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Schaltungsanordnung zur Begrenzung der Spannungsamplitude von Hochfrequenzschwingungen
an einem Schwingungskreis Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Begrenzung
der Spannungsamplitude an einem Schwingungskreis, insbesondere für Zwecke des FM-Empfanges.
Außer den Begrenzerschaltungen, welche auf einer Übersteuerung von gittergesteuerten
Röhren beruhen, kommen für eine solche Begrenzung hauptsächlich Dioden in Betracht.
Die gebräuchlichen Diodenbegrenzerschaltungen arbeiten nach dem Prinzip der Belastung
des Schwingungskreises durch eine vorgespannte Diode. Sobald die Scheitelspannung
am Schwingungskreis den Wert der als Diodenvorspannung dienenden Gleichspannung
überschreitet, fließt ein Strom durch die Diode, der eine starke zusätzliche Belastung
der Schwingkreisspannung darstellt, so daß diese bei weiterem Ansteigen der erregenden
EMK oder Einströmung nur noch langsam mit ansteigt. An Stelle einer festen Vorspannung
wird auch oft eine durch die Gleichrichterwirkung der Diode selbst erzeugte und
mittels eines Kondensators sehr großer Kapazität über die Dauer von Störimpulsen
hinweg festgehalteneVorspannung benutzt, so z. B. in der sehr verbreiteten Ratiodetektorschaltung.
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Mit dem geschilderten bekannten Prinzip der Belastung des Schwingungskreises
durch eine Diode ist notwendigerweise mit ansteigender EMK eine Vergrößerung der
Bandbreite des Schwingungskreises verbunden. Im Falle-des Ratiodetektors ist dies
notwendig, denn dadurch ist bei dieser Schaltung erst die Möglichkeit einer vollen
Kompensation der AM-Störungen gegeben. Will man jedoch eine Belastungsdiode an einem
Schwingungskreis verwenden, der nicht zugleich zur FM-AM-Umwandlung dient, so ist
die Bandbreitenvergrößerung unerwünscht, weil sie die Selektion herabsetzt.
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Es ist ein Amplitudenbegrenzer bekannt (französische Patentschrift
929 003), bei dem dieser Nachteil der Verschlechterung der Selektion vermieden ist.
Er besteht aus einer Diode, welche in Reihe mit einem Kondensator in eine den Schwingungskreis
speisende Koppelleitung gelegt ist und zugleich in Reihe mit einer Gleichspannungsquelle
und einer Impedanz geschaltet ist. Die von der Gleichspannungsquelle gelieferte
Vorspannung ist so gepolt und bemessen, daß bis zu einem gewünschten Schwellenwert
kein Gleichstrom durch die Diode fließt. Die Impedanz ist eine Drossel, an der die
zu beseitigende Amplitudenmodulation eine Niederfrequenzspannung erzeugt, die sich
der Vorspannung so überlagert, daß die von der Diode durchgelassenen positiven Hochfrequenzimpulse
alle gleich groß sind, während die im Sperrgebiet liegende Umhüllende der Hochfrequenzschwingungen
auf der negativen. Seite die doppelte Amplitude der ursprünglichen Amplitude hat.
Es ergibt sich dadurch zwar eine Unterdrückung der Amplitudenmodulation,
je-
doch ändert sich die Amplitude der durchgelassenen Impulse bei langsamer
Änderung der Eingangsamplitude, und zwar stärker als die Eingangsamplitude. Entnimmt
man die Vorspannung nicht einer Gleichspannungsquelle, sondern läßt sie gemäß derselben
Literaturstelle vom Diodenstrom an einem Ohmschen Widerstand erzeugen, der in Reihe
zur Drossel geschaltet ist, so sind die langsamen Schwankungen zwar kleiner, jedoch
immer noch vorhanden.
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Die Erfindung zeigt dagegen einen. Amplitudenbegrenzer, der auch langsame
Ampl'itudenschwankungen beseitigt und dabei den Vorteil des oben beschriebenen Amplitudenbegrenzers,
nämlich keine Beeinträchtigung der Selektivität, beibehält.
