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Schaltung zur Verstärkung von elektrischen Schwingungen Die Erfindung
bezieht sich auf eine Schaltung zur Verstärkung von elektrischen Schwingungen mittels
mindestens zweier parallel geschalteter, von Steuergittern gesteuerten Entladungsbahnen,
deren Steilheit sich mit der Steuergitterspannung verschiedenartig ändert.
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Bei Verstärkerschaltungen muß im allgemeinen die Verstärkung über
einen großen Bereich regelbar sein, ohne daß Verzerrungen auftreten; außerdem muß
häufig die Schaltung in ungeregeltem Zustand und somit bei verhältnismäßig geringen
Werten der zu verstärkenden Schwingungen eine sehr große Verstärkung liefern. Diese
beiden Bedingungen können in der Praxis nicht gleichzeitig erfüllt werden. Die in
den Verstärkerschaltungen angewendeten Entladungsröhren besitzen nämlich entweder
eine Charakteristik mit großer Steilheit und kleinem Aussteuerbereich oder eine
Charakteristik mit kleiner Steilheit und großem Aussteuerbereich. Mit Röhren der
erstgenannten Art kann eine große Verstärkung erzielt werden, aber die Regelmöglichkeiten
sind sehr beschränkt, da die betreffende Charakteristik im unteren Teil zu stark
gekrümmt ist, was eine erhebliche Verzerrung herbeiführt. Mit Röhren der zweiten
Art ist eine gute Regelung, ohne daß
Verzerrung auftritt, möglich,
aber die erreichbare Verstärkung ist nur gering.
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Hier ist zu bedenken, daß ein Vergleich der Steilheiten von verschiedenen
Entladungsröhren nur dann Sinn hat, wenn man die Anodenspannung als gegeben annimmt,
oder, was auf eins hinausläuft, wenn man einen Maximalanodenstrom festsetzt. Bei
Niederfrequenzwiderstandsverstärkung hat ein hoher Wert der Steilheit nur dann Sinn,
wenn er bei einem niedrigen Wert des Anodenstroms erreicht wird, da die Größe des
Anodenstroms die im Widerstand zu vernichtende Energiemenge bestimmt. Bei Hochfrequenzverstärkung
soll gleichfalls ein hoher Wert der Steilheit mit einem niedrigen Wert des Anodenstroms
einhergehen, da hier die Größe des Anodenstroms den- Wert des Anodenrauschens bedingt.
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Sowohl eine große Maximalverstärkung wie auch ein großer Regelbereich
wird erhalten bei einer Schaltungsanordnung zur Verstärkung von elektrischen Schwingungen
mittels mindestens zweier parallel geschalteter, von Steuergittern gesteuerter Entladungsbahnen
mit Charakteristiken, deren Steilheit als Funktion der Steuergitterspannung verschiedenartig
verläuft, wobei die erste Bahn eine verhältnismäßig große mittlere Steilheit und
einen verhältnismäßig kleinen Aussteuerbereich und die zweite Bahn hingegen eine
verhältnismäßig kleine mittlere Steilheit und einen verhältnismäßig großen Aussteuerbereich
besitzt, während Mittel vorgesehen sind, die zwangsläufig bewirken, daß die Verstärkung
bei kleiner Amplitude der zu verstärkenden Schwingungen ausschließlich oder nahezu
ausschließlich durch die erstgenannte Bahn und bei großer Amplitude dieser Schwingungen
ausschließlich oder nahezu ausschließlich durch die letztgenannte Bahn erfolgt,
wenn gemäß der Erfindung die Signalspannung zusammen mit einer von der Signalspannungsamplitude
abhängigen Regelspannung auf das der Kathode am nächsten liegende Steuergitter jeder
Bahn wirkt und daß beim übergang von der ersten auf die zweite Bahn bei größeren
Signalamplituden die Sperrung der ersten Bahn durch das in der Nähe der Kathode
liegende Steuergitter erfolgt und beim Übergang von der zweiten auf die erste Bahn
bei geringeren Signalamplituden die Sperrung der zweiten Bahn durch ein in der zweiten
Bahn liegendes, weiter von der Kathode entferntes Gitter erfolgt, .das mit wenigstens
einer in der Bahn mit der größeren Steilheit liegenden stromführenden Elektrode
verbunden ist, welche über einen Widerstand an einen Punkt positiven Potentials
angeschaltet ist.
