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Trägheitslos amplitudenbegrenzende 'Schaltung mit fallender Charakteristik
In der elektrischen Nachrichtentechnik ergibt sich oft die Aufgabe, die Amplitude
einer Steuerspannung von einem bestimmten Schwellwert an zu begrenzen, um beispielsweise
die durch die Steuerspannung zu beeinflussenden Schaltelemente (z. B. Elektronenröhren)
vor Übersteuerung zu schützen oder Amplitudensehwankungen frequenzmodulierter Schwingungen
zu beseitigen usw. Man verwendet hierzu Amplitudenbegrenzer. Bei diesen soll die
Ausgangsspannung von einem bestimmten Schwellwert der Eingangsspannung ab mit dem
weiteren Ansteigen der letzteren nicht mehr zunehmen. Der Amplitudenbegrenzer müßte
also eine Charakteristik gemäß der in der Fig. i dargestellten Kurve I haben, in
welcher e dem Momentanwert der EMK der Spannungsquelle und u dem Momentanwert der
Ausgangsspannung entspricht. Im folgenden seien e und z4 Eingangs- bzw. Ausgangsspannungen
genannt, während es und u, die zugehörigen Schwellwerte darstellen. Üblicherweise
verwendet man für diese Amplitudenbegrenzung nichtlineare Schaltelemente, z. B.
Gleichrichterstrecken, durch welche die Eingangsspannung von einem bestimmten Schwellwert
an auf diesen begrenzt wird. Dadurch entstehen z. B. bei sinusförmiger Eingangsspannung
am Ausgang des Amplitudenbegrenzers trapezförmige und mit weiter wachsender Amplitude
der Eingangsspannung schließlich rechteckförmige Ausgangsspannungen, deren Spitzenwert
gleich dem Schwell-,vert ist. Eine solche Ausgangsspannung setzt sich bekannterweise
aus einer Grundwellenspannung und deren Oberwellenspannungen zusammen. Ändert sich
die Form der Ausgangsspannung mit steigender Eingangsspannung von
der
Trapezform zur Rechteckform, so nimmt auch die Grundwellenspannung noch zu. Sieht
man hinter einer solchen Amplitudenbegrenzung z. B. Filter vor, um die Oberwellen
zu unterdrücken, so tritt am Ausgang des Filters nur die Grundwellenspannung auf,
deren Scheitehvert trotz Begrenzung der Ausgangsspannung vor dem Filter auf den
Schwelhvert über diesen hinaus z. B. gemäß der Kurve II anwächst. (Für Kurve II
stellen e und u die Scheitehverte der sinusförmigen Grundwelle dar.) Will
man diesen Anstieg gemäß der Kurve II vermeiden, so muß man einen Amplitudenbegrenzer
zum Einsatz bringen, dessen Ausgangsspannung von dem Schwellwert ab abnimmt, also
z. B. gemäß Kurve III verläuft, d. h. also eine fallende Charakteristik aufweist.
Gelangen auf ein Filter gleichzeitig verschiedene Frequenzen (z. B. Grundwelle und
Oberwellen), so kann infolge Phasenverzerrungen des Filters der Fall eintreten,
daß der Scheitel-"vert der Summenspannung am Ausgang höher ist als der am Eingang
auftretende, dem Schwellwert entsprechende. Bringt man vor dem Filter einen Amplitudenbegrenzer
zum Einsatz, so wird man daher aus in diesem Falle einen Amplitudenbegrenzer mit
fallender Charakteristik anwenden, um den Scheitelwert hinter dem Filter nicht über
den Schwellwert steigen zu lassen. Eine solche Amplitudenbegrenzung kann erfindungsgemäß
durch eine Schaltung erzielt werden, welche aus einer Brückenanordnung besteht,
die in mindestens einem Brückenzweig einen bzw. mehrere amplitudenabhängige trägheitslose
Widerstände als Brückenglied enthält, wobei die Glieder der anderen Brückenzweige
unter Berücksichtigung des Verlaufes der gewünschten Amplitudenabhängigkeit derart
bemessen sind, daß bei Anlegen der zu begrenzenden Eingangsspannung an die den Brückeneingang
bildenden Diagonalpunkte; an den beiden anderen, den Ausgang der Brückenanordnung
bildenden Diagonalpunkten eine Spannung entsteht, deren Momentanwert von einem bestimmten
Momentanwert der Eingangsspannung (Schwellwert) ab bei weiterem Ansteigen der Eingangsspannung
abnimmt. Durch die trägheibslose Arbeitsweise der amplitudenabhängigen Widerstände
ist die Möglichkeit gegeben, kurzzeitig auftretende Spannungsspitzen, z. B. bei
der Sprachübertragung, zu begrenzen.
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Besteht der Wunsch, daß die Ausgangsspannung bis zum Erreichen des
Schwellwertes derEingangsspannung proportional zu derselben verläuft, so sind als
Bauelemente für die amplitudenabhängigen, tr ägheitslosen Widerstände solche zu
wählen, welche sich bis zum Erreichen des Sch%vellwertes der Eingangsspannung wie
lineare Widerstände verhalten oder in diesem Bereich gegenüber den übrigen Brückengliedern
derart hochohmig sind, daß sie praktisch als unendlich große Widerstände (Unterbrechung)
wirken, um erst von diesem Schwellwert ab die Eigenschaft amplitudenabhängiger Widerstände
anzunehmen.
