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Verfahren zur Erzeugung einer Steuerspannung für selbsttätige Dynamikregelschaltungen
Bekanntlich wird bei den selbsttätigen Dynamikregelapparaturen das Regelglied mittels
einer Steuerspannung geregelt, welche in einer Hilfsschaltung durch Gleichrichtung
eines Teiles der Nutzamplituden erzeugt wird. Um zu vermeiden, daß durch die Steuerspannung
Verzerrungen hervorgerufen «-erden können, muß im Steuerspannungskreis eine Siebschaltung
vorgesehen werden, wodurch die Steuerspannung von tonfrequenten Wechselstromkomponenten
befreit wird. Eine derartige Glättung der Steuerspannung kann in bekannter Weise
mittels Glättungseinrichtungen, die aus einem oder mehreren Siebkreisen bestehen
und bei denen die Aufladezeit der Siebkondensatoren wesentlich kürzer ist als die
Entladezeit, erzielt werden. Dabei -ist die Glättungswirkung durch die Zeitkonstanten
der Siebkreise bedingt, und die Glättung der Steuerspannung wird uni so besser,
je länger die Ausschwingzeit der Siebschaltung ist.
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Bei Regelschaltungen ;st es außerdem allgemein bekannt, durch Kaskadenschaltung
mehrerer Widerstandskondensatorglieder eine verbesserte Glättung ohne erhebliche
Änderung der Zeitkonstante zu erzielen.
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Bisher wurde angenommen, daß eine in dieser Weise erzeugte und geglättete
Steuerspannung sich im wesentlichen nach dem Mittelwert der Nutzamplituden richtet,
was mitRücksicht auf eine naturgetreue Dynamikregelung anzustreben ist. Eine genaue
Untersuchung des Problems der Zeitkonstanten bei der DnamikrezelunLy hat indessen
gezeigt,
daß diese Annahme nicht zutrifft, und daß tatsächlich eine sich nach dem Mittelwert
bzw. nach dem Energieinhalt der tonfrequenten Schwingungen ändernde Steuerspannung
auf diese Weise nicht zu erreichen ist. Wenn nämlich die Einschwingzeit im Verhältnis
zur Ausschwingzeit sehr kurz ist, dann werden die Spannungsspitzen der gleichgerichteteiz
Halbwellen für die über dem Kondensator abgegriffene Steuerspannung maßgebend sein,
was sich dadurch erklärt, daß, wenn der Kondensator beim Eintreffen einer Spannungsspitze
aufgeladen worden ist, er sich auf Grund der langen Ausschwingzeit vor dem Eintreffen
der nächsten Spitze nicht wird entladen können. Folglich wird die Kondensatorspannung
unabhängig von denjenigen Halbwellen, welche im Zeitraum zwischen den Spannungsspitzen
vorkommen. Diese Halbwellen, die einen wesentlichen Bestandteil der gesamten Schwingungen
bilden, können also auf die Steuerspannung keinen Einfluß haben, und folglich kann
diese sich nicht nach dem Energieinhalt oder dem Mittelwert sämtlicher in einem
Wellenzug auftretenden Schwingungen richten.
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Um eine Steuerspannung, welche sich nach dein Mittelwert bzw. dem
Energieinhalt der Schwingungen richtet, erzeugen zu können, müssen die Zeitkonstanten
des Steuerspannungskreises derart angepaßt werden, daß auch diejenigen Halbwellen,
«-elche im Zeitraum zwischen den Spitzen auftreten, die Kondensatorspannung beeinflussen
können. Dies kann nur dadurch erreicht werden, claß die Einschwingzeit und die Ausschwingzeit
des erwähnten Kreises von im wesentlichen gleicher Größenordnung sind.
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Eine in dieser Weise erzeugte Spannung, die zwar von dem Mittelwert
bzw. dem Energieinhalt der tonfrequenten Schwingungen abhängt, kann jedoch nicht
ohne weiteres als Steuerspannung für Dynamikregelapparaturen angewendet werden.
Um zu erreichen, daß die einzelnen Amplituden und nicht nur die Spitzen zu dem Mittelwert
der Steuerspannung beitragen können, muß nämlich die Einschwingzeit sehr kurz sein,
z. B. 3 bis ro Millisekunden. Da nun andererseits die Aussebwingzeit, wie erwähnt,
von der gleichen Größenordnung wie die Einschw ingzeit sein soll, so wird auch die
Ausschwingzeit des Steuerspannungskreises verhältnismäßig kurz, und die Steuerspannung
wird folglich von den gleichgerichteten Halbwellen sehr stark moduliert, was im
Übertragungsweg eine unerwünschte :Modulation zur Folge hat.
