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Verfahren zur Veränderung der Bandbreite.
Die Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung, in der eine Veränderung der Bandbreite durch Änderung des Innenwiderstandes jener Röhre erfolgt, in deren Anodenstromkreis der zu beeinflussende
Resonanzkreis eingeschaltet ist.
Es wird häufig die Forderung gestellt, frequenzselektiv arbeitende Verstärker, insbesondere Hoch- und Zwischenfrequenzverstärker, derart zu bauen, dass der Selektivitätsgrad, d. h. die Bandbreite des Frequenzdurchlassbereiches, durch einfache Mittel innerhalb bestimmter, oft sehr weit gesteckter
Grenzen verändert werden kann. Es wäre erwünscht, wenn bei dieser Änderung der Bandbreite der Verstärkungsgrad wenigstens einigermassen konstant bliebe. Diese Forderung wird durch die Erfindung erfüllt.
Es ist eine Reihe von Schaltungen bekannt, bei denen der Verstärkungsgrad einer Stufe durch Änderung einer Betriebsspannung der betreffenden Röhre, beispielsweise der Steuergitter-oder Schirmgitterspannung, herbeigeführt wird. Es ist ferner bekannt, eine Verstärkungsregelung dadurch zu bewirken, dass der innere Widerstand der Röhre beeinflusst wird. Wenn sich bei diesen Anordnungen gleichzeitig mit der Verstärkungsregelung eine Änderung der Bandbreite ergab, so war diese nicht Zweck der getroffenen Massnahme ; insbesondere aber wurde die Verstärkungsregelung nicht unter besonderer Berücksichtigung der Bandbreitenänderung durchgeführt. Es ist ferner bekannt, die Bandbreite durch Beeinflussung des Innenwiderstandes einer Penthode mit Hilfe einer Änderung der Bremsgitter (Fanggitter) spannung zu regeln.
Je stärker negativ das Bremsgitter einer Penthode gemacht wird, desto kleiner wird der innere Widerstand. Es ist doch bei dieser Regelungsart ganz unmöglich, den Verstärkungsgrad während des Regelvorganges auch nur einigermassen konstant zu halten.
Es ist auch bekannt, die Bandbreite des von einer Verstärkerstufe durchgelassenen Frequenzbandes dadurch zu regeln, dass dem Kopplungswiderstand die Anoden-Kathodenstrecke einer Röhre parallel geschaltet wird, welche nicht zur Verstärkung, sondern lediglich in ihrer Eigenschaft als ver- änderbarer Widerstand benutzt wird. Dem Gitter dieser Röhre wird eine von der mittleren Eingangsamplitude abhängige Regelspannung aufgedrückt, die eine Änderung des inneren Widerstandes der Röhre und damit eine Änderung der Dämpfung des Widerstandes bzw. Schwingungskreises, zu dem sie parallel liegt, bewirkt.
Erfindungsgemäss wird eine Änderung der Bandbreite des von einer Verstärkerstufe durchgelassenen Frequenzbereiches durch Änderung des Innenwiderstandes der Verstärkerröhre, in deren Anodenstromkreis der betreffende Resonanzkreis liegt, dadurch erreicht, dass eine mit Stromverteilung arbeitende Verstärkerröhre (z. B. Schinugitterröhre oder Penthode) verwendet und in der Nähe des Maximums der die Verstärkung in Abhängigkeit vom Anodenstrom darstellenden Kurve betrieben wird und die Bandbreitenregelung durch Änderung des Anodenstromes und/oder der Anodenspannung erfolgt.
Zum Verständnis der Erfindung sollen einige Betrachtungen über den Innenwiderstand einer mit Stromverteilung arbeitenden Röhre angestellt werden. Für den Innenwiderstand einer Penthode oder einer sekundäremissionsfreien Schinngitterröhre gilt bekanntlich die Beziehung :
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wobei b die durch die Konstruktion des Elektrodensystems der Röhre gegebenen Innenwiderstandskonstante, Ca die Anodenspannung und Ja den Anodenstrom bedeutet (vgl. die Zeitschrift "Die Telef unkenrohre"vom April 1936). Der Innenwiderstand wird also um so grösser, je höher die Anodenspannung und je kleiner der Anodenstrom ist. Die Höhe der Schirmgitterspannung hat keinen unmittelbaren Einfluss auf den Innenwiderstand, sondern nur einen mittelbaren dadurch, dass sie den Anodenstrom mitbestimmt.
