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Verfahren zur Verstärkung elektrischer Spannungen Die vorliegende
Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Verstärken von elektrischen Spannungen
sowie auf Schaltungen bzw. Anordnungen zur Durchführung der Verfahren.
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Es ist bekannt, daß durch die Verwendung von Drei- und Mehrelektrodenröhren
Verstärkungsgrade erzielt werden, die etwa das Hundert- bis Hundertfünfzigfache
der an das Gitter angelegten Spannungen ausmachen.
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Ein Zweck des Verfahrens der Erfindung besteht darin, den Verstärkungsgrad
bei elektrischen Schaltungen, bei denen insbesondere Elektronenröhren verwendet
werden, beträchtlich, z. B. auf das Tausendfache und mehr, zu steigern. Ein weiterer
Zweck der Erfindung besteht darin, diese erhöhte Verstärkung mit einfachen Mitteln
zu verwirklichen. Ein weiterer Zweck der Erfindung liegt darin, diesen erhöhten
Verstärkungsgrad innerhalb weiter und gewünschter Frequenzbereiche linear und ohne
Verzerrung durchzuführen. Schließlich besteht ein Zweck der Erfindung darin, Mittel
zu schaffen, durch welche die gewünschte Verstärkung erzielt. werden kann.
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Nach dem Lösungsgedanken gemäß der Erfindung erfolgt neben einer direkten
Steuerung einer Systemgröße, z. B. der Steuerung eines Anodenstromes einer Elektronenröhre
durch eine Signalspannung, eine zusätzliche Steuerung der Systemgröße, insbesondere
des Anodenstromes, durch die Signalspannung dadurch, daß diese zunächst eine Hilfsschwingung,
die im Verstärkerorgan(Elektronenröhre)selbst erzeugt sein kann, steuert bzw moduliert,
während diese Hilfsschwingung ihrerseits nach einer Gleichrichterwirkung durch das
Verstärkerorgan die direkt gesteuerte Systemgröße, insbesondere den Anodenstrom,
phasenrichtig oder im wesentlichen phasenrichtig zur Signalspannung verstärkt.
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Die Modulation bzw. Steuerung der Hilfsschwingung kann dabei nach
einer Ausführungsform des Verfahrens
der Erfindung so vor sich gehen,
gaß eine Amplitudenmodulation der Hilfsschwingung vorgenommen wird, welche aber
derart erfolgt, daß diese Hilfsschwingung nach ihrer Demodulation die direkt verstärkte
Signalspannung phasenrichtig oder im wesentlichen phasenrichtig vergrößert.
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Nach einer praktischen Ausführungsform der Erfindung kann die direkte
Steuerung der Systemgröße (Anodenstrom) durch die Signalspannung, die Erzeugung
der insbesondere hochfrequenten Hilfsschwingung, ihre durch die Signalspannung erfolgte
Modulation und ihre Demodulation in der gleichen Elektronenröhre vorgenommen werden.
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Eine Begrenzung der Amplitude der Hilfsschwingung erfolgt dabei nicht
durch Einsetzen eines Gitterstromes, sondern durch ein im Anoden= öder Gitterkreis
der Verstärkeranordnung vorgesehenes Dämpfungsglied, das vorzugsweise einstellbar
gemacht ist.
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Die Erfindung hat ein generelles. Anwendungsgebiet. Sie eignet sich
insbesondere für Wechselspannungen, schließt jedoch die Anwendung von Gleichspannungen,
insbesondere zerhackte Gleichspannungen, nicht aus.
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In der Zeichnung sind Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise
zur Darstellung gebracht. ,Tig. i bis 8 geben jeweils Schaltschemen von möglichen
Ausführungsformen zur Durchführung der Erfindung wieder; Fig. g zeigt eine Frequenzkurve.
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Fig. i bezieht sich auf eine Niederfrequenzverstärkerstufe, welche
.zugleich als selbsterregter Hochfrequenzgenerator und . als Gleichrichter arbeitet.