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Erfindungsgemäß wird angestrebt, die Erzeugung der Steuerspannung
derart vorzunehmen, daß einerseits die Steuerspannung geglättet, d. h. von hörbaren
Frequenzen befreit wird und sie sich andererseits gemäß dein Mittelwert bzw. dem
Energieeinhalt der Schallschwingungen ändert. Um eine derartige Steuerspannung zu
schaffen, wird erfindungsgemäß eine Schaltung vorgesehen, bei der die Steuerspannung
in bekannter Weise mittels eines Siebkreises geglättet wird, dessen Einschwingzeit
und Ausschwingzeit von im wesentlichen gleicher Größenordnung sind. Die so geglättete,
aber noch stark wellige Steuerspannung wird über einen Gleichrichter einem weiteren
Siebkreis zugeführt, dessen Ausschwingzeit zur Beseitigung der noch vorhandenen
Modulation der Steuerspannung wesentlich länger ist als seine Einschwingzeit. Die
Ein- und Ausschwingzeiten des erstgenannten Kreises können etwa 3 bzw. zo Millisekunden
betragen. Für den zweiten Siebkreis ist dagegen mit einer Einschwingzeit von etwa
3 Millisekunden und einer Ausschwingzeit von etwa roo Millisekunden zu rechnen.
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Das Sperrglied, welches zwischen dem ersten und zweiten Siebkreis
vorgesehen ist und zweckmäßig aus einem Trockengleichrichter od. dgl. bestehen kann,
dient dazu, die Ausschwingzeiten der beiden Kreise voneinander unabhängig zu machen.
Dies ist unbedingt erforderlich, um die erfindungsgemäß angestrebten Eigenschaften
der Steuerspannung erhalten zu können.
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In verschiedenen Fällen, z. B. bei Tonwiedergabe mit erweitertem Amplitudenbereich
(Expansion), kann es manchmal erlaubt oder sogar erwünscht sein, mit verhältnismäßig
langer Ausschwingzeit der Steuerspannungsschaltung zu arbeiten. In solchen Fällen
werden Glättungseinrichtungen mit langer Entladezeit des Siebkondensators zur Glättung
der gemäß dem Energieinhalt oder dem Mittelwert der Nutzamplituden sich ändernden
Steuerspannung allgemein ausreichen. Eine verhältnismäßig lange Ausschwingzeit der
Steuerspannung wird manchmal aus rein akustischen Gründen angestrebt, beispielsweise
mit Rücksicht auf die Korrektion der Nachhallzeit in einem Raum, in welchem der
Schall mit Expansion wiederzugeben ist.
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Bei solchen Anwendungen und auch für andere Zwecke empfiehlt es sich,
um eine möglichst günstige Dynamikregelung zu erhalten, die Hilfsschaltung für die
Erzeugung der Steuerspannung derart einzurichten, daß die Steuerspannung nach dem
Aufhören der Nutzamplituden proportional mit der Zeit abnimmt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann dies dadurch erreicht
werden, daß die Entladung des Siebkondensators durch eine Pentode erfolgt. Gemäß
den bekannten Eigenschaften der Pentode wird nämlich dadurch der Entladestrom des
Siebkondensators konstant aufrechterhalten, und folglich muß die Spannung über dem
Kondensator, d. h. die Steuerspannung, proportional mit der Zeit abnehmen.
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In vielen Fällen, z. B. bei der sogenannten logarithmischen Dynamikregelung,
ist die Verwendung eines Siebkreises mit verhältnismäßig langer AusschwingZeit nicht
ohne weiteres zulässig, da eine solche Siebschaltung eine dynamische Verzerrung
der übertragenen Schwingungen verursachen kann. In solchen Fällen kann man die notwendige
Glättung der Steuerspannung dadurch erreichen, daß man die Entladung des Siebkreises
während eines gewissen Zeitraumes beliebig verzögert, so daß die Entladung des Siebkondensators
während dieses Zeitraumes überhaupt nicht
stattfinden kann, aber
nach dein Ablauf dieser Zeit verhältnismäßig schnell erfolgt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird ein derartiger Verlauf
der Steuerspannung dadurch erzielt, daß die genannte Pentode mit einem von den gleichgerichteten
Nutzamplituden aufgeladenen Sperrkondensator parallel geschaltet ist, und zwar derart,
daß die Entladung des Siebkondensators durch einen Sperrgleichrichter und die Pentode
erst nach Verlauf eines gewissen, von der Entladezeit des genannten Sperrkondensators
bestimmten Zeitraumes stattfinden kann.
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In gewissen Fällen kann es erwünscht sein, den Entladestrom des Siebkondensators
durch die Pentode und damit die Elitladezeit des Kondensators selbsttätig in Abhängigkeit
der Nutzamplituden regeln zu können. Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird
dies dadurch erreicht, daß das Steuergitter der Pentode mit einem mit dem Siebkreis
parallel geschalteten Gleichrichterkreis verbunden ist.
