-
Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines sägezahnförmigen Stromverlaufs
zur magnetischen Ablenkung von Kathodenstrahlen, insbesondere für Fernsehzwecke
Zur Erzeugung eines sägezahnförm,i.gen Stromverlaufs in einer Ablenlkspule, wie.
sie insbesondere zur magnetischen Ablenkung von Kathodenstrahlen für Fernsehzwecke
benutzt wird, ist eine Schaltungsanordnung -bekannt, bei welcher zur Erzeugung der
ersten Hälfte des Sägezahnhinlaufs eine Gleichspannung über eine Zweipolröhre an
der Abdenkspule liegt und zur Enzeugun.g der zweiten Hälfte des Sägezahnhinlaufs
dieselbe Gleichspannungsquelle .über eine Dreipolröhre an die Ablenkspulegelegt
wird. Während des Sägezahnrücklaufs führt bei: dieser bekannten. Schaltung die Ablenkspule
zusammen mit ihrer EigenIkapazität oder einer zu ihr Parallel liegenden Kapazität
eine freie Halbschwingung aus, an die: sich dann wieder die erste Hälfte ,des Sägezahnhinlaufs
auschließt. Um erläutern zu können, aus welchen Gründen die Erfindung gegenüber
der obenerwähnten Anordnung und einer ,anderen bekannten, später noch erwähnten
Anordnung vorteilhaft und nicht naher liegend ist, soll zunächst die Wirkungsweise
der obenerwähnten bekannten Anordnung nochmals eingehend betrachtet werden..
-
Die bekannte Schaltung besteht, wie in Abb. i veranschaulicht, aus
der Ablenkspule io, die mit der Kathoden-Anoden-Strecke der Dre!ipolröhre ii und
der Gleichspannungsquelle 12 einen geschlossenen Stromkreis hildet und gleichzeitig
noch in einem weiteren Stromkreis liegt, der ebenfalls die Gleichspannungsquelle
12" und ferner eine Zweipolröhre 13 enthält. Zur Erläuterung der Wirkungsr
weise dieser bekannten .Schaltung soll angenom,-men
werden, daß
im Anfangspunkt der Betrachtung, d,. h. im Zeitpunkt to, der Strom in der Spule
Null sein möge und das Steuergitter der Dreipolröhre sich auf einem derartigen Potential
befinde, daß ein Anodenstrom fließt. Dementsprechend beginnt in Abb. 2 a, welche
den Stroms i s in der Spule darstellen soll, der zu erläuternde Stromverlauf bei
dem Strom Null, und in der Abb. 2b, welche den Spannungsverlauf e" am; ,Steuergitter
der Dreipolröhre i i darstellt, möge die Spannung an irgendeinem Punkt zwischen
der Nullachse und dem Gitterspannungswert eo, bei welchem der Anodenstrom der Dreipolröhre
verschwindet, beginnen. Unter den erwähnten Voraussetzungen liegt an. der Ablenkspule
i,o eine 'konstant-, Spannung, und, zwar, wenn man von dem inneren Widerstand der
Dreipolröhre i i absieht, die Spannung der Batterie 12, so daß der .Strom in der
Spule io zeitproportibnal ansteigen anaß. Diese zweite Hälfte des Säg ezahnhinlaufs
ist in der Abb. 2 a innerhalb der .Zeit von to .bis t1 eingezeichnet. Die Stromrichtung
in ider Spule ist .dabei durch den Pfeil 14 gegeben. Der Stromzweig mit der Z.weipolröhre
13 ist während der Uit to 'bis. t1 stromlos, da -die Anode dieser Zweipo.lröhre,
unter Voraussetzung eines inneren Widerstandes Null der Dreipolrö'hre i i, auf demselben
Potential wie die Zwei,polröhrenkathode liegt. Im Zeitpunkt t1 wird dann an das
Gitter der Drei:polrähre ein. Impuls belegt, welcher .den. Anodenstrom unterbricht.