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Vorzugsweise wird das in der Bahn der geringeren Steilheit liegende,
weiter von der Kathode entfernte Gitter über einen Widerstand mit den miteinander
verbundenen Anoden der beiden. Entladungsbahnen verbunden, und in dem gemeinsamen
Anodenkreis der Entladungsbahnen liegt ein Widerstand, der derart bemessen ist,
daß bei kleiner Amplitude der zu verstärkenden Schwingungen die Entladungsbahn,
in der sich die Hilfselektrode befindet, gesperrt wird. , Der Widerstand, über den
die Hilfselektrode mit den Anoden verbunden ist, wird vorzugsweise derart bemessen,
daß die resultierende Gesamtcharakteristik der Entladungsbahnen einen fließenden
Verlauf zeigt.
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Es ist empfehlenswert, den Widerstand, über den die Hilfselektrode
mit den Anoden verbunden ist, groß in bezug auf den in den Anodenkreis aufgenommenen
Widerstand zu machen.
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Es ist manchmal erwünscht, die Hilfselektrode außerdem über einen
vorzugsweise hohen Widerstand mit den miteinander verbundenen Kathoden der beiden
Entladungsbahnen zu verbinden.
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Die Entladungsbahnen werden vorzugsweise in einer einzigen Röhre untergebracht.
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Bei einer besonders geeigneten Ausführungsform der Erfindung wird
die Entladungsbahn, in der sich die genannte Hilfselektrode befindet, von einem
Steuergitter gesteuert, dessen Wicklungsganghöhe und/oder dessen Abstand von der
Kathode nicht konstant sind. Die andere Entladungsbahn wird vorzugsweise mittels
eines Steuergitters gesteuert, dessen Wicklungshöhe sowie dessen Abstand von der
Kathode konstant sind.
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Die Entladungsbahnen können beispielsweise beide so in einer einzigen
Regelpentode untergebracht sein, daß sie mit einem aus zwei elektrisch voneinander
isolierten Teilen bestehenden Schirmgitter versehen sind. Dabei wird der Schirmgitterteil,
der vor dem Steuergitter mit veränderlicher Wicklungshöhe und/oder veränderlichem
Kathodenabstand liegt, die genannte Hilfselektrode bilden.
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Die Schaltung gemäß der Erfindung eignet sich insbesondere zur Niederfrequenzverstärkung,
ist aber auch zur Verstärkung von Hochfrequenzschwingungen anwendbar.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert.
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In Fig. i ist eine Schaltung zur Verstärkung von Niederfrequenzschwingungen
dargestellt, bei der zwei Entladungsbahnen angewendet werden, die beide in einer
Entladungsröhre i untergebracht sind. Diese Röhre weist ein Steuergitter 2, ein
aus zwei Teilen 3 und 3' bestehendes Schirmgitter, ein Fanggitter 4, eine Anode
5 und eine Kathode 6 auf, die mit dem Fanggitter 4. verbunden ist. Die obenerwähnte
Hilfselektrode wird durch den Teil 3' des Schirmgitters gebildet, dem ein Teil des
Steuergitters zugehört, der mit ungleichmäßiger Wicklungsganghöhe ausgeführt ist.
Der in der anderen Entladungsbahn befindliche Steuergitterteil -ist mit gleichbleibender
Ganghöhe gewickelt. Die beiden Steuergitterteile sind elektrisch miteinander verbunden.
Das Fanggitter 4, die Anode 5 und die Kathode 6 dienen gleichzeitig für die beiden
Entladungsbahnen.
