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Gegengekoppelter Generator Es ist bekannt, bei rückgekoppelten Generatoren
zur Erhöhung der Frequenz- und Spannungskonstanz eine Gegenkopplung anzuwenden.
Das Prinzipschaltbild eines gegengekoppelten Generators zeigt die Fig. i. Der verstärkende
Teil ist mit N, bezeichnet und hat das Übertragungsmaß ,u. In dem die Schwingung
erregenden Rückkopplungskanal liegen die Netzwerke N3 und N9. Das Netzwerk N3 enthält
die frequenzbestimmenden Abstimmungsmittel. Sein Übertragungsmaß ist
wobei coo die Resonanzfrequenz ist. Das Netzwerk N9 dient zur Amplitudenbegrenzung,
und sein Übertragungsmaß ist ß,". Das gesamte Übertragungsmaß des Mitkopplungskanals
ist demnach ß1 = ß1' - ß1". Im Gegenkopplungskanal liegt das Netzwerk N2 mit dem
Übertragungsmaß ß2. Die Mitkopplungsspannung ist mit Uql, die Gegenkopplungsspannung
mit U92 und die Summe der beiden Spannungen mit U9 bezeichnet, während U" die Ausgangsspannung
des Generators und U1 die Mitkopplungsspannung vor dem Begrenzer ist.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, bei einem gegengekoppelten
Generator eine große Konstanz der Ausgangsspannung bei geringerer Gegenkopplung
zu erreichen, als dies bei der üblicherweise bei Generatoren angewandten reellen
Gegenkopplung (Phasenwinkel der Mitkopplungsschleife a1 = 0 und Phasenwinkel der
Gegenkopplungsschleife a2 = i8o°) der Fall ist.
Gemäß der Erfindung
wird der Phasenwinkel ä2 des Übertragungsmaßes yß, der Gegenkopplungsschleife gleich
öder angenähert gleich arc und der Phasenwinkel a1 der Mitkopplungsschleife
gleich oder angenähert gleich go° gemacht, wobei a, und a2 entgegengesetztes Vorzeichen
haben.
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An- Hand der folgenden Ableitung sei die Erfindung noch ausführlicher
erläutert: Bei dem in Fig. z dargestellten gegengekoppelten Generator sei angenommen,
daß die Charakteristik des Begrenzernetzwerkes. N9, das einen spannungsabhängigen
Widerstand (Heißleiter, Gleichrichter) enthält, im Arbeitsbereich ideal sei, wie
dies durch die Kurve 1 der Fig. 2 angegeben ist. Die Mitkopplungsspannung ist dann
U91 = Uo und das Übertragungsmaß des Begrenzers
Das gesamte Übertragungsmaß des Rückkopplungskanals ist
Die Erregungsbedingung lautet: ßß7. + A = I . (2)
Es sei nun der- Fall betrachtet,
daß Aß, und Aßt komplex sind. Essei also
Die Erregungsbedingung lautet dann @Aß, 1 (cos al -f- j sin a1) -@-- I Pß2 i (cos
a2 + j sin a2) =1. (2 a) Aus (2 a) folgt
Durch Gleichsetzen der reellen und imaginären Glieder auf beiden Seiten der Gleichung
(q.) folgt
Die Größe von U" berechnet sich aus (_) und (2)
Der Betrag von U" ist
(3) in (ga) eingesetzt ergibt
Der einfacheren Schreibweise halber seien im folgenden U., Ua, ,u, ,u ß1, ,u ß2
die Beträge. Dann wird
,u ist von den Röhreneigenschaften abhängig: U" soll aber möglichst konstant bleiben,
wenn sich die Röhreneigenschaften ändern. Es werde daher der Zusammenhang zwischen
der relativen Änderung von A und U" berechnet. Nimmt man auf beiden Seiten von (zo)
den natürlichen Logarithmus und differenziert partiell, so erhält man nach einigen
Umrechnungen
verschwindet für
Die dazugehörigen Werte von ccl, ßßl und U" berechnen sich aus (7), (8) und (ro)
zu
Fig.3 zeigt das Vektordiagramm der Erregungsbedingung (2) für Damit Gleichung (12)
erfüllt werden kann,
muß Aß, einen induktiven oder kapazitiven Winkel a1 von go° haben. Ist ,uß2
wesentlich größer als 1, dann ist auch der Winkel a2 von ;uß2 annähernd go°, ist
aber kapazitiv, wenn a,
induktivzstundumgekehrt. DieAusgangsspannungua wird
durch die Gegenkopplung um den Faktor ,rtß,, herabgesetzt. Da sich die Gleichung
(12) nur für einen Wert von ,u, z. B. für den Sollwert, erfüllen läßt, hat
für größere Änderungen von ,u einen endlichen Wert. Bei bzw. bei a, = go° sind die
Änderungen
von U" am geringsten, falls sich ,u ändert. Je größer ,uß2, desto mehr nähert sich
a2 dem Winkel go°.