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Die Erfindung wird in Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.
In dieser zeigt beispielsweise Fig. i eine graphische Darstellung der Änderung einer
durch Gleichrichtung einer Wechselspannung erzeugten Steuerspannung; Fig. 2 ist
ein Schaltungsbild eines- Ausführungsform der Erfindung; Fig.3 ist ein Schaltbild
einer abgeänderten Ausführungsform; Fig. q. gibt eine graphische Darstellung des
Verlaufes der Kondensatorspannungen der in Fig.2 und 3 gezeigten Schaltungen wieder;
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung der Ausschwingzeiten zweier verschiedener
Werte von der Steuerspannung entsprechend dem Schaltbild der Fig. 3 ; Fig. G zeigt
eine abgeänderte Ausführungsform des Schaltbildes nach Fig. 3.
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In Fig, i veranschaulicht die Kurve i die Änderung einer Wechselspannung
als Funktion der Zeit, während die Kurve 2 die Änderung einer durch Gleichrichtung
der Wechselspannungsamplituden i über einen Siebkondensator erzeugten Steuerspannung
darstellt. Vorausgesetzt, daß die Kurve i der normalerweise tiefsten Frequenz entspricht
und z. B. von derselben Größenordnung ist wie die der Aufladezeit, wird die Spannung
über dem Siebkondensator gleich nach dem Entstehen eines gleichgerichteten Wechselspannungsimpulses
zu sinken beginnen, und die Kurve 2 erhält daher den in Fig. i gezeigten Verlauf,
der eine bedeutende Modulation aufweist.
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Fig.2 zeigt eine Ausführungsform der Siebschaltung gemäß der Erfindung,
bestehend aus zwei durch ein Sperrglied F_., in Reihe geschalteten Kreisen. Der
Steuerspannungskreis besteht aus einem Querkondensator Cl mit Vorwiderstand R, und
Belastungswiderstand R2. Die durch einen Gleichrichter E, zugeführten, gleichgerichteten
Wechselspannungsamplituden werden dem Kondensator C1 über den Vorwiderstand R1 zugeführt.
Die Werte der WiderständeRi und R2 und die Kennlinie der Gleichrichter El sind derartig
angepaßt, daß die Spannungsänderungen über dem Kondensator C1 mit dem Energieinhalt
der Eingangswechselspannungen proportional werden. Zur Glättung der Steuerspannung
wird ein Siebkreis verwendet, welcher einen Siebkondensator C2 enthält, der mit
einer Pentode P zwecks Erzielung einer passend langen Entladezeit belastet ist.
Der Sperrgleichrichter E2 verhindert, daß der Kondensator C2 sich über den Widerstand
R2 entladen kann.
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Durch Zusammenwirken der beiden Kreise wird über die Ausgangsklemmen
des letztgenannten Siebkreises eine Steuerspannung S erzeugt, die einerseits zufolge
der Eigenschaften des erstgenannten Steuerkreises mit dem Energieinhalt der Eingangswechselspannungen
proportional variiert und andererseits durch die Zeitkonstanten des Siebkreises
modulationsfrei ist.
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In der in Fig. 3 veranschaulichten Ausführungsform besteht der Steuerspannungskreis
aus dem Eingangsgleichrichter E0, dem Vorwiderstand Ri, dem Querkondensator C1 und
dem Belastungswiderstand R., während der Siebkreis aus einem Teil des Widerstandes
R2 und dem Siebkondensator C2 besteht. Der Sperrgleichrichter ist mit Ei bezeichnet.
Der Siebkondensator C2 ist wie in Fig. 2 mit einer Pentode P belastet, jedoch ist
im Entladeweg des Siebkondensators ein weiterer Sperrgleichrichter E3 eingeschaltet.
Durch diesen letzten Sperrgleichrichter ist der Siebkreis R2, E2, C3 mit dem von
den gleichgerichteten Wechselspannungsamplituden durch einen Sperrgleichrichter
E, aufgeladenen Sperrkondensator C2 parallel geschaltet. Dadurch wird die Entladung
des Siebkondensators C3 so lange verzögert, bis die Sperrspannung über den Sperrkondensator
C2 durch Entladung durch die Pentode P bis unter den Wert der Spannung über den
Kondensator C3 gesunken ist. Erst dann kann der Kondensator C3 sich durch den Sperrgleichrichter
E3 und die Pentode P entladen. Die Spannung über den Kondensator C3 wird sich also
während eines gewissen Zeitraumes konstant halten, und die über diesen Kondensator
abgezweigte Steuerspannung wird folglich während dieses Zeitraumes modulationsfrei.
