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Schaltungsanordnung für die Zusammenschaltung von Schreibverstärker
und Schreibkopf in magnetischen Aufzeichnungsgeräten fur Fernsehsignale Die Erfindung
betrifft die Zusammenschaltung der Endröhre eines Schreibverstärkers mit dem Schreibkopf
in magnetischen Aufzeichnungsgeräten für Fernsehsignale.
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In den bekannten magnetischen Aufzeichnungsgeräten für Breitbandsignale,
videofrequenten Signalen usw. wird das aufzuzeichnende Signal zunächst in einem
Schreibverstärker wechselstrommäßig verstärkt und dann dem induktiven Schreibkopf
zugeführt. Um eine gute Aufzeichnungs- und Wiedergabequalität der magnetisch zu
speichernden Signale zu erhalten, muß bei deren Aufzeichnung der Schreibkopf mit
einem Signalstrom gespeist werden, dessen Größe eine bestimmte Grenze nicht unterschreitet.
Aus diesem Grunde wird in an sich bekannter Weise die aufzuzeichnende Signalfolge
zunächst in einem Schreibverstärker verstärkt und dann dem Schreibkopf zugeführt.
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Bei niedrigen Frequenzen des aufzuzeichnenden Signales ist der von
dem Schreibverstärker abgegebene und durch den Schreibkopf fließende Anodenwechselstrom
proportional der Steuergitterspannung des Schreibverstärkers, d. h. proportional
der Spannung der an das Steuergitter herangeführtenFernsehsignale. Bei höheren Signalfrequenzen
macht sich jedoch der Einfluß der unvermeidbaren Störkapazitäten bemerkbar, die
am Ausgang des Schreibverstärkers zwangläufig vorhanden sind und die sich im wesentlichen
einerseits aus der an der Anode der Endröhre des Schreibverstärkers auftretenden
Röhrenkapazität und andererseits aus den ebenfalls unvermeidbaren Leitungskapazitäten
zusammensetzen. Diese Störkapazitäten liegen parallel zueinander und addieren sich
deshalb; sie bilden zusammen mit der Induktivität des Schreibkopfes einen LC-Schwingungskreis,
dessen Resonanzspitze bei den höheren Signalfrequenzen liegt. Dadurch bedingt steigt
der durch den Schreibkopf fließende verstärkte Signalstrom mit zunehmender Signalfrequenz
bis zur Resonanzfrequenz des LC-Schwingungskreises an und fällt dann wieder ab.
Zur Linearisierung des Frequenzganges wird in den bekannten Ankopplungsschaltungen
dem Schreibkopf ein Ohmscher Widerstand parallel geschaltet. Dieses hat jedoch zur
Folge, daß der Frequenzgang oberhalb der Resonanzfrequenz des LC-Schwingungskreises
stärker abfällt, so daß die Resonanzfrequenz annähernd die obere Grenzfrequenz des
Übertragungsbereiches des Schreibverstärkers und damit auch die obere Grenzfrequenz
des Aufzeichnungsbereiches des Schreibkopfes darstellt.
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Andererseits haben die bekannten Schreibköpfe in magnetischen Aufzeichnungsgeräten
für Fernsehsignale eine verhältnismäßig große Induktivität. Die Folge davon ist,
daß bei magnetischen Aufzeichnungsgeräten für Fernsehsignale die Resonanzfrequenz
und damit die obere Grenzfrequenz des Aufzeichnungsbereiches des Schreibkopfes verhältnismäßig
weit unterhalb der oberen Grenzfrequenz des videofrequenten Frequenzbandes liegt,
d. h., die oberen Frequenzen des Fernsehsignalfrequenzbandes werden bei der magnetischen
Aufzeichnung abgeschnitten.