Mit steigendem Anodenstrom wird der Innenwiderstand der Röhre kleiner und der im Anodenstromkreis liegende Resonanzkreis immer stärker gedämpft, wobei der Grad der Dämpfung auch noch von der Höhe der Anodenspannung abhängt. Bei der Betrachtung dieser Zusammenhänge ist der Innenwiderstand der Röhre als zum Resonanzkreis parallel geschaltet anzunehmen. Man kann die Selektivität des Resonanzkreises und dadurch der ganzen Verstärkerstufe durch Änderung des Anodenstromes oder der Anodenspannung oder beider ausserordentlich einfach innerhalb weiter Grenzen einstellen. Die Änderung des Anodenstromes kann dabei durch Änderung der negativen Steuergittervorspannung oder durch Änderung der Schirmgitterspannung bzw. durch gleichzeitige Änderung beider Grössen bewirkt werden.
Die angegebene Art der Bandbreitenregelung besitzt den Vorteil, dass der Verstärkungsgrad verhältnismässig wenig beeinflusst wird. Für den Verstärkungsgrad V einer Röhre gilt bekanntlich die Beziehung :
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Es ist nicht nur der Innenwiderstand Ri, sondern auch die Steilheit S vom Anodenstrom Ja abhängig, u. zw. gilt für die normale Ua3/2-Kennlinie. S = a. Jt. , wobei a die nur von der Konstruktion des Elektrodensystems der Röhre abhängige Steilheitskonstante ist. Aus diesen Beziehungen kann abgelesen werden, dass mit einer Vergrösserung des Anodenstromes Ja die Steilheit S zunimmt, der Innenwiderstand Ri hingegen abnimmt.
Da aber die Steilheit 8 mit Mit j zunimmt, der Innenwiderstand Ri hingegen direkt proportional zu Ja abnimmt, muss der Verstärkungsgrad V einer Röhre, gemessen bei konstanter Anodenspannung Ua als Funktion des Anodenstromes Ja, zunächst mit wachsendem Ja zunel men und bei einem bestimmten Anodenstrom, dessen Stärke von dem Aussenwiderstand Ra und dem Produkt b. U a abhängt, ein Maximum erreichen, um dann bei einer weiteren Steigerung von Ja wieder abzunel men. Die Form der den Verstärkungsgrad als Funktion des Anodenstromes darstellenden Kurve und die Höhe des Maximums hängt dabei ganz erheblich von dem Verlauf der JaUg-Kennlinie (Ug = Gitterspannung), d. h. von der Änderung der Steilheit als Funktion des Anodens romes, ab und kann durch Änderung der Kennlinienform (wie z.
B. bei einer Exponentialkennlinie) wei gel end beeinflusst werden.
In der Zeichnung zeigt die Fig. 1 die an einer Penthode aufgenommenen Verstärkungsgradund Bandbreitenkurven als Funktion des Anodenstromes für verschiedene Anodenspannungen. Die in willkürlichen Ein@eiten aufgetragene Bandbreite ändert sich längs dieser Kurven ganz beträchtlich. Bei sel r kleinen Anodenströmen, die unterhalb des zum Maximum der Verstärkungsgradkurve gehörigen Wertes liegen, wird die Selektivität des an die Anode angeschlossenen Resonanzkreises durch den
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sie steigt also ungefähr proportional zu Ja/3 an. In der Nähe des Maximums von V ist Ri'" Ra, so dass die Bandbreite des Resonanzkreises oder, genauer gesagt, des aus Resonanzkreis und Röhre gebi deten komplexen Widerstandes, ungefähr verdoppelt ist.
Steigt der Anodenstrom auf einen Wert, der ungefähr doppelt so gross wie der zu dem Maximum der Verstärkungsgradkurve gehörige Stromwert ist, so beträgt die Bandbreite ungefähr das Dreifache des ursprünglichen Wertes ; die angegebenen Zahlen geben hiebei nur Anhaltspunkte an und können genau aus den Kurven abgenommen werden.
Zur Änderung der Bandbreite stehen erfindungsgemäss folgende Möglichkeiten zur Verfügung :
1. Anodenspannung Ua und Schirmgitterspannung Us bleiben konstant : Regelung des Anodenstromes Ja durch die Steuergittervorspannung Ug.
