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Verstärkerschaltung mit mehreren in Kaskade angeordneten Elektronenröhren
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Elektronenröhrengeräte und betrifft im
besonderen Schaltungen, die hauptsächlich für Verstärkungs-und Meßzwecke geeignet
sind.
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Die Verstärkerschaltung gemäß der Erfindung enthält mehrere gittergesteuerte
Elektronenröhren, welche in Kaskade geschaltet sind. Alle Röhren sind kapazitiv
belastet und werden derartgesteuert, daß sie in Reihe arbeiten, d. h., die Steuerelektrode
(Gitter) einer jeden Röhre ist mit dem vorhergehenden Kondensator verbunden. Die
Aufladung des Kondensators .der ersten Stufe wiederholt sich somit in allen folgenden
Kondensatorstufen.
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Die Funktion der Röhrenkaskade beginnt demnach mit der ersten Röhre
und setzt sich bis zur letzten Röhre fort, wobei die Gesamtübertragungszeit im wesentlichen,
gleichmäßdg auf die verschiedenen Röhren verteilt ist. Die Röhren werden .dabei
aufeinanderfolgend durch einen zweckmäßigen Verteilermechanismus, und zwar durch
eine geeignete We:chselstromquelle, in Betrieb gesetzt, welche die entsprechenden
Betriebsspannungen an die Röhren gibt, um dem Betrieb jeweils bei den positiven
Halbwellen zu ermöglichen. Bei einer solchen Betriebsweise ist z. B. eine Anzeige
an der letzten Röhre der Röhrenkaskade das Ergebnis irgendlciner Signalsteuerung,
die an der ersten Röhre wirksam war.
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Bei .der Schaltung gemäß der Erfindung sind die Röhren durch wechselnden
Anschluß der Anoden und Kathoden der aufeinanderfolge.nden Röhren an die Wechselstromquelle
in zwei »Gruppen«
geschaltet, und die Röhren der wechselweise angeordneten
»Gruppen« sind jeweils gleichzeitig in Betrieb. Alle Röhren, deren Anoden gerade
die positive Halbwelle des Speisestroms aufnehmen, sind dann in Betrieb, während
jene Röhren, deren Kathoden zur gleichen Zeit dieselbe Halbwelle des Wechselstroms
aufnehmen, außer Betrieb sind. Während der folgenden Halbwelke des Wechselstroms
wird der Betrieb umgekehrt usw. Die Röhren in den beiden »Gruppen« arbeiten also
hinsichtlich der Erregungsspannung zu gleicher Zeit, während die Signalwelle nacheinander
-durch die Röhren geht.
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Daraus geht hervor, daß die vorliegende Schaltung gegenüber den praktisch
gleichzeitig auftretenden Eingangs- und Ausgangssignalleistunge:n der üblichen Verstärker
mit verzögerter Ausgangsleistung arbeitet. Sie arbeitet mit linearer Speicherung
der Eingangssignalleistung, so daß sie ebenso als Gleichstromverstärker wie auch
als Wechselspannungsmesser und -verstärker verwendet werden kann. Im letzteren Fall
weist sie eine ihr eigene Selektivität und Phasenempfindlichkeit auf.
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Gemäß speziellen Merkmalen .der Erfindung sind die Elektronenröh.renstufen
gittergesteuert, wähnend ihre Anoden von Wechselspannungen bestimmter und geeigneter
Frequenz gespeist werden. Die Frequenz. hängt bis zu einem gewissen Grade von der
Verwendung der Schaltung ab. Die Kathoden der Röhren sind entweder mit dein positiven
oder mit dem negativen Pol der Wechselstromspeisequelle verbunden. Bei allen Röhren
sind die Anoden über Energiespeicherkreise mit der Speisestromquelle verbunden und
außerdem jede Anode jeweils direkt mit dem Gitter der nächsten Röhre. Somit sind
alle Röhren, die der ersten Röhre folgen, so geschaltet, d:aß sie jeweils durch
die vom vorhzrgehen&n Speicherkreis gesamte elektrische Ladung gesteuert werden.
Der erste Speicherkreis wird durch .die in, der ersten Röhre fließende Signalsteuerleistung
aufgeladen. Die Speicherkreise bestehen hauptsächlich aus einem Konden@ sator, der
mit einem Widerstand oder einem entzerrenden Induktivitätselement parallel liegt.
Der Speicherkreis ist jeweils derart bemessen, daß er seine Ladung mindestens so
lange behält, wie die Speisestromwellenperiode anhält.
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Ziel der Erfindung ist es, einen hochselektiven Elektronenröhrenverstärker
zu schaffen, dessen Anoden durch einen Wechselstrom jeder beliebigen Frequenz, beispielsweise
zwischen dien Frequenzen des gewöhnlichen technischen Kraftstroms von: 5o bis 6o
Hz und Ultrahochfrequenzen, gespeist werden.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Elektronenröhrenverstärkers,
dier speziell zur Messung von Gleichströmen und Gleichspannungen geeignet ist und
daher, in Verbindung mit photoelektrischen Messungen, Thermoelement-Messungen, Ionisation
ü. dgl. besonders brauchbar ist.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Meßgerätes,
das sich besonders für alle Arten von Wechselstrommessungen, wie Induktivitäts-,
Kapazitäts-, Widerstands-, Spannungsstrom-, Phasenmessungen w. dgl., eignet.
