DE880149C - Regelbare Verstärkerschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit regelbaren Verstärkerschaltungen, bei denen das Einsetzen der Regelung durch eine Vorspannung des Gleichrichters amplitudenmäßig verzögert wird. Von kleinen bis zu mittleren Amplituden arbeiten solche Schaltungen ohne Regelung, d. h. mit gleichbleibender Verstärkung, so daß die Ausgangsspannungen den Eingangsspannungen linear proportional sind. Von mittleren Amplituden jedoch bis zu den höchsten Amplituden ist die Regelung wirksam mit dem Ziele, in diesem Bereich, unabhängig vom Wert der Eingangsspannung, eine annähernd gleiche Ausgangsspannung zu erhalten. Solche Regelschaltungen werden oft zur Amplitudenbegrenzung verwendet, wenn die Eingangsspannung starken Schwankungen unterworfen ist.

Es sind bereits verschiedene Schaltungen bekannt, die in dieser Weise arbeiten. Sie erfordern aber alle einen verhältnismäßig großen Aufwand an regelbaren Verstärkerröhren, deren Verstärkungsfähigkeit nur in geringem Maße ausgenutzt werden kann. Regelröhren besitzen bekanntlich stark gekrümmte Kennlinien und arbeiten nur so lange verzerrungsfrei, wie die von der Wechselspannung überstrichenen Teile der Kennlinie noch als geradlinig bzw. symmetrisch zum Arbeitspunkt anzusprechen sind. Bei derartigen Verstärkern mit z. B. drei normalen regelbaren Röhren darf also die Steuergitterspannung der dritten Röhre den Wert von einigen Zehntel Volt nicht überschreiten. Nimmt man eine Variation der Eingangsspannung von z. B. ioo μΥ bis 200 mV an, so muß der dreistufige Verstärker seine Verstärkung von dem Wert 20000 auf den Wert 10 ändern, damit an dem Gitter der folgenden vierten Röhre der zulässige Wert von 2 V erhalten bleibt bzw. nicht überschritten wird. Die Einzelstufen müssen dabei ihren Verstärkungsfaktor von etwa 27 auf etwa 2,15 ändern. Unterhalb des Wertes 100 μΥ läßt es sich nicht ändern, daß die Ausgangsspannung sich

linear mit der Eingangsspannung ändert. Bei einer Eingangsspannung von 200 mV tritt aber selbst bei einer Verstärkung von 2,15 X 2,15 = 4,6 am Gitter der dritten Regelröhre eine Steuerspannung von 0,92 V auf. Da bei dieser geringen Verstärkung der Arbeitspunkt bereits im stark gekrümmten Teil der Kennlinie liegt, so sind Verzerrungen in der dritten Röhre zu erwarten. Um diese zu vermeiden, wird meist zwischen der zweiten und dritten Röhre ein Spannungsteiler vorgesehen, um die Wechselspannung auf das zulässige Maß herabzusetzen. Die Einbuße muß dabei in einer der folgenden Stufen wieder herausgeholt werden.

Weiterhin haben regelbare Verstärker noch folgende Nachteile, die sich aber erst bei mehreren Regelröhren störend bemerkbar machen: Wenn z. B. als Anodenkreise Ohmsche Widerstände benutzt werden, so tritt bei der Regelung eine Gegenwirkung auf, da die Anodenspannung stark geändert wird. Werden als Anodenkreise, z. B. bei Niederfrequenzverstärkern, insbesondere für Photozellen, Schwingkreise mit Eisenkernen verwendet, so stört die mit der Regelung sich ändernde Gleichstromvormagnetisierung.

Die Verstärkerschaltung gemäß vorliegender Erfindung vermeidet diese Nachteile und ermöglicht es auch Wechselstrom führende Röhren einzusparen, wodurch das bei hochempfindlichen Verstärkern störende Röhrenrauschen erheblich vermindert wird. Auch bei dieser neuen regelbaren Röhrenverstärkerschaltung, die ebenfalls insbesondere als Amplitudenbegrenzer verwendet werden kann, wird in bekannter Weise das Einsetzen der Regelung durch eine Vorspannung des Gleichrichters amplitudenmäßig verzögert. Ähnlich wie in der bekannten Schaltung wird die Verzögerungsspannung von einem Potentiometer abgegriffen, dessen Hauptwiderstand aus einer Röhre mit mindestens einem Gitter besteht, bei welcher der Stromfluß mittels der erzeugten Regelspannung vermindert wird.

