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Verstärkerschaltung mit Gegenkopplung Die Erfindung bezieht sich auf
die Gegenkopplung in einer Verstärkerschaltung für große Leistungen, bei der die
Endstufe bis ins Gitterstromgebiet hinein ausgesteuert wird.
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Bei einer solchen Schaltung ist es üblich, die Gegenkoppelspannung
von der Ausgangsspannung der Endstufe abzuleiten, weil durch eine Spannungsgegenkopplung
der Innenwiderstand des Verstärkers verringert wird, was meist erwünscht ist, und
weil die im Kathodenstrom vorhandenen verzerrenden Gitterstromkomponenten im Anodenstrom
nicht enthalten sind.
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Bei dieser Methode bereitet jedoch das nicht ideale Verhalten des
Ausgangsübertragers bei höheren Frequenzen erhebliche Schwierigkeiten, insbesondere
bei Gegentaktverstärkern im B-Bereich. Wird in bekannter Weise der Primärwicklung
des Ausgangsübertragers ein Spannungsteiler parallel geschaltet, dessen Mitte geerdet
ist und an dem die Gegenkoppelspannungen für jeden Verstärkerzweig getrennt abgegriffen
und den Vorstufen zugeführt werden, so sind die abgegriffenen Gegenkoppelspannungen
wegen der unvollkommenen Kopplung der beiden primären Wicklungshälften des Ausgangsübertragers
nicht genau gegenphasig und gleich groß. Die Folge davon ist, daß die beiden Verstärkerzweige
zeitweilig im Gleichtakt arbeiten und dadurch die angestrebte Verzerrungsminderung
durch die Gegenkopplung nicht nur nicht erreicht wird, sondern noch zusätzliche
Verzerrungen durch die Gegenkopplung selbst dazukommen.
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Es gelingt, diese Verzerrungen mit beträchtlichem Aufwand zu vermeiden,
indem beispielsweise der durch die Gegenkopplung auf eine der Vorstufen zurückgeführte
Gleichtaktanteil der Ausgangswechselspannung durch einen gleich großen, aber gegenphasigen
Gleichtaktanteil, der durch einen besonderen Spannungsteiler aus der primären Wechselspannung
abgeleitet und auf dieselbe Vorstufe zurückgeführt wird, kompensiert wird (deutsches
Patent 1014 596). Eine andere Möglichkeit besteht darin, mit Gleichrichtern den
Gegenkopplungsweg des jeweils stromlosen Verstärkerzweiges zu sperren und die Gegenkopplungsspannung
vom stromführenden Verstärkerzweig über eine Mischstufe und eine Phasenumkehrstufe
so zu teilen, daß sie in gleicher Größe, aber mit entgegengesetzter Phase auf die
Eingänge der Verstärkerzweige gelangt (deutsches Patent 948167).
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Die erwähnten Schwierigkeiten treten nicht auf, wenn eine Gegenkopplung
aus dem Kathodenstrom der Endröhren angewendet wird. Bei dieser sogenannten Stromgegenkopplung
wird die dem Kathodenstrom proportionale Gegenkoppelspannung am Kathodenwiderstand
der Endröhren entweder direkt am kathodenseitigen Ende oder über einen Transformator
abgegriffen und in geeigneter Weise auf eine der Vorstufen zurückgeführt. Es ist
bekannt, daß durch Stromgegenkopplung der innere Widerstand eines Verstärkers vergrößert
wird. Wenn dies unerwünscht ist, kann durch eine zusätzliche, über eine oder mehrere
Verstärkerstufen reichende Spannungsgegenkopplung der innere Widerstand auf den
gewünschten Wert erniedrigt werden. Die Rechnung ergibt und Versuche haben gezeigt,
daß man bereits durch ein geringes Maß von Spannungsgegenkopplung die nachteilige
Vergrößerung des inneren Widerstandes durch die Stromgegenkopplung wieder aufheben
oder sogar die Wirkung auf den inneren Widerstand in das Gegenteil verkehren kann,
so daß auch in solchen Fällen, in denen ein geringer innerer Verstärkerwiderstand
erwünscht ist, von dem Mittel der Abzweigung einer Gegenkoppelspannung an einem
Kathodenwiderstand Gebrauch gemacht werden kann.
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Ein solches Schaltungsprinzip ist z. B. in dem Buch von V o o r h
ö v e , Niederfreqenz-Verstärkertechnik, S. 193, beschrieben.
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Diese Gegenkopplungsschaltung arbeitet jedoch nur verzerrungsfrei,
wenn in der Stufe, an der die Gegenkoppelspannung entnommen wird, kein Gitterstrom
fließt.