2. Anodenspannung Ua und Steuergittervorspannung Ug bleiben konstant : Regelung des Anodenstromes Ja durch die Schinngitterspannung USo
3. Anodenspannung Ua konstant ; Regelung des Anodenstromes Ja durch die Steuergittervorspannung Ug und die Schirmgitterspannung Ps-
4. Anodenstrom Ja bleibt konstant ; Regelung der Anodenspannung Ua.
5. Gleichzeitige Regelung der Anodenspannung und des Anodenstromes durch eine der unter 1-3 angeführten Massnahmen.
Zur Klarstellung sind in den Fig. 2 und 3 einige Regelmöglichkeiten angedeutet. In Fig. 2 enthält die Röhre R eine durch das Heizelement H mittelbar geheizte Kathode K, ein Steuergitter G, das Schirmgitter S und die Anode A. Es ist hiebei angenommen, dass eine Sekundäremission der Anode
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durch geeignete Oberflächenbehandlung bzw. Abstandsbemessung ausgeschlossen ist. Die zu ver- stärkende Wechselspannung wird dem Eingangskreis R, zugeführt, während die verstärkte Spannung von dem an die Anode angeschlossenen Ausgangskreis Ra abgenommen wird. Es steht eine an den mit + und-bezeichneten Klemmen zugeführte, von einer Batterie oder einem Netzanschlussgerät gelieferte Gleichspannung zur Verfügung, die an einen Spannungsteiler P angelegt wird.
An diesen sind das Steuergitter, die Kathode, das Schirmgitter und die Anode mittels der einstellbaren Abgriffe 1,
2, 3 und 4 angeschlossen. Für eine Regelung im ersten Falle ist der Abgriff 1 zu verschieben, während die übrigen Abgriffe unverändert bleiben. In entsprechender Weise muss zu einer Einstellung nach 2 nur der Abgriff 3 verschoben werden. Eine gleichzeitige Änderung von Schirmgitterspannung und
Steuergittervorspannung (Fall 3) kann entweder durch Verschieben der Abgriffe 1 und 3 oder des
Abgriffes 2 allein erfolgen. Es ist klar, dass für den vierten Fall der Abgriff 4 zu verändern ist, während der fünfte Fall eine Kombination der vorher erwähnten Möglichkeiten darstellt.
In Fig. 3 bedeuten gleiche Bezugszeichen übereinstimmende Teile. Die Elektrodenzahl ist um ein Bremsgitter (Fanggitter) B zum Unterdrücken der Sekundäremission vermehrt, das wie üblich mit der Kathode K unmittelbar verbunden ist. Eine Regelung nach Fall 4 kann durch Einschaltung eines veränderbaren Widerstandes W in den Anodenstromkreis durchgeführt werden. Mit Rücksicht auf den grossen Innenwiderstand der Röhre ist die dabei auftretende Änderung des Anodenstromes vernachlässigbar klein, so dass nur die Änderung der Anodenspannung wirksam wird. Eine Regelung nach Fall 5 kann z.
B. derart erfolgen, dass in die Anodenleitung ein fester Ohmscher Widerstand W eingeschaltet wird, der bewirkt, dass eine durch eines der vorhin angegebenen Mittel zustandegebrachte
Veränderung des Anodenstromes zwangläufig auch die Anodenspannung ändert, u. zw. in einem zur
Beeinflussung der Bandbreite richtigen Sinne, indem bei einer Steigerung des Anodenstromes die
Anodenspannung abnimmt.
Schliesslich lässt sich durch besondere Schaltmittel auch noch erreichen, dass der Verstärkungs- grad während der Bandbreitenregelung tatsächlich genau gleich gross bleibt. Aus Fig. 1 ist beispiels- weise zu ersehen, dass einer Anodenspannung von U a = 200 Volt bei einem Anodenstrom von J"--4-5 mA genau die gleiche Verstärkung entspricht wie der Anodenspannung Ua = 100 Volt bei einem Anodenruhestrom von Ja1 mA, wobei sich aber die Bandbreiten für diese beiden Zu- stände wie 1 : 2 verhalten.
Hieraus kann abgeleitet werden, dass sich durch gleichzeitige Erhöhung bzw. Änderung von
Anodenstrom und Anodenspannung eine Bandbreitenregelung bei genau gleichbleibendem Ver- stärkungsgrad erreichen lässt. Die Durchführung kann z. B. in der Weise geschehen, dass die Änderung des Anodenstromes durch einen im Schirmgitterstromkreis liegenden Vorschaltwiderstand erfolgt, wobei gleichzeitig die Anodenspannung durch einen in der Anodenzuführung liegenden Vorschalt- widerstand geändert wird, u. zw. in einem solchen Sinne, dass mit steigendem Anodenstrom auch die
Anodenspannung wächst. An Stelle eines besonderen Vorschaltwiderstandes kann man den gleichen
Zweck natürlich auch mit einem in den betreffenden Stromkreisen liegenden Spannungsteilerwider- stand erreichen.
