen 48 erregt. Bei dieser Anordnung existieren keine
Schwingungen, solange der Emissionsstrom zwischen Kathode 2 und Anode 3 unter einem
bestimmten kleinen Wert ist. Sobald dieser Wert überschritten wird, beginnen Schwingungen
und bleiben aufrecht, bis der Emissionsstrom wieder unterhalb dieses Niveaus fällt.
Falls wir bei dieser feststehenden unteren Grenze ein, Anzeigeinstrument oder Relais
betätigen wollen, kann dies leicht erreicht werden. Die Einrichtung 49 zeigt ein
solches Anzeigeinstrument der optischen oder akustischen Type, welches durch die
Schwingungen
des Kreises gesteuert wird. Die feststehende untere
Grenze der Schwingungsentstehung kann durch Veränderung des Verstärkungsgrades des
Verstärkers oder durch Schwächung der ursprünglichen Quelle des Emissionsstroms
eingestellt werden. Um ein konstantes Erregerfeld über einen weiten Bereich von
Eingangssignalen aufrechtzuerhalten, kann eine Begrenzungseinrichtung 5o bekannter
Konstruktion in den Rückkopplungskreis eingeschaltet werden. Dieses System kann
entsprechend unserer Erfindung in Ausführungen, welche mehrere Einrichtungen mit
ihrem Eingangskreis verbunden haben, verwendet werden, die eine selektive Anzeige
im Ausgangskreis erfordern. Fig. 24 zeigt ein System, in welchem die Eingangseinrichtungen
39, 40 und 41 von Elektromagneten 42, 43 und 44 erregt werden, welche mittels
der Kondensatoren 56, 57 und 58 auf verschiedene Frequenzen abgestimmt sind. Anzeige-
oder Kontrolleinrichtungen 45, 46 und 47 sind einzeln auf diese Frequenzen abgestimmt,
so daß sie nur auf Signale der dazugehörigen Eingangseinrichtung reagieren. Diese
Ausgangseinrichtungen können auch mechanisch abgestimmte Relais oder ähnliche Vorrichtungen
sein. Falls in keiner der Einrichtungen im Eingangskreis Emissionsströme vorhanden
sind, werden keine Schwingungen zustande kommen. Wenn jedoch ein Emissionsstrom
durch eine der Eingangseinrichtungen hindurchgeht, werden Schwingungen in einer
der drei möglichen Frequenzen entstehen, wobei diese Frequenz durch den entsprechenden
abgestimmten Stromkreis bestimmt wird, der mit der Elektronenröhre in Verbindung
steht, durch welche der Strom fließt. Diese Schwingung wird nur in der Ausgangseinrichtung,
welche auf die gleiche Frequenz abgestimmt ist, angezeigt werden. So haben wir in
dieser Ausführung unserer Erfindung eine Einrichtung, die eine kontrollierende Wirkung
an einer entfernten Stelle ausüben wird, welche zu dem Emissionsstrom in Beziehung
steht, der durch eine von mehreren elektronischen Einrichtungen hindurchgeht, die
mit dem Eingangskreis eines einzigen Verstärkers verbunden sind. Diese Ausführung
erfordert nicht mehrere Wechselstromgeneratoren bei mehreren Frequenzen, um ihre
Funktion zu sichern. Eine besondere Eigenschaft dieser Ausführung besteht darin,
daß sie zu einem bestimmten Zeitpunkt nur auf ein Eingangskreissignal reagieren
wird und daß sie nur auf ein anderes Signal ansprechen wird, nachdem der Emissionsstrom
in der ersten Elektronenröhre unter einen bestimmten Wert gesunken ist. Entsprechende
Kontrolleinrichtungen können mit dem Ausgangskreis zur automatischen Herstellung
diesesZustandesverbunden werden.
-
Unsere Erfindung kann mit großem Vorteil auch für die Feststellung
und Kontrolle des Verhältnisses von zwei physikalischen Größen verwendet werden,
die zur Hervorbringung eines Emissionsstroms benutzt werden können, der von einer
magnetischen Modulierung abhängig ist. Fig.25 zeigt eine Anordnung entsprechend
unserer Erfindung zur Feststellung der Gleichheit von Emissionsströmen in zwei Elektronenröhren
51 und 52, welche sich in den Feldern der Elektromagneten 42 bzw. 43 befinden. In
diesem Fall sind Einrichtungen vorgesehen, um die Modulierung des Emissionsstroms
in der Grundfrequenz des Magnetfeldes zu sichern, wie oben beschrieben wurde. Die
Elektromagneten sind so angeschlossen, daß sie den Emissionsstrom, der durch die
Elektronenröhren 51 und 52 durchgeht, in der entgegengesetzten Phase modulieren,
d. h. der Strom wird in einem Stromkreis in einem bestimmten Moment auf sein Minimum
gesunken sein, während er im anderen seinen Scheitelwert erreicht, oder umgekehrt.