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Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer
Verstärkerschaltung, die ihre Betriebsphase nicht ändert. Deshalb ist die Anzahl
der Verstärkerstufen unwesentlich, außer in bezug auf den gewünschten Verstärkungsgrad
und die .gewünschte Übertragungsempfindlichkeit.
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Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer
Röhrenschaltung, welche als HF-Empfänger mit einer tim wesentlichen konstanten Bandbreite
arbeitet, unabhängig davon, welche von mehreren Trägerfrequenzen empfangen wird.
Weiterces Ziel der Erfindung in.-diesem Zusammenhang ist die Bereitstellung eines
Tonverstärkers mit einer im wesentlichen konstanten Bandbreite.
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Fig. i zeigt ein Schaltbild eines zweistufigen Verstärkers in verallgemeinerter
Form; Fig. 2 zeigt eine Abwandlung der Schaltung der Fig. i mit zusätzlichen Stufen;
Fig. 3 stellt eine graphische Untersuchung dar, um anzudeuten, nach welchen Grundsätzen
die Schaltung arbeitet; Fig.4a, 41) und 4c zeigen eine Reihe von Kurven, um allgemein
die Phasen- und Frequenzgänge der Schaltungen anzudeuten, wie sie in den Fig. i
und 2 gezeigt sind, beispielsweise im Hinblick auf die Möglichkeiten für Wechselstrommessungen;
Fig. 5 zeigt eine Abwandlung der Schaltung von Fig.2, wobei Abschirmmaßnahmen und
Wechselstromheizung zur Anwendung kommen; Fig. 6-veransch.aulicht eine weitere Abwandlung,
in der die Verwendung der vorhergehenden Schaltungen in Verbindung mit Wechselstrommessungen
gezeigt wird-; Fig.7 zeigt eine weitere Abwandlung, welche die Anwendung der vorhergehenden
Schaltungen in Verbindung mit Verlustmessungen deutlich macht; Fig. 8 gibt eine
schematische Darstellung einer Schaltung wieder, welche die Verwendung des Speicherverstärkers
als Mikrophonverstärker zeigt; Fig.9 stellt eine weitere Abwandlung mit induktiver
Kopplung dar. ' Fig. i zeigt eine einfache Schaltung mit nur zwei Röhren, welche
jedoch die wesentlichem Betriebsgrundsätze .der Erfindung darstellt. Diese. Schaltung
enthält zwei getrennte Elektronenröhren i und 2, die von irgendeiner allgemein bekannten
Art sein können und hier schematisch als Dreipolröhnen dargestellt sind. Im Ausgang
der Röhre i liegt ein Speicherkreis, der einen Kondensator 3 und parallel .dazu
einen Widerstand 4 umfaßt. Diese Parallelschaltung von Widerstand und Kapazität
ist -einerseits mit der Anode 5 der Röhre i und andererseits über einen einstellbaren
Kontakt 6 mit einem Abgriff auf dem Potentiometer 7 verbunden. Ein Ende des Potentiometers
ist durch den Leiter 9 mit der Kathode 8 der Röhre i verbunden, die ihrerseits mmt
einem Ende der Sekundärwicklung io eines Transformators i i verbunden ist. Das andere
Ende des Poterntiometers
7 ist durch einen Leiter 12 an das Gegenende
der Sekundärwicklung io und außerdem an die Kathode 13 der Röhre 2 angeschlossen.
,Das Steuergitter 14 der Röhre 2 ist sowohl an: die Anode 5 der Röhre i als auch
an dien Kondensator 3 des Speicherkreises 3, q, angeschlossen. Die Anode 15 der
Röhre 2 isst mit einem anderen Speicherkreis verbunden, der :den Kondensator 16
und den Widerstand 21 enthält. An einem Endte des Widerstandes 21 ist beispielsweise
ein Anzeigegerät 65 angeschlossen. Der andere Anschluß des Sp.eicherkreiskondensators
16 ist ebenfalls mit dem unteren Ende der Sekundärwicklung io durch den Leiter 25
verbunden.
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Die Wechselstromenergie einer geeigneten Frequenz zur Speisung der
beiden Röhren i und 2 wird an die Transformator-Primärwicklung i9 über die Eingangsklemmen
2o geliefert. Die zu verstärkenden Eingangssignale werden über dlie Klemmen z2 zuggeführt
und gelangen an das Gitter 23 der Röhre i über den Widerstand 2q.. Dieser Widerstand
ist einerseits an das Gitter 23 geschaltet und andererseits an die Kathode B.
