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Gegengekoppelte Röhrenverstärkerstufe mit Regelung des Verstärkungsgrades
durch Ändern der Steuergittervorspannung In der Breitbandtechnik, beispielsweise
beim Fernsehen, ist es oftmals erforderlich, das Verhältnis von Eingangsamplitude
zur Ausgangsamplitude eines Verstärkers, d. h. seinen Verstärkungsgrad, zu regeln.
Bisher werden solche Regelungen so durchgeführt, daß man beispielsweise einem Kathodenverstärker
einen veränderlichen oder abgreifbaren Kathodenwiderstand gibt, durch den die Ausgangsamplitude
ohne Änderung des gesamten Verstärkungsweges geändert werden kann. Insbesondere
sind solche Anordnungen im Fernsehstudio erforderlich, da man dort nur eine Spannung
von einem oder wenigen Volt benötigt, um diese über ein Kabel oder eine Leitung
weiterzuleiten. Über diesen Kathodenwiderstand wird jedoch das gesamte breite Frequenzband
übertragen. Will man eine frequenzunabhängige Verstärkung erhalten, so müssen die
schädlichen Kapazitäten und Induktivitäten so klein gehalten werden, daß bei Regelung
über die gesamte Bandbreite keine Änderung des Frequenzganges entsteht.
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Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, hat man Regelröhren verwendet
und mit Hilfe einer Änderung der Gitterspannung die Röhrensteilheit und damit die
Verstärkung geregelt Da man jedoch am Ausgang eines solchen Verstärkers Spannungen
von wenigen Volt benötigt, muß die Linearität der Regelkennlinie so groß sein, daß
bei einer Durchsteuerung der Röhre mit wenigen Volt die Krümmung der Charakteristik
noch keine Rolle spielt. In Fernsehstudios werden oftmals Verstärker benötigt, die
den Verstärkungsgrad 1 besitzen und von diesem aus heruntergeregelt werden. Bei
solchen Verstärkern ist eine genügende Linearität der Röhrencharakteristik entweder
nur bei kleinen Gittervorspannungen, d. h. bei großen Steilheiten, oder bei sehr
großen Vorspannungen, d. h. bei kleinen Steilheiten, erreichbar. Im mittleren Bereich
jedoch wird ihre Krümmung so groß, daß merkliche Verzerrungen auftreten. Man hat
versucht, durch Gegenkopplungen diese Verzerrungen herabzudrücken. Dabei hat man
auch den mit der Röhre verbundenen Gegenkopplungsweg gleichsinnig oder gegensinnig
mitgeregelt. Im allgemeinen wird jedoch mit der Verstärkung auch die Gegenkopplung
geändert, so daß man bei großen Steilheiten eine starke, bei mittleren Steilheiten
eine schwächere und bei kleinen Steilheiten nur eine geringe Verbesserung der Linearität
erreicht.
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Eine solche Anordnung, bei der nur die Gleichspannung geändert wird,
hat gegenüber der eingangs beschriebenen Anordnung den Vorteil, daß man eine Fernbedienung
einführen kann, ohne daß das gesamte breite Frequenzband über das Regelgerät geführt
oder ein Servomechanismus zur Regelung-verwendet werden muß. Die bisher bekannten
Schaltungen hierfür haben den Nachteil, daß entweder das gesamte breite Frequenzband
über den Regelmechanismus geführt werden muß oder daß die Gegenkopplung mit Verringerung
der Ausgangsamplitude auch kleiner wird und infolgedessen Verzerrungen durch Nichtlinearität
auftreten.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile wird bei einer gegengekoppelten Röhrenverstärkerstufe
mit Regelung des Verstärkungsgrades durch Ändern der Steuergittervorspannung erfindungsgemäß
der Strom im Gegenkopplungsweg nicht nur durch den Kathodenstrom der verstärkenden
Röhre, sondern auch durch einen der Eingangsspannung proportionalen Strom derart
beeinflußt, daß sich eine von der Lage des Arbeitspunktes der Röhre unabhängige
Gegenkopplung und damit etwa bei konstanter Signaleingangsspannung eine konstante
effektive Steuerspannung ergibt.