Nach dieser Figur wird an den Eingangskreis io eine Wechselspannung gelegt, welche
dem Gitter einer Pentode zz zugeführt wird. Diese Wechselspannung steuert zunächst
den Anodenstrom I" direkt, dessen Schwankungen eine an .dem Anodenwiderstand z2
abnehmbare Wechselspannung erzeugt, deren Größe im Verhältnis zu der an den Eingang
io angelegten Wechselspannung sich aus den Daten der Röhre (insbesondere Steilheit)
und den Daten der übrigen Schaltelemente ergibt. Mit Hilfe einer Rückkopplungsschaltung,
bestehend aus einer Spule 22 und 22 a und Kondensatoren z9, 2o, 2i und 28, wird
eine Hilfsschwingung erzeugt, deren Frequenz außerhalb des .Bereichs der Frequenz
der zu verstärkenden Spannung liegt, insbesondere eine Hochfrequenzschwingurig,
deren Amplitude von dem Potential der Röhrenelektroden, der Größe der Rückkopplung
und der Dämpfung abhängt. Die Amplitude dieser Hochfrequenzschwingung kann mit Hilfe
eines veränderlichen Widerstandes 14 im Kathodenkreis der Röhre und eines einstellbaren
Dämpfungsgliedes 13 eingestellt werden. Das in Fig. z dargestellte Dämpfungsglied
13 kann auch andere als die in der Schaltung angegebenen Formen annehmen.
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Eine Begrenzung der Aufschaukelung der selbsterregten Schwingung oder
einer der Röhre aufgeprägten Hilfsschwingung (also der Hochfrequenzamplitude) tritt
bei einer bestinunten Dämpfung und einer bestimmten Größe von Anodenschirmgitter-
und Steuergitterpotential zunächst durch eine Änderung der Stromverteilung zwischen
Anode und Schirmgitter, bei größerer Entdämpfung aber auch durch einsetzenden Gitterstrom
ein. Die Begrenzung durch Änderung der Stromverteilung wird in einem Bereich der
Elektrodenpotentiale wirksam, indem das Anodenpotential tiefer liegt als das Schirmgitterpotential,
also der Anodenstrom stark von der Anodenspannung abhängt. Wegen der Abhängigkeit
der Schwingungsamplitude von den Elektrodenpotentialen der Röhre läßt sie sich auch
durch den Steuergitterpotential steuern.
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Eine an den Eingang io gelegte Wechselspannung wird deshalb eine Amplitudenmodulation
der Hilfsschwingung (Hochfrequenzschwingung) zur Folge haben. Mit Hilfe des Regelwiderstandes
14 und des Dämpfungsgliedes 13 läßt sich nun eine so große Amplitude der Hilfsschwingung
einstellen, daß sich für diese eine Gleichrichterwirkung ergibt. Infolge der Modulation
der Hilfsschwingung durch die an den Eingang io gelegte Wechselspannung entsteht
somit eine Schwankung des Anodenstromes im Rhythmus der Eingangswechselspannung,
die phasenrichtig oder im wesentlichen phasenrichtig mit der direkten Steuerung
des Anodenstromes zusammenwirkt. Dies ergibt eine Erhöhung der Verstärkung, also
des Verhältnisses der am Widerstand =2 abnehmbaren niederfrequenten Spannung zu
der an den Eingang io angelegten Spannung.
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Die Bedeutung eines in der Gitterzuleitung liegenden Widerstandes
16 liegt in der Verminderung des Einflusses des Innenwiderstandes der angeschlossenen
Spannungsquelle auf die erregte Hilfsschwingung. Dieser Widerstand kann gegebenenfalls
ersetzt werden, z. B. durch eine Hochfrequenzdrossel oder einen Hochfrequenzsperrkreis,
. um Veränderungen der Betriebsweise der Verstärkerstufe durch unterschiedliche
Innenwiderstände der angelegten Spannungsquellen zu unterdrücken.
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Für die Erzielung eines erhöhten Verstärkungsfaktors genügt bereits
eine sehr schwache Modulation der Hilfsschwingung.
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Die Schaltelemente nach der Ausführungsform der Fig. z können wie
folgt dimensioniert werden ir = Pentode Röhre EF =2, 12 = Zoo kQ, 13 = 2o kP, 14
= 5 kQ, 15 = Hochfrequenzdrossel, 16 = 5 kQ, 17 = 25 nF, 18 = 5oo kQ, z9
und 2o = =oo pF, 21 = ioo pF, 22, 221 = je vierzig Windungen, 23 = 5oo kP, 24 =
25 nF, 26 = Elektrolytkondensator = 5o1,CF, 27 = Elektrolytkondensator = 6,uF, 28
= Gitterankopplungskondensator = zoo pF, 29 = Ausgang des Kreises.
