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Stabilisierter Rückkopplungsverstärker mit Stabilität 2. Ordnung Bekanntlich
lassen sich mehrschleifige Verstärker mit Stabilitäten 2. Ordnung mit außerordentlicher
Leistung und Güte entwickeln. Solche Verstärker mit Stabilität Z. Ordnung laufen
jedoch leicht Gefahr, bei Störungen in einen sich selbst forterhaltenden Eigenschwingungszustand
versetzt zu werden, was die praktische Verwendbarkeit solcher Verstärker weitgehend
einschränkt. Eine gewisse Art solcher mehrschleifigen Verstärker mit Stabilitäten
2. Ordnung (und, soweit es etwa wegen kleiner Phasenspielräume nötig erscheint,
mit Stabilitäten r. Ordnung) gegen permanentes Eigenschwingen zu sichern, ist der
Zweck dieser Erfindung.
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Diese erfindungsgemäße Sicherung findet im wesentlichen Anwendung
auf gegengekoppelte Verstärkerschleifen, die dadurch stabilisiert sind, daß ein
Teil der Verstärkerschleife über einen Tief- und Hochpaßvierpol nebengegengekoppelt
ist; sie findet insbesondere Anwendung auf Verstärker nach einem älteren Vorschlag:
»Stabilisierter Rückkopplungsverstärker«.
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Die Erfindung bezieht sich auf Verstärker mit nachfolgendem Aufbau
und nachfolgenden Eigenschaften (die Bezeichnungsweise lehnt sich, soweit möglich,
an diejenige des älteren Vorschlages »Stabilisierter Rückkopplungsverstärker« [vgl.
Abb. i a] an)- Der eigentliche Verstärker A', B,
A"' ist zum Zwecke der Entzerrung
über einem passiven Vierpol A" gegengekoppelt, und die so entstandene Verstärkerschleife
(die Hauptschleife A', B, A"', A") ist wegen der auftretenden hohen Gegenkopplungsgrade
und der starken Phasenschiebungen für sich allein nicht genügend stabil. Die Stabilisierung
der Hauptschleife und damit des
gesamten 'V'ers'tärkers ist dadurch
bewirkt, daß ein aktiver Teil des Verstärkers B über einen- passiven, in der Umgebung
der mittleren Nutzfrequenzen dämpfenden, mit ansteigenden bzw. ansteigenden und
abfallenden Frequenzen in der Dämpfung zurückgehenden Vierpol C nebengegengekoppelt
ist. -Der Verstärker -ist zwar an sich stabil, wird aber bei einer gewissen Herabsetzung
des Verstärkungsgrades des hauptgegenkoppelnden Vierpols A" oder der nicht zur Nebengegenkopplung
gehörenden Verstärkerteile A', A ' instabil, d. h. der Verstärker ist
stabil 2. Ordnung bezüglich der Herabsetzung des Hauptgegenkopplungsgrades.
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Normal arbeitet ein Verstärker mit Stabilität 2. Ordnung bezüglich
der Herabsetzung des Haupt= gegenkopplungsgrades stabil ;wirken aber auf einen solchen
Verstärker Störungen .(Primärstörungen), .so kann es vorkommen, daß der Verstärker
instabil wird und Eigenschwingungen ausführt, durch die der Verstärker sich selbst
derart stört (Sekundärstörung), daß auch nach Fortfall der Primärstörungen die Eigenschwingungen
fortdauern. Derartige Primärstörungen werden z. B. bewirkt durch Übersteuerung mit
zu hohen Eingangsspannungen, durch Verringerung der Kathodenemission während der
Anheizzeit, durch Netzspannungsschwankungen, durch Wackelkontakte an Potentiometern
usw. Derartige Sekundärstörungen werden bewirkt durch Selbstübersteuerung des schwingenden
Verstärkers. Die Eigenschwingungen können ebenmäßig oder periodisch an- und -abklingend
fortdauern.
