Gegentaktverstärkereinrichtung. Vorliegende Erfindung betrifft eine Ge- gentaktverstärkereinrichtung zur praktisch verzerrungsfreien Verstärkung elektrischer Schwingungen mit auf dem untern Teil der Steuercharakteristik arbeitenden Entladungs röhren.
Es hat sich in der Praxis herausgestellt, dass bei derartigen Verstärkern wider Erwar ten sehr starke Verzerrungen auftreten, die o gross sind, dass die Verstärker in die Praxis keinen Eingang gefunden haben, obwohl der mit ihnen erzielbare Wirkungsgrad erheblich höher sein kann als bei Einstellung auf den mittleren Teil der Kennlinien.
Die Erfindung hat zum Zweck, die Ver zerrung, welche bei auf den untern Teil der Kennlinien eingestellten Gegentaktverstär kern auftritt, zu vermindern, wobei auch noch andere Vorteile erzielt werden.
Es hat sich gezeigt, dass der grössere Teil der praktisch auftretenden Verzerrungen durch Abweichungen der Anodenspannung von demjenigen Wert verursacht wird, auf den diese Spannung im nichtgesteuerten Zu- stand des Verstärkers eingestellt ist. Weiter hat sich ergeben, dass diese Abweichungen durch den innern Widerstand und andere Eigenschaften des Speisegerätes verursacht werden, und zwar auf Grund der Tatsache, dass bei solchen Verstärkern der Anoden gleichstrom infolge der Aussteuerung zu nimmt, und zwar um so mehr, je .stärker die Aussteuerung wird.
Bei Anwendung zum Beispiel eines Netz- anschlussgerätes für die Speisung der Ano denkreise kann die Spannung um etwa 40 bis<B>50%</B> sinken, wenn der Verstärker ge steuert wird.
Es mag als bekannt vorausgesetzt wer den, dass bei elektrischen Apparaten eine sehr starke Spannungsabnahme bei zunehmender Belastung im allgemeinen eine unerwünschte Erscheinung darstellt, und zwar, weil da durch die zur Verfügung .stehende Spannung und somit die maximale Energie herabgesetzt wird. Aus diesem Grunde liegt es gewisser massen auf der Hand, zu versuchen, die Span nungsabnahme innerhalb bestimmter Grenzen zu halten.
Man geht damit aber nicht wei ter als zum Beispiel bis 15 %o, da eine weitere Verbesserung ausserordentliche Komplikatio nen und hohe Kosten mit sich bringen würde, welche durch die mit ihnen erreich bare Zunahme der vom Verstärker abgege benen Wechselstromleistung nicht gerecht fertigt sind, da Energieunterschiede von so gar 50 ö mit dem Ohr kaum wahrnehmbar sind. Man hat sieh aus diesem Grunde mit Spannungssenkungen von einigen Zehn Pro zenten begnügt.
Jetzt hat sich ergeben, dass unter solchen Umständen starke Verzerrungen auftreten; das Auffallende ist dabei, dass sehr geringe Abweichungen der Anodenspannung schon sehr erhebliche Verzerrungen zufolge haben. Bisher war es nicht bekannt, dass diese star ken Verzerrungen im wesentlichen durch die Spannungssenkungen verursacht werden; man hat die Verzerrung andern Ursachen zuogese hrieben, unter anderem den Krümmun- ,gen der Kennlinien, gewissen Unsymmetrien der Entladungsröhren usw. Es wurden daher keine Massnahmen getroffen, um die Span nungsabnahme so gering zu halten, wie sie zur Vermeidung von Verzerrungen nötig ist.
Eine solche Spannungsabnahme, die oft be reits bei einigen Prozenten störend ist, wird in manchen Fällen schon bei Anwendung einer Batterie zur Speisung der Anodenkreise auftreten. Je nach der Abnutzung der Bat terie und der Zunahme des innern Wider standes wird die Verzerrung stärker sein, auch wenn die Spannung durch Zuschaltung mehrerer Zellen auf den richtigen Wert zu- riickgebraebt wird.
ssei Verstärkern, welche auf den mittleren Teil der Kennlinien eingestellt sind (wie es bisher allgemein der Fall war), haben selbst verhältnismässig starke Veränderungen der Anodenspannung keine Verzerrungen zu folge. Infolgedessen liegt es nicht auf der Hand, die Ursache der Verzerrung eines Ver stärkers in den Eigenschaften des Speise gerätes zu suchen.