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Der Schwingkreis ist nach dieser Ausführungsform so gewählt, daß er
für 2 MHz berechnet ist.
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Die Ausführungsform der Fig.2 entspricht im wesentlichen der Ausführungsform
der Fig. i, jedoch mit dem Unterschied, daß im Rückkopplungskreis der zweite Kondensator
(Bezugszeichen i9 der Fig. i) in Wegfall gelangt ist. Während bei der Schaltung
der Fig. x eine zweimalige Ankopplung vorgesehen ist, fällt diese bei der Ausführungsform
der Fig. 2 weg. Der Widerstand 13 der Fig. r ist bei der Ausführungsform der Fig.2
direkt parallel zum Schwingungskreis 21, 32 geschaltet und hat das Bezugszeichen
30 und eine Größe von io kQ. Bei der Ausführungsform
der Fig. 2
ist im Anodenkreis ein Ohmscher Widerstand 3i von 50 kS2 zwischengeschaltet,
und der Elektrolytkondensator 26 der Fig. i hat bei der Ausführung Fig. 2 die Größe
von ioo lcF. Schließlich ist im Rückkopplungskreis der Fig. 2 die Zahl der Windungen
verringert worden. Statt vierzig Windungen sind an dem Teil 32 jeweils nur zwanzig
Windungen vorgesehen. Der Gitterableitungswiderstand 33 bei der Ausführungsform
der Fig. 2 hat 8oo kP, der
Widerstand 25 hat 5o kf, der Kondensator 25d hat
6/cF. Der Elektrolytkondensator #"6 von ioo,ccF läßt eine Anhebung im Bereich tieferer
Frequenzen erreichen. Im übrigen entsprechen die Bezugszeichen der Ausführungsform
der Fig. i.
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Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 bezieht sich auf die Anwendung
der Erfindung auf eine Endstufe oder eine Leistungsröhre (Pentode 34, AL 4).
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Der Aufbau der Schaltung entspricht im wesentlichen der der Fig.2.
Bei dieser Ausführungsform bezeichnet 35 den Eingangskreis, 36 einen Transformator,
welcher mit einem Lautsprecher 37 in Verbindung steht. Die Einzelteile der Schaltungsanordnung
können die folgenden Größenverhältnisse aufweisen: 38 = 2o nF, 39 = 8oo k-Q, 40
= 5 k.Q, 41 = Zoo PF, 42 = 5oo pF, 43 = als Rückkopplungsspule jeweils 3o Windungen,
44 = 500 SZ, 45 = Zoo PF, 46 = ioopF, 47 = 5oo n. Als Pentode kann eine Röhre
AL 4 verwendet werden.
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Die Schaltung gemäß Fig. 4. zeigt die Anwendung der Erfindung auf
eine Zwischenfrequenzverstärkung, bei welcher nur eine einzige Frequenz, nämlich
die Zwischenfrequenz, verstärkt wird. Die Schaltung entspricht in ihrem Aufbau grundsätzlich
der der Fis. i und 2, jedoch ist im Anodenschwingkreis ein Sperrwiderstand 48 für
die Oszillatorfrequenz Z, urgesehen. Ferner befindet sich im Anodenkreis ein Resonanzkreis
49, dessen Daten für den Kondensator bzw. die Spule entsprechend der Thomsonschen
Schwingungsformel ermittelt werden können. Die einzelnen Teile können bei einer
Ausführungsform der Schaltung gemäß Fig. 4. wie folgt dimensioniert werden: 5o =
Eingangskreis, 51 = 5oo pF, 52 = Zoo kf, 53 = i k0, 54 = i kQ, 55 = ioo pF, 56 =
Schwingungskreis, dimensioniert für 8o MHz, 57 = 5 k-Q-, 58 = too PF, 5g = ioo nF,
6o = ipF, 61 = 5o k.
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Für die Elektronenröhre 62 kann eine EF 12 verwendet werden.