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Die Erfindung bezieht sich auf die beschriebene Schaltungsanordnung
zur Begrenzung der Spannungsamplitude von Hochfrequenzschwingungen an einem Schwingungskreis
unter Verwendung einer einzigen Diode, welche in Reihe mit einem Kondensator in
eine den Schwingungskreis speisende Koppelleitung gelegt ist und zugleich in Reihe
mit einer Gleichspannungsquelle und einer Impedanz geschaltet ist. Erfindungsgemäß
ist die Gleichspannung der Gleichspannungsquelle groß gegen den Scheitelwert der
höchsten vorkommenden Hochfrequenzspannung und so gepolt, daß die Diode, insbesondere
eine Halbleiterdiode, von einem Vorstrom in Durchlaßrichtung durchflossen wird,
und die Impedanz besteht nur aus einem Ohmschen Widerstand, der so groß bemessen
ist, daß der den Schwellenwert der Begrenzung bestimmende Vorstrom fließt. Mit ansteigender
Wechselspännting
äin Eingang der Schaltung vergrößert sieh, wie
unten näher erklärt wird, die wirksame Impedanz der Diode, und es wird dadurch die
Einströmung in den Schwingungskreis begrenzt.
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Es ist an sich bekannt, ih einem NF-Verstärker zwei Dioden mit untereinander
umgekehrter Polung so zu schalten, daß ein Koppelwechselstrom durch einen beide
Dioden in Durchlaßrichtung durchfließenden, mittels eines- hohen Vorwiderständes
in seiner Stärke festgehaltenen Gleichstrom begrenzt wird. Bei jeder Halbschwingung
des zugeführten Wechselstromes wirkt die in Sperrichtung liegende Diode begrenzend.
Der Koppelwechselstrom kann dann nicht wesentlich über den Gleichstromwert ansteigen:
Störimpulse, die der NF überlagert sind und kurzzeitig hohe Spitzen-tverte erreichen,
können dadurch abgeschnitten werden.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei der Anwendung
dieses Prinzips auf Schaltungen mit Schwingungskreis nur eine einzige Diode erforderlich
ist, weil die entsprechenden Oberschwingungen außerhalb des Übertragungsbereiches
fallen, und daß dabei der besondere Vorteil der Vermeidung einer schädlichen Dämpfung
auftritt. Ferner wird durch die Verwendung einer einzigen Diode der Vorteil eines
schärferen Begrenzungseinsatzes erzielt. Für die Wechselspannung tritt nur an dieser
einen Diode ein Spannungsabfall auf; wodurch der energetische Wirkungsgrad der Schaltung
bei kleinen Amplituden verbessert wird.
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Der gemäß der Erfindung in Reihe mit der Diode liegende Kondensator
soll einen solchen Kapazitätswert erhalten, daß seine Impedanz für die Arbeitsfrequenz
des Schwingungskreises kleiner als die Impedanz der in Durchlaßrichtung betriebenen
Diode ist. Die Kapazität soll jedoch andererseits so klein sein, daß die durch ihn
zusammen mit dem Vorwiderstand bestimmte Zeitkonstante einen ausreichend schnellen
Begrenzungseinsatz ermöglicht. Bei der gebräuchlichen Zwischenfrequenz von 10,7
MHz in FM-Empfängern ist z. B. eine Kapazität von der Größenordnung 100 pF zu wählen.
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Läßt sich ein geeigneter Kompromiß zwischen genügend kleiner Impedanz
des Kondensators für die Arbeitsfrequenz und genügend kleiner Zeitkonstante nicht
erzielen, so wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung in Reihe mit dem Kondensator
entsprechend kleinerer Kapazität eine zusätzliche Induktivität geschaltet, die mit
dieser Kapazität zusammen Reihenresonanz für die Arbeitsfrequenz ergibt.
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Die Erfindung wird an Hand der im nachstehenden beschriebenen Figuren
näher erläutert. Hiervon stellt dar: Fig. 1 eine Strombegrenzerschaltung gemäß der
Erfindung, Fig. 2 den zeitlichen Verlauf des Diodenstromes bei kleiner Eingangsspannung,
Fig. 3 den gleichen Verlauf bei großer Eingangsspanüüng, Fig:4 eine Begrenzerkennlinie
der erfindungsgemäßen Schaltung, Fig: 5 eine erfindungsgemäße Strombegrenzerschaltüng
mit Neutralisation der Restkapazität der Diode, Fig. 6 eine erfindungsgemäße Strombegrenzerschaltung
vor eineni Ratiodetektor.