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Der Sperrkondensator C2 wird wesentlich langsamer als der Kondensator
C1 entladen, nämlich mit einer Entladezeit, deren Größenordnung etwa ioo Millisekunden
beträgt.
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Der Verlauf der Spannungen e1, e. und e3 über den Kondensatoren C1,
C2 und C3 ist in Fig. q. veranschaulicht. Die Einschwingzeit aller drei Kondensatoren
ist durch das Zeitintervall to-tl gegeben. Die gemäß dem Energieinhalt bzw. dem
Mittelwert der Nutzschwingungen sich ändernde Spannung ei über den Kondensator C1
ist infolge der kurzen Entladezeit dieses Kondensators stark moduliert und läßt
sich deshalb nicht direkt als Steuerspannung benutzen. Die Spannung e2 über Sperrkondensator
C2 folgt in der Hauptsache den Änderungen der Spannung ei, jedoch wird die Modulation
auf Grund der längeren Entladezeit
des Kondensators C., hier weniger
hervortreten. Wenn die Verhältnisse eine passend lange Entladezeit des Kondensators
C, erlauben, welches sich im Diagramm dadurch zu erkennen gibt, daß die geraden
Linien ti-t7, die die Entladung der Kondensatoren C, und C3 darstellen, weniger
steil ausfallen, wird man einen solch geringen Modulationsgrad erzielen können,
daß C, sich direkt als Steuerspannung verwenden läßt, was dem Schaltbild nach Fig.
2 entspricht.
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Die Kurve e., gibt den Verlauf der gesiebten Steuerspannung Über den
Kondensator C.., in Fig. 3 an. Es ergibt sich, daß sich diese Spannung innerhalb
der mit ti-t, und t3-t" bezeichneten Zeitintervalle konstant und deshalb auch modulationsfrei
erhält, während die absolute Größe der Steuerspannung innerhalb dieser Intervalle
durch die Spannung ei gegeben ist. Das Intervall t"-t. gibt die Entladezeit des
Kondensators C1 an, während das Intervall t4 t7 die Entladezeit der Kondensatoren
C3 und C, angibt.
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Der Zusammenhang zwischen den Werten der Steuerspannung e3 und dem
Zeitintervall t- ,-t. (t,,), die sogenannte Wartezeit t" (während der die
Steuerspannung e3 konstant gehalten wird), ist in Fig.3 dargestellt, welche die
Ausschwingzeiten zweier verschiedener Werte der Steuerspannungen e3' und e3 ', den
Sperrspannungen e.; und e," über den Sperrkondensator C, entsprechend, zeigt. Die
Zeitintervalle t4 t7 und t4 t7' bezeichnen die Entladezeiten der Sperrkondensatoren
C3 und C, entsprechend den Werten ez und e"', während die Intervalle t4 t5
und t4 t5' die entsprechenden Wartezeiten der Steuerspannungen ez bzw.
e," angeben.
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Es ergibt sich also, daß Je größer die Steuerspannung e, ist, um so
länger normalerweise die Wartezeit t,, wird.
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In Fig. 6 ist eine abgeänderte Ausführungsform der Erfindung dargestellt,
durch welche die Wartezeit bei der Entladung des Siebkondensators C3 unabhängig
von dem Wert der Steuerspannung gemacht werden kann oder sich in im voraus festgelegter
Weise als Funktion der Nutzamplituden ändert.
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Gemäß weiterer Ausbildung der Erfindung wird dies dadurch erreicht,
daß das Steuergitter G der Pentode P zwecks selbsttätiger Regelung des Entladestroms
in Abhängigkeit von den gleichgerichteten -Nutzamplituden mit einem mit dem Siebkreis
parallel geschalteten Gleichrichterkreis verbunden ist.
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Ein Teil der -Nutzamplituden wird über einen Kondensator C4 abgezweigt
und einem Gleichrichter E4 zugeführt. Dadurch wird über einen Siebkondensator C5
eine nach Maßgabe der Nutzamplituden sich ändernde Gleichspannung erzeugt, welche
über einen veränderlichen Widerstand R3 abgezweigt und dem Steuergitter G der Pentode
P zugeführt wird. Durch eine Batterie ß wird eine negative Gittervorspannung eg
auf dem Steuergitter G erzeugt. Es ist ohne weitere Erläuterung ersichtlich, daß
durch die Einwirkung der durch den Gleichrichter E4 erzeugten Gleichspannung auf
dem Steuergitter G der Pentode der Entladestrom durch die Pentode P mit zunehmenden
Nutzamplituden proportional steigen wird. Der Zusammenhang zwischen den -Nutzamplituden
und dem Entladestrom kann durch den veränderlichen Widerstand R3 nach Wunsch geregelt
werden.