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Schutzschaltung für eine Verstärkerröhre Die Erfindung bezieht sich
auf eine Schutzschaltung für eine Verstärkerröhre, bei welcher mit Hilfe eines Relais
die Anodenspannung und gegebenenfalls die Spannung einer anderen positiven Elektrode
vermindert oder abgeschaltet wird, wenn die für die Röhrenbelastung einzuhaltenden
Grenzwerte überschritten werden, so daß eine thermische Überlastung und Beschädigung
der Röhre zu befürchten ist.
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Es ist bekannt, je nach der Art der Röhrenkühlung durch Strahlung,
Kühlluft, Kühlwasser oder Verdampfung die Auslösung des Röhrenschutzes von einem
auf die Temperatur der Röhrenteile oder des Kühlmittels ansprechenden Organ abzuleiten.
Infolge der Verzögerung, mit welcher die Temperaturerhöhung der Wärmezufuhr folgt,
wird bei Schaltungen dieser Art der Röhrenschutz nicht sofort beim Eintreten der
Stromüberlastung wirksam. Dies kann bei einem sprunghaften Belastungsanstieg, wie
bei einer plötzlichen Verlagerung der Arbeitspunkteinstellung, dazu führen, daß
die Röhre beschädigt wird, bevor die Schutzschaltung anspricht. Man bevorzugt daher
im allgemeinen Schutzschaltungen einer anderen Art, bei denen die Abschaltung der
Belastung unmittelbar von den Elektrodenströmen ausgelöst wird, wenn diese ihre
zulässigen Grenzwerte übersteigen. Beispielsweise ist eine Schutzschaltung bekannt,
bei der die Abschaltung des Anodenstromes mit Hilfe eines Relais mit zwei Wicklungen
erfolgt, die aus verschiedenen Kreisen des Röhrensystems gespeist werden und deren
magnetische Erregungen einander entgegengesetzt gerichtet sind. Diese Schaltungsart
hat zwar neben der durch das Differentialprinzip gegebenen Möglichkeit, mehrere
Stromkreise gleichzeitig zu überwachen, den Vorzug, daß die Abschaltung bei plötzlich
eintretenden Überbelastungen sehr schnell erfolgt, jedoch ist sie bei Verstärkerstufen,
deren arithmetischer Anodenstrom - Mittelwert mit der Wechselstromaussteuerung zunimmt,
also bei Verstärkerstufen mit sogenannter B- oder C-Einstellung des Arbeitspunktes,
nicht ohne weiteres anwendbar. Bei einer Verstärkerstufe in B-Betrieb kann beispielsweise
der zulässige Höchstwert des Anodenruhestromes bei fehlender Aussteuerung wesentlich
kleiner sein als der bei voller Aussteuerung vorhandene und zulässige arithmetische
Anodenstrom-Mittelwert. Von dem letzteren läßt sich daher die Auslösung der Schutzschaltung
nicht ableiten, wenn der Schutz auch gegenüber Verlagerungen der Arbeitspunkteinstellung
und den damit verknüpften Änderungen des Ruhestromes wirksam sein soll.
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Der Erfindung liegt die Aufgäbe zugrunde, eine Schutzschaltung anzugeben,
deren Auslösekriterium unmittelbar von dem Strom einer der Röhrenelektroden, vorzugsweise
der Anode, abgeleitet ist, die infolgedessen von der erwähnten Ansprechverzögerung
frei ist und bei Verstärkerröhren für Wechselspannungen mit derartiger Arbeitspunkteinstellung
angewendet werden kann, daß- der arithmetische Anodenstrom-Mittelwert mit wachsender
Gitterwechselspannung zunimmt, und bei welcher mit Hilfe eines Relais die Anodenspannung
und gegebenenfalls die Spannung einer anderen positiven Elektrode vermindert oder
abgeschaltet wird, wenn die Arbeitspunkteinstellung sich auf einen zu großen Ruhestromwert
verschiebt. Zur Lösung dieser Aufgabe wird die Schutzschaltung erfindungsgemäß derart
ausgebildet, daß zur Betätigung des Relais im Falle der Überlastung der Röhre eine
elektrische Größe dient, welche der Differenz einer dem mittleren Anodenstrom entsprechenden
Größe und einer dem Anodenwechselstrom entsprechenden Größe wenigstens ungefähr
entspricht. Die Schaltung erhält dadurch die Eigenschaft; daß sie einen mit der
Wechselstromaussteuerung anwachsenden mittleren Anodenstrom zuläßt, wie es den Bedürfnissen
des Röhrenschutzes im Falle einer B- oder C-Einstellung entspricht.