In Abb. 2b. verläuft die Kurve eg also- im, Zeitpunkt t1 senkrecht nach unten und
bleibt bei einer rechteckigen Impulsform zunächst unterhalb des Wertes e,. Die Spule
io, in welcher im Zeitpunkt t1 noch die, durch den Pfeil 14 gegebene .Stromrichtung
vorhanden war, -beginnt nun freie Schwingungen. auszuführen, da die Induktivität
der Spule zusammen mit ihrer eigenen Kapazität ein schwingungsfähiges Gebilde darstellt.
Im Verlauf der ersten Halbperiode dieser freien Schwingungen geht .der Strom von
dem Maximalwert, den er im Zeitpunkt t1 besitzt, durch Null hindurch auf einen Maximahvert
umbekehrter Richtung, d. h. es fließt im Zeitpunkt t2 ein Strom umgekehrter Richtung
durch d'ie Spule; io hindurch wie im Zeitpunkt t1. Dieser in. :der Zeit t1 bis t2
sich abspielende Vorgang ist der Sägelzahnrücklauf. (Die an der ,Spule liegende
Spannung Es, deren Verlauf in Abb. 2c dargestellt ist und welche in der Zeit to
bis t1 gleich der Spannung E12 der Batterie 12 war, steigt 'bis zum Nulldurchgang
dies Spulenstromes .an und fällt dann wieder ab. Im Zeitpunkt t2 geht die Spannung
Es wieder durch Null, und steigt in .der umgeke#hrten Richtung an. Sobald dabei
die Spannung Es denselben Wert erreicht, den .die Batterie 12 besitzt, liegt an
der Zweipolr,öhre- 13 die Spannung Null, und' sobald die ,Spannung Es etwas größer
geworden ist, wird die Zweipolröhre stromdurchläs.s.ib. Wenn man den Innenwiderstand.
der Zweipolröhre vernachlässigt, liegt also von demjenigen Zeitpunkt ab, in welchem
die Spannung Es den Spannungswert der Batterie 12 erreicht, an .der ,Spule wieder
die Spannung .der Batterie 12., ebenso wie es während der Zeit to bis t1 der Fall,
war. Da der Betrag des Differentialquotienten :des Spulenstromes nur von der Größe
der an der Spule liegenden .Spannung abhängt, wobei,-das Vorzeichen des. Differentialquotienten
durch die Polarität der an der Spule liegenden Spannung bestimmt wird, und da von
dem Zeitpunkt ab, in welchem die Zweipolröhre 13 wieder stromdurchlässig geworden
ist, Größe und Vorzeichen der an der Spule liegenden Spannurig E12 dieselben sind
wie während der Zeit to bis t1, emuB auch der Differentialquotient des Stromes bis
zum Zeitpunkt t3 wieder denselben Betrag haben, wie in der Zeitspanne to bis t1,
d. h., daß der Spulenstrom bis zum Zeitpunkt t3, d. h. während der ersten Hälfte
des Sägezahnhinlaufs, so verlaufen muB, wie es in der Abb. 2.a dargestellt ist.
Es soll noch ausdrücklich darauf hingewiesen werden,. daß die erste Maxwellsche
Gleichung, welche bekanntlich aussagt, daB der Differentialquotient des Stromes
in einer Spule der Spannung an ihren Klemmen porportional ist, für positiven sowohl
wie für negativen Spulenstrom erfühlt werden kann. Die Spannung Es an der Spule
hat während der zweiten Hälfte des. Sägezahnhinlaufs, wie in Abb.2c eingezeichnet,
denselben Wert wie während der Zeit to bis t1. Die Gitterspannung der Dreipolröhre
i i, welche bis zum Zeitpunkt t2 eine Sperrung dieser Dreipolröhre bewirken mu@B,
kann sich während der Zelt t2 gas t3 beliebig ändern, wie in Abb. 2b° durch eine
punktiert gezeichnete Kurve angedeutet, und maß nur im Zeitpunkt t3 die Dreipolröhre
i i wieder stromdurchlässig, machen. Im Zeitpunkt t3' ist nämlich der Strom in der
Spule io auf den Wert Null abgeklungen, und es maß daher wieder über die Dreipolröhre
il ein Strom für die Spule fließen, um die zweite Hälfte des Sägezahnhinlaufs: zu
erzeugen, wie es für die Zeit to bis t1 oben erläutert worden ist.