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Bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltung wird eine zwischenfrequente
Eingangsspannung U, über einen Kondensator C1 einem Spannungsteiler zugeführt, dessen
oberer Teilerwiderstand aus einer Diode D und dessen untererTeilerwiderstand aus
einem angezapften Schwingungskreis LC besteht. Die hochtransformierte Ausgangsspannung
ist mit U" bezeichnet. Der Diode D
wird aus einer Gleichspannungsquelle B,
die die Anodenspannungstluelle sein kann, über einen hohen Vorwiderstand R-@-ein
Gleichstrom in Durchlaßrichtung zugeführt. Wegen des in ihr fließenden Gleichstromes
I- ist die Diode D für ZF-Wechselströme, deren Amplitude kleiner als der
Gleichstromwert ist, voll leitend. In Fig. 2 ist der Verlauf des gesamten Diodenstromes
ID in Abhängigkeit von der Zeit t für diesen Fall dargestellt.
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Legt man nun eine vielfach höhere Eingangswechselspannung U, an, wobei
aber wieder vorausgesetzt ist; daß die Spannung von B immer noch groß gegen den
Scheitelwert von U, sei, so ergibt sich eine starke Erhöhung des über eine Periode
gemittelten Widerstandes der Diode D. Der Stromverlauf in dieser für großes tle
ist in Fig: 3 dargestellt. Die Stromstöße sind von relativ kurzer Dauer, so daß
sich zwar relativ höhe Augenblickswerte ergeben, aber trotzdem der Gleichstrommittelwert
annähernd erhalten bleibt: Dieser Diodenstromverlauf ergibt sich im Zusammenhang
damit; daß die der Diode zugewandte Kondensatorbelegüng von C1 eine negative Aufladung
bis auf einen Spännungswei-t etwas unterhalb des Amplitudenwertes von U, erfährt.
Das Aufrechterhalten des mittleren Gleichstromwertes bedingt dann auch ein Konstantbleiben
der Grundwellenamplitüde des Diodenstromes, welche für die Erregung des Schwingungskreises
in seiner Resonanzfrequenz maßgebend ist.
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In Fig. 4 ist dargestellt; wie sich mit steigender Eingangsspannung
U, in der Schaltung nach Fig. 1 die am Schwingungskreis entstehende Ausgangsspannung
U" ändert: Es ergibt sich die typische Begrenzerchärakteristik.
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Zweckmäßig wird von der Koppelleitung auf den Schwingungskreis in
Fig. 1 eine solche Transformation angewandt, daß dessen Resonanzwiderstand an den
ein- bis dreifachen Wert des Durchlaß-,viderstähdes, welchen die Diode bei ihrer
Speisung mit dem gewählten Gleichstrom aufweist; angepaßt ist. Dies stellt den günstigsten
Kompromiß zwischen einem scharfen Einsatz der Begrenzung und einem guten Wirkungsgrad
der Anordnung dar: Will man die erfindungsgemäße Schaltung zur Amplitudenbegrenzung
bei einer relativ hohen Frequenz (z. B: UKW-ZF mit 10;7 MHz) anwenden, so macht
sich der durch die Diodenkapazität gebildete Wechselstromleitwert nachteilig bemerkbar;
die Begrenzerwirkung wird verschlechtert. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung
wird deshalb eine Neutralisationsschaltung für die Kapazität der Begrenzerdiode
vorgesehen und die Neutralisation für den Betriebszustand mit größter Eingangsamplitude
eingestellt. In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, welches eine solche
Neutralisationsschaltung enthält. Der Neutralisatiönszweig besteht in einer T-Schaltung
aus drei Kondensatoren C2, C3, C4, um trotz der kleinen Diodenkapäzität mit größeren
Kapazitäten im Neutralisierungszweig arbeiten zu können. Der Neutralisierungszweig
ist mittels der Koppelwicklung L3 an L angekoppelt, während der Diodenzweig über
L, angekoppelt ist. Die übrigen Bezeichnungen in Fig. 5 entsprechen denen in Fig.