Wie Versuche gezeigt haben, ist es dabei möglich, Anoden-und Schirmgitterspannung der gleichen Spannungsquelle zu entnehmen und einen gemeinsamen Vorwiderstand bzw. einen gemeinsamen Spannungsteiler für die Regelung von Anoden-und Schirmgitterspannung zu benutzen.
Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 dargestellt. Es wird die gleiche Röhre, wie in Fig. 2, benutzt, deren Steuergitter G die zu verstärkenden Spannungen zugeführt werden, und aus deren Anodenkreis die verstärkte Leistung über den Schwingungskreis R, abgenommen wird. Die Schirmgitter-bzw. Anodengleichspannung wird von einer für beide Elektroden gemeinsamen Spannungs- quelle UA geliefert. Im gemeinsamen Stromkreis dieser beiden Elektroden liegt der Vorsehaltwiderstand W1. Ferner können noch feste oder veränderbare Widerstände W2, W3 vorgesehen werden, um die Anoden-bzw. Schirmgittprruhespannung verschieden gross zu machen.
Die beiden letztgenannten Widerstände können auch fehlen (was insbesondere bei Penthoden oder andern Röhren mit unterdrückte Sekundäremission ohne weiteres möglich ist), und dann sind Schirmgitter-und Anodenruhespannung einander gleich. Die Blockkondensatoren ab, C ;/ dienen in an sich bekannter Weise als Kurzschluss für Weehselspannungen.
Die erwähnten Massnahmen zur Veränderung der Selektivität können selbstverständlich auch selbsttätig von der zu empfangenden bzw. zu verstärkenden Welle ausgelöst werden. Man kann z. B. die Selektivität zu einer Funktion der Amplitude der zu verstärkenden Schwingungen machen in dem Sinne, dass bei steigender Amplitude eine Abnahme der Selektivität eintritt und der betreffende Verstärker bzw. Empfänger beim Fehlen eines Signals die geringste Bandbreite und damit auch die geringste Störanfälligkeit besitzt. Die selbsttätige Regelung kann aber auch im entgegengesetzten Sinne vor sich gehen, indem einer grossen Eingangsamplitude eine grosse Selektivität entspricht. Auch dieser Fall ist für die Empfangstechnik bekanntlich von Bedeutung.
In allen Fällen ist es nur notwendig, die Eingangsamplitude zur Ausführung einer der vorhin erwähnten Regelungsmöglichkeiten heranzuziehen, indem sie z. B. als Gitterspannung benutzt wird. Die Polung der gleichgerichteten Spannung hat dabei je nach der gewünschten Art der Regelung zu erfolgen, d. h. je nach dem man eine Zu-oder Abnahme der Selektivität mit steigender Amplitude wünscht. In Fig. 3 ist der Fall
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angedeutet, dass in den Eingangskreis der Röhre R ausser einer festen negativen Steuergittervorspannung Ug = noch ein Widerstand W'eingeschaltet ist, über den die Gleichstromkomponente des Richtstromes geleitet wird. An dem Widerstand W'entsteht in diesem Fall ein Spannungsabfall, die Regelspannung U gr, durch welche der Anodenstrom beeinflusst wird.
Im Gegensatz zu ähnlichen Schaltungen, bei denen die Regelung des Verstärkungsgrades der angestrebte Zweck ist, bleibt der Verstärkungsgrad dadurch, dass man den Arbeitspunkt in die Nähe des Maximums der Verstärkungsgradkurve legt, bei dem Regelvorgang angenähert konstant. Vor allem erscheint es zweclonässig, den Arbeitspunkt so zu wählen, dass das Maximum der Verstärkungsgradkurve nach beiden Seiten unterschritten wird ; in diesem Falle ist mit der geringstmöglichen Verstärkungsgradänderung zu rechnen, zumal das Maximum ziemlich flach verläuft.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Veränderung der Bandbreite durch Beeinflussung des Innenwiderstandes einer Röhre, in deren Anodenstromkreis ein Resonanzkreis liegt, dadurch gekennzeichnet, dass eine
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Nähe des Maximums der den Verstärkungsgrad in Abhängigkeit vom Anodenstrom darstellenden Kurve betrieben wird und dass der Anodenstrom und/oder die Anodenspannung zwecks Bandbreiten- änderung geregelt wird.