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Bei den üblichen Generatorschaltungen mit Gegenkopplung ist,ußi und
ßß, reell und a1 = o', a. = 18o°. Dafür folgt aus (9b) und (11)
Die Änderung von Ua ist hier und um den gleichen Faktor kleiner, um den die Ausgangsspannung
infolge der Gegenkopplung abnimmt. Die bisher berechnete Änderung von U" gilt, genau
genommen, nur für
Daraus berechnet sich
Es bedeuten = I - 2 JU0 ß2 cos a2 + (ß0 ß2) 2
b = 2 ß2
(,Ao ß2 - cos a2).
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In Fig. q. ist der Quotient der die Erhöhung der Konstanz der Ausgangsspannung
durch die Gegenkopplung angibt, als Funktion von 1n
für reelle Gegenkopplung (a, = 0°, a2 = 18o°) und für den besonderen Fall der komplexen
Gegenkopplung für welchen die Änderung der Ausgangsspannung
ein Minimum ist, dargestellt. Parameter ist die Erniedrigung der Ausgangsspannung
durch die Gegenkopplung beim Sollwert ,uo.
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Aus Fig. q. erkennt man, daß bei nicht allzugroßen Änderungen von
ß die Generatorspannung um Größenordnungen konstanter bleibt, wenn
statt 18o° ist. Das hat zur Folge, daß man eine gewünschte Konstanz der Ausgangsspannung
für erreichen kann als bei der üblichen reellen Gegen-
mit viel kleinerer Gegenkopplung kopplung mit a2 = 18o°. Bei geringerer Gegenkopplung
wird die von den Rückkopplungsnetzwerken zu übertragende Spannung kleiner, was von
besonderer Bedeutung ist, wenn der Abstimmvierpol N3 einen Quarz als Abstimmelement
enthält. Quarze dürfen bekanntlich nur mit begrenzter Spannung betrieben werden.
Außerdem kann bei festliegender Spannung U" die Generatorspannung U" eventuell größer
gemacht werden. Auch dann, wenn die Bedingung
nur annähernd erfüllt ist, ist die Konstanz der Ausgangsspannung wesentlich höher
als wenn a2 = 18o°. sehr kleine (differentielle) Änderungen von ,/j,. Es werde daher
auch die Änderung von U" bei endlicher Änderung von ,u, angegeben. p, sei der Sollwert
von ,cc. Weicht ,u um d ,u vom Sollwert po ab, dann weiche die Ausgangsspannung
U" um d Lj'a vom Sollwert Uao ab. Aus (1o) folgt Hat der Begrenzer keine
ideale Charakteristik, wie es der vorhergehenden Berechnung von zugrunde gelegt
war, sondern liefert eine mit
zunehmender Eingangsspannung zunehmende Ausgangsspannung, wie es den praktischen
Verhältnissen entspricht (s. Kurve 2 von Fig. 2), so läßt sich zeigen, daß auch
dann die Änderung von U" am kleinsten wird, wenn
Die Änderungen von U" werden lediglich größer als die in Fig. q. angegebenen.
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Bei Generatorschaltungen ist it üblicherweise annähernd reell.. Die
Phasendrehung zur Erhöhung der Konstanz von U" muß dann im Rückkopplungsweg erfolgen.
Das frequenzbestimmende Netzwerk A T, enthält einen Resonanzkreis in Reihen- oder
Parallelschaltung. Die Phasendrehung durch den Resonanzkreis ist maximal ± go°,
wobei die go° erst bei starker Verstimmung erreicht werden. Für gute Konstanz des
Generators ist es aber notwendig, daß N3 mit oder annähernd mit der Phase 0, d.
h. bei der Resonanzfrequenz arbeitet. Zur Erzielung von a1 = go'-und
kann man z. B., wie es das Blockschaltbild 5 zeigt, ein phasendrehendes Netzwerk
N5 mit der Phasendrehung a, = go° in Reihe zu N3 schalten und 1V2 die Phasendrehung
a2 geben.
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Bei größerer Gegenkopplung sind ,u ß, und f02 annähernd gegenphasig
(s. Fig. 3). Es kann dann die Phase für beide Rückkopplungskanäle durch ein
gemeinschaftliches Netzwerk gedreht und die Gegenphasigkeit durch geeignete Polung
eines Übertragers in N2, N3 oder N9 erreicht werden. Die zur Erregung notwendige
geringe Abweichung von der Gegenphasigkeit kann durch eine geringe für die Frequenzkonstanz
unschädliche Verstimmung des Resonanzkreises in N3 oder durch eine Phasendrehung
in -'V2 erzeugt werden. Die Fig. 6 und 7 zeigen die Blockschaltbilder solcher Generatoren,
bei denen das gemeinschaftliche phasendrehende Netzwerk N5 zwischen den Ausgang
von 1V, und die beiden Rückkopplungskanäle oder zwischen die beiden Rückkopplungskanäle
und den Eingang von IV, gelegt ist.
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Die Phasendrehung kann auch ganz oder teilweise in das verstärkende
Netzwerk Ni gelegt werden, so
daß ,u eine Phase hat. Dann kann N5
eventuell wegfallen.