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In .der Zeichnung sind in den Big. 1 und 2 zwei verschiedene Ausführungsformen
von Schutzschaltungen für Verstärkerröhren dargestellt, welche nach dem Prinzip
der Erfindung arbeiten. Auf die Darstellung aller für die Erläuterung der Erfindung
nicht wesentlichen Teile wurde dabei verzichtet. Fig. 3 ist ein Strom-Zeit-Diagramm,
welches zur Erläuterung der Wirkungsweise der in Fig. 2dargestellten Schaltung dient.
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Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung kann zur Verstärkung von Niederfrequenz-
oder Hochfrequenz= schwingungen dienen. Mit 1 und 2 sind die Eingangsklemmen, mit
4 und 5 die Ausgangsklemmen der Verstärkerstufe bezeichnet. Als Verstärkerröhre
ist der Einfachheit halber eine normale Triodenröhre 3 gewählt.
Selbstverständlich
könnte an Stelle der Röhre 3 auch eine Pentoden- oder eine andere V erstärkerröhre
verwendet werden. An den Klemmen 1 und 2 wird in bekannter Weise die zu verstärkende
Spannung zugeführt, während die v erstärlte Spannung an den Klemmen 4 und 5 abgenommen
werden kann. Die Anode der Röhre 3 wird aus der Spannungsquelle 6 über den Arbeitswiderstand
7 mit der notwendigen Vorspannung und dem Anodenstrom-.versorgt. Die gewünschte
negative Vorspannung des Steuergitters wird bei der Klemme -G zugeführt. Entsprechend
dem Prinzip der Erfindung wird an dem-vom Anodenstrom durchflossenen und gleichzeitig
im Kathodenkreis liegenden Widerstand 8 eine dem mittleren Anodenstrom entsprechende
Spannung abgenommen und einer erster. Erregerwicklung des elektromagnetischen Relais
12 zugeleitet, während von demselben, auch vom Anodenwechselstrom durchflossenen
Widerstand 8 eine dem Anodenwechselstrom entsprechende Spannung abgenommen und nach
Gleichrichtung mittels des Gleichrichters 13 einer zweiten Erregerwicklung des Relais
12 mit solcher PolIng zugeleitet ist, daß die von den Wicklungen hervorgebrachten
magnetischen Erregungen einander entgegengesetzt gerichtet sind. Die zur Abnahme
der dem mittleren Anodenstrom entsprechenden Spannung dienende Verbindung führt
dabei über die Primärspule des Transformators 9 und den Reihenwiderstand 10. =Der
Kondensator 11 dient in Verbindung mit dem Reihenwiderstand 10 zur Schwächung des
Wechselstromanteiles der am Widerstand 8 liegenden Spannung. Die zur Abnahme des
Wechselstromanteiles der ein Widerstand 8 liegenden Spannung dienende Verbindung
führt über den Transformator 9 auf den Gleichechter 13 und über den Reihenwiderstand
14 zu ,der zugehörigen Erregerwicklung des Relais 12. Der Transformator 9 bildet
dabei ein Mittel zur Beseitigung des Gleichstromanteiles der am Widerstand 8 auftretenden
Spannung. Hinter -dem Gleichrichter 13 sind in Gestalt des Reihenwiderstandes 14
und. des Parallelkondensators 15 Mittel zur Aussiebunb des restlichen Wechselstromanteiles
vorgesehen. Man erkennt, daß in dem magnetischen Kreis des Relais 12 eine resultierende
Erregung zustande kommt; welche der Differenz einer dem mittleren Anodenstrom entsprechenden
Größe und einer dem Anodenwechselstrom entsprechenden Größe entspricht. Dadurch
wird von der Schaltung mit wachsender Wechselstromaüssteuerung auch eine anwachsende
Größe des mittleren Anodenstromes zugelassen, ohne daß eine Abschaltung der Anodenspannungsquelle
6 mit Hilfe des Ruhekontaktes 16 des Relais 12 erfolgt. Erst wenn der mittlere Anodenstrom