Bei Verstärkungen welche auf den un tern Teil der Kennlinien eingestellt sind, hat aber die Abnahme der mittleren Anodenspan nung zur Folge, dass die Röhren für einen erheblichen Teil der zugeführten Steuerspan nung sozusagen ausser Betrieb gesetzt wer den, so dass dieser Teil der Steuerspannung nicht verstärkt wird. In den verstärkten Schwingungen fehlen dadurch Teile, welche in der Steuerspannung vorkommen; hier durch entsteht eine sehr starke Verzerrung.
Diese Erscheinung soll anhand der Fig. 1 und der Kennlinien nach Fig. 2 erläutert werden.
Fig. 1 stellt seinen Gegentaktverstärker allgemein üblicher Schaltung dar. Der Ver stärker besteht aus den Röhren 1 und 2, dem Eingangstransformator 3, mit Hilfe dessen die Steuerschwingungen den Gittern der Röhren 1 und 2 zugeführt werden, und dem Ausgangstransformator 4, welcher die Ano denkreise der Röhren mit der Belastungs impedanz 7 koppelt. Die Anodenspannung wird von einem Speisegerät 6 geliefert. Mit Hilfe der Batterie 5 wird die negative Git- tervorspannung so eingestellt, dass die Röh ren 1 und 2 auf den untern Teil ihrer Kenn linien eingestellt sind, z.
B. auf den Punkt T'" der Kurve 8 in Fig. 2. Der von jeder der Röhren aufgenommene Anodengleichstrom beträgt dabei 1o.
Es wird nun angenommen, dass mit Hilfe des Eingangstransformators 3 den Gittern eine sinusförmige Wechselspannung zuge führt wird, welche durch die Kurve 11 der Fig. 2 dargestellt ist. Wenn die Anoden spannung vollkommen konstant bleibt, wird der Punkt P, der die momentane Gitterspan nung zum Ausdrueli: bringt, sich über die Kurve 8 mit Po als Bezugspunkt hin- und herbewegen. Der Punkt Po wird als "Ar- beitspunkt" bezeichnet.
Der Anodenstrom der Röhren 1 wird sich dann gemäss Kurve 12 verändern und der Anodenstrom der Röhre 2 gemäss Kurve 13. Der resultierende Strom durch die Primär wicklung des Transformators 4 der Fig. 1 verläuft dann gemäss Kurve 14 der Fig. 2 und ist durch Addierung der Kurven 12 und 13 erzielt worden (die Kurven 14, 17 und 18 sind in einem kleineren Massstab dargestellt als die Kurven 12 und 13). Die Verzerrung wird in diesem Fall nur sehr gering sein. Dieser Zustand tritt aber in Wirklichkeit nicht auf.
Aus den Kurven 12 und 13 ergibt sich, dass während der Steuerung der mittlere Anodenstrom jeder der beiden Röhren I1 be trägt. Das Speisegerät muss somit einen mittleren Strom 2f1 liefern. Infolgedessen wird die Anodenspannung sinken, so dass der Punkt P in Wirklichkeit nicht die Kennlinie g durehläuft, sondern eine Kennlinie, die der niedrigeren Anodenspannung entspricht.
Wenn die Spannungsabnahme infolge der Zunahme des mittleren Anodenstromes zum Beispiel 10% beträgt, wird der Punkt P die Kennlinie 9 durchlaufen. Da die negative Gittervorspannung unverändert geblieben ist, ist P1 der neue Arbeitspunkt, das heisst der Bezugspunkt, um den der Punkt P über die Kurve 9 oszilliert. Der Anodenstrom der Röhre 1 wird sieh dann nach der Kurve 15 verän dern und der Anodenstrom der Röhre 2 nach der Kurve 16. Der resultierende Strom in der Primärwieklung des Transformators 4 wird in diesem Fall durch die Kurve 17 dar- g r e Stellt, und es ist ohne weiteres ersichtlich, dlass diese Kurve nur noch sehr wenig mit der Kurve 11 der Steuerwechselspannung übereinstimmt. Die Kurve 18 zeigt, wie die verstärlkten Ströme hätten aussehen müssen.
wenn sie nicht verzerrt wären. Hieraus er gibt sich, dass die Verzerrung, welche durch die Abnahme der Anodenspannung verur sacht wird, viel stärker ist als diejenige, wel che zum Beispiel aus den Krümmungen der untern Teile der Röhrenkennlinien herrührt.
