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Verstärkerschaltung mit einer Röhre, deren Steilheit in mA/V um einige
Male größer als der mittlere Anodenstrom in mA ist Bei vielen Schaltungen der modernen
Radiotechnik werden elektrische Schwingungen mit Hilfe von Entladungsröhren verstärkt,
die mit sehr niedrigen Eingangs- und, Ausgangsimpedanzen verbunden sind. Dies ist
unter anderem der Fall bei Schaltungen zur Verstärkung von Schwingungen sehr hoher
Frequenz (Zentimeter- und Dezimeterwellen) und bei Schaltungen, die ein sehr breites
Frequenzband übertragen sollen (Fernsehverstärker).
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Um bei einer derartigen Schaltung trotz den n ,iedrigen Eingangs-
und Ausgangsimpedanzen dennoch eine genügende Verstärkung zu erzielen, werden Röhren
angewendet, die eine hohe Steilheit besitzen. Es ist dabei jedoch vorteilhaft. Röhren
zu benutzen, deren mittlerer Anodenstrom den bei Verstärkerröhren üblichen Wert
möglichst wenig übersteigt.
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Für :diese Schaltungen eignen sich insbesondere die sogenannten Sekundäremissionsröhren,
d. h. die Entl@ad,ung.sröhren, die außer einer durch Erhitzung emittierenden Kathode
auch noch eine oder mehrere Hilfskathoden aufweisen, die, wenn sie von Primärelektronen
getroffen werden, Sekundärelektronen aussenden. Bei (derartigen Röhren mit einer
großen Steilheit, aber einem verhältnismäßig geringen mittleren Anodenstrom, ist
es von großer Wichtigkeit, daß .das Potential des Steuergitters in bezug auf diie
Kathode - genau konstant gehalten wird, demlinfolge der großen Steilheit führen
geringe
Änderungen dieses Potentials verhältnismäßig sehr große
Änderungen des Wertes des mittleren Anodenstroms herbei. Ungewollte Änderungen des
Steuergitterpotentials können unter anderem durch Änderungen -des sogenannten Kontaktpotentials
-des Gitters verursacht werden: Es ist bekannt, die bei Verstärkerröhren erforderliche
negative Steuergittervorspannung riiit Hilfe eines in -die Kathodenleitung aufgenommenen,
gegebenenfalls von einem Kondensator iiberbrückfen Ohmschen Widerstand zu erzeugen,
wodurch gewissermaßen ein Ausgleich der durch Änderungen des Steuergitterpotentials
verursachten Anodenstromänderungen auftritt. Diese ausgleichende Wirkung ist jedoch
bei Verstä.rkerschaItungen, bei denen Röhren angewendet werden, deren Steilheit
in mA/V um einige Male größer als der mittlere Anodenstrom in mA ist, durchaus ungenügend.
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Es ist bekannt, daß das Kontaktpotential die Gittervorspannung einer
Röhre mitbestimmt, sowie auch, daß dieses Kontaktpotential nicht konstant bleibt,
sondern sich mit der Zeit ändert.
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Es ist weiterhin bekannt, eine Höchfrequenzverstärkerschaltung mit
positiver Gitterspannung . zu betreiben. An sich wird durch diese Maßnahme jedoch
keine Stabilisierung des Anodenstroms erreicht.
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Die Erfindung hat den Zweck; bei Verstärkerschaltungen der genannten
Art das Steuergitterpotential und- daher auch den mittleren Anodenstrom in hohem
Maße von ungewollten Änderungen der im Steuergitterkreis auftretenden Gleichspannungen
unabhängig zu machen. Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß bei
Verstärkerschaltungen -reit einer -Röhre, deren Steilheit in mA/V um einige Male
größer als der mittlere Anodenstrom in mA ist, ,die ausschließlich als Verstärker
arbeitende Röhre derart eingestellt ist, daß ein Gitterstrom von wenigstens o,5
,uA (beispielsweise von 0,5 bis io ,uA) vom Gitter zur Kathode fließt und
daß die diesem Arbeitspunkt entsprechende geringe negative Vorspannung dadurch erhalten
wird, daß das Gitter mit der Kathode über. einen beim Betrieb festen Ohmschen Widerstand,
welcher groß gegenüber dem dem Arbeitspunkt entsprechenden inneren Gitter-Kathode-Widerstand
ist und einen Wert von wenigstens i Megohm hat, und mit einer Quelle positiver Spannung
verbunden ist, deren Spannung groß gegenüber dem Kontaktpotential ist, welches im
Gitterkreis auftreten kann, derart, daß der Arbeitspunkt sich bei Änderung des Kontaktpotentials
praktisch nicht verschiebt.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der die
Fing. i und 2 sich auf eine .bekannte Schaltung beziehen, während -die Fig.3 und
4 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellen.