in einem größeren Maße anwächst, als es durch die Differenzwirkung der beiden Relaiserregungen
bestimmt ist, wenn also beispielsweise der Ruheanodenstrom durch eine Verlagerung
der Arbeitspunkteinstellung plötzlich steigt, findet eine Abschaltung der Anodenspannungsquelle
6 statt. In diesem Fall überwiegt nämlich die Erregung über --die linke Erregerwicklung
des Relais 12 so st ark, daß das Relais seinen Anker anzieht. Man erkennt demnach,
d.aß die dargestellte Schaltung die Eigenschaft besitzt, mit wachsender Wechselstromaussteuerung
auch größere Werte des mittleren Anodenstromes zuzulassen. Sie läßt sich daher auch
den Bedürfnissen einer Verstärkerschaltung anpassen, in welcher der arithmetische
Mittelwert :des Anodenstromes mit der Wechselstromaussteuerung .der Verstärkerröhre
zunimmt. Eine -nach dem Prinzip der Erfindung arbeitende Schutzschaltung der in
Fig. 1 dargestellten Art ist also auch für Verstärkerröhren anwendbar, welche in
der sogenannten B- oder C-Einstellung arbeiten.
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Die in Fig. 2 dargestellte Verstärkerschaltung kann ebenfalls- zur
Verstärkung von Hochfrequenz- oder Niederfrequenzspannungen dienen. Einander entsprechende
Teile sind in :dien Fig. 1 und 2 mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. In der
Schaltung nach Fig. 2 wird jedoch im Gegensatz zu Fig. 1 die Differenzwirkung nicht
durch gegeneinandergeschaltete Relaiswicklungen, sondern auf andere Weise in dem
für die Abnahme der beiden zusammenwirkenden Spannungskomponenten bestimmten Teil
der Schaltung bewirkt. Daher fällt sowohl der Transformator 9 als auch die zweite
Relaiswicklung weg. Zur Erläuterung der Wirkungsweise wird auf die Kurvendarstellung
der Fig. 3 Bezug -genommen, in welcher der Verlauf des den Widerstand 8 durchfließenden
Stromes mit der Zeit dargestellt ist. Mit Ik" ist der Kathoden-Spitzenstrom bezeichnet,
welcher bei Vollaussteuerung der Verstärkerröhre 3 zum Fließen kommt. Am Kathodenwiderstand
8 der Röhre 3 tritt ein Spannungsabfall auf, der dem Verlauf des Kathodenstromes
entspricht. Die unter den Kurventeilen k und h' liegenden Flächen bilden
.demnach ein Maß für die Größe des arithmetischen Anodenstrom-Mittelwertes. Eine
diesem Mittelwert entsprechende Spannung wird in der Schaltung nach Fig. 2 vom mit
der Kathode verbundenen Ende des Widerstandes 8 abgenommen und über die Reihenwiderstände
17 und 18 sowie über die Spule 20 der Erregerwicklung des Relais 22 zugeführt. Die
andere Seite der Erregerwicklung ist über den Spannungsteiler 23 mit Erde und weiter
über den Reihenwiderstand 24 mit lern negativen Anschluß der Anodenspannungsquelle
verbunden. Um nun entsprechend dem Prinzip der Erfindung auf das Relais 22 eine
elektrische Größe einwirken zu lassen, welche der Differenz des arithmetischen Anodenstrom-Mittelwertes
und des Anodenwechselstromantenles wenigstens ungefähr entspricht, wird in der Schaltung
nach Fig. 2 mit Hilfe eines passiven polarisierten Elementes in Gestalt einer Diode
oder eines Gleichrichterelementes 19 eine Subtraktion vorgenommen, durch welche
-die in Fig. 3 schraffierten Flächen unter den Kurventeilen k und
k' weggeschnitten werden. Betrachten wir die Kurvendarstellung nach Fig.3
als Aufzeichnung des Spannungsverlaufes am Widerstand 8, so kann die Spannung a,
oberhalb welcher durch das Gleichrichterelement 19 alle weiteren Spannungserhöhungen
verhindert werden, so gewählt werden, daß der arithmetische Mittelwert der unterhalb