-
Wenn man. auch den endlichen inneren Widerstand der Dreipolröhre i
i und der- Zweipolröhre 13 berücksichtigen will, so subtrahiert sich von der Spannung
12 während der Zeit to bis t1 der Spannungsabfall an der Dreipolröhre i i, und während
der Zeit t2 bis t3 addiert sich zur Spannung 12 der Spannungsabfall an der Zweipolröhre
13. Die in Abb. 2a und 2c dargestellten Verhältnisse erfahren dadurch eine gewisse
Abänderung. Die Spannung Es weicht dann nämlich während der Zeit to bis t1 um einen
De-trag, der dem inneren Widerstand der Dreipolröhre i i entspricht, von dem in
Ab'b. 2 c dargestellten Verlauf ab und während der Zeit t2 bis t3 um einen. Betrag
entsprechend dem inneren Widerstand der Zweipolröhre 13. Nun .liegt der Innenwiderstand
einer Dreipolröhre in derGrößenordnung von iooo Ohm und derjenige einer Zweipolröhre
in. der @Größenordnung, von ioo Ohm. Aus diesen Gründen ist während der Zeit to
bis t1 in Wirklichkeit eine viel kleinere Spannung an der Spule io vorhanden äls@
während- der Zeit t2 bis. t3, so daß der Sägezahrihinlauf nicht in der gewünschten
Weise .linear wird.
-
Die bekannte Schaltung nach Abb. i ist deshalb praktisch auch mit
einer positiven Gittervorspannung
betrieben worden, um den Innenwiderstand
der Dreipolröhre genügend herabzusetzen. Die Schaltung nach Abb. i erfordert aber
dann zu ihrem Betrieb nicht lediglich Steuerspannung, sondern auch -Steuerl,eistung.
-
Die bekannte ,Schaltung nach Ab'b. i ist aber außerdem, noch insofern
mit einem sehr schwerwiegenden Nachteil behaftet, als inder Zeit t1 bis t2 die Spannung
ES auf einen Wert von mehreren tausend-Volt ansteigt und deshalb am. Steuergitter
dier Dreipolröhre i i eine sehr -große Spannung e, aufgewendet werden muß, um die
Sperrung der Dreipolröhre aufrechtzuerhalten. Es ist bekannt, die zur Sperrung der
Dreipolröhre notwendige Gitterspannung dadurch Iherabzusetzen, daß in den Steuergitterkreis
der Dreipolröhre eine induktiv mit .der Ahlenkspule .gekoppelte Wicklung eingefügt
wird. Diese Wicklung vermindert zwar .die . erfordierliche .Sperrspannun.g während
des- Sägezahnrücklaufs, jedoch nur unter Inkaufnahme einer zusätzlichen Lei.stungserhähung
am .Steuergitter, welche zu der durch die positive Gittervorspa.nnung !hervorgerufenen
-Steuergitterleistung noch hinzukommt.
-
Im Zusammenhang mit der im vorstehenden beschriebenen Schaltung ist
nun noch eine weitere Abänderung der Schaltung bekanntgeworden, die offenbar aus
dem .Bestreben entsprang, den Innenwiderstand! der beiden Röhren ix und 13 bei.
kleinen Strömen, !d. h. in der Nähe des Nulldurchgangs des Sägezahnstroms, zu verkleinern.