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In Fig. i ist der Gitter-Kathode-Kreis einer Verstärkerröhre ,dargestellt,
dem auf die übliche Weise mittels zweier Anschlußklemmen i und 2 die zu verstärkende
Spannung e, zugeführt werden kann. Die Figur zeigt ferner eine Kathode 3, leinen
Querschnitt . ,durch einen Gitterstab 4 und .eine Quelle negativer Gitterspannung
5. Da der Gitterstab meist ungewollt mit einer Schicht eines !anderen Materials
bedeckt ist, besteht zwischen dem Kern eines Gitterstabes .und der Außenseite des
letzteren eingewisses Kontaktpotential, Dieses Kontaktpotential ist während der
Lobensdauer der Röhre verhältnismäßig großen Änderungen unter-' worfen, die -dadurch
herbeigeführt werden können, .daß deine .bei der Entlüftung auf die Gitterstäbe
niedergeschlagene Schicht aus Fangstoffmaterial während des Betriebes der Röhre
verschwindet oder daß infolge einer Zerstäubung der Kathode während des Betriebes
der Röhre sich auf den Gitterstäben eine dünne Schlicht des Kathodenmaterials niederschlägt
oder aber daß sich zufolge von beiden Erscheinungen zugleich die Zusammensetzung
der Schicht der Gitterstäbe während des Betriebes der Röhre ändert.
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Auch die Kathodenoberfläche weist ein gewisses Kontaktpotential auf.
Es wurde jedoch gefunden, daß dieses Potential viel weniger Änderungen unterworfen
ist als .das in -den Gitterstäben auftretende Potential. Bei der nachstehenden Betrachtung
wird nur das im Gitterkreis insgesamt vorhandene Kontaktpotential konzentriert in
- den Gitterstäben berücksichtigt.
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Es ist einleuchtend, daß die Stärke des Anodenstroms durch das Potential
der Außenseite der Gitterstäbe in ,bezug auf die Kathode bestimmt wird. Im Querschnitt
des Gitterstabes 4 ist das resultierende Kontaktpotential, das von der Größenordnung
von o,5 V sein kann, -dessen Wert sich aber um ± o,5 V ändern kann, schematisch
dargestellt als :eine Spannungsquelle 6, die zwischen den Kern 7 des Gitterstabes
und die Außenseite 8 geschaltet ist.
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In F'ig. 2 ist ein Ersatzschema der Schaltung nach Fig. i dargestellt.
Beträgt die Steilheit der Röhre z. B. So mA/V, während der mittlere Anodengleichstrom
einen Wert von io mA besitzt, so wird, wenn während des Betriebes der Röhre der
Potentialunterschied zwischen den Punkten 8 und 3 infolge von Änderungen des Kontaktpotentials
um einen Betrag von nur o,2 V zunimmt, der Anodenstrom der Röhre vollkommen unterdrückt.
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In Fig.3 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei
dem, wie näher erörtert wird, eine Änderung der im Gitterkreis auftretenden Gleichspannungen
nahezu keine Änderung ödes mittleren Anodenstroms zur Folge hat. Die den verschiedenen
Elektroden der Röhre zugeführten Gleichspannungen besitzen dabei einen solchen Wert,
daß die Röhre in einem geeigneten Punkt der Ano,denstrom-Gitterspannungs-Charakteristik
bei einer derart negativen Gitterspannung eingestellt ist, daß ein geringer Gitterstrom
fließt. Gemäß der Erfindung ist ferner das Steuergitter über einen Ohmschen Widerstand
i i und eine Quelle von positiver Spannung 1a mit der Kathode verbunden.