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Zur Erhöhung der oberen Grenzfrequenz des Aufzeichnungsbereiches von
magnetischen Schreibköpfen wird in den bekannten in Fig. 1 dargestellten Ankopplungsschaltungen
für den Schreibkopf an den Schreibverstärker in die Anodenspannungszuleitung der
Endröhre 1 des Schreibverstärkers eine Spule 2 eingeschaltet. Der Schreibkopf 5
ist über den Koppelkondensator 3 und über den Umschalter 4 an die Anode der
Endröhre 1 angeschlossen. Die Spule 2 liegt dadurch parallel zum Schreibkopf 5 und
parallel zu der am Ausgang des Schreibverstärkers auftretenden Störkapazität 6.
Durch die Parallelschaltung der Spule 2 mit dem Schreibkopf 5 wird die Gesamtinduktivität
L des oben beschriebenen LC-Resonanzkreises herabgesetzt und damit dessen Resonanzfrequenz
bzw. obere Grenzfrequenz heraufgesetzt.
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:Die Induktivität der in die Anodenleitung der Endröhre 1 eingeschalteten
Spule 2 kann jedoch nicht beliebig verkleinert werden, da sonst, bedingt durch die
Parallelschaltung mit dem Schreibkopf 5, der durch den Schreibkopf 5 fließende Signalstrom
(Wechselstrom) nicht mehr die zur magnetischen Aufzeichnung der Fernsehsignale erforderliche
Größe aufweist. Setzt man z. B. die Induktivität der Spule 2 so weit herab, daß
die Gesamtinduktivität L des LC-Resonanzkreises
auf die Hälfte sinkt,
so erhöht sich die Resonanzfrequenz f,. nach der bekannten Schwingungsformel
auf das 1,4fache. Der Anodenwechselstrom der Endröhre muß aber dann verdoppelt werden,
damit der durch den Schreibkopf fließende Wechselstrom seine ursprüngliche zur elektromagnetischen
Umwandlung der Breitbandsignale erforderliche Größe beibehält. Eine Erhöhung des
Anodenwechselstromes der Endröhre bedeutet aber, entweder zwei Endröhren parallel
zu betreiben, oder eine stärkere Endröhre zu verwenden. In beiden Fällen ist mit
der Erhöhung der Resonanzfrequenz ein verhältnismäßig großer technischer Aufwand
verbunden. Außerdem erhöht sich in beiden Fällen die am Ausgang des Schreibverstärkers
auftretende Störkapazität, insbesonder die schädliche Röhren- bzw. Anodenkapazität
der Endröhre, die wiederum eine Herabsetzung der Resonanzfrequenz verursacht.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile und zur Erhöhung der oberen Grenzfrequenz
des Übertragungsbereiches von Schreibverstärker und Schreibkopf ist in magnetischen
Aufzeichnungsgeräten für Fernsehsignale mit einem induktiven Schreibkopf, der mit
einem Signalstrom (Wechselstrom) ix bestimmter Größe zu speisen ist, erfindungsgemäß
zwischen die Anode der Endröhre des Schreibverstärkers und den Schreibkopf ein Übertrager
geschaltet, bei dem einerseits das Übersetzungsverhältnis ü2 (= Primärinduktivität:
Sekundärinduktivität) dem Verhältnis der sekundärseitig auftretenden, insbesondere
durch die Leitungskapazitäten bedingten Störkapazität Ca zu der primärseitig
auftretenden, insbesondere durch die Röhrenkapazität der Schreibverstärkerendstufe
bedingten Störkapazität Ci entspricht und bei dem andererseits die Sekundärinduktivität
L, proportional der Schreibkopfinduktivität Lx und abhängig vom Größenverhältnis
des Schreibkopfwechselstromes ix zu dem Anodenwechselstrom Ja der Schreibverstärkerendröhre
(a = ix : Ja)
entsprechend der Bedingung L,: Lx = a :
(ü-a) ausgelegt ist.
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Für die neue Schaltungsanordnung kann entweder ein Transformator mit
getrennten Primär- und Sekundärwicklungen oder ein sogenannter Spartransformator,
d. h. eine Spule mit mindestens einer Anzapfung, verwendet werden. Im letzteren
Falle wird zur Trennung des Schreibkopfes von dem durch den Spartransformator fließenden
Anodengleichstrom der Schreibkopf über einen Koppelkondensator mit der Anzapfung
der Spule verbunden.