Eine solche starke Verzerrung ergibt sich offenbar, wenn der Arbeitspunkt P1 links vom .,Absperrpunkt" A" zu liegen kommt, (las heisst links von dem Punkt, bei dem der Anodenstrom unter dem Einfluss der nega tiven Gitterspannung gerade verschwindet. Der Arbeitspunkt befindet sich dann in einem Gebiet, in dem das Gitter keine Steuer wirkung mehr auf den Anodenstrom ausübt. Gemäss der Erfindung wird nun die oben beschriebene, sehr starke Verzerrung verhin dert, indem man dafür sorgt, dass der Ar beitspunkt jeder Röhre auch während der Steuerung immer innerhalb desjenigen Ge bietes bleibt, in dem das Gitter noch eine gehörige Steuerwirkung auf den Anoden strom ausübt.
Das kann unter anderem dadurch erreicht Werden, dass dafür gesorgt wird, dass auch während der Steuerung die Anodenspannung nicht zu stark sinkt. In der Praxis hat sich herausgestellt, dass eine Spannungsabnahme von nur einigen Prozenten schon eine unzu lässige Verzerrung verursachen kann. Eine Zunahme der Anodenspannung verursacht keine Verzerrung. Da es sehr schwierig ist, die Anodenspannung vollkommen konstant zu halten, wird man es oft vorziehen, sie bei Abnahme des Stromes ansteigen zu lassen, und zwar weil dann keine grosse Genauigkeit beachtet zu werden braucht.
Das Konstanthalten bezw. Zunehmenlas- sen der Anodenspannung kann nach verschie denen. bekannten Verfahren erzielt werden, die im allgemeinen dadurch gekennzeichnet sind, dass das Speisegerät 6 Mittel aufweist, welche eine kompensierende Wirkung aus üben, das heisst, welche der Spannungs- abiiahme infolge der Belastungszunahme (welche an sich wieder durch die Zunahme der Steuerspannung verursacht wird) ent gegenwirken. Auch eine Überkompensierung ist möglich.
Man kann die kompensierende Wirkung in bekannter Weise von dem vom Speisegerät zu liefernden Strom selbst ab leiten, wie es weiter unten beispielsweise er läutert werden wird. Man kann aber die kompensierende Wirkung auch unmittelbar von den zu verstärkenden oder schon ver stärkten Schwingungen ableiten, indem diese auf eine im Speisegerät vorgesehene Regel vorrichtung einwirken, gegebenenfalls nach dem sie durch Gleichrichtung in eine Gleich spannung oder einen Gleichstrom übergeführt worden sind.
Fig. 3 stellt ein Speisegerät mit Gleich richtern dar, das in erfindungsgemässen Ein- richtungen benutzt werden kann. Die Ano denspannung für die Gleichrichterröhren 19 und 20 wird von einem Transformator 21 erzeugt. Die Kathoden werden mit dem Transformator 22 geheizt. In Reihe mit der Primärwicklung des Transformators 21 sind zwei Drosselspulen 23 und 24 vorgesehen, die je mit einer Hilfswicklung versehen sind. Diese Hilfswicklungen sind im Vergleich zu den Hauptwicklungen gegeneinander geschal tet und befinden sich im Gleichstromkreis des Speisegerätes. Infolge der Gegenschal tung werden in diesem Kreise somit keine Wechselspannungen erzeugt.
Die Hilfswick lungen dienen gleichzeitig als Glättungen oder Beruhigungsspulen und wirken dazu mit den Glättungskondensatoren 25 und 26 zwecks Abflachung des gelieferten Gleich- siromes zusammen. Je nach der Zunahme des vom Speisegerät abgenommenen Gleich stromes werden die Eisenkerne der Drossel spulen 23 und 24 gesättigt, so dass ihre Selbstinduktion abnimmt. Dadurch hat die Spannung zwischen den Klemmen des Trans formators 21 die Neigung zuzunehmen, und man kann es nun so einrichten, dass die vom Speisegerät erzeugte Gleichspannung kon stant bleibt oder sogar zunimmt, wenn der abgenommene Gleichstrom ansteigt.