Die Linearisieru.ng des Sägezahns an dieser .Stelle stellt nämlich ein besonderes
Problem dar, welches .durch eine positive Gittervorspannung und .durch eine Rückkopplung
allein. noch nicht zu lösen ist, da jede Röhre in der Nähe des Anodenstroms Null
einen recht erheblichen Innenwiderstand hat, und also ein linearer Verlauf des Sägezahns
in un-.mittel'barer Umgebung des Übergangs von negativem zu positivem Sägezahnstrom,
d. h. dort, wo die Dreipolröhre i i Strom zu führen beginnt und der Strom in der
Zweipolröhre 13 verschwindet, nicht zu erwarten ist. Zu diesem Zweck wurde eine
weitere kleine ,Spannungsquelle in Reihe mit der Dreipolröhre und der Zweipolröhre
gelegt, die einen kleinen Strom durch diese Röhren während der ganzen Dauer des
<Sägezahnhinliaufs hindurchtreiben sollte, so daß sich der Widerstand dieser
beiden Röhren auch für kleine Sägezahnströme klein halten läßt. Diese zur Verkleinerung
der Innenwiiderstände der Röhren dienende Gleichspannungsquelle muß nun, um einen
Strom über die Zweipol- und die Dreipolröhre erzeugen zu können, derart -beispielsweise
in die von der Erdungsstelle in Abb. i zur Anode der Zweipolröhre 13 verlaufende
Leitung eingeschaltet werden, daß sie der Erdungsstelle ihren negativen und der
Anode von 13 ihren positiven Pol zuwendet. An dieser Stelle ist euch bei der bekannten
Schaltung die erwähnte Gleichspannungsquelle mit der genannten Polarität vorhanden.
Nach den bisherigen Anschauungen ist die Wirkungsweise dieser Schaltung reit Einschluß
der in den Kreis von Dreipolröhre und Zvveipolröhre eingeschalteten Gleichspannungsqueltle
praktisch dieselbe wie an Hand der Abb.- i beschrieben wurde und -nur hinsichtlich
der Linearität in der Umgebung des Nulldurchgangs des Sägezahnstroms etwas verbessert.
-
Der .Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß diese kleine Gleichspannunigsquelle,
die, scheinbaT nur eine geringfügige Abänderung der Schaltung nach Abb. i darstellit,
von ganz entscheidendem Einfloß auf die Wirkungsweise der Schaltung ist, der viel
weiter geht, als nur eine Verbesserung der Linearität im Nulldurchgang zu gewährleisten.
Um. diesen Einfloß, der zum Verständnie der Erfindung von wesentlicher Bedeutung
ist, erläutern zu können, soll die durch die erwähnte .kleine Gleichspannun@gsquelle
ergänzte Abb. i derart umgezeichnet werden, wie es in Abb..3 geschehen ist. Dort
ist ilm Gegensatz zu Abb. i die Anode von 13 an einen Anzapfpunkt der Gleichspannungsquelle
i2 geführt statt an deren linkes, nregatives Ende. Der linke Teil der Gleichspannungsquelle
12 ist nun also diejenige kleine Gleichspannungsquelle, die während des ganzen Sägezahnhinlaufs
einen kleinen Strom durch ii und 13 hindurchtreihen soll; die ganze Gleichspannungsquelle
12 dient als Anodenspannung für die Dreipolröhre ii und der rechte Teil, der in
A,b'h. 3 mit a bezeichnet ist, liegt in Reihe mit der Ableiikspule io und der Zweipolröhre
13. Die Wirkungsweise ist nun bei der Schaltung nach Abb. 3 im folgenden Sinne gegenüber
der Schaltung nach Abb. i .geändert. Die Gitterspannung e, verläuft zwar ebenso
wie in Abb. 2b dargestellt, aber während der Zeit to .bis t1 .ist nicht nur .die
Röhre i i, sondern außerdem auch die Zwei.. polröhre 13 .stromdurchlässig, was bei
Abb. i nicht der Fall ist. Der Anodenstrom- der Röhre i i verläuft deshalb von dem
Anzapfpunkt der Batterie 12 zum Teil zur Anode der Zweipolröhre, 13, .d@urchfließ:t
diese Zweipolröhre, kehrt zur Anode deT Röhre i i zurück, durchfließt auch diese
Röhre und fließt über den negativen Pol der Spannungsquelle 12 sowie :deren linken
Teil zurre Anzapipunkt zurück. Der Zweipolröhrenzweig wird also während der Zeit
to bis t1 gleichsam künstlich offengehalten, und: an der ,Spule, io liegt daher
sowohl während der Zeit to bis t1 als auch während der Zeit t2 bis t3 der Teil a
der Spannungsquelle- 12 über die Zweipolröhre 13. Somit ist nunmehr die Steilheit
der Sägezahrnflanke in der Hinlaufhälfte,to b-i@s t1 dieselbe wie in ,der Hinlaufhälfte
t2 bis t3.