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Um einer Beeinträchtigung der Verstärkung durch Eigenschwingungen
zu .begegnen, ist es jedoch nicht notwendig, die durch Primärstörungen hervorgerufene
Einleitung von Eigenschwingungen zu unterdrücken, da solche Primärstörungen ihrem
Wesen nach nur kurzzeitig oder nur selten wirken, indem während der Primärstörung
die Verstärkung ohnehin unzulässig beeinträchtigt wird. Es ist vielmehr genügend,
wenn vermieden wird, daß Schwingungen jeglicher Amplitude und jeglicher Frequenz
solche Sekundärstörungen hervorrufen, die Eigenschwingungen gewisserAmplituden und
gewisser Frequenzen forterhalten.
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Es ergibt sich daraus das Problem, zu erreichen, daß ifgendvwie eingeleitete
Eigenschwingungen beliebiger Amplitude und Frequenz nach Fortfall der . eiüleitenden
Primärstörung abklingen und höchstens solche Sekundärstörungen hervorrufen, die
mit abklingender Eigenschwingung (Restschwingung) in den ungestörten Zustand überleiten.
Dieses Problem wird durch die Erfindung einfach, zuverlässig, zeitlich trägheitslos
gelöst, und zwar ohne Beeinträchtigung der Verstärkung im normalen Aussteuerbereich
des Verstärkers, z. B. bis 2/s der Vollaussteuerung.
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Nach dem Stande der Technik gibt es noch keine der Erfindung ähnlichen
Lösungen. Andere Schaltungen nach dem Stande der Tecknik, die aber wegen ihrer ungünstigen
Beeinflussung der Verstärkung oder wegen ihrer zeitlichen Trägheit nicht gern verwendet
werden, sind kurzzeitige Veränderung der Verstärkung durch Hilfsschwingungen oder
durch Kontakte, die automatisch bei Übersteuerung getätigt werden.
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Erfindungsgedanke: Die Sicherung der genannten Art von Verstärkern
wird nach der Erfindung erreicht durch eine von der Amplitude der Restschwingungen
abhängige Beeinflussung des nebengegengekoppelten Verstärkerteils B undioder des
nebengegenkoppelnden Vierpols C.
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Nach der Erfindung wird eine geeignete solche Beeinflussung erreicht,
indem durch Parallelschaltung von nichtlinearen Zweipolen zu passenden Querimpedanzen
des nebengegengekoppelten Verstärkerteils B (B-Ouerschluß) und/oder zu passenden
Längsimpedanzen des nebengegenkoppelnden Vierpols C (C-Längsschluß) der Verstärkungsgrad
des nebengegengekoppelten Verstärkerteils B herabgesetzt und/oder der Verstärkungsgrad
des nebengegenkoppelnden Vierpols C vergrößert wird, sobald die an den nichtlinearen
Zweipolen anliegenden Wechselspannungsamplituden die passend eingerichteten Reizspannungen
der nichtlinearen Zweipole überschreiten. In der Regel geht mit solcher Änderung
der Beträge des Verstärkungsgrades des nebengegengekoppelten Verstärkerteils B und/oder
des nebengegenkoppelnden Vierpols Ceine Änderung der zugehörigen Phasenmasse einher.
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Diese B-quergeschlossenen _bzw. C-längsgeschlossenen nichtlinearen
Zweipole besitzen für Spannungen unter der Reizspannung einen vernachlässigbar kleinen
Leitwert, dagegen für Spannungen über der Reizspannung (Überspannungen) einen genügend
hohen Leitwert, so daß durch B-Ouerschluß bzw. C-Längsschluß bei Schwingungsamplituden
unterhalb der Reizspannung der Verstärkungsgrad des nebengegengekoppelten Verstärkerteils
B und/oder des nebengegenkoppelnden Vierpols C durch die genannten nichtlinearen
Zweipole nicht beeinflußt ist, aber bei Schwingungsamplituden mit Überspannung der
Verstärkungsgrad des nebengegengekoppelten Verstärkerteils B durch den quer geschalteten
nichtlinearen Zweipol verkleinert und/oder der Verstärkungsgrad des nebengegenkoppelnden
Vierpols C durch den längs geschalteten nichtlinearen Zweipol vergrößert wird, und
zwar mit der Größe der Überspannung.