der schraffierten Flächenteile verbleibenden, in Annäherung trapezförmigen Spannungskurve
mit Sicherheit niedriger liegt als der jenem Anodenstrom-Ruhewertentsprechende Spannungswert,
bei welchem die automatische Abschaltung erfolgen soll. Dieser Mittelwert der Trapezschwingung
ist durch die mit unterbrochenen Linien eingetragene Größe b bezeichnet. Das beschriebene
Verfahren der Einstellung läuft also darauf hinaus, von der dem arithmetischen Anodenstrom-Mittelwert
entsprechenden Größe eine weitere Größe zu subtrahieren, welche .den schraffierten
Flächenteilen in Fig. 3 entspricht und von der Größe der Wechselstromaussteuerung
abhängt. Diese zu subtrahierende Größe wird derartig bemessen,, daß die übrig bleibende
Restschwingung einen Mittelwert b besitzt, welcher unterhalb -der kritischen Größe
des Anodenstrom-Ruhewertes bleibt. Durch das Anwachsen des arithmetischen Anodenstrom-Mittelwertes
mit der Wechselstromaussteuerung kann also keine automatische Abschaltung der Anodenspannung
bewirkt
werden, wenn diese Bedingung eingehalten ist. Eine zufällige
Erhöhung des Anodenstrom-Ruhewertes würde aber schnell zu einer Überschreitung der
Mittelwertgrenze b führen, so daß mit Sicherheit eine Abschaltung herbeigeführt
werden kann.
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Man erkennt, daß in Fig. 2 weder der Transformator 9 noch die zweite
Relaiswicklung der Fig. 1 erforderlich sind. Der Überbrückungskondensator 21 und
die Reiheninduktivität 20 :dienen zur Auss:iebung störender Wechsel;stromanteile,
jedoch können diese Siebelemente in vielen Fällen auch weggelassen werden. Die Einstellung
des Abschmeidepegels a geschieht mit Hilfe des Spannungsteilers 18"dessen einer
Anschluß mit der von dem im Anodenstromkreis liegenden Widerstand 8 kommenden Leitung
und dessen zweiter Anschluß mit,dem polarisierten Element 19 verbunden ist.
Der dritte Anschluß führt zu dem negativen Pol einer V orspannungsquelle. Der Reihenwiderstand
17 hat den Zweck, unter Berücksichtigung der Empfindlichkeiten des Relais 22 einen
Teil des am Widerstand 8 auftretenden Spannungsabfalles aufzunehmen. Die Einstellung
des Spannungsmittelwertes, bei welchem das Relais 22 seinen Anker anzieht und damit
über den Kontakt 16 die Anodenspannung der Röhre 3 abschaltet, ist auch mit Hilfe
des Spannungsteilers 23 und durch entsprechende Wahl des Reihenwiderstandes 24 möglich.
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Man erkennt demnach, daß an dem vom Anodenstrom .durchflossenen Widerstand
8 eine Spannung abgenommen wird, welche sowohl eine dem arithmetischen Anodenstrom-Mittelwert
als auch eine dem Anodenwechselstrom entsprechende Komponente enthält. Von dieser
Spannung wird eine dem Anodenwechselstrom ungefähr entsprechende Größe mit Hilfe
des Gleichrichterelementes 19 subtrahiert, wobei die Abschneidegrenze a durch entsprechende
Spannungseinstellung gewählt werden kann. Das Gleichrichterelement 19 bildet dabei
einen die Erregerwicklung des Relais überbrückenden Parallelzweig, in welchem nur
beim Überschreiten der durch die Vorspannungseinstellung bestimmten Grenzspannung
Strom fließt. Diese Grenzspannung ist nun deraatig gewählt, daß der Zuwachs des
Gleichstromanteiles der dem Relais zugeführten Spannung beim Übergang von einer,
Steuerwechselspannung Null auf Vollaussteuerung geringer ist als der Unterschied
zwischen dem normalen Ruhestrom und dem höchsten zulässigen Ruhestrom.