Bei den bekannten Schaltungen werden normale Röhren unter normalen Bedingungen verwendet, deren Stromdurchfluß bei geringen Regelspannungen noch relativ groß ist, so daß der als Verzögerungsspannung benutzte Spannungsabfall am Kathodenwiderstand dieser Röhre nur etwas, d. h. ungenügend, vermindert wird.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltung erhält die Potentiometerröhre eine relativ niedrige Ruhevorspannung in der Größe von 1 V negativ, so daß gerade noch kein dämpfender Gitterstrom einsetzt. Weiterhin wird durch geeignete Wahl der Röhrenkennlinie und/oder der Betriebsbedingungen erreicht, daß schon bei relativ geringer Regelspannung der Kathodenstrom und damit die Verzögerungsspannung minimal wird, so daß eine wesentlich kräftigere Regelung wirksam wird.

Zur Veranschaulichung des Erfindungsgedankens sind drei Darstellungen beigefügt, von denen Fig. ι einige Verstärkungskurven zeigt, Fig. 2 eine Schaltung, an Hand deren die grundsätzlichen Überlegungen erläutert werden, und Fig. 3 schließlich eine Schaltung gemäß vorliegender Erfindung darstellt.

Bei dieser neuen Schaltung soll möglichst nur eine einzige Röhre, und zwar die erste Röhre, verzögert geregelt werden. Die folgenden Röhren sollen gerade Kennlinien und möglichst hohe Verstärkungsfaktoren aufweisen.

In Fig. ι stellt die Kurve α eine Verstärkungskurve bekannter Art dar, wie sie sich mit einer Schaltung gemäß Fig. 2 ohne besondere Vorkehrungen ergibt. Bis zum Punkt T, in dem die Regelung einsetzt, verläuft die Kurve praktisch geradlinig, da die kleinen Eingangsamplituden bis zu diesem Wert, der bei 100 μΥ liegen möge, eine Regelspannung noch nicht erzeugen. In diesem Punkt sind die Gleichvorspannung, d. h. die Verzögerungsspannung, und die Wechselspannung (Scheitelwert) einander gleich. Darüber hinaus steht zur Erzeugung einer Regelspannung nur die Differenz zwischen der weiter ansteigenden Wechselspannung und der konstanten Vorspannung zur Verfügung. Die Regelspannung steigt nicht so schnell an, wie es für eine Regelröhre erwünscht wäre. Infolgedessen nimmt die Ausgangsspannung auch von diesem Punkt T an weiterhin beträchtlich zu. Regelt man dagegen, um diesem Nachteil zu begegnen, bereits von Anfang an ohne Verzögerung, wie es Kurve b veranschaulicht, so wird zwar erreicht, daß die Ausgangsspannung nicht den mit 100% bezeichneten zulässigen Wert übersteigt. Dafür ergibt sich aber jetzt der Nachteil, daß die Amplituden zu klein bleiben und sich zu stark mit der Eingangsspannung ändern.

Erwünscht ist ein Verstärkungsverlauf gemäß Kurve c. Diese Kurve verläuft zunächst bis zum Punkt T geradlinig und biegt dann flach ab, um der Kurve b zuzustreben, die die stärkste Regelmöglichkeit (mit einer Röhre) verkörpert.

Bei der Schaltung nach Fig. 2, bei der sich also eine Kurve α gemäß Fig. 1 ergibt, wird die Verzögerungsspannung des Regelgleichrichters G an dem Potentiometer R₁ + R₂ abgenommen. Zur Erzeugung einer Regelspannung führt nur der Überschuß der Wechselspannung, der den Wert der konstanten Gleichspannung an R₂ übersteigt.

Um nun nach Überschreitung des Punktes T eine größere Regelspannung bzw. eine schneller ansteigende Regelspannung zur Verfügung zu haben, wird in bekannter Weise der Wert der Verzögerungsspannung stetig herabgesetzt. Grundsätzlich gibt es hierfür zwei Möglichkeiten, und zwar einmal die, daß der Widerstand R₂ verkleinert und zum andern die, daß der Widerstand R₁ vergrößert wird. Die letztgenannte Möglichkeit ist im Prinzip bekannt, und zwar in der Weise, daß als Widerstand R₁ die Kathoden-Anoden-Strecke einer Röhre verwendet wird, deren Widerstand mit Hilfe eines Steuergitters heraufgesetzt werden kann. Eine solche Röhre P, wie sie bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel benutzt ist, möge als Potentiometerröhre bezeichnet werden, da sie es bei geeigneter Bemessung der Röhrenkennlinie und/oder der Betriebsbedingungen gestattet, den

Widerstand des Potentiometers in weiten Grenzen zu ändern. Sie erhält die Regelspannung ebenso zugeführt wie die wechselspannungführende Verstärkerröhre V. Zweckmäßigerweise verwendet man eine Triode mit gerader Kennlinie, damit der Stromdurchfluß und damit die Verzögerungsspannung bald den Wert Null erreicht. Man läßt die Verzögerungsspannung herabgleiten und nähert sich dem oberen Teil der Kurve b, die sich in ihrer