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Der Kathodenwiderstand, an welchem der als Gegenkoppelspannung benutzte
Spannungsabfall auftritt, wird nämlich vom Gitterstrom der Stufe durchflossen. Da
der Gitterstrom bekanntlich in nichtlinearer Funktion von der Steuerspannung am
Gitter abhängt, enthält der Kathodenstrom eine nichtlineare
Komponente,
welche infolgedessen auch in der Gegenkoppelspannung auftritt. Dem möglicherweise
an sich linearen System wird dadurch also eine Nichtlinearität aufgezwungen, was
unerwünscht ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die wegen ihrer Einfachheit
und für die sichere und unkomplizierte Erzielung höherer Gegenkopplungsgrade vorteilhafte
Abnahme der Gegenkoppelspannung an einem Kathodenwiderstand ohne diesen Nachteil
für Röhrenstufen mit Gitterstrom anwendbar zu machen.
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Erfindungsgemäß sind dazu Schaltmittel von derartiger Anordnung und
Bemessung vorgesehen, daß die am Kathodenwiderstand der Endstufe abgenommene Gegenkoppelspannung
von den im Gitterstrom enthaltenen nichtlinearen Verzerrungskomponenten im wesentlichen
befreit ist, indem entweder durch eine am Ausgangsstromkreis der zur Aussteuerung
der genannten Endstufe bis ins Gitterstromgebiet vorgesehenen Treiberstufe abgenommene,
gegenphasige Verzerrungskomponenten enthaltende Spannung die Verzerrungskomponenten
der am Kathodenwiderstand der Endstufe abgenommenen Gegenkoppelspannung kompensiert
werden oder die negative Klemme der den Entladungsstrom der Treiberstufe liefernden
Stromquelle mit dem kathodenseitigen Ende des Kathodenwiderstandes der Endstufe
verbunden ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Schaltung nach der Erfindung
wird eine an einem Anodenkreis der Treiberstufe liegenden Widerstand abgenommenen
Spannung als zusätzliche Gegenkoppelspannung zur Wirkung gebracht, vorzugsweise
der am Kathodenwiderstand der Endröhre abgenommenen Spannung superponiert.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Schaltung nach der Erfindung
wird bei einer Gegentaktanordnung in B-Betrieb in die Verbindungen von der negativen
Klemme der Stromquelle zu den kathodenseitigen Enden der Kathodenwiderstände der
Endröhren je ein einseitig leitendes Schaltelement mit seiner Durchlaßrichtung in
Richtung des Gitterstromes eingeschaltet.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen beschrieben, welche Schaltbilder
bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung darstellen.
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Fig. 1 zeigt die vereinfachte Schaltung eines Verstärkers mit den
Eingangsklemmen 1 und 2 und den Ausgangsklemmen 3 und 4 sowie mit den Röhrenstufen
5 bis B. Von den letzteren sind die Stufen 5 und 6 als Spannungsverstärkerstufen
in Kathodenbasisschaltung ausgeführt, während die Stufe 7 als Treiberstufe in Anodenbasisschaltung
ausgebildet ist. Die Stufe 8 ist die Endstufe, welche über einen in den Anodenkreis
eingeschalteten Transformator mit den Klemmen 3 und 4 in Verbindung steht. Es sei
vorausgesetzt, daß die Endstufe 8 von der Treiberstufe 7 bis in das Gebiet positiver
Gittervorspannungen ausgesteuert wird, so daß sich für die Endstufe 8 eine
gute energetische Ausnutzung und ein wesentlicher Gitterstrom ergeben. Infolgedessen
wird auch der Kathodenwiderstand 11 von dem nichtlinearen Gitterstrom durchflossen.
Trotzdem ermöglicht es die in Fig. 1 dargestellte Schaltung, den Spannungsabfall
an dem Kathodenwiderstand 11 als Gegenkoppelspannung zu benutzen, ohne daß
die in der abgenommenen Spannung vorhandenen Nichtlinearitäten die Wirkungsweise
stören. Man erkennt aus dem Schaltbild, daß der der Kathode benachbarte Anschlußpunkt
des Widerstandes 11 mit dem entsprechenden Punkt des Kathodenwiderstandes 12 der
Röhrenstufe 5 verbunden ist. Über diese Verbindungsleitung wird die Gegenkoppelspannung
von der Kathode der Stufe 8 auf die Kathode der Stufe 5 zurückgeführt.