2. CD stellt die schädliche Kapazität der Diode D dar, welche aus der Sperrschichtkapäzität
und aus der Aufbaukapazität zusammengesetzt ist. Die erstere vermindert sich bekanntlich
mit zunehmender Spannung iri Sperrichtung, d. h. mit zunehmender Auflädiing des
Kondensators C1 durch die Gleichricliterwitkting der Diode. Man wird für
die
höchste in Betracht kommende Aufladung neutralisieren, da für diese die resultierende
Impedanz der Diode möglichst groß sein soll.
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L, in Fig. 5 stellt die obenerwähnte Zusatzinduktivität dar, durch
welche auch bei kleinem Ci Wert, z. B. 30 pF, infolge Reihenresonanz eine kleine
Impedanz vor der Diode erzielt wird. Die genannte Induktivität kann auch durch die
Streuinduktivität von Ankopplungsspulen, die in der Koppelleitung liegen, dargestellt
werden, z. B. der Streuinduktivität von L2 in Fig. 5 und 6.
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Die erfindungsgemäße Diodenbegrenzerschaltung ist als Zusatzbegrenzer
zu einem Ratiodetektor anwendbar. Einen Zusatzbegrenzer wendet man entweder deshalb
an, weil die Begrenzerwirkung des Ratiodetektors allein nicht ausreicht (Interferenzstörungen
durch Mehrwegempfang frequenzmodulierter Sendungen!) oder wenn die Gefahr des Auftretens
unzulässig hoher Richtspannungen an einem mit Germaniumdioden bestückten Ratiodetektor
besteht. In Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Ratiodetektorschaltung mit
dem erfindungsgemäßen Diodenbegrenzer als Vorbegrenzer dargestellt. Ein zusätzlicher
Schwingungskreis C5, L5 liegt in der Anodenleitung einer ZF-Treiberröhre V. Von
einer Anzapfung a an L5 gelangt die Zwischenfrequenz über einen KondensatorCi und
eine Diode D zu einer Ankoppelspule L2, die mit dem Schwingungskreis LC gekoppelt
ist. Dieser Schwingungskreis stellt den Primärkreis des eigentlichen Ratiodetektors
dar. Aus drei Kondensatoren C2, C3, C4 und einer beispielsweise zu L2 symmetrischen
Ankoppelspule L3 besteht ein Zweig zur Neutralisation der schädlichen Kapazität
der Diode D. Der hohe Widerstand R1 dient dazu, um der Diode D aus der Anodenspannungsquelle
der Röhre V einen Gleichstrom in Durchlaßrichtung zuzuführen. Das linke Ende dieses
Widerstandes R1 könnte auch direkt am Pluspol der Anodenspannungsquelle liegen.
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Die weitere Schaltung ist bekannt. Ein aus einer mittelangezapften
Induktivität L6 und einer Kapazität C6 bestehender Schwingungskreis bilden- den
Sekundärkreis des Ratiodetektors, an den dann zwei Dioden D1 und D2, ein Kondensator
C9 mit großer Kapazität und ein Regelwiderstand R2 zum Einstellen des AM-Minimums
angeschlossen sind. L6 ist mit L einerseits induktiv, andererseits galvanisch über
eine Leitung von einer Anzapfung der Spule L zur Mittel-2pzapfung von L6 gekoppelt.
Vom Fußpunkt des Schwingungskreises L6, C., wird die Niederfrequenzspannung
NF über einen aus einem Widerstand R3 und zwei Kondensatoren C, und C8 gebildeten
Tiefpaß abgenommen.
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Durch den Zusatz des Schwingungskreises C5, L5 und des Diodenvorbegrenzers
kann mit geringem Aufwand nicht nur die Begrenzung, sondern auch die Selektion gegenüber
der gebräuchlichen Ratiodetektorschaltung ohne Vorbegrenzer ganz bedeutend verbessert
werden.