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Die beschriebene Schaltung arbeitet wie folgt: In einer Halbperiode
der durch den Transformator i i gelieferten Wechselstromenergie sei beispielsweise
:der Leiter 12, gegenüber Erde (bzw. gegenüber dem Leiter 25) positiv und der Leiter
25, der die Anodenspannung an die Röhre 2 liefert und gleichfalls mit der Kathode
8 der Röhre i verbunden ist, gegenüber dem Leiter 12 negativ. In diesem Falle führt
.die Röhre i Strom, während die Röhre 2 blockiert ist. Der Strom durch die Röhre
i ladet ihren Anodenkondensator 3 auf. Der Stromfluß durch die Röhre i wird außerdem
durch dlie während der Leit-Halbperiode vorhandene Durch:schnittsgitterspannung
gesteuert, die von den an den Eingangsanschlüssen 22 zuigeführten Signalspannungen
abhängt. Während der nächsten Halbperiode der über den Transformator i i zugeführten
Wechselstromenergie besteht der entgegengesetzte Zustand, .d. h., der Leiter 12
ist gegenüber dem Leiter 25 negativ und die Anode 15 -der Röhre 2 positiv. Demgemäß
wird nun die durch :die vorhergehende Leit-Halbperiode der Röhre i dem Koi%densator
3 zugeführte Ladung von der Röhre 2 übernommen, die jetzt leitend ist. Die Vorspannung
am Gitter 14 ist dabei im wesentlichen konstant, weil die Zeitkonstante des Kreises
3, q. groß ist. Das führt zu einem Stromfluß im Speicherkondensator 16, der ein
Maß für die Ladung des vorhergehenden Kondensators 3 ist. Bei Zuführung von Gleichstrom
bzw. Gleichspannung am Anschluß 22 tritt also bei positiver Anodenspannung der Röhre
2 ein verstärkter Gleichstrom auf, vorausgesetzt, daß die Zeitkonstante des Kreises
3, q. länger als die Periode des Speisewechselstroms oder wenigstens gleich. lang
ist.
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An sich tritt nun im Kreis 3, q. ein Gleich!stzom-Spannungsabfall
am Widerstand q. auf, der sich aus dem mittleren Wert des Anodenstroms der Röhre
i ergibt. Dieser Spannungsabfall würde die Röhre 2 vollständig sperren, wenn er
nicht durch eine geeignete Vorspannung kompensiert wird. Gemäß einem Merkmal der
vorliegenden Erfindung kann. nun diese Kompensation (Entsperrung der Röhre 2) durch
eine Gleichspannung wie auch durch eine Wechselspannung bewirkt werden, vorausgesetzt,
d'aß die betreffende Wechselspannung gegenüber der Stromversorgung der zweiten Röhre
in richtiger Phase ist. Diese Bedingung kann durch das Potentiometer 7 erfüllt werden,
das auf einen solchen. Wert eingestellt wird, daß der Anodenstrom der Röhre :2 einen
Mittelwert gemäß dem in der Röhre i fließenden Strom einnimmt. Der Wechselspannungsabfall
zwischen :dem Abgriff 6 auf diem Potentiometer 7 und dem Leiter 12 weist demnach
dieselbe Wirkung .auf wie eine gleichwertige Gleichvorspannung oder Batterie zwischen
diesen Stellen.
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Die beschriebene Schaltung ist also nicht nur in der Lage, kleine
Gleichstromwerte oder über den Widerstand 24 zugeführte Gleichspannungswerte zu
verstärken, sondern auch Wechselströme oder Wechselspannungen, vorausgesetzt, daß
die Frequenz etwa der bei. 2o angeschalteten Wechselstromspeisequelie entspricht
und daß der Sch-webungston (wenn er auftritt) wenigstens im Ansprechbereich des
Speicherkreises liegt, wie später eingehender dargelegt wird.
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In der Schaltung der Fig.2 sind gleiche Teile mit gleichen Zahlen
wie in allen. anderen Figuren bezeichnet. Die Schaltung gemäß Fig. 2 entspricht
im wesentlichen der gemäß Fig. i, mit der Ausnahme, daß die Schaltung jetzt einen*
mehrstufigen Verstärker darstellt. In der Schaltung der Fig. i hatte die Röhre 2
,ihren eigenen Spannungsteiler 7, der ihre Betriebsvor:spannung für Optimalverhältnisse
einstellt. Wenn der Stufe gemäß Fig. i mehrere Stufen angeschlossen werden, müßte
jede folgende Stufe eine getrennte Vorspannun@g haben. Da aber die folgenden Stufen
von den vorhergehenden Stufen abhängen, treten Schwierigkeiten auf, die sich mit
der Anzahl der Stufen vermehren. Zur Überwindung solcher Schwierigkeiten wird in
Fig. 2 ein automatisches Vorspannungssystem gezeigt.