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Die neue Schaltungsanordnung hat folgende Vorteile: Mit ihr kann einerseits
die Grenzfrequenz des Aufzeichnungsbereiches des Schreibkopfes wesentlich erhöht
werden, ohne daß die Verstärkung des Schreibverstärkers vergrößert werden muß. Soll
andererseits die Grenzfrequenz in ihrer Größe bestehenbleiben, so kann bei Verwendung
der neuen Schaltungsanordnung die Leistungsaufnahme des Schreibverstärkers, d. h.
dessen Verstärkung, wesentlich verkleinert werden. In beiden Fällen wird damit ohne
großen technischen Aufwand eine Verbesserung der Aufzeichnungs- und Übertragungsqualität
von magnetischen Aufzeichnungsgeräten für Fernsehsignale erzielt. Die Fig.2 und
3 dienen zur Erläuterung der Wirkungsweise der neuen Schaltungsanordnung.
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In dem Ausführungsbeispiel F i g. 2 ist die Primärseite des Übertragers
8 in die Anodengleichspannungszuleitung der Endröhre 1 des Schreibverstärkers geschaltet.
Durch sie fließt sowohl die der Endröhre 1 zugeführte Anodengleichspannung, als
auch der von dieser abgegebene Anodenwechselstrom Ja, dessen Größe sich in
bekannter Weise aus der Größe der Amplituden der Fernsehsignale und der Größe der
Verstärkung des Schreibverstärkers ergibt. An die Sekundärseite des Übertragers
8 ist der Schreibkopf 5 angeschlossen.
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Die am Ausgang des Schreibverstärkers bzw. seiner Endröhre 1 auftretenden
Störkapazitäten setzen sich im wesentlichen aus der Anodenkapazität der Endröhre
1 (Röhrenkapazität) und aus den entlang den Verbindungsleitungen und im Schreibkopf
auftretenden Leitungskapazitäten zusammen. Die genannten Kapazitäten liegen parallel
zueinander, so daß sich ihre Widerstandwerte addieren.
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Der Grundgedanke der neuen Schaltungsanordnung besteht darin, durch
den Übertrager die Störkapazitäten aufzuteilen und sie derart aneinander anzupassen,
daß der von ihnen und der Schreibkopfinduktivität Lx gebildete LC-Resonanzkreis
eine maximale Resonanzfrequenz aufweist. Die Aufteilung der Störkapazitäten erfolgt
dabei in der Weise, daß die auf der Primärseite wirksame Störkapazität Ci aus der
Röhrenkapazität der Endröhre 1 und aus der verhältnismäßig kleinen Windungskapazität
der Primärwicklung des Übertragers 8 besteht, während die sekundärseitig auftretende
Störkapazität Ca die störenden Leitungskapazitäten der Leitungswege zum Schreibkopf
und des Schreibkopfes 5 selbst umfaßt. Die sekundärseitig auftretende und aus den
Leitungskapazitäten bestehende Störkapazität Ca ist dabei in der Regel größer
als die primärseitige Störkapazität Ci.
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Die Wirkungsweise der neuen Schaltungsanordnung besteht nun darin,
daß bei Verwendung eines Obertragers, dessen Übersetzungsverhältnis ü2 (= Primärinduktivität
zu Sekundärinduktivität) > 1 ist, die primärseitig auftretende Störkapazität Ci
um das ü2-fache vergrößert auf die Sekundärseite transformiert wird. Die Kapazität
des LC-Resonanzkreises wird dadurch erhöht und seine Resonanzfrequenz herabgesetzt.