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Die Reizspannungen und Leitwerte der nichtlinearen Zweipole werden
nach Möglichkeit für beide Spannungs-undStromrichtungen symmetrisch eingerichtet.
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Die Wirkungsweise ist etwa folgende: i. Für niedere bis höhere Restschwingungsamplituden
(unterhalb derReizspannung) beliebiger Frequenz tritt keine wesentliche Selbstübersteuerung
der einzelnen Verstärkerteile auf. Der Verstärker arbeitet stabil. Die erfindungsgemäßen
nichtlinearen Zweipole beeinträchtigen die Verstärkungseigenschaften nicht oder
nur unwesentlich.
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2. Für höhere bis sehr hohe Restschwingungsamplituden (oberhalb der
Reizspannung) beliebiger Frequenz wird durch die erfindungsgemäßen nichtlinearen
Zweipole der Verstärkungsgrad des nebengegengekoppelten Verstärkerteils B so stark
herabgesetzt
und/oder der Verstärkungsgrad des nebengegenkoppelnden
Vierpols C so stark heraufgesetzt, daß eine Übersteuerung derjenigen Verstärkerteile
A', A", A ' , die nicht zur Nebengegenkopplung gehören, verhindert oder
auf ein gewisses Maß beschränkt wird und/oder eine Übersteuerung derjenigen Verstärkerteile
A', A", A', die nicht zur lebengegenkopplung gehören, Regen der gleichzeitigen
Herabsetzung und Phasenbeeinflussung des \"erstärkungsgrades des nebengegengel:opp;
Iteti Verstärk -erteils B und/oder Heraufsetzung und Phasenbeeinflussung des Verstärkungsgrades
des nebengegenkopp.°Inden Vierpols C unschädlich ist.
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Abb. i zeigt ein Ausführungsbeispiel. Der nichtlineare Zweipol zwischen
Pol i' und i" zeigt B-Ouerschluß, zwischen Pol o und 5 C-Längsschluß. Nur in besonderen
Fällen ist es jedoch erforderlich, sowohl B-Ouerschluß als auch C-Längsschluß anzuwenden.
In den meisten Fällen reicht B-Ouerschluß allein oder C-Längsschluß allein aus.
Ob im jeweiligen Falle am besten B-Ouerschluß oder C-Längsschluß verwendet wird,
hängt ganz von den Eigenschaften des zu sichernden Verstärkers ab. Einschaltung
der nichtlinearen Zweipole in den zu sichernden Verstärker a) B-Ouerschluß i. Bei
Gegentaktschaltungen im nebengegengekoppelten Verstärkerteil B wird zweckmäßig ein
nichtlinearer Zweipol zwischen zwei einander entsprechende Pole gelegt (z. B. in
Abb. i zwischen i' und i", 2' und 2", 3' und 3") ; es können jedoch statt dessen
auch zwei nichtlineäre Zweipole an je einen der einander entsprechenden Pole und
an Masse gelegt werden (z. B. zwei gleiche nichtlineare Zweipole an i' und Masse
und an i" und Masse usw.). Bei Rintaktschaltungen im nebengegengekoppelten Verstärkerteil
B wird in der Regel der B-Ouerschluß gegen Masse vorgenommen. Bei mehr wie einem
volldrehenden Phasenschieber im nebengegengekoppelten Verstärkerteil B ist in der
Regel eine Staffelung der Grenzfrequenzen der volldrehenden Phasenschieber günstig.