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Aus dem Vorstehenden wird man erkennen, daß alle Änderungen der an
die Eingangsklemmen gelieferten Steuersignalenergie im Ausgangs-Anzei.gekreis 16,
21 bzw. an den Ausgangsklemmen 17 und i8 (oder im Anzeigegerät 65) erst nach einer
Zeit beobachtet werden, die um n/2 Perioden dies Speisewechselstroms verzögert isst.
n gibt die Anzahl der Stufen an. Das läßt eine schnelle Kontrolle der Durchgangszeit
von Signalen durch. :das System zu, indem man die Frequenz der an den Leistungsklemmen
2o gelieferten Wechse.lstromleistung verändert.
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Wie Fig.2 zeigt, ist keine getrennte Vorspannungsregelung für jede
der Stufen vorgesehen, außer für die erste, dfie durch den Widerstand 31 und das
Potentiometer 3o dargestellt ist. Trotz des Fehlens von getrennten Regeleinrichtungen
lassen sich aber alle Röhren so einrichten, d:aß sie gleichen
mittleren
Strom führen, wenn nur die erste Stufe für sich und in geeigneter Weise, beispielsweise
durch das Potentiometer 30, geregelt ist.
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Zur Erläuterung sei: angenommen, daß die erste Röhre i unter dem Einfiuß
eines kräftigen posi-tiven Steuersignals einen besonders starken Strom führt. Danach
verbleibt während der nächsten Halbwelle der Speisespannung auf ihrem Anodenkondensator
3 eine ungewöhnlich starke negative Restladung, die für die nächste Röhre als Gittervorspannung
dient. Die zweite Röhre 2 wird dadurch während der folgenden leitenden Halbperiode
vollkommen gesperrt: Das ergibt wiederum am Kondensator 33: .die Ladung Null, und
deshalb besteht für die nächste Röhre 39 die Vorspannung Null. Diese dritte Röhre
erzeugt somit für die vierte Röhre eine kräftige und sperrende Vorspannung usw.
Es ist offensichtlich, d'aß die mittleren Ströme und die mittleren Ladungen der
ersten, dritten und fünften Röhre usw. stark sind, während Strom und Ladung der
zweiten, vierten und sechsten Röhre jeweils gleich Null sind. Die entgegengesetzte
Verteilung würde bestehen, wenn die erste Röhre zur Zeit ihrer Leit-Halbperiode
durch ein kräftiges negatives Signal weniger leitend oder sogar blockiert gewesen
wäre.
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Deshalb ist es möglich, das ganze System in einen Gleichgewichtszustand
zu versetzen, :in dem alle Röhren jeweils gleiche mittlere Ströme führen und bei
gleichen Bedingungen arbeiten. Das wird einfach durch Einstellung eines mittleren
Durchschnittsstroms in der ersten Röhre i erreicht. Für jedes beliebige Eingangssignal
ist das durch Anlegen einer entsprechenden Vorspannung an die Kathode 8 der ersten
Röhre i möglich. In Fig. 2 wird z. B. die Vorspannung von der gemeinsamen Wechselstromquelle
durch einen ohmnschen Spannungsteiler gewonnen, der aus dem Witderstand 31 und dem
Potentiometer 3o besteht. Dadurch läßt sich d iie ganze Schaltung mit einen Gleichgewichtszustand
versetzen und etwa das Anzeigegerät 65 auf Mitteleinstellung bringen.
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Die Wirkung der automatischen Vorspannungserzeugung soll an Hand der
Fig. 3 noch näher erläutert werden. Dort ist die Gittervorspannung der ,ersten Röhre
i als Absziisse und der sich. ergebende Anodenstrom als Ordinate eingetragen. Wenn
z. B. die Röhre i bei einem Wert a ihrer Gittervorspannung gesperrt wird, so fließen
für alle Gittervorspannungswerte zwischen dem negativen Wert a und der Vorspannuug
Null verschiedene Anodenströme durch die Röhre i. Das sei, durch eine zwischen dem
Punkt a und einem Punkt b gezogene Linie dargestellt (bezeichnet mit »Röhre
i«), weiche die Gleichrichter-Kennlinie dieser Röhre bei Wechselstromspeisung ist.
Punkt b stellt in diesem Beispiel irgendeinen Strom dar, der bei der Vorspannung
Null durch die Röhre i fließt und der mit I, bezeichnet ist. Da nun im Falle, in
dem kein Strom durch die Röhre i fließt, die Speicherspannung am Kondensator 3-
Null ist, fließt unter solchen Voraussetzungen in der Röhre 2 der Strom I., der
durch den Wert c angegeben wird. Dieser Strom in Röhre 2 nimmt ab, wenn der mittlere
Strom in Röhre i sich erhöht. Der Strom in Röhre 2 wird schließlich, wenn der mittlere
Spannungsabfall am ersten Speicherkreis einer Abschaltung gleichkommt, Null. Der
kritische Strom der ersten Röhre, der einen solchen Zustand herbeiführt (Sperrspannung),
läßt sich leicht aus Fig. 3 unter Bezug auf diiie »Widerstandsgerade« entnehmen,
welche durch den Nullpunkt unter einem Winkel ß gezogen wird, wobei der Tangens
des Winkels ß dem Wert des Widerstandes q. gleich ist. Diese »Widerstandsgerade«
zeigt den Abschaltwert des Primärstroms I, dort an, wo sie die Stromordinate a-c
bei Punkt f schneidet.