In entgegengesetzter Richtung wirken sich dagegen die Transformation des primärseitig
fließenden Anodenwechselstromes Ja aus, der um das ü-fache verstärkt wird
und die Transformation der Primärinduktivität des Übertragers 8 aus, die auf den
1 : ü2ten Teil, d. h. umgekehrt proportional dem Übersetzungsverhältnis ü2, verkleinert
wird. Eine Erhöhung des sekundärseitig fließenden und in den LC-Resonanzkreis eingehenden
Wechselstromes ermöglicht es, die der Schreibkopfinduktivität Lx parallel geschaltete
Sekundärinduktivität L, des Übertragers 8 dementsprechend zu verkleinern und dadurch
eine Herabsetzung der Gesamtinduktivität des LC-Resonanzkreises und in weiterer
Folge eine Erhöhung der Resonanzfrequenz oder eine Herabsetzung der Verstärkung
des Schreibverstärkers zu erzielen. Die in entgegengesetzter Richtung auf die Größe
der Resonanzfrequenz des LC-Resonanzkreises sich auswirkende Transformation der
Kapazitätswerte einerseits und der Induktivitäts- sowie Wechselstromwerte andererseits
durch den Übertrager 8 bedingt, daß das Übersetzungsverhältnis ü2 des Übertragers
8 nicht
beliebig vergrößert oder verkleinert werden kann, um eine
maximale obere Grenzfrequenz zu erreichen.
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Eine maximal günstige Anpassung, d. h. eine maximal große Resonanzfrequenz
bzw. obere Grenzfrequenz des Übertragungsbereiches von Schreibkopf und Schreibverstärker,
ergibt sich, wenn nach der Erfindung zur Anpassung ein Übertrager 8 verwendet wird,
dessen Übersetzungsverhältnis 0 die Größe ü2 = Ca : Ci (2)
hat, d.
h. dem Verhältnis der sekundärseitig auftretenden Störkapazität Ca zu der primärseitig
auftretenden Störkapazität Ci entspricht. Eine weitere Bedingung für die Einstellung
einer maximalen oberen Grenzfrequenz des Übertragungsbereiches ist, daß die Sekundärinduktivität
L, des Übertragers 8 und damit auch dessen Primärinduktivität Lp entsprechend der
Bedingung
bemessen wird. In der Bedingung Gleichung (3) ist vorausgesetzt, daß Lk die Induktivität
des Schreibkopfes 5 ist und der Faktor a das bei gegebener Größe der Verstärkung
des Schreibverstärkers in seiner Größe feststehende Verhältnis des ebenfalls in
seiner Größe festliegenden Schreibkopfwechselstromes ik zu
dem von der Endröhre
1 bei gegebener Verstärkung des Schreibverstärkers abgegebenen Anodenwechselstromes
Ja wiedergibt.
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Nachfolgend werden die beiden Anpassungsbedingungen Gleichung (2)
und (3) für die Schaltungsanordnung F i g. 2 errechnet. Zur Vereinfachung der Berechnung
wird der Übertrager 8 als ideal, d. h. als verlustfrei angenommen. Seine Primärinduktivität
Lp soll sehr groß sein, so daß seine sekundärseitig wirksame und in den LC-Resonanzkreis
eingehende Induktivität der Induktivität L, seiner Sekundärwicklung entspricht.
Der LC-Resonanzkreis besteht dann aus der Kapazität Ca und der transformierten Kapazität
ü2 Ci, die parallel zueinander liegen und sich addieren. Die Gesamtinduktivität
L des Resonanzkreises ergibt sich aus der Parallelschaltung der Schreibkopfinduktivität
Lk und der Sekundärinduktivität L" des Übertragers 8 und hat die Größe
Nach Gleichung (1) ergibt sich dann für den LC-Resonanzkreis eine Resonanzfrequenz
f,. von der Größe
Lk, Ci und Ca sind dabei feststehende Werte bzw. Kennwerte der Endröhre 1
und des Schreibkopfes 5. Die Anpassung erfolgt nun in der Weise, daß das günstigste
Übersetzungsverhältnis ü2 und die günstigste Sekundärinduktivität LS gewählt wird.
Dabei ist festzustellen, daß der Verkleinerung der Induktivität L,s Schranken gesetzt
sind. Der Schreibkopfwechselstrom ik darf eine bestimmte Größe nicht unterschreiten.