ίο Gesamtheit bei sofortiger Regelung ergeben würde. Das Resultat ist eine fast waagerecht verlaufende und für die meisten Fälle ausreichende Begrenzungskurve der Ausgangsspannungen, wie durch Kurve c in Fig. ι dargestellt. Ersetzt man den anfangs als Beispiel behandelten dreistufigen Verstärker durch einen zweistufigen Verstärker mit einer regelbaren und einer nicht geregelten Röhre, so kann man genau den gleichen Amplitudenbereich beherrschen, wenn man der zweiten Röhre einen Verstärkungs-

ao faktor von 100 zuweist und die erste Röhre vom Wert 200 bis unter 1 herunterregelt. Dieses ist bei kleinen Schirmgitterspannungen schon mit verhältnismäßig kleinen Regelspannungen möglich.
Bei dieser Ausführungsform des Erfindungsgedankens ist zwar an die Stelle der dritten Verstärkerröhre eine andere Röhre getreten. Diese Röhre führt aber keine Wechselspannung und kann somit nicht zur Erhöhung des Röhrenrauschens beitragen. Das Röhrenrauschen tritt bekanntlich gerade bei kleinen Eingangsamplituden in Erscheinung, weil in diesem Fall alle Röhren mit voller Verstärkung arbeiten. Die durch die Verminderung der Verstärkerröhrenzahl erzielte Verminderung des Grundstörrauschens ist daher von wesentlicher Bedeutung. Weiterhin ist die Rückkopplungsgefahr geringer, da derjenige Teil des Verstärkers, der Wechselstrom führt, verkürzt werden kann. Dabei kommen auch Schwingkreise, Abschirmungen, Filterglieder und andere Elemente in Fortfall.

Der Grundgedanke der neuen Schaltung beruht also darauf, daß die Verzögerungsspannung, die in bekannter Weise anfangs das Einsetzen der Regelung verhindert und die nach Überschreiten eines bestimmten > Wertes selbsttätig etwas vermindert wird, nunmehr erfindungsgemäß durch Wahl geeigneter Röhren mit entsprechenden Kennlinien und/oder durch Wahl der Betriebsbedingungen der Potentiometerröhre schon bei relativ geringen Regelspannungen so weit (auf ein Minimum) herabgesetzt wird, daß dann eine wesentlich größere Regelspannung zur Verfügung steht als bei den bekannten Schaltungen.

Ein weiteres wesentliches Merkmal besteht darin, die Verzögerung des Regeleinsatzes so weit zu treiben (z. B. bis 100 μ V), daß bereits im Ausgang des gesamten Verstärkers etwa 70 bis 80 %> der zulässigen Wechselspannung auftreten. Der Wert 100% ist dabei als derjenige Wert definiert, der bei einer unverzögerten Regelung und der höchsten zu erwartenden Eingangsamplitude, z.B. 200mV, auftritt.

Bei der Schaltung gemäß vorliegender Erfindung wird zweckmäßigerweise die erste Röhre des Verstärkers geregelt, weil dort die Gefahr einer Übersteuerung am geringsten ist. Im allgemeinen wird man damit auch auskommen. Um die Regelfähigkeit dieser ersten Röhre zu erhöhen, wählt man eine konstante, möglichst niedrige Schirmgitterspannung und gibt dem Anodenkreis einen möglichst geringen Gleichstromwiderstand. Nur in ganz seltenen Fällen, nämlich dann, wenn sehr starke Schwunderscheinungen auf treten oder wenn der Abstand r zwischen Sender und Empfänger sich stark ändern kann, so daß die Eingangsspannungen sich im Verhältnis 1 : r oder gar 1 : r² ändern, kann es ratsam sein, zwei Regelröhren vorzusehen und darauf den Gedanken der gleitenden Verzögerungsspannung anzuwenden. Im allgemeinen jedoch genügt es, eine einzige Röhre nach dem Grundgedanken vorliegender Erfindung zu betreiben.

Bei Rundfunkempfangsgeräten kann man aus wirtschaftlichen Gründen noch einen Schritt weitergehen und die Potentiometerröhre gleichzeitig für einen anderen Zweck verwenden. Wird als Potentiometerröhre beispielsweise eine spezielle Regelröhre benutzt, deren Kathodenstrom (Summe aus Anodenstrom und Schirmgitterstrom) in herabgeregeltem Zustand und bei geringer Regelspannung verhältnismäßig niedrig ist, so kann diese Röhre gleichzeitig auch als erste und geregelte Verstärkerröhre' dienen. Als Eingangsröhre hat sie ja nur sehr geringe Wechselspannungen zu verarbeiten. Infolgedessen kann man auch den Anodenstrom in starkem Maß herabsetzen, ohne daß Nachteile entstehen.