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Man erkennt, daß der zur Sperrung der Röhre :2 notwendige Vorspannungswert
der Röhre i dem Wert e entspricht, der durch dien Punkt gegeben ist, bei dem die
Röhre i den Strom I, führt. Daher wird. Röhre 2 abgeschaltet, sobald Röhre i einen
Strom führt, der gleich I, (oder größer als IJ ist. Das tritt bei Punkt d ein, und
die zweckmäßige Vorspannung für die erste Stufe entspricht somit dem Punkt e unterhalb
d. Daher ist die Gesamtcharakteristik für zwei Stufen durch die Linie c-e gegeben.
Daraus folgt weiterhin, daß der Punkt für die Sperrung der Röhre 39 (dritte. Röhre)
bei g liegt, während .die Vorspannung, bei. .der durch, die Röhre 39 ein Maximalstrom
fließt, bei Punkt 12 gegeben ist. Damit wird also die Gesamtcharakteni,stik über
drei. Stufen durch die Linie dargestellt, die zwischen den Punkten g und: h (»Röhre
39«) gezogen wird.
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Alle in entsprechender Weise für die Röhren i; 2 und 39 dargestellten
Charakteristiken verlaufen also durch einen gemeinsamen Punkt s oder angenähert
durch diesen Punkt, d i. h., durch alle Stufen fließt der gleiche Strom, nachdem
für die Röhre i ein bestimmter Vorspannungszustand hergestellt worden ist. Dieser
Zustand entspricht einem Vorspannungswert, der durch Punkt t gegeben ist. Das ist
die Vorspannung, die zur Herbeiführung des Gleichgewichtszustandes der Schaltung
an die erste Stufe gelegt werden muß.
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Man erkennt ferner, däß die Röhren die, Röhren, folge allmählich steiler
werdende Gesamtcharakteristika haben, wobei die letzte Charakteristik einer Serie
von n Röhren am steilsten ist. Diese Gesamtcharakteristik sei mit einer Kurve durch
die Punkte m, x, s, v und w dargestellt. Die Zunahme .der Steilheit%
der Gesamtcharakteristik, was vom Verstärkungsstandpunkt erwünscht ist, gleicht
also die Abnahme dies Aussteuerbereiches voll aus (z. B. e-g im Vergleich zum Bereich
o-a der Gittervorspannung der ersten Röhre). Außerdem findet bei Steuervorspannungen
innerhalb des durch die Punkte g und e gegebenen Bereiches wegen der Steilheit der
durch die Kurve m; x, s, v, w d@argesbellten Gesamtcharakteristik eine Verstärkung
mit äußerst hohem urverzerrtem Verstärkungsgrad statt.
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Im Zusammenhang mit Fig. 3 wurde besonders erläutert, wie die Verstärkung
eines an die Schaltung (an die Klemmen 22 der ersten Röhre) angelegten
Gleichstromsignals
zustande kommt. Die Schaltung kann jedoch ebenso gut auch Wechsel Stromsignale verstärken,
wie an Hand der Fig. 4 erläutert werden soll.
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In Fig. 4a ist die Wechselstrom-Speisespannung durch eine sinusförmige
Spannungswelle ES, deren Frequenz f, ist, dargestellt. Wenn man annimmt, daß die
durch die strichpunktierte Linie Ei dargestellte, den Eingangsklemmen 22 zugeführte
Signalspannung die gleiche Frequenz und genau dieselbe Phase aufweist wie die Speisespannung
ES, so hat der Anodenstrom in der ersten Röhre die durch die Kurve 1, gezeigte
Form. Da bei der Hälfte der Periode der Speisespannung ES kein Strom durch die Röhre
i fließt, ist der Augenblicksstrom, der während der negativen Halbperiode durch
die Röhre i fließt, gleich Null, ungeachtet der Tatsache, daß die Signalspannung
Ei für die volle Dauer angelegt wird. Der Anoden-Strom I, wird zwar nicht direkt
angezeigt, aber die Ausgangsanzeige ist der Ladung, die dieser Strom im ersten Speicherkondensator
3 erzeugt, direkt proportional und wird durch die schraffierte Fläche »mittlerer
Strom« gekennzeichnet. Solange Speise- und Signalspannungen gleichphasig sind, stellt
diese schraffierte Fläche und damit die Ausgangsanzeige einen Höchstwert dar, weil
die Signalspannung Ei während der leitenden Periode positiv ist.
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Unter der Annahme, daß Signalspannung E'1 und Speisespannung ES von
derselben Frequenz, aber um 18o° phasenverschoben sind, werden die Verhältnisse
durch die Kurven der Fig.4b graphisch dargestellt. In diesem Fall wird der durch
die Röhre i fließende Augenblicksstrom durch die Linie I',1 dargestellt. Er ist
kleiner als der durch Ipi in Fig. 4a für einen gleichphasigen Fall dargestellte
Strom, weil die SignaIgitterspannung E'1 jetzt während der leitenden Periode negativ
ist. Dementsprechend ist auch die Ausgangsanzeige, welche der unter der Kurve I',1
schraffierten Fläche entspricht (d. h. der Ladung am Speicherkondensator
3), kleiner und kann in extremen Fällen kräftiger negativer Eingangssignale Null
werden.