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Die neue Röhrenverstärkerstufe hat den Vorteil, daß die Linearisierung
der Kennlinie der geregelten Röhren unabhängig von der eingestellten Verstärkung
ist. Es läßt sich daher auch eine Röhre ohne Exponentialcharakteristik verwenden.
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Abb.1 zeigt beispielsweise eine Schaltung zur Durchführung der Erfindung;
Abb.2 gibt Messungen des Verzerrungsgrades bei einer bekannten Regelanordnung mit
Exponentialröhre und bei der Schaltung nach Abb. 1 zum Vergleich wieder; in Abb.3
ist beispielsweise eine vereinfachte Schaltung gemäß der Erfindung dargestellt.
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In der Schaltung nach Abb. 1 werden zwei Röhren verwendet (Trioden
1 und 2), von denen die Hauptröhre 1 eine veränderliche, negative Gittervorspannung,
beispielsweise über das Potentiometer 3, erhält. Die
Eingangsspannung
UE wird den Gittern leider Röhren zugeführt. die Ausgangsspannung ('A am Anodenwiderstand
4 der Röhre 1 abgenommen. Die Kathoden beider Röhren sind miteinander verbunden.
Wird die Gittervorspannung an der Hauptröhre 1 negativer gemacht, so wird der Strom
in der Föhre 1 und damit der Gleichspannungsabfall über den Widerstand 5 kleiner,
so daß die Röhre 2 relativ eine positivere Gittergleichspannung bekommt und in einen
steileren Teil ihrer Charakteristik gelangt. Die von der Hauptröhre 1 über den Kathodenwiderstand
5 abfallende Gegenspannung wird kleiner, die von der Röhre 2 dagegen größer, so
daß sie insgesamt etwa konstant bleibt.
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Der Abfall der Wechselspannung am Widerstand 5 stellt die Gegenkopplung
dar, deren Änderung mit Verringerung des Verstärkungsgrades in der Röhre 1 durch
eine gegenläufige Änderung in der Röhre 2 ausgeglichen wird, so daß die Gegenspannung
und damit auch die Wechselspannung zwischen Gitter und Kathode beider Röhren annähernd
konstant und genügend klein bleibt. Selbstverständlich ist es auch möglich, die
Gittervorspannung der N ebenröhre 2 zu regeln.
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Die Abb. 2 zeigt in Kurve 6 den bekannten Verlauf des Klirrfaktors
einer Röhre ohne Gegenkopplung. bei der auf der Abszisse der Verstärkungsgrad, auf
der Ordinate der Klirrfaktor, d. h. die Verzerrungen in Prozent der Steilheitsänderungen
über den Aussteuerungsbereich dargestellt sind. Die Kurve 6 zeigt, d;iß in der Nähe
des Verstärkungsgrades 1 eine kleine Verzerrung vorhanden ist, die bei der Verstärkung
0,8 bereits 10% erreicht hat, bei 0,3 ihren Höchstwert von 13 bis 14°/o erreicht
und dann wieder abfällt. Es ist daraus deutlich zu ersehen, daß im mittleren Verstärkungsbereich
von etwa 0,2 bis 0.5, wie bereits oben erläutert, die größten Verzerrungen auftreten.
Die Kurve 7 stellt die Verzerrungen der Schaltung entsprechend der neuen Schaltung
nach Abb. 1 dar. Die Verzerrung ist bis zu einem Verstärkungsgrad von 0,5 so klein,
daß sie nicht praktisch feststellbar ist und steigt dann erst an, so daß sie bei
einem Verstärkungsgrad von 0,05 erst 10% erreicht, also innerhalb dieses Bereiches
wesentlich kleiner ist als die Verzerrungen nach der Kurve 6.