Unter Umständen kann man auch als erste Verstärkerröhre und zugleich Potentiometerröhre eine normale Regelröhre verwenden, wenn nämlich die Betriebsbedingungen, abweichend vom Normalfall, so gewählt werden, daß . im herabgeregelten Zustand und bei verhältnismäßig kleiner Regelspannung der Kathodenstrom minimal wird. Man kann dies erreichen, wenn man die Schirmgitterspannung, ζ. B. 25 V, und die Anodenspannung, z. B. 75 V, sehr niedrig wählt und während des Regelvorganges beispielsweise durch Spannungsteiler konstant hält. Zweckmäßig ist es ferner, den Gleichstromwiderstand des Anodenkreises niedrig zu halten und den Arbeitspunkt im Ruhezustand möglichst weit nach dem Nullpunkt zu verlegen, no etwa in die Gegend von 1 V negativ, damit die Stromänderung genügend groß wird. Es ist dieses bei der ersten Verstärkerröhre ohne weiteres möglich, da dort die Eingangsspannungen im allgemeinen so klein bleiben, daß Verzerrungen durch die abnormen Betriebsbedingungen nicht zu erwarten sind.

Es steht auch nichts im Wege, die beiden Systeme G und P in einer Mehrfachröhre zusammenzufassen.

Noch wirtschaftlicher wird es, wenn man die Gitter-Kathoden-Strecke der Röhre P zur Gleichrichtung an Stelle des Systems G heranzieht und den übrigen Teil der Röhre als Potentiometerröhre verwendet. Dabei kann es ratsam sein, den Anodenkreis der Röhre P kapazitiv kurzzuschließen, falls im Anodenkreis ein Widerstand H eingeschaltet ist.

Bei Meßgeräten und anderen technischen Geräten kommt es weniger auf die Wirtschaftlichkeit an als bei Rundfunkempfangsgeräten. Deshalb wird man in derartigen technischen Geräten eine besondere Potentiometerröhre vorsehen. Aber auch dann kann man diese Röhre noch zum Schalten von Relais oder anderen Hilfseinrichtungen H benutzen, die in den Anodenkreis der Röhre P gelegt werden können.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Regelbare Röhrenverstärkerschaltung, bei der das Einsetzen der Regelung durch eine Vorspannung des Gleichrichters amplitudenmäßig verzögert wird, und bei der die Verzögerungsspannung vom Kathodenwiderstand einer von der Regelspannung beeinflußten Röhre (Potentiometerröhre) abgegriffen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentiometerröhre eine relativ niedrige Ruhevorspannung in der Größe von 1 V negativ erhält und daß durch geeignete Wahl der Röhrenkennlinie und/oder der Betriebsbedingungen erreicht wird, daß schon bei relativ geringer Regelspannung der Kathodenstrom minimal wird.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentiometerröhre als erste geregelte Verstärkerröhre geschaltet ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nur die erste Röhre des Verstärkers geregelt wird, wobei die Schirmgitterspannung konstant gehalten wird, und daß der Anodenkreis einen möglichst geringen Gleichstromwiderstand besitzt.

4. Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine solche Bemessung der Verzögerungsspannung (Gleichspannung), daß diese etwa 25% unter derjenigen Regelspannung liegt, die bei der maximal zu erwartenden Eingangsspannung und bei sofort einsetzender Regelung zu erwarten wäre.

5. Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Potentiometerröhre eine Speziairegelröhre dient, deren Kathodenstrom schon bei geringer Regelspannung verhältnismäßig niedrig ist, und daß diese Röhre gleichzeitig als geregelte Verstärkerröhre dient.

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einer normalen Regelröhre als Potentiometerröhre, gekennzeichnet durch eine solche Bemessung der Betriebsdaten, daß schon bei verhältnismäßig kleiner Regelspannung der Kathodenstrom minimal wird, sowie dadurch, daß diese Röhre gleichzeitig als geregelte Verstärkerröhre dient.

7. Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentiometerröhre auch zur Gleichrichtung benutzt wird, und zwar in der Weise, daß die Gitter-Kathoden-Strecke als Diode und die Anoden-Kathoden-Strecke als regelbarer Vorwiderstand (R₁) für den zugehörigen Kathodenwiderstand (R₂) dient.

Angezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 652 003;
Ratheiser, »Rundfunkröhren, Eigenschaften und Anwendungen«, 1949, S. 281 bis 283.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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