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Das Vorstehende veranschaulicht .die Tatsache, daß die Speichervorrichtung
auch auf Wechselstromsignale anspricht, vorausgesetzt, daß sie dieselbe Frequenz
wie die Speisespannung haben. Wenn: die Speisefrequenz gegeben ist, spricht die
Schaltung auf keine freien Frequenzen an, sondern nur auf bestimmte Frequenzen,
und zwar am besten (größte Empfindlichkeit) auf solche Frequenzen, die ein ganzes
Vielfaches der Speisefrequenz f, sind, einbegriffen Gleichstrom (Frequenz Null,
if" 2f" 3f, usw.). Je höher der Signalfrequenzträger, desto geringer wird die Empfindlichkeit,
wie die spektrale Darstellung gemäß Fig. 4c zeigt.
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Die Kurven der Fig. 4c zeigen die Empfindlichkeit des Speicherverstärkers
bei unterschiedlichen Frequenzen der Eingangssignale im Verhältnis zur Speisefrequenz.
Aus Fig.4c ist deutlich #qrkennbar, duß der Verstärker selektiv ist. Wird an den
Verstärker beispielsweise eine Signal-Gleichspannung angelegt, so entspricht dies
demjenigen Frequenzbereich, der mit dem Höchstwert von iooo/o bezeichnet ist. Die
durch die schraffierten Flächen dargestellte Bandweite wirdi durch die für die Speicherkreise
gewählte Zeitkonstante bestimmt. Wenn nun die Signalfrequenz der Speisefrequenz
entspricht, dann ergibt sich ein Maximum der Übertragung an der Stelle f, Ein anderes
Maximum ergibt sich, wenn die Signalfrequenz zweimal so hoch ist wie die Speisefrequenz,
allerdings ist die Verstärkung aber bei der Signalfrequenz = 2 f, auf etwa 337%
dies erstrangigen Frequenzbereichs verringert. Entsprechend weist die Verstärkung,
wenn die Signalfrequenz den dreifachen Wert der Speisefrequenz besitzt, etwa :25%
des Wertes auf, der sich bei einem Gleichstromsignal ergeben würde.
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Demgemäß ergibt sich aus Fig.4c, daß die Verstärker-Bandbereiche in
jedem Fall die gleichen sind, d'aß sich aber die Empfindlichkeit mit steigender
Signalfrequenz verringert. Es leuchtet auch ein, daß der Verstärker, wenn die Signalfrequenzen
andere Werte als ein ,ganzzahliges Vielfaches der Speisefrequenz besitzen, nur anspricht,
solange d,ie Freqenzen innerhalb der schraffierten Gebiete der Fig.4c fallen. Da
der Verstärker nicht auf mittlere Vielfachwerte der Speisefrequenz anspricht, nimmt
er in diesen Bereichen auch keine Störungen auf und. weist somit ein hohes Störsignalverhältnis
auf.
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In Fig.4c gibt die gestrichelte Linie, die die Spitzen der selektiven
Signalresonanz in -den verschiedenem Frequenzbereichen verbindet, die Kurve der
Empfindlichkeit für verschiedene Signalfrequenzen bei einer bestimmten Speisefrequenz
an. Die Kurve isst eine Hyperbel, die der allgemeinen Formel
folgt, wobei n eine ganze Zahl und f, die ,dem Verstärker zugeführte Speisefrequenz
ist.
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In, Fig. 5 ist eine weitere Abwandlung der Anordnung der Fig. 2 dargestellt.
Blei dieser Schaltung wird die Signalfrequenz etwa über ein Kabel 5o zugeführt.
Die Zeitkonstante des Speicherkreises mit dem Kondensator 3 und dem Widerstand 4
ist von der vorstehend genannten Größenordnung, und seine Arbeitsweise ist im wesentlichen
der im Zusammenhang mit Fig.2 beschriebenen gleich. In Fig. 5 sind jedoch zusätzliche
Stabil sierwiderstände 52 zwischen den verschiedenen Stufen dies Verstärkers eingefügt.
Ferner sind zwei Zusatzstufen 53 und 54 vorgesehen, um den Verstärker in Gruppen
von Doppelröhren aufzubauen und Doppeltrioden zu verwenden, deren Heizelemente paarweise
zusammengeschaltet sind. Falls die Röhren der Schaltung mit Wechselstrom geheizt
werden, ;ist es zweckmäßig, eine Verbindung von den Heizelementen der Röhren zu
den Leitungen 12 und 25 herzustellen. Für jede Röhrenkaskadenhälfte sind getrennte
Heizstromwege über Verbindungen
zu den Transformatorwicklungen
56 bzw. 57 vorgesehen.