Seine Größe ergibt sich aus den bekannten Stromverteilungsgesetzen. Der von der
Endröhrel abgegebene Anodenwechselstrom Ja wird mit einer Größe ü - Ja auf
die Sekundärseite des Übertragers 8 transformiert. Dieser transformierte Wechselstrom
ü Ja
verteilt sich auf die parallel geschalteten Induktivitäten L" und Lk
(s. F i g. 2) des LC-Resonanzkreises entsprechend der Bedingung: ü - Ja =
is + ik. (5)
(Der durch die Störkapazitäten Ca und Ci fließende Wechselstrom
kann vernachlässigt werden, da deren Widerstandswerte sehr groß gegenüber den Widerstandswerten
der Induktivitäten Ls und Lk sind.) Weiterhin gilt für die Größe der durch die Induktivitäten
L, und Lk fließenden Ströme i, und ik die Beziehung 1, : ik
= La: Ls. (6)
Bezeichnet man das bei gegebener Verstärkung des Schreibverstärkers
und bei gegebener Größe des Schreibkopfstromes ik feststehende Verhältnis von Schreibkopfwechselstrom
ik zu dem Anödenwechselstrom Ja der Schreibverstärkerendröhre 1 mit
a = ik : Ja, (7)
dann ergibt sich aus den Gleichungen (5) und (# für
die Größe der Sekundärinduktivität Ls des bertragers der Wert
Die Gleichung (8) besagt: Wird bei gegebener Größe der Werte von Lk, a und
ü die Größe der Sekundärinduktivität L., des Übertragers 8 entsprechend der
Gleichung (8) dimensioniert, dann fließt durch den Schreibkopf ein Wechselstrom
ik, der die gewünschte, zur Aufzeichnung der Fernsehsignale erforderliche Größe
hat. Wird Ls kleiner dimensioniert als die Gleichung (8) vorschreibt, dann hat der
Schreibkopfwechselstrom ik nicht mehr die zur elektromagnetischen Umwandlung der
Fernsehsignale erforderliche Größe.
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Mit dem Wert von L3 aus Gleichung (8) ergibt sich aus Gleichung (1)
die Größe der Resonanzfrequenz
Die Resonanzfrequenz nach Gleichung (9) hat ein Maximum, wenn ü2Ci=Ca (10) ist.
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Die neue Schaltungsanordnung bietet nach den Gleichungen (7) bis (10)
zwei Möglichkeiten der Anpassung des Schreibkopfes an den Schreibverstärker: Die
eine Möglichkeit besteht darin, bei gegebener Größe der Verstärkung des Schreibverstärkers,
d. h. des Anodenwechselstromes Ja seiner Endröhre 1, sowie bei gegebenen
Größen des Schreibkopfwechselstromes ik, des Faktors a = ik : Ja und
der Störkapazitäten Ca und Ci die obere Grenzfrequenz des Übertragungsbereiches
maximal zu erhöhen, und zwar dadurch, daß ein Übertrager nach der neuen Schaltungsanordnung
zwischen die Endröhre und den Schreibkopf geschaltet ist, dessen Übersetzungsverhältnis
0 und dessen Sekundärinduktivität L, entsprechend den Gleichungen (8) und (10) dimensioniert
sind.
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Die zweite Möglichkeit der Anpassung besteht darin, die Leistungsaufnahme
bzw. die Verstärkung des Schreibverstärkers herabzusetzen. Diese Möglichkeit
ist
gegeben, wenn die obere Grenzfrequenz f,. des Übertragungsbereiches bereits so groß
ist, daß auch die oberen Frequenzen der magnetisch aufzuzeichnenden Fernsehsignale
einwandfrei übertragen werden. In diesem Falle wird das Übersetzungsverhältnis ü2
des Übertragers 8 wieder aus der Gleichung (10) ermittelt. Aus Gleichung
(9) wird dann mit dem errechneten Wert von ü2 und mit dem bekannten Wert der Grenzfrequenz
f,. das Verhältnis a des Schreibkopfwechselstromes ix zu dem Anodenwechselstrom
Ja
errechnet. Mit dem so errechneten Wert von a wird dann aus Gleichung (7)
die Größe des Anodenwechselstromes Ja und in weiterer Folge mit den bekannten
Gesetzen die Größe der Verstärkung des Schreibverstärkers ermittelt.