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Durch eine Herabsetzung der Anodenspannung der Röhre 1 bei kleinen
Ausgangsspannungen läßt sich der steile Anstieg der Verzerrungen nach Kurve 7 noch
weiter verringern. Da die Herabsetzung der Anodenspannung auch nur eine Gleichspannungsänderung
darstellt, läßt sie sich auf einfache Art und Weise automatisch erzeugen und mit
dem gleichen Knopf bedienen, der auch die Gitterspannung regelt. plan nutzt den
gegenläufigen Verlauf des Röhrenstromes der Röhre 2 zu diesem Zweck aus. Dazu ist
es nur erforderlich. in die gemeinsame Anodenleitung der Röhren 1 und 2 einen Widerstand
8 zii legen und die über ihn abfallende Wechselspannung über einen Kondensator 9
kurzzuschließen. Den sich dann ergebenden Verlauf der Verzerrung zeigt Kurve 15
in Abb.2, aus der deutlich ersichtbar ist, daß die Verzerrung bis zu einem Verstärkungsgrad
kleiner als 0.1 unter 10/9 bleibt.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, durch einen zweiten veränderlichen
Widerstand, der mit dem Regelknopf für die Verstärkung gekoppelt ist, die Änderung
der Anodenspannung hervorzurufen.
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Die Schaltung nach Abb. 1 läßt sich weiter vereinfachen, wie in Abb.
3 mit nur einer Röhre (Triode) dargestellt ist. Die Eingangsspannung L'E liegt an
einem aus zwei Widerständen 10 und 11 bestehenden Spannungsteiler. von denen der
Widerstand 11 gleichzeitig im Kathodenkreis der Röhre 12 liegt. Zu dein Widerstand
11 liegt also der Ausgangsscheinwiderstand auf der Kathodenseite der Röhre 12 parallel.
Dieser Ausgangsscheinwiderstand ist bekanntlich umgekehrt proportional der Steilheit.
so daß sich das Spannungsteilerverhältnis an den Widerständen 10 und 11 mit der
Gittervorspannung der Röhre 12 - einstellbar durch das Potentiometer 14 - ändert.
An der Anode der Röhre 12 wird an dem Widerstand 13 wiederum die Ausgangsspannung
U,,i abgenommen. Gleichzeitig fließt durch den Widerstand 11 der Kathodenwechselstrom
der Röhre 12, der - mit abnehmender Röhrensteilheit verkleinert wird, während der
Scheinwiderstand des Widerstandes 11 mit der parallel liegenden Kathodenstrecke
mit abnehmender Röhrensteilheit vergrößert wird. Die Widerstände 10 und 11 lassen
sich also so abgleichen, daß die Gitterwechselspannungen der Röhre 12 bei Änderung
des Verstärkungsgrades etwa konstant bleibt, da Spannungsteilerverhältnis und Gegenkopplung
sich gegenläufig verhalten. Diese Röhrenanordnung läßt sich nur dort verwenden,
wo der Ausgangswiderstand des Generators L'E genügend groß und konstant ist. Da
der Abgleich konstanter Steuergitterspannung nur bei einem sehr kleinen Widerstand
10 zu erreichen ist, kann bei genügend kleinem Ausgangswiderstand des Generators
UE der Hauptanodenstrom, von der Kathode kommend, über den Widerstand 10 und den
Ausgangswiderstand des Generators fließen und damit eine Umkehrung hervorrufen,
so daß die Verstärkung negative und positive Werte annehmen kann.
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Es ist daher möglich, mit dieser Anordnung den Verstärkungsgrad 0
einzustellen. Die Widerstände 10 und 11 müssen also zusammen mit dem Ausgangswiderstand
des Generators l-'E abgeglichen werden. Daher läßt sich diese Anordnung nur dort
verwenden, wo nicht verschiedenartige Spannungsquellen vorgeschaltet werden können.
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Die Schaltungen zur Durchführung der Erfindung lassen sich beliebig
erweitern und überall dort mit Vorteil anwenden, wo eine Regelung des Verstärkungsgrades
verzerrungsfrei über einen großen Bereich erfolgen soll. Sie haben den Vorteil,
daß die Verstärkungsänderung nur durch Gleichspannungsänderungen erreicht wird,
so daß eine einfache Fernbedienung möglich ist.