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In der Anordnung .der Fig. 5 ist ferner angedeutet, da ß die verschiedenen
Röhrensysteme in gemeinsame Kolben eingebaut werden können. Zum Beispiel können
die Röhren i und 39 im einem gemeinsamen Kolben eingebaut werden:, ebenso jeweils
die Röhren 2 und 40, 41 'und- 53', 42 und 54 Das ist immer dann möglich, wenn die
Gesamtröhrenzahl ein ganzes Vielfaches von vier ist.
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Da die Verstärkung der Schaltung äußerst hoch ist und da bei hoher
Verstärkung, wie durch die Kurven der Fig. 3 gezeigt ist, die Steuerung sehr empfindlich
ist, ist ei günstig, wenn eine gewisse Stabilisierung innerhalb der Schaltung vorgesehen
wird, was sich durch Kathodenwiderstände 55 erreichen läßt. Da der' hier behandelte
Verstärker gegen Wechselstromstörungen empfindlich ist, ist es besonders wichtig,
.daß immer eine geeignete Abschirmung vorgesehen wird. Zu diesem Zweck bildet die
Abschirmung 6o ein Gehäuse über die gesamte Apparatur einschließlich der Kathodenheizkreise.
Eine Seite der Schaltung ist ferner geerdet, z. B. über den Leiter 25, der an .der
Stelle 61 an die Abschirmung angeschaltet ist und damit auch die Erdung der Kathodenheizung
der ersten Röhre,i bewirkt. Es ist ferner von Bedeutung, daß der Leiter So, der
die Steuerspannungen an das Gitter 23 der ersten Röhre r liefert, eine zweckmäßige
Abschirmung hat, die z. B. durch die Abschirmung 62 angedeutet ist. Ebenso ist zur
Verhütungeiner elektrostatischen Kopplung zwischen .der Primärwicklung i9 des Transformators
ii und dessen Sekundärwicklung eine geerdete elektrostatische Abschirmung 63 in.
üblicher Weise eingebaut. Auf diese Weise ist der Verstärker vollkommen gegen unerwünschte
Beeinflussungen isoliert, so daß die Ausgangsspannung, die .an den Ausgangsklemmen
17 und i8 auftritt und etwa durch das Meßgerät 65 angezeigt wird, allein von den
Steuersignalspannungen herrührt, die über die Eingangsleitung So der Schaltung zugeführt
werden.
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Bei den Anordnungen der Eig. 6 und 7 sind weitere Abwandlungen dargestellt,
wobei die SpcicherverstärkerschaItung unter dem . Einfluß vorn Eingangssignalen
derselben Frequenz wie ihre eigene Speisespannung verwendet wird. Hier handelt es
sich z. B. um die -Messüng technischer Ind!ü%hivitäten bzw. Kapazitäten mit Verlusten.
Bei den Anordnungen der Fig.6 und 7 läßt sich der unbekannte Phasenwinkel aus dem
Phasendrehnetzwerk (Widerstand 85 und Kapazität 86) ermitteln:. Der Widerstand 8,5
ist in die Speiseleitung 12 geschafet, und die Kapazität ist mit der Erde 9i bei
Punkt 9o verbunden, der den Verbindungspunkt der Schwingkreiselemente 85, 86 bildet.
Der geeichte Widerstand 87 ermöglicht die Bestimmung der -Induktivität 88 bzw. ,der
Kapazität 93. Im Falle der Induktivi.tätsmessung (Fig. 6) wird die Induktivität
88 zwischen Gitter 23 der Röhre i und Erde 9i geschaltet, während der zu messende
Kondensator- 93 (Fig. 7) zwischen Gitter 23 und die phasenverzögerte Anodenzuleitung
der Röhre i geschaltet wird.
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Bei der im. Fig. 8 gezeigten Abwandlung ist der Speicherverstärker
in Verbindung mit einer Sprachübertragung benutzt. Bei den bisher besprochenen Anordnungen
war voraus-gesetzt, d@aß das Steuersignal eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung
mit konstanter Amplitude ist. Unter solchen Umständen, können die Zeitkonstanten
der Speicherkreise verhältnismäßig groß gewählt wenden. Jedbch müssen bei Anordnungen,
bei denen die Signalstärke schwankt (wie im. Falle der Fig. 8 vorausgesetzt ist),
gewisse Abänderungen vorgenommen werden. Beispielsweise muß die Speisefrequenz einen
verhältnismäßig hohen Wert aufweisen, wenigstens zweimal so - hoch, möglichst noch
mehr, wie die höchste Signalfrequenz. Zur Sprachverstärkung muß z. B. die Frequenz
der Speiseenergie im höheren Frequenzbereich liegen, vorzugsweise bei! 2o kHz oder
mehr.