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Es ist zwar schon eine trägheitslose Amplitudenbegrenzung bekannt;
diese benutzt aber keine Brückenanordnung, sondern besteht aus einer Reihenschaltung
zweier Mehrelektrodenröhren mit entsprechenden Betriebsstromkreisen, was einen besonderen
Aufwand erfordert. Den Gittern dieser Röhren wird die zu begrenzende Spannung gegenphasig
zugeführt. Wählt man hierbei den Arbeitspunkt auf dem linearen Teil der Kennlinie
der einen Röhre, so erfolgt eine Begrenzung mit fallender Charakteristik nur für
die positiven -Halbwellen, die durch die Reihenschaltung der beiden Röhren hervorgerufen
wird, während die negativen Halbwellen auf Grund des Kennlinienknicks der einen
Röhre mit waagerechter Charakteristik begrenzt werden. Es ist also nicht möglich,
eine Begrenzung beider Halbwellen mit fallender Charakteristik zu erzielen. Eine
solche Möglichkeit bietet aber die erfindungsgemäße Begrenzerschaltung.
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Zur Erläuterung der Erfindung sind in den Fig. 2 und 3 zwei Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Schaltung wiedergegeben. Die Diagonalpunkte A und
B bilden den Eingang der Brückenanordnung, an den die Spannungsquelle e mit
dem Innenwiderstand Ri angelegt wird. Die Diagonalpunkte C und D bilden den Ausgang
der Brückenanordnung, an dem die Spannung ze abgenommen wird, deren Momentanwert
bei weiterem Ansteigen der Eingangsspannung e über den Schwellwert abnehmen soll.
Zwischen den Punkten A und C liegt der amplitudenabhängige,. trägheitslose Widerstand,
der hier durch zwei mittels der Gleichspannungen U vorgespannte Dioden Dl und Di
gebildet wird. Durch die Voispannung der Dioden wird erzielt, daß diese erst bei
Erreichen des Schwellwertes der Eingangsspannung durchlässig werden und somit im
Zusammenwirken mit U als amplitudenabhängige Widerstände mit Knickkennlinie wirken.
Bis zumErreichen des Schwellwertes verläuftalso die Ausgangsspannung u proportional
zur Eingangsspannung e. Vom Schwellwert ab fällt u bei entsprechender Dimensionierung
trotz steigender Eingangsspannung. Die Höhe des Schwellwertes und die Steilheit
des ansteigenden sowie abfallenden Astes der Kurve II werden durch die Dimensionierung
der verwendeten Schaltelemente bestimmt. Die Glieder der drei anderen Brückenzweige
bestehen aus den Ohmsc'hern Widerständen R1, R2, und R3. Diese Widerstände sind
nach der bekannten Gleichung, welche die Beziehung der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung
in Abhängigkeit von dem Widerstandswert der Brückenglieder angibt, bemessen, wobei
in diese Gleichung für den Wert des vierten Brückengliedes (amplitudenabhängiger
Widerstand) die Funktion eingesetzt wird, welche den Widerstandsverlauf in Abhängigkeit
von der angelegten Spannung angibt.
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An Stellezweier gegensinnig parallel geschalteter, gerichteter nichtlinearer
Widerstände (Dioden, Gleichrichter, Stromtore), wie in Fig.2 gezeigt, kann auch
ein ungerichteter nichtlinearer Widerstand (Glimmlampe, »spannungsabhängiger Widerstand«)
verwendet werden.
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Um den Unterschied der Brennspannungen (bzw. der Zündspannungen) für
die beiden Stromrichtungen bei Glimmlampen zu eliminieren, kann ein
Kondensator
in Reihe geschaltet werden. Dadurch vermeidet man die geradzahligen Harmonischen
in der Ausgangsspannung. Soll nur eine Halbwelle begrenzt werden, so braucht nur
ein gerichteter nichtlinearer Widerstand zur Anwendung zu kommen.
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Durch Verwendung eines nichtlinearen Widerstandes mit Sprungcharakteristik
(z. B. Glimmlampe) kann man einen Kurvenverlauf' gemäß Kurve IV in Fig. i erzielen.
Da nämlich die Brennspannung einer Glimmlampe unterhalb der Zündspannung liegt und
die Brennspannung sich nach der Zündung ohne weiteres Ansteigen der Eingangsspannung
an der Glimmlampe einstellt, fällt die Ausgangsspannung sprunghaft auf einen durch
die übrigen Brückenglieder bestimmten Wert ab, um dann bei weiterem Steigen der
Eingangsspannung wie vorher abzunehmen.
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Will man erreichen, daß die Ausgangsspannung mit wachsender Eingangsspannung
sprunghaft abfällt, um dann nach einem weiteren linearen Abfall konstant zu verlaufen
(gemäß Kurve V), so wird man das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wählen. Durch Verwendung
zweier Glimmlampen G, und G2, «-obei zu einer ein Widerstand parallel geschaltet
ist, erreicht man, daß nach dem Zünden der einen Glimmlampe der sprunghafte Abfall
der Ausgangsspannung erfolgt, die dann so lange weiter linear abfällt, bis die Glimmlampe
G2 zündet. An den Punkten A und B liegt dann die Summe der Brennspannungen
der beiden Glimmlampen. Der Innenwiderstand R1 der Spannungsquelle nimmt dabei die
durch den weiteren Anstieg der Speisespannung auftretende Spannungsdifferenz auf.
Da also die Spannung zwischen den Diagonalpunkten A und B
konstant
bleibt, muß auch die Ausgangsspannung zwischen den anderen Diagonalpunkten C und
D konstant bleiben.