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Die Ausführungsform der Fig. 5 ist auf die Anwendung des Erfindungsgedankens
zur Verstärkung einer zerhackten Gleichspannung abgestellt.
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Im Eingangskreis 64 und im Ausgangskreis 77 dieser Schaltung befinden
sich je ein Zerhacker 6'a und 63, welche synchron miteinander gesteuert werden,
indem sie beispielsweise mechanisch miteinander gekuppelt sind. Zu diesem Zweck
kann ein einziger Zerhacker mit Doppelzungen vorgesehen sein.
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Die zu zerhackende Gleichspannung wird an den Eingang 64 der Schaltung
gelegt, wobei ein Spannungsteiler 65 vorgesehen ist. Bei dieser Ausführung ist der
Dämpfungskreis und der Rückkopplungskreis im einzelnen nicht wiedergegeben; er kann
in seinem Aufbau der Ausführungsform der Fig. i bis 4 entsprechen. Er ist allgemein
mit 66 bezeichnet. Bei Verwendung einer Röhre 67 = EF I2 können die einzelnen Daten
wie folgt gewählt werden: 68 = o,i,uF, 69 = 5ool@@, 7o = 5o kr, 71 = ioo pF, 72
= 5 kQ, 73 = ioo lcF, 74 = 6 yF, 75 = 5o k.Q, 76 = Transformator, 77 = Ausgang.
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Das Anlegen der Zunge des Zerhackers 62 an die festen Kontakte erzeugt
abwechselnd eine Verstärkung bzw. Schwächung des Anodenstromes, so daß am Transformator
76 ein Magnetfeld aufgebaut und abgebaut wird. Es entstehen daher am Transformator
abwechselnd entgegengesetzt gerichtete Felder, und durch die synchrone Steuerung
der Zunge des Zerhackers 63 mit der des Zerhackers 62 werden verstärkte Gleichspannungen
am Ausgang 77 erhalten und können für weitere Zwecke verwendet werden.
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Die Ausführungsform der Fig.6 entspricht im wesentlichen der Ausführungsform
der Fig. i bis 3, jedoch mit dem Unterschied, daß die Anodenrückkopplungsspule 78
unmittelbar an Masse gelegt ist, während der Schwingungskreis 79 im Gitterkreis
der Röhre liegt. Die Spule 78 und die Spule des Schwingungskreises 79 sind miteinander
gekoppelt. Unter Verwendung einer Röhre 8o = EF i2 können die Einzelteile der Schaltung
wie folgt dimensioniert werden: 81 = Eingangskreis, 8a = 5 k@Q, 83 = ioopF. 84 =
io kQ, 85 = ioo pF, 86 = 500 kr, 87 = 5 k.SZ, 88 = ioopF, 89 = 5o kQ, 9o
= Zoo kf, 9i = 5ook n, 92 = 25 nF, 93 = 25 nF, 94 = 6 p Y, 95 = Ausgangskreis.
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Fig. 7 zeigt eine Schaltung gemäß der Erfindung unter Verwendung einer
Triode. Es kann eine Röhre 96 = EF 12 verwendet werden, bei welcher Schirmgitter
und Bremsgitter an die Anode angeschaltet sind. Die Schaltung entspricht in ihrem
Aufbau und in der Dimensionierung der Teile der Schaltung der Fig. 2. Es sind daher
die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2 gewählt, soweit nicht Teile in Wegfall
gelangt sind.
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Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann, soweit es die Frequenz
der Hilfsschwingung betrifft, mit Hilfsschwingungen beliebig hoher Frequenzen durchgeführt
werden, beispielsweise auch mit solchen Hilfsschwingungen, welche im Ultrakurzwellengebiet
liegen. Diese Höchstfrequenzschwingungen, welche als Hilfsschwingungen verwendet
werden, können durch dem Fachmann geläufige und hier nicht näher zu erläuternde
iNlittel erzeugt werden.
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Darüber hinaus liegt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, hochfrequente
Schwingungen mit Signalspannungen kleiner Amplituden zu modulieren und dadurch im
Anodenkreis eine amplitudenmodulierte Hochfrequenzschwingung abzunehmen, welche
einen weit höheren Modulationsgrad hat, als es mit den bekannten Schaltungen bisher
möglich war.