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Selbst wenn die Speisefrequenz hoch gewählt ist, wird sich das System
der Fi.g. 2 wegen der hohen Trägheit der Speicherkreise noch nicht für niederfrequente
Steuersignale eignen. Demgemäß müssen die Speicherkreise, die in den zuvor besprochenen
Beispielen eine verhältnismäßig große Zeitkonstante hatten, jetzt so bemessen werden,
daß sie eine äußerst kleine Zeitkonstante haben, die jedenfalls kleiner als die
kürzeste im Signaleingang auftretende Periodendauer, nämlich -die Periodendauer
der höchsten Signalfrequenz ist. Zur Verstärkung sprachfrequenter Signalspannungen
mit hoher Wiedergabegüte muß demgemäß die Zeitkonstante der Speicherkreise jeder
Röhre kleiner als 3oMikrosekunden sein, da das System bis zu Tonfrequenzen von io
kHz herauf richtig arbeiten soll. Die Speisefrequenz sollte dann möglichst
30 kHz oder mehr betragen. Die in Fig. 8 gezeigte Schaltung ist so ausgeführt,
daß eine Energie von verhältnismäßig hoher Frequenz vom Netzteil ioo über den Transformator
ioi zur Speisung der Leiter 12 und 25 (wie obere erklärt) zugeführt wird. Die Signalspannung
von Tonfrequenzen zwischen Null und etwa io kHz wird an die Eingangsklemmen 103
und io4 und über den Transformator 105 an die Steuerelektrode 23 der ersten Verstärkerröhre
i angelegt.
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Da die beschriebene Anordnung Tonfrequenzen direkt verstärkt und außerdem
als Demodulator arbeiten kann, ist es auch möglich, Niedierfrequen:-zen als Modulation
auf einen HF-Träger zu geben, der an die Klemmen 103 und 104 geleitet wird.
Unter @diesen Bedingungen wird die Sekundärwicklung 116 des Transformators- Ios
(der in diesem Fall ein HF-Transformator ist, im Gegensatz zu einem NF-Transformator,
wenn die Signale nicht als Modulation eines Trägers auftreten) vorzugsweise mit
Hilfe des Kondensators 117 abgestimmt.
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In der in Fig.8 gezeigten Anordnung kann natürlich jede beliebige
Anzahl von Stufen ver-#%yendet werden, obgleich nur vier Stufen -dargestellt sind.
Unter Voraussetzung ziemlich hoher Speisefrequenz
(beispielsweise
3okHz) und sehr kurzer Speicherträgheit können die Ladungen an dien Speicherkondensatoren
den schnellsten Wechseln des Eingangssignals folgen und werden daher durch die ganze
Schaltung übertragen und in jeder Stufe verstärkt, biss sie schließlich mit einer
Verzögerung von
(n = Anzahl der Stufen, 3o kHz = angenommene Speisefrequenz) am letzten Speicherkreis
118 erscheinen. Die Verzögerungsdauer ist somit eine Funktion der Speisefrequenz,
so daß sie einer Beeinflussung durch Änderung der Speisefrequenz unterliegt und
durch Erhöhung der Speisefrequenz verkürzt werden kann, obgleich in den Speicherkreisen
oder an ihren Zeitkonstanten keine Änderungen vorgenommen werden und auch die Wiedergabegüte
keime Änderung erleidet. Diese Anordnung ist deshalb zum Gebrauch als Nachhall-Kontrolle
geeignet.
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Die Ausgangsenergie, die am letzten Speicherkondensator i 18 auftritt,
wird an ein Klangwiedergabegerät i i9 über die übertragarkopplung i2o geleitet.
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Zur weiteren Verbesserung der HF-Übertragung ist gemäß Fig. 9 der
Speicherkondensator in die Teile 3' und 133 unterteilt worden. Das Induktanzelement
131 ist zwischen die beiden Kondensatoren 3' und 13,3 geschaltet worden.
Für niederfrequente Signale kann die Wirkung der Spule 131 vernachlässigt werden,
und der Speicherkreis arbeitet dann. wie in Fig. B. Bei hohen Frequenzen tritt aber
zwischen der Induktanz 131 und der Kapazität 133 eine Reihenresonanz auf, welche
eine Erequenzband-Erweiterung für hohe Signalfrequenzen zur Folge hat. Das führt
zu einer verbesserten Übertragung. Die Zeitkonstante des aus der Kapazität 133 und
der Indukbanz 131 zusammengesetzten Kreises, die für niedere Signalfrequenzen die
gleiche ist wie die durch,die Kapazität 3 und dien Widerstand 4 in Fig. 8 dargestellte
Zeitkonstante, erscheint für hohe Signalfrequenzen durch Zwischenschaltung der Reiheninduktiv
ität 131 (zur Frequenzband-Erweiterung) verkürzt. Die Übertragungskurve erweitert
sich während des größeren Teils dies Frequenzbandes, obwohl der Frequenzbereich
schneller abfällt, wenn äußerst hohe Signalfrequenzen erreicht werden. Ähnliche
Zeitkonstanten und Reiheninduktivitäten sind in den übrigen Stufen der Schaltung
vorzusehen und-> brauchen daher nicht näher erläutert zu werden. Auch hier kann
die Zahl der Röhren oder Stufen wiederum über die in Fig. 9 angegebene erhöht werden.