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z. Bei 2stufigem nebengegengekoppeltem Verstärkerteil B ist der Ouerschluß
von der Anode der Vorröhre gegen die Anode der Gegenvorröhre bzw. gegen Masse sehr
zweckmäßig (z. B. Abb. i). Durch diesen Anodenquerschluß tritt für Überspannungen
eine Erhöhung der oberen Grenzfrequenz des Kopp-Iungsvierpols ein, was in der Regel
günstig wirkt. Gelegentlich wirkt auch ein Querschluß vom Steuergitter der Endröhre
gegen das Steuergitter der Gegenröhre bzw. gegen Masse sehr günstig (z. B. Pol 2'
bzw. 2" bei Abb. i). In dieser Schaltung tritt jedoch für Überspannungen eine Erhöhung
der oberen und unteren Grenzfrequenz des Kopplungsv ierpols ein.
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In einigen Fällen kann ein Ouerschluß von der Anode der Endstufe gegen
die Anode der Gegenendstufe bzw. gegen Masse angewendet «-erden. In der Regel jedoch
wird hierbei die Endstufe steuergitterseitig übersteuert, was periodisch an- und
abklingendeEigenschwingungen durchAufladungen der Kopplungsglieder mit positiven
Gitterströmen bewirken kann. Aus gleichen Gründen sind die naturgegebenen Nichtlinearitäten
(begrenzte Aussteuerbarkeit der Endröhren und Ausgangstransformatoren) nur selten
ausnutzbar.
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b) C-Längsschluß Einer oder mehreren Längsimpedanzen des nebengegenkoppelnden
Vierpols C wird ein nichtlinearer Zweipol parallel geschaltet. Der nichtlineare
Zweipol kann dabei bei mehrgliedrigen Vierpolketten im nebengegenkoppelnden Vierpol
C die Längsimpedanzen aller oder mehrerer Glieder umfassen.
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Oft ist es zweckmäßig, im nebengegengekoppelten Verstärkerteil B mit
ansteigenden undloder abfallenden Frequenzen in der Dämpfung zurückgehende, teilweise
rückdrehende Teilvierpole einzuschalten; besonders dann, wenn der nebengegengekoppelte
Verstärkerteil B und der nebengegenkoppelnde Vierpol C zusammen zwei oder mehr volldrehende
Phasenschieber enthalten und der C-Längsschluß alle Längsimpedanzen einer Vier-27
des nebengegenkoppelnden Vierpols C umfaßt. Oft ist dies zweckmäßig, wenn ein oder
mehrere Längsimpedanzen nicht vom nichtlinearen Zweipol umfaßt werden (z. B. bei
Abb. i Längsschluß zwischen den Polen o und q., o und 3, i und 5 usw.), besonders
dann, wenn der nebengegenkoppelnde Vierpol C und der nebengegengekoppelte Verstärkerteil
B zusammen zwei oder mehr volldrehende Phasenschieber enthält. Aufbau der nichtlinearen
Zweipole für B-Ouerschluß und C-Längsschluß a) Allgemein sind als solche nichtlinearen
Zweipole solche Zweipole zu verwenden, die unterhalb der Reizspannung keinen oder
nur vernachlässigbar kleinen Stromleitwert, aber für Überspannungen genügenden Stromleitwert
aufweisen. Die Reizspannungen sollen einerseits nicht zu hoch gewählt werden, um
die sichernde Wirkung nicht zu beeinträchtigen, und sollen andererseits nicht zu
niedrig sein, um den durch die nichtlinearen Zweipole unbeeinträchtigten Aussteuerbereich
des Verstärkers nicht unnötig einzuschränken. Die für die Sicherung erforderlichen
Reizspannungen sind bei den verschiedenen Schaltungen sehr verschieden (z. B. in
Abb. i bei B-Ouerschluß 2 bis 6 V; bei C-Längsschluß 5o bis 750 V).
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b) i. Für höhere Reizspannungen sind Glimmstrecken sehr geeignet.