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Es liegt also im Rahmen der Erfindung, mit der durch das neue Verfahren
durchgeführten Verstärkung entweder nach Wunsch die Hochfrequenzen zu sperren und
nur mit einer gewünschten, verstärkten Niederfrequenz weiterzuarbeiten oder aber
die nach dem Verfahren der Erfindung mit einem erhöhten Modulationsgrad amplitudenmodulierte
Hochfrequenz für die gewünschten Zwecke weiterzuverwerten, beispielsweise sie an
einer späteren Stelle zu demolieren und die
Niederfrequenz anzuzeigen
oder auszuwerten. Ein Beispiel für diese Anwendiulgsfoizn des Verfahrens der Erfindung
ist in Fig. 8 wiedergegeben.
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Die Schaltung der Fig. 8 entspricht in ihrem Aufbau grundsätzlich
den Ausführungsformen der Fig. i bis 3, jedoch mit dem Unterschied, daß das Rückkopplungsglied
im Anodenkreis der Höhe der Frequenz der Hilfsschwingung angepaßt ist. Bei dieser
Ausführungsform ist im Anodenkreis die Siebkette für die Hochfrequenz in Wegfall
gelangt, da diese als amplitudenmodulierteHochfrequenz weiterverwendet werden soll.
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Die Schaltung ist für eine Frequenz von no MHz gedacht; sie weist
einen Eingang 98 auf und eine Röhre@gg = AL q.. Für die einzelnen Aufbauteile
werden folgende Größen gewählt: ioo = 2o nF, ioi = 5 kP, ion = 8oo kd2, =03 = ioo.,uF,
104 = 5oo SZ, 1o5 = i nF (zur Überbrückung des Kathodenwiderstandes für die Hochfrequenz),
1o6 = 5o pF, 107 = 500 d2, 1o8 = a X i Windung (Schwingungskreis),
zog = 50 pF, iio = Niederfrequenzdrossel, iii = ioo pF, izn = Ausgang.
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Fig. g zeigt eine Frequenzkurve Ueg = f (hz). Aus dieser Kurve
ist ersichtlich, daß im Bereich von etwa 4o bis 16 ooo Hz der Normalpegel bei n
V liegt. Im Gegensatz zu den bekannten Ausführungen wird eine lineare Verstärkung
der zu verstärkenden Spannung praktisch innerhalb des gesamten Tonfrequenzbereiches
verwirklicht, und zwar durch die Verwendung von nur einer einzigen Röhre. Für den
praktischen Bedarf ist es zulässig, daß die Frequenzkurve ohne Störungen nach oben
und unten auf das o,7fache ihres Wertes abfallen kann, und es ist daher ersichtlich,
daß der Abfall noch innerhalb des Toleranzbereiches liegt.
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Es liegt natürlich im Rahmen der Erfindung, die Spannung, welche gemäß
der Erfindung innerhalb des gesamten tonfrequenten Bereiches praktisch linear verstärkt
worden ist, sowohl im Bereich hoher als auch tiefer Frequenzen durch an sich bekannte
Mittel (RC-Gheder usw.) entsprechend anzuheben, sofern dies bei Anwendung der Erfindung
auf einen Niederfrequenzverstärker für zweckmäßig erachtet werden sollte.
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Unter Signalspannung, wie sie in der vorstehenden Beschreibung verwendet
wurde, ist diejenige Spannung zu verstehen, die verstärkt werden soll. Sie umfaßt
alle Arten von Spannungen, die zu verstärken sind, insbesondere modulierte oder
nicht modulierte Hochfrequenzen, Niederfrequenzen, pulsierende Gleichspannungen
usw.
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Die neuen Verstärkerschaltungen können zur Verringerung des Klirrfaktors
in bekannter Weise negativ gegengekoppelt werden. Es läßt sich also durch die Erfindung
weiterhin erreichen, daß bei einer Erhöhung des Verstärkungsgrades und der Anwendung
einer negativen Gegenkopplung der Klirrfaktor einer Röhre in Übereinstimmung mit
dem Ausmaß der Gegenkopplung verringert wird.