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Soll die Frequenz praktisch nur von N3 abhängen, dann müß sich in
der Nähe der Resonanzfrequenz die Phase von N3 bei Frequenzänderungen viel stärker
ändern- als die Phase der übrigen Netzwerke. Die Phase von ruß, soll im Bereich
der'Resonanzfrequenz einen möglichst geringen Frequenzgang haben. Zur Erfüllung
dieser Bedingung kann es z. B. zweckmäßig sein, das Übertragungsmaß von N5 so zu
bemessen; daß die Phase von N5 bei der Resonanzfrequenz ein flaches Maximum hat.
Bei den bisher gezeigten Schaltungen ist Spannungsgegenkopplung angewendet. Selbstverständlich
erhöht die angegebene Phasendrehung von Aß, auch bei Stromgegenkopplung die
Konstanz Ader Ausgangsspannung bei Änderungen von 1u.
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In Fig. 8 ist. das- Prinzipschaltbild eines gegengekoppelten
Generators; mit Stromgegenkopplung und phasendrehenden Netzwerken in beiden Rückkopplungskanälen,
dargestellt. Dieser Generator entspricht, abgesehen von der Stromgegenkopplung,
dem Blockschaltbild 5. Die Röhre entspricht Nl. Der Quarz Q dient als Abstimmelement
N3, der Heißleiter HL begrenzt die Schwingungsamplituden N4, die Schaltelemente
L1, R1, Cl erzeugen die Phasendrehung a1 (N5) und die Schaltelemente C2, L2, R2
die Phasendrehung a2 (N2). Die mitkoppelnde Spannung an der Wicklung W3 des Übertragers
Ü wird gegenüber der an W1 liegenden Spannung umgepolt. Die Gegenkopplungsspannung
wird am Kathodenwiderstand R3 abgegriffen. Ra ist die Belastung des Generators.
C3 und C4 dienen, wie üblich, zum wechselstrommäßigen Kurzschluß gegen Erde.
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Fig. g zeigt eine Generatorschaltung, bei welcher die Phasendrehung
für beide Rückkopplungskanäle durch das gleiche Netzwerk erfolgt. Es wird Spannungsgegenkopplung
angewendet. Die Schaltung entspricht dem Blockschaltbild 7. Die Mitkopplungsspannung
gelangt über den Quarz an den Heißleiter HL, die Gegenkopplungsspannung über
den Blockkondensator C3 und den Vorwiderstand R3 an den Widerstand R.. Die beiden
in Reihe liegenden Rückkopplungsspannungen werden durch das aus L1, Cl, R1 bestehende
phasendrehende Netzwerk um go° gedreht. Die zur Erregung notwendige Abweichung von
der Gegenphasigkeit wird durch den zu R4 parallel liegenden Kondensator C4 erzeugt.
Der Quarz kann deshalb bei seiner Resonanzfrequenz schwingen. Der Kathodenwiderstand
R2 ist durch C2 wechselstrommäßig kurzgeschlossen.
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Bei den bisher angegebenen Schaltungen war angenommen, däß die Begrenzung
der Schwingungsamplitude durch ein im Mitkopplungskanal liegendes amplitudenbegrenzendes
Netzwerk erfolgt. Der Erfindungsgedanke ist aber auch dann anwendbar, wenn das amplitudenbegrenzende
Netzwerk N9 hinter dem Ausgang des verstärkenden Netzwerkes N1 liegt, wie es die
Fig. zo und ii zeigen. Beider Schaltung nach Fig. io erfolgt die Phasendrehung für
den Gegen-und Mitkopplungskanal durch getrennte Netzwerke. Die Phasendrehung von
N2 ist
Die Phasendrehung von N5 ist a1 = 9o°. Bei der Schaltung nach Fig. ii bewirkt ein
Netzwerk N5 die Phasendrehung für beide Rückkopplungskanäle. Die Schaltung kann
auch so bemessen werden, daß ein Teil oder die ganze Phasendrehung dem verstärkenden
Netzwerk N1 zugeordnet Wird. Im letzteren Falle kann das Netzwerk N5 wegfallen.
Die Phasendifferenz zwischen a1 und a2 wird durch IV, oder N3 erzeugt.
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In Fig. 12 ist eine Generatorschaltung dargestellt, welche dem Blockschaltbild
ii entspricht. Es entsprechen die Röhre dem verstärkenden Netzwerk- N1, R3, C3,
R4 und C4 dem im Gegenköpplungskanal liegenden Netzwerk N2, Q und R5 dem die Frequenz
bestimmenden Netzwerk N3 im Mitkopplungskanal R6 und HL dem amplitudenbegrenzenden
Netzwerk N9, R" Cl und L, dem phasendrehenden Netzwerk N5. Die Phasenumkehr für
den Mitkopplungskanal erfolgt am Übertrager Ü. Die Phasendifferenz zwischen a1 und
a2 wird durch C4 erzeugt.