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Um die in der Gegenkoppelspannung enthaltenen nichtlinearen Komponenten
zu kompensieren, ist in Verbindung mit der Treiberstufe 7 eine zusätzliche Schaltung
vorgesehen, welche als wesentliche Elemente die Impedanzen 9, 13, 14, 15, 16 enthält.
In Reihe mit dem Kathodenwiderstand 9 der Treiberstufe 7 ist eine Vorspannungsquelle
10 vorgesehen, deren negativer Anschluß mit dem Kathodenwiderstand 9 verbunden ist.
Diese Spannungsquelle dient dazu, die Endstufe 8 mit der richtigen Gittervorspannung
zu versehen. Man erkennt, daß in den Anodenanschluß der Anodenbasisstufe 7 ein Widerstand
14 eingeschaltet ist. Der Spannungsabfall an diesem Widerstand 14 enthält
dieselben nichtlinearen Komponenten, wie sie am Kathodenwiderstand der Stufe 8 auftreten.
über den Kondensator 15, der zur Gleichspannungsauftrennung dient, und den Widerstand
16 werden diese nichtlinearen Komponenten auf die Gegenkoppelleitung gegeben. Durch
geeignete Bemessung der Widerstände 11 und 13 bzw. 14 und 16 läßt sich erreichen,
daß die störenden nichtlinearen Komponenten ausgelöscht werden. Wenn der Kathodenwiderstand
11 mit Rk und der Anodenwiderstand 14 mit Ra bezeichnet werden, so
soll der Widerstand 13 den Wert a - Rk und der Widerstand 16 den Wert
a - Ra haben, wobei a ein beliebiger Faktor ist.
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Fig.2 zeigt eine Verstärkerschaltung, die derjenigen nach Fig. 1 ähnlich
ist, bei der jedoch eine andere Methode zur Schwächung bzw. Ausschaltung der nichtlinearen
Komponenten des Spannungsabfalles am Kathodenwiderstand 11 benutzt ist. Einander
entsprechende Teile sind in den Fig. 1 und 2 mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
In der Schaltung nach Fig. 2 wird die Treiberstufe 7 aus einer besonderen Stromquelle
17 gespeist, deren negativer Pol unmittelbar mit der Kathode der Endstufe
8 verbunden ist. Dadurch ist erreicht, daß der nichtlineare Gitterstrom nicht
über den Kathodenwiderstand 11 fließt. Für diesen Gitterstrom ist nämlich ein geschlossener
Kreis vorhanden, der die Stromquelle 17, die Anoden-Kathoden-Strecke der Treiberstufe
7 und die Gitter-Kathoden-Strecke der Endstufe 8 enthält.
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Fig. 3 zeigt eine Gegentaktschaltung, bei der dasselbe Prinzip wie
in Fig. 2 für die Rückführung des Gitterstromkreises an einem Anschlußpunkt zwischen
der Kathode und dem Kathodenwiderstand benutzt wird. Um dabei mit einer einzigen
Stromquelle 17 die Speisung der beiden Gegentaktröhren 7' und 7" der
Treiberstufe zu ermöglichen, sind die Gleichrichter 18' und 18" vorgesehen,
die die Reihenschaltung der Kathodenwiderstände 11' und 11" überbrücken. Da die
Durchlaßrichtungen der Gleichrichterelemente gegeneinandergeschaltet sind, wird
die an den Enden der Reihenschaltung von 11' und 11" stehende Spannung
nicht kurzgeschlossen. Die Durchlaßrichtung jedes der Gleichrichterelemente
18' und 18" ist in bezug auf den Gitterstrom richtig gepolt, d. h.
so, daß der Gitterstrom in der Durchlaßrichtung fließt. In der dargestellten Schaltung
wird also der Kathodenwiderstand 11' nur vom Anodenstromanteil der Endstufenröhre
8' durchflossen, während der nichtlineare
Gitterstrom über
den Gleichrichter 18' fließt. Dasselbe gilt auch für die Endstufenröhre 8" in bezug
auf ihren Kathodenwiderstand 11" und das Gleichrichterelement 18".
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Die an den Kathodenwiderständen 11' und 11" abgenommenen Gegenkoppelspannungen
sind also in der Schaltung nach Fig.3 von den nichtlinearen Gitterstromkomponenten
praktisch befreit. Die Gegenkoppelspannungen werden an den Anschlußpunkten zwischen
den Kathoden der Eingangsröhren 5' und 5" und den zugehörigen Kathodenwiderständen
12' und 12" zugeführt. Die Zwischenverstärkerstufe ist ebenfalls in Gegentaktanordnung
ausgeführt und enthält die Röhren 6' und 6".