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Infolge der besonderen Ausbildung des Steuergitters -weist die linke
Entladungsbahn, in der sich die Hilfselektrode 3' befindet, eine Charakteristik
mit einer verhältnismäßig kleinen mittleren Steilheit und einem verhältnismäßig
großen Aussteuerbereich und die rechte Entladungsbahn eine Charakteristik mit einer
verhältnismäßig großen mittleren
Steilheit und einem verhältnismäßig
kleinen Aussteuerbereich auf. Ein derartiger Unterschied in den Charakteristiken
läßt sich auch auf andere Weise, beispielsweise durch eine besondere Ausführungsform
der Hilfselektrode 3', erzielen.
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Der Schirmgitterteil3 ist über einen aus zwei Widerständen 7 und ß
bestehenden Spannungsteiler mit dem positiven Pol einer in der Figur nicht dargestellten
Gleichspannungsquelle und über einen Kondensator 9 mit der Kathode 6 verbunden.
Die Hilfselektrode 3' ist über einen hohen Widerstand io mit der Anode 5 und über
einen Kondensator i i mit der Kathode 6 verbunden. Ferner liegt im Anodenkreis ein
verhältnismäßig hoher Widerstand 12. Der Wert des Widerstandes io ist in der Regel
größer als der Wert des Widerstandes 12 und vorzugsweise sogar groß in bezug auf
den Wert dieses Widerstandes.
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Die zu verstärkenden Schwingungen werden zusammen mit einer von der
Amplitude dieser Schwingungen abhängigen Regelspannung dem Steuergitter 2 zugeführt,
die verstärkten Schwingungen können über einen Kondensator 13 dem Widerstand 12
entnommen werden.
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Die Wirkung :der Schaltung läßt sich an Hand der Fig. 2 erklären.
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In dieser Figur sind drei Charakteristiken dargestellt, die den Zusammenhang
zwischen dem Anodenstrom 4 und der Steuergittergleichspannung T1,1 bei drei voneinander
einigermaßen verschiedenen Schaltungen darstellen.
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a) bezieht sich auf die Schaltung, die sich bei Ausschaltung der linken
Entladungsbahn ergibt, etwa indem die Verbindung der Hilfselektrode 3' mit der Anode
5 unterbrochen und statt dessen diese Elektrode unmittelbar mit der Kathode 6 verbunden
wird. b) bezieht sich auf die in Fig. i dargestellte Schaltung. c) bezieht sich
auf die Schaltung, die entsteht, wenn die Hilfselektrode 3' mit dem Schirmgitter
3 verbunden und die Verbindung der Hilfselektrode 3' mit der Anode 5 unterbrochen
wird.
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Der Wert des Anodenstroms ist auf der senkrechten Achse in Mikroampere
und der Wert der Steuergittergleichspannung auf der waagerechten Achse in Volt aufgetragen.
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Bei der unter a erwähnten Schaltung wirkt ausschließlich die rechte
Entladungsbahn, und die Charakteristik a zeigt daher das gewöhnliche Bild einer
Pentodencharakteristik: einen steilen Verlauf und einen kleinen Aussteuerbereich;
die Bahn ist beim Punkt P bereits vollkommen gesperrt. Eine Entladungsbahn mit einer
solchen Charakteristik besitzt zwar gute Verstärkereigenschaften, aber die Verstärkung
ist nur in sehr beschränktem Maße regelbar. Bei Verstärkung in der Nähe des Punktes
P tritt eine unzulässig hohe Verzerrung der zu verstärkenden Schwingungen auf.
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Die mit c angegebene Schaltung entspricht im wesentlichen einer Verstärkerschaltung,
in der eine Regelpentode angewendet wird. Diese Charakteristik zeigt einen fließenden
Verlauf der Steilheit und einen sehr großen Aussteuerbereich, die größte Steilheit
(bei gegebener Anodenspannung oder bei gegebenem Anodenstrom) und somit die höchst
erreichbare Verstärkung sind jedoch verhältnismäßig gering.
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Es ergibt sich aus dem Vorstehenden, daß eine Schaltung mit großer
Maximalverstärkung, deren Verstärkung überdies über einen großen Bereich ohne Verzerrung
regelbar ist, sich so noch nicht ergibt.