Die Spannungsdifferenz zwischen Zündung und Löschung bedingt jedoch oft unangenehme
Phasenverschiebungen, desgleichen die induktive Innenwiderstandskomponente. Das
begrenzte Löschvermögen der Glimmstrecken in höheren Frequenzen (z. B. 5o ooo Hz)
wirkt eher günstig wie ungünstig.
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2. Sehr zweckmäßig sind Gleichrichterschaltungen mit Dioden oder ein-
oder mehrgliedrigen Sperrschichtzellen. In solchen Gleichrichterschaltungen werden
am besten immer zwei Gleichrichter in entgegengesetzter Richtung geschaltet (Symmetrie).
Soweit
dabei die Reizspannung der Gleichrichterzellen allein nicht ausreicht, wird die
Reizspannung künstlich durch Vorspannung erhöht.
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Die Schaltungen Abb. 2 bis 6 zeigen einige Ausführungsbeispiele für
verschiedenartige Anforderungen bei C-Längsschluß und B,Ouerschluß für Ein- und
Gegentaktverstärker. Das Wesen dieser Schaltungen, die allen Schaltungen gemeinsamen
und die jeder Schaltung besonderen Eigenschaften lassen sich unmittelbar aus den
Abbildungen ablesen. Den Beispielen ähnliche Schaltungen lassen sich in großer Zahl
entwickeln.
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Die Kapazitäten in Schaltung Abb. 3, 5 und 6 sind genügend groß zu
halten, daß tiefe Frequenzen genügend übertragen werden. Entsprechend Schaltung
Abb. 3 können auch in Schaltung Abb. z und Abb. 4 Kapazitäten zugeschaltet werden.
Die Kapazität in Schaltung Abb. 3 kann wegfallen.
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Die der Vorspannung dienenden Spannungsquellen S werden mit genügend
geringem Innenwiderstand eingerichtet. Die von S gelieferte Vorspannung kann, ohne
Störungen zu verursachen, wellig sein, so daß sie durch einen besonderen schwachen
Netzteil (Wechselstromspeisung) erzeugt werden kann.
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Oft (z. B. bei kleinen Reizspannungen) ist S zweckmäßig eine kleine
Primärbatterie oder ein kleiner Akkumulator (z. B. Abb. i). Wird der Akkumulator
genügend klein gehalten, so lädt er sich bei den immer wieder eintretenden überspannungen
immer wieder neu automatisch auf. Es empfiehlt sich, zu den Batterien in S Kapazitäten
parallel zu schalten, soweit solche Kapazitäten nicht schon durch Kopplungskondensatoren
gegeben sind (z. B. Abb. 5 und 6).
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Besonders einfach und zweckmäßig ist eine automatische Vorspannung
durch Aufladung einer Ladekapazität in S, soweit nicht Kopplungskondensatoren (z.
B. Abb. 5 und 6) eine besondere Ladekapazität in S ersetzen. Die Ladespannung muß
dann in der Höhe der erforderlichen Reizspannung begrenzt werden, etwa durch das
begrenzte Sperrvermögen der Gleichrichter bei Spannungen über der max. Sperrspannung
oder durch zu der Ladekapazität in S parallel geschaltete Spannungsstabilisatoren,
wie elektrochemische Niederspannungsstabilisatoren, Glimmstrecken (z. B. Abb. 2)
usw.
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Durch diese Sicherung ist es möglich, durch Nebengegenkopplung stabilisierte
Verstärker mit ausgeprägten Stabilitäten 2. Ordnung und hervorragenden Eigenschaften
zuverlässig und billig mit hohen Dämpfungs- und Phasenspielräumen gegen permanentes
Eigenschwingen zu sichern, so daß solche Verstärker für jeden Betrieb geeignet sind.
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Die nichtlinearen Zweipole werden erst bei hohen Aussteuerungen wirksam,
so daß der gesicherte Verstärker im normalen Aussteuerungsbereich unbeeinflußt von
den zugeschalteten nichtlinearen Zweipolen arbeitet.