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Bei dem erhöhten Verstärkungsgrad nach der Erfindung liegt der Störpegel
(Röhrenrauschen) günstiger als bei einer Verstärkungsanordnung Bleichgroßer Verstärkungsziffern,
aber unter Verwendung einer größeren Anzahl von Röhren (Kaskadenschaltung), weil
fei der Erfindung das Grundröhrenrauschen nicht linear mit der Verstärkungsziffer
ansteigt.
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Für das Verfahren der Erfindung kann weiterhin als entscheidender
Vorteil die Tatsache bewertet werden, daß das Verstärkungsorgan bzw. -organe, z.
B. Elektronenröhre, unter normalen Betriebsbedingungen arbeitet, also nicht überlastet
wird und trotzdem ein Verstärkungsgrad erzielt wird, der io- bis 15mal höher liegt
als Schaltungen bekannter Ausführungen.
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Ein weiterer Vorteil des Verfahrens der Erfindung liegt darin, daß
beim Arbeiten unter normalen Betriebsbedingungen der Rauschpegel der Verstärkerorgane
(Elektronenröhren) in entsprechenden Grenzen gehalten bleibt und mit der steigenden
Verstärkung gemäß der Erfindung nicht linear ansteigt.
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Die Erfindung kann mit einfachen und billigen Mitteln praktisch ausgeführt
werden, da nur wenig Schaltelemente erforderlich sind, um nach dem Zweck der Erfindung
den beabsichtigten erhöhten Verstärkungsgradzuverwirklichen. Nacheinerpraktischen
Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, die zur Durchführung des Verfahrens
verwendeten Schalt-und Verstärkungselemente, welche dem Verstärkerorgan zugeordnet
werden, als ein einziges Zwischenglied auszubilden, das beispielsweise zwischen
dem Verstärkerorgan und ihrem Halter angeordnet werden kann.
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Zu diesem Zweck ist es nach einer technischen Ausführung der Erfindung
nur notwendig, dieses Zwischenglied mit Verbindungsmitteln (Stecker) zu versehen,
welche in den Halter hineinpassen und mit entsprechenden Verbindungsmitteln (Buchsen)
für die Anschlußkontakte des Verstärkerorgans zu versehen.
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Es ist daher weiterhin möglich, insbesondere auch bei fertigen Geräten,
in Abhängigkeit von der Anordnung der Steckerstifte und der Buchsen für eine Röhre,
die Zwischenglieder entsprechend auszubilden und die Erfindung durch Einfügen dieses
Zwischengliedes an bereits bestehenden Geräten nutzbar zu machen.
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Es ist weiterhin möglich, nach einer weiteren technischen Ausführungsform
der Erfindung das Dämpfungsglied in dem Zwischenglied regelbar zu machen, indem
an dem Glied beispielsweise eine einfache Stellschraube vorgesehen ist.
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Es ist natürlich auch möglich, die zur Durchführung des Verfahrens
der Erfindung erforderlichen Glieder in einem Zusatzgerät anzuordnen und dieses
in entsprechender Weise mit einer Verstärkeranordnung zu verbinden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung können
die verwendeten Schalt- und Steuerelemente auch direkt in die Verstärkerorgane bzw.
diejenigen Organe, durch welche die Hilfsschwingungen erzeugt werden, eingebaut
werden, gleichgültig, ob es sich um Pentoden, Trioden, Hexoden, Leistungsröhren
od. dgl. handelt. Es ist also möglich, die Erfindung durch entsprechende Formgebung
der Verstärkerorgane, insbesondere der Röhren, als ein Zusatzgerät auszubilden,
so daß schon bei der Fabrikation der Verstärkerorgane die Erfindung in sie eingebaut
wird.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung kann auch zur Verstärkung von elektrischen
Spannungen unter Verwendung
von Halbleitertrioden (Transitoren)
angewendet werden. Es können in diesem Fall insbesondere Germaniumkristalle zur
Anwendung gelangen. Gegebenenfalls kommen jedoch auch Zellen mit anderen Halbleitern,
wie z. B. Kupferoxydul, Silicium od. dgl., in Frage.
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Zur Erzeugung der Hilfsschwingung, insbesondere einer Hilfsschwingung,
die im Ultrakurzwellengebiet liegt, können alle bekannten Mittel verwendet werden,
beispielsweise ein Klystron oder ein Schlitzfeldmagnetron (Radarmagnetron).