-
Auf dieser neuen Erkenntnis von der tatsächlichenWirkungsweise einer
an sich in ihren GrundzÜgen bereits -bekannten .Schaltung undi auf der Erkenntnis
von der Irrtümlickkeit der bisherigen Anschauungen über die Wirkungsweise dieser
Schaltung aufbauend ist nun eine weitere Verbesserung der Schaltung, die den Gegenstand
der Erfindung bildet, möglich geworden. Es wird nämlich bei einer Schaltung nach
Abb. 3 gemäß der Erfindung die Dreipolröhre mit positiver Gittervorspan.nung, die
also eine nicht leistungslbs steuerbare Röhre darstellt, durch eine im negativen
G.itter.spannungsgebiet
betriebene, also leistungslos e-teuerba-re
Röhre mit Schirmgitter, vorzugsweise :durch eine Fünfpolröihre, ersetzt.
-
Eine solche Röhre, die einen größeren Innenwiderstand hat als eine
Dreipolröhre, konnte man nach den bisherigen Ansichten über die Wirkungsweise der
Schaltung nach Abb. 3 nicht verwenden, weil ja dann eiri noch größerer Steilheitsunterschied
zwischen den beiden Sägezahnhi.nlaufhälften erwartet werden muß.te. Neben dem, Vorteil,
nur Steuerspannung, aber keine Steuerleistung ou erfordern, hat die neue Schaltung
den weiteren Vorteil, einer geringeren Sperrspannung für den Sägezahnrücklauf zu
bedürfen.
-
Lediglich auf Grund der -normalen Überlegungen, die für den Ersatz
einer Dreipolröhre durch eine Fünfpolröhre maißgebend sind, konnte man zu dieser
erfindungsgemäßen Schaltung noch nicht kommen, da sich die Verwendung einer gesteuerten
Röhre mit hohem Innenwiderstand aus Linearitätsgründen verbot. Außerdem; hätte man
auf diese Weise aber auch noch keine. leistungslos: steuerbare Anordnung bekomnnen,
da man ohne die erfindungsgemäße Erkenntnis auch die Röhre mit Schirmgitter- unter
Verwendung einer positiven Gittervorspannüng hätte betreiben müssen. Der zu einer
leistungslos steuerbaren Anordnung führende Schritt war erst durch die Aufdeckung
des Untezschiedes in der Wirkungsweise zwischen der Schaltung nach Abb, i und 3
möglich.
-
Als Verbesserung der erfindungsgemäßen Schaltung kann man zwischen
die Anode der Zweipolröhre 13 und das untere Ende der Ablenkspule ein RC-Glied,
d. h. eine Parallelschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators, legen und
dann auf die Anzapfung der Gleich:spannungsquelle 1a verzichten, wie es- in Abb.
3 a dargestellt ist. Die Zeitakonstante dieses RC,,Gliedes: 16 ist wesentlich größer
zu wählen als die Periodendauer der Impulse, welche am. Steuergitter der mit einem
Schirmgitter ausgerüsteten Röhre 15 wi-rken. Die Spannung, -welche sich an dem RC-dlied
ausbildiet, ist wegen der großen Zeitkonstante eine fast reine Gleichspannung und
spielt dieselbe Rolle wie der Teil a der Gleichspannungsquelle 1z in Abb. 3. In
der Wirkungsweise unterscheidet sich dann also die Schaltung nach Abb. 3 a nicht
wesentlich von derjenigen nach A.hb. 3, wenn man sich in dieser die Dreipolröhre
durch eine Röhre mit Schirmgitter ersetzt denkt. Insbesondere gelten für die Abb.
3 a auch alle Vorteile gegenüber Abb. i, die oben auseinandergesetzt wurden.