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An Hand eines praktischen Beispiels sollen die beiden Möglichkeiten
erläutert werden Die primärseitige Störkapazität betrage Ci = 8 pF und die
sekundärseitige Störkapazität Ca = 50 pF. Für die Resonanzfrequenz der bekannten
Schaltungsanordnung F i g. 1 gilt auch die Gleichung (9), wenn man das Übersetzungsverhältnis
ü = 1 annimmt. Mit den genannten Kapazitätswerten von Ca und Ci ergibt sich dann
eine Resonanzfrequenz für die bekannte Schaltungsanordnung F i g. 1 von
Für die neue Schaltungsanordnung F i g. 2 ergibt sich nach Gleichung (10) für den
Übertrager ein Übersetzungsverhältnis von ü2 = 6,25 bzw. von ü = 2,5. Mit diesen
Werten ist bei gleicher Größe von a und Lx die Resonanzfrequenz nach Gleichung
(9)
Die Resonanzfrequenz f,." der neuen Schaltungsanordnung F i g. 2 ist somit um das
d. h. um rund 20 °/o größer als die Resonanzfrequenz f,.' der bekannten Schaltung
F i g. 1.
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Soll dagegen die Resonanzfrequenz unverändert beibehalten werden,
d. h., sollen die Resonanzfrequenzen bzw. die oberen Grenzfrequenzen der Schaltungsanordnungen
F i g. 1 und F i g. 2 die gleiche Größe haben, dann kann bei der Schaltungsanordnung
F i g. 2 der Anodenwechselstrom Ja, d. h.
das Verhältnis a = ix
: Ja auf das 40 : 58fache seiner ursprünglichen Größe reduziert werden. Dies
bedeutet, daß der Anodenwechselstrom Ja der Endröhre des Schreibverstärkers
und damit die Verstärkung des Schreibverstärkers selbst um 310/, verkleinert
werden kann.
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Die F i g. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem als Übertrager
ein Spartransformator 9, d. h. eine Spule mit einer Anzapfung, verwendet wird. Die
Dimensionierung dieses Spartransformators 9 errechnet sich aus den Gleichungen (10)
und (8). Es wird dabei vorausgesetzt, daß die auftretenden Störkapazitäten Ca und
Ci bekannt sind. Es ergibt sich dann das Obersetzungsverhältnis des Spartransformators
aus Gleichchung (10). Die Größe der Sekundärinduktivität L" des Spartransformators
errechnet sich aus der Gleichung (8), wobei vorausgesetzt ist, daß das Verhältnis
a des Anodenwechselstromes Ja zumSchreibkopfwechsel-Strom ix bekannt ist.
Schließlich erhält man noch die Primärinduktivität, d. h. die Gesamtinduktivität
LT, des Spartransformators 9 aus der bekannten Beziehung Lp = ü2 Ls. (11)
Wird ein Spartransformator, d. h. eine Spule mit einer Anzapfung zur Ankopplung
des Schreibkopfes 5 an die Anode der Endröhre 1 des Schreibverstärkers verwendet,
so muß zwangläufig der Schreibkopf mittels eines Kondensators 3 gegen den durch
den Transformator 9 fließenden Anodengleichstrom abgeblockt werden.
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Analog läßt sich auch bei Übertragern mit galvanisch getrennten Primär-
und Sekundärwicklungen an Hand der Gleichungen (8) und (10) die Größe des Obersetzungsverhältnisses
ü, sowie die Größe der Primär-und Sekundärinduktivitäten des Übertragers 8 ererrechnen,
bei denen eine maximale Resonanzfrequenz und gleichzeitig ein Schreibkopfwechselstrom
ix difinierter Größe erzielt wird.
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Die neue Schaltungsanordnung eignet sich nicht nur für magnetische
Bildaufzeichnungsgeräte, sondern für alle magnetischen Aufzeichnungsgeräte, mit
denen Breitbandsignale auf einem Träger magnetisch gespeichert werden, so z. B.
bei den Magnetbandspeichern in elektronischen Rechenanlagen.