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Die Schaltung gemäß der Erfindung entspricht jedoch diesen beiden
Anforderungen. Die rechte Entladungsbahn wirkt dabei nahezu wie bei der unter a
genannten Schaltung. Wenn diese Entladungsbahn leitend wird (beim Punkt P), nimmt
die Wirkung der linken Entladungsbahn zwangsläufig stets mehr ab, und nahezu unmittelbar
darauf wird sie vollkommen gesperrt. Diese Sperrung geht folgendermaßen vor sich:
Bei kleiner Amplitude der zu verstärkenden Schwingungen und somit bei kleiner Regelspannung
nimmt der Anodenstrom immer mehr zu, so daß der Spannungsabfall am Widerstand 12
gleichfalls zunimmt. Die Anodengleichspannung und die Spannung der Hilfselektrode
3' nehmen infolgedessen stark ab. Die Spannung der Hilfselektrode sinkt infolgedessen
unter den Mindestwert, der zum Aufrechterhalten des Entladungsstroms erforderlich
ist, und die Entladungsbahn wird gesperrt. Die Lage des Punktes, in dem die Sperrung
anfängt, wird im wesentlichen durch den Wert des Widerstandes 12 bedingt.
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Bei großer Amplitude der zu verstärkenden Schwingungen und somit bei
großer Regelspannung wird die rechte Entladungsbahn gesperrt, d. b. der Arbeitspunkt
liegt links vom Punkt P. Auf diese Weise wird also, je nach dem Wert der Regelspannung,
zwansläufig von der einen auf die andere Entladungsbahn umgeschaltet.
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Die Wirkung der Schaltung gemäß der Erfindung wird durch die Charakteristik
b angegeben. Diese Charakteristik zeigt tatsächlich sowohl sehr gute Regeleigenschaften
wie auch eine hohe Maximumverstärkung bei einem niedrigen Wert des Anodenstroms.
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In dem am stärksten gekrümmten Teil der Kurve wirken beide Entladungsbahnen
gleichzeitig. Durch richtige Wahl der angewendeten Widerstände, insbesondere des
Widerstandes io, und durch geeignete Bemessung der Entladungsbahnen kann die Charakteristik
fließend verlaufen, so daß eine etwaige Verzerrung jedenfalls innerhalb der Grenzen
der Zulässigkeit bleibt.
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Bei der Schaltung gemäß der Erfindung kann beispielsweise eine 5oofache
Verstärkung erzielt werden, und die Verstärkung ist in einem Verhältnis von i :
iooo regelbar, d. h. daß bei sehr großer Amplitude die eintreffenden Schwingungen
in einem Verhältnis von i : 2 abgeschwächt werden. Die Verzerrung bleibt dabei kleiner
als i °/o, und der Maximalanodenstrom beträgt weniger als i mA.
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In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt,
die sich von der Ausführungsform nach Fig. i dadurch unterscheidet, daß die Hilfselektrode
3' über einen Widerstand 1.4 mit der
Kathode verbunden ist und däß-
die Spannung des Schirmgitters unmittelbar über einen Widerstand 8 der Anodengleichspannungsquelle
entnommen wird. Bei dieser Schaltung läßt sich eine nahezu 'exponentielle Regelung
der Verstärkung 'erzielen. Eine solche Regelung ist besonders wichtig -bei Mikrophonverstärkern,
bei @ denen ein linearer Zusammenhang zwischen dem Wert der Regelspannung und dem
Wert der in dB ausgedrückten Verstärkung nötig ist.
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Durch Änderung des Wertes -des Widerstandes 14 läßt sich .die Steilheit
der Charakteristik, die den Zusammenhang zwischen dem Logarithmus der Steilheit
und der Steuergitterspannung darstellt, ändern.
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Falls Hochfrequenzschwingungen zu verstärken sind, wird vorzugsweise
ein auf diese Schwingungen abgestimmter Kreis in Reihe mit dem Widerstand i2 geschaltet,
während dieser Widerstand selbst mittels eines Kondensators für .die Hochfrequenzschwingungen
überbrückt wird.