-
Die freie Halbschwingung der Spule, welche in der Zeit t1 bis t2 stattfindet,
kann dazu führen, daß auch nach dem Zeitpunkt t2 noch Eigens-ch@wingungsvorgänge
in der .Spule auftreten. Dies ist insbesondere in der Weise möglich, -daß etwa .die
eine Spulenhälfte, welche mit cl-,r anderen nicht mehr fest gekoppelt ist, für sich
Schwingungen ausführt, die eine etwas andere Frequenz haben können als die Eigenschwingungen
der zweiten Spulenhälfte. Dies würde zu einer Störung des linearen Stromanstiegs
während der Zeit t2 bis-t3- führen, was sich auch experimentiell bestätigt hat.
Man kann diesem Übelstand dadurch abhelfen, daß man die Spannung an einem Teil.
der Spule wenigstens währendi des Sägezahn!hinlaufs noch durch besondere Hilfsmittel
erzwingt. In :der Abb. ¢ ist eine. derartige Schaltung dargestellt, ibei welcher
die Spannung @an der oberen. Spulenhälfte mittels einer Zweipolröhrenschaltun"g
von derselben Art, wie sie in Abb. 3 dargestellt ist, .festgehalten wird, nämlich
mittels der Zweip@olröhre 13' und der in Reihe zu ihr liegenden negativen Vorspannungsquelle
ä . Die Zweipolröhre 13 und die Gleichspannungsquelle a liegen ebenso wie bei. Abb.
3 an der gesamten Ablenkspule. Bei der in Abb-. 5 dargestellten Schaltung wird mittels
einer Zweipolröhre i3" und einer negativen Vo.rspannung a" die Spannung an der unteren
Spulenhälfte festgehalten. Die Zweipolröhre 13 und die Vorspannung a sind wieder
in derselben Weise angeordnet wie bei Abb. 3 und q. und erfüllen dieselben Funktionen.
In. Abb.6 ist eine Schaltung dargestellt, ibei welcher. .die Spannung längs jeder
Spulenhälfte festgehalten wird, und. zwar` mittels der Zweipolröhre 13'
und :der Vo.rspa.nnung a' an der oberen Spulenhälfte und mittels der Zweipolröhre
13" und der Vorspannurng ä' an der-unteren ,Spulenhälfte. .Die Zweipolröhre 13 und
die Vorspannung a im Sinn .der Abb. 3, q. und 5 sind dann entbehrlich.
-
Die Zeitkonstante der Ablenkspule besteht aus dem Quotienten .der
Spuleninduktivität L und der Summe des Spulenwiderstandes R und :des Zwei= polr&hrenwiders-tandes
RD. Wenn man zum Zweck der Verbesserung der Linearität,des Sägezahns die Spule.ninduktivität
vergrößern will, ergibt sich; wenn man nicht zu unhandlichen Konstruktionen kommen
will, gleichzeitig eine Vergrößerung des Spulenwiderstandes R, so :daß sich auf
diesem Wege nicht viel gewinnen läßt. Dagegen ist eine Verkleinerung des Nenners
R -f- RD dadurch möglich, .daß man: die 7rweipolröhre 13 mit einem; negativen Widerstand.
ausführt. Dies ist in der Weise möglich, daß man in der Zweipolröhre eine Gasfüllung
verwendet, oder auch in der Weise, daB man eine Hochvakuumröhre imit Stromrückkopplung
benutzt.
-
Eine weitere Verbesserung der Linearität des Stromanstieges in .der
Spule läßt sich dadurch erreichen, daß man .die Spannung am Steuergitter der Röhre
15 während der Zeit to bis tl sägezahnförm:ig ansteigen läßt. Wenn nämlich der gesamte
Anodenstrom-der Röhre 15 schneller ansteigt als der Spulenstrom, so kann der Spannungsabfall,
welchen der Zweipolröhrenstrom an dem inneren Widerstand der Zweipolröhre erzeugt,
den die Ni-chtlinearität des ;Sägezahns hervorrufenden Spiannungsabfall des Spulenstromes
an dem Spulenwiderstamd 'kompensieren.