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In Fig. 4 ist -das Ersatzschema dieser Schaltung dargestellt, bei
,dem dem Gitterstrom in --der Weise Rechnung getragen ist, daß in die Schaltung
ein
Ohmscher Widerstand 9 aufgenommen ist, der den inneren Gitter-Kathode-Widerstand
darstellt. Außerdem wurde der Austrittsgeschwindigkeit der Elektronen aus der Kathode
Rechnung getragen, wodurch scheinbar eine Spannungsquelle io in Reihe mit dem Widerstand
9 zwischen das Gitter 8 und die Kathode 3 geschaltet ist. Die Austrittsgeschwindigkeit
der Elektronen kann z. B. einen Wert ;besitzen, der einer Spannung von etwa 1,5
V entspricht. Diese Spannung ist vom Gitterstrom abhängig, aber darf bei nicht zu
großen Änderungen dieses Stroms als gleichbleibend angenommen werden. Die Spannung
der Quelle 12 wird in bezug auf das zu erwartende Kontaktpotential 6 vorzugsweise
hoch gewählt. Ist letzteres von der Größenordnung von o,5 V, so ist 5 V ein geeigneter
Wert für die Spannung der Quelle 12.
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Der Wert .des Widerstandes 9 äst in hohem Maße vom Gitterstrom abhängig,
darf aber gleichfalls annähernd als gleichbleibend angenommen werden, wenn,der Gitterstrom
nur geringen Änderungen unterworfen ist. Besitzt der Gitterstrom einen Wert von
etwa i ,uA, so kann für den Widerstand 9 ein Wert von ioo ooo Ohm angenommen werden.
Um den Gitterstrom auf einen Wert von etwa i yA zu bringen, muß der Widerstand i
i einen Widerstand von der Größenordnung von 5 Megohm besitzen.
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Unter diesen Verhältnissen beträgt der gesamte im Stromkreis vorhandene
Widerstand 5,1 Megohm und die gesamte EMK im Stromkreis 5 - o,5 + 1,5 = 6 V. Der
Strom im Stromkreis (Gitterstrom) beträgt daher etwa 1,2 ,uA. Der Potentialunterschied
zwischen dem Gitter 8 und der Kathode 3 entspricht in diesem Fall der Spannung der
Quelle io, vermindert um die am Widerstand 9 auftretende Spannung, also etwa 1,5-0,i2
V = 1,38 V. Dies ist also die beim Vorhandensein eines Kontaktpotentials von o,5
V auftretende negative Gitterspannung, die den mittleren Anodengleichstrom bestimmt.
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Ändert sich nun der Wert des Kontaktpotentials 6, bleibt letzteres
z. B. ganz aus, so wird die wirksame EMK im genannten Stromkreis bis auf 6,5 V erhöht.
Der Strom Bim Stromkreis steigt jetzt von etwa i,z ßA bis zu etwa 43 yA an. Bei
dieser geringen Änderung des Gitterstroms darf der Wert des Widerstandes 9 sowie
die Spannung der Quelle io als konstant angenommen werden, so daß die Gitterspannung
unter diesen Verhältnissen einen Wert von 1,37 V annimmt. Die zufolge dieser Gitterspannungsänderung
von o,oi V auftretende Anodenstromänderung ist bei einer Steilheit von 5o mA/V nur
0,5 mA, und diese Änderung ist vollkommen zulässig. Durch Aufnahme des Änderungen
ausgesetzten Kontaktpotentials in einen Stromkreis, in dem Gitterstrom fließt und
in dem außerdem eine wesentlich größere konstante EMK wirksam ist, wird also erzielt,
daß der Einfluß, den Änderungen des Kontaktpotentials auf den Gitterstrom ausüben,
sehr verringert ist, so ,daß im Gitterkreis nur geringe Änderungen auftreten. Der
innere Gitter-Kathode-Widerstand der Röhre bleibt infolgedessen nahezu konstant,
so daß die effektive Gitterspannung, die der algebraischen Summe der Austrittsspannung
und des Spannungsverlustes über den inneren Gitter-Kathode-Widerstand gleich ist,
gleichfalls konstant bleibt. Die resultierenden Gitterspannungsänderungen sind insbesondere
dann gering, wenn der Gitterstrom so klein ist, daß der Spannungsverlust im inneren
Gitter-Kathode-Widerstand klein in bezug auf die Austrittsspannung ist.
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Die zu verstärkende Spannung ist in der Regel über einen Sperrkon.d,ensator
den Klemmen i und 2 zuzuführen, um eine Überbrückung .des Widerstandes i i durch
einen Gleichstromwiderstand niedrigeren Wertes zu vermeiden.
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Infolge des Gleichstroms tritt naturgemäß eine gewisse Eingangsdämpfung
auf, aber da, wie im vorstehenden erörtert wurde, die Schaltung gemäß der Erfindung
insbesondere angewendet wird, wenn die Impedanz des Eingangskreises selbst niedrig
ist, bringt diese Eingangsdämpfung keine besonderen Nachteile mit sich.