Diese zwei phasenverschobenen Wechselstromkomponenten können einander gleichgemacht
werden, indem entweder die Emissionsstrom erzeugenden physikalischen Größen (Strahlung,
Ionisierung) eingestellt werden, oder durch elektrische Abgleichung im belasteten
Stromkreis 53 und 54. In beiden Fällen kann das Signal an den Verstärker 8 für ein
bestimmtes Verhältnis der Emissionsströme gleich Null gemacht werden, während auf
beiden Seiten dieses Gleichgewichtszustandes das resultierende Signal bestimmt sein
und die entgegengesetzte Phase haben wird. Die im veränderlichen Maße belasteten
Stromkreise 43 und 44 können natürlich entsprechend dem Verhältnis der Emissionsströme
dimensioniert werden, und der Null-Gleichgewichtszustand wird von der absoluten
Größe des Emissionsstroms unabhängig sein. Im Ausgangskreis des Verstärkers 8 können
wir synchrone und phasenempfindliche Anzeige- und Kontrolleinrichtungen anwenden,
welche entweder nur anzeigen, daß der Gleichgewichtszustand des Eingangskreises
gestört ist oder eine Kontrolleinrichtung zur Wiederherstellung des gewünschten
Verhältnisses auslösen. Das Drehmoment der Ausgangseinrichtung wird wieder dem Vorzeichen
proportional sein und der Größe des »Gleichgewicht gestört«-Signals, wodurch eine
rasche Wiederherstellung des gewünschten Gleichgewichtes ohne Benutzung von Relais
und ähnlichen Einrichtungen gesichert ist.
-
Die Elektromagneten 42 und 43, wie sie in dem oben beschriebenen System
verwenjet werden, können bei-einer anderen Ausführung unserer Erfin%ung auch durch
die Ausgangsleistung des Verstärkers erregt werden, wie in Fig. 26 gezeigt wird.
Die besondere Eigenart dieser Anordnung ist es, daß die Frequenz der Gesamtschwingung
des Systems von der Richtung der Gleichgewichtsstörung im Eingangskreis abhängt.
Die Ursache dafür besteht in der Phasenverschiebung der beiden Signale, welche an
gegenüberliegenden Seiten des Gleichgewichtspunktes erzeugt werden. Als Folge davon
werden der Verstärker und die in Verbindung stehenden Magnetfelder entweder mit
einer Frequenz f1 oder f2 in Abhängigkeit von der Richtung der Gleichgewichtsstörung
im Eingangskreis schwingen. Im Zustand vollkommenen Gleichgewichts werden keine
Schwingungen vorhanden sein. Wenn wir nun die beiden Anzeige- oder Kontrolleinrichtungen
45 und 46 mit dem Ausgangskreis verbinden, wobei jede von beiden nur auf f1 bzw.
f2 reagiert, werden diese Einrichtungen die Richtung und Größe der Gleichgewichtsstörung
anzeigen oder entsprechende Vorrichtungen zum Zweck der Wiederherstellung des Gleichgewichtszustandes
steuern. Abgestimmte Relais oder derartige Einrichtungen sowie
elektrische
Motoren, die, wie oben beschrieben, in einem synchronisierten Stromkreis angeschlossen
sind, können verwendet werden, um mechanische Einrichtungen in Abhängigkeit von
der Richtung und Größe der Störung des Gleichgewichts auszulösen.
-
Während wir besondere Anwendungen unserer Erfindung gezeigt und beschrieben
haben, wird es für Fachleute leicht erkennbar sein, daß Veränderungen, Abänderungen
und Kombinationen ohne Abweichung von den Grundzügen unserer Erfindung gemacht werden
können, und wir wünschen daher, in den folgenden Patentansprüchen alle Änderungen
und Abänderungen, die sinngemäß in den Rahmen unserer Erfindung fallen, zu beanspruchen.