Wenn also gemäss einem Ausführungs beispiel der Erfindung der Speiseapparat 6 in Fig. 1 beispielsweise wie in Fig. 3 kon struiert ist, dann kann also erreicht werden, dass die Anodenspannung bei zunehmender Steuerung sich nicht oder kaum senkt, so dass keine oder nur eine geringe Verschiebung des Arbeitspunktes auf der Steuercharak teristik der Entladungsröhren 1 und 2 statt findet. Eine mit dem beschriebenen Apparat verbundene Schwierigkeit besteht darin, dass er ziemlich kostspielig wird. Die Vorteile des geringeren Anodenstromverbrauches in folge der Einstellung der Gegentaktröhren auf den untern Teil ihrer Kennlinien werden von den strengen Anforderungen, die zur Erzielung einer hinreichend geringen Ab nahme der Anodenspannung zu stellen sind, praktisch wieder aufgehoben.
Eine weitere Schwierigkeit ist die, dass die Kompensierung oft nicht genügend rasch arbeitet, besonders im Zusammenhang mit der verhältnismässig erheblichen Zeitkon stante des Apparates. Die Selbstinduktion der Drosselspulen 23 und 24 ist unter ande rem die Ursache, dass bei plötzlich erhöhter Stromabnahme der Kondensator 26 nicht ge nügend rasch wieder aufgeladen wird, so dass die Anodenspannung doch noch einige Augenblicke unter den zulässigen Wert ab fällt. Bei plötzlicher starker Zunahme der Steuerung (wie sie in der Musik vorkommen kann), entsteht dann bisweilen doch noch kurzzeitig eine unzulässige Verzerrung.
Die Verzerrung infolge der Abnahme der Anodenspannung kann auch dadurch verhin dert werden, dass nicht die Spannungs abnahme selbst vermieden wird, sondern dass die Folgen dieser Abnahme kompensiert @@-erden, was sieh dadurch erzielen lässt, dass die negative Gittervorspannung entsprechend der Abnahme der Anodenspannung herab gesetzt wird, so dass .der Arbeitspunkt der beiden Gegentaktröhren doch auf der ge- ,N ünschten Stelle bleibt.
Die Verminderung der negativen Gitter- vorspannung lässt sich mit einer zusätzlichen Gitterspannung erzielen, welche der negativen Gittervorspannung entgegenwirkt. In dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird mit Hilfeeines Transforma tors 27 und eines Gleichrichters 28 ein klei rer Teil der vom Verstärker abgegebenen Energie gleichgerichtet und mit dem Kon densator 30 geglättet, und die so erzielte Gleichspannung wird. in Reihe mit der Git- tervorspannungsbatterie 5 an den Widerstand 29 gelegt, und zwar in Gegenschaltung zu der Batteriespannung.
Es reicht zu diesem Zweck aus, nur eine halbwellige Gleichrich tung anzuwenden, wie sie in der Zeichnung dargestellt ist. Indessen ist auch die doppel wellige Gleichrichtung möglich; sie hat den bekannten Vorteil einer leichteren Glättung der erzeugten Gleichspannung.
Die durch den Gleichrichter 28 gleich gerichteten Schwingungen kann man auch von den unverstärkten Schwingungen statt von den verstärkten Schwingungen (wie es in Fig. 4 der Fall ist) ableiten. Die Schwie rigkeit ist dann aber natürlich, dass man weniger Energie zur Verfügung hat. Aus diesem Grunde ist die in Fig. 4 dargestellte Einrichtung vorzuziehen.
Das Übersetzungsverhältnis des Transfor mators 27 und der Wert des Widerstandes 29 richten sich nach den Eigenschaften des Speisegerätes 6, das heisst nach der Span nungsabnahme dieses Gerätes. Da der Strom in der Primärwicklung des Transformators 27 dem Strom in der Primärwicklung des Ausgangstransformators 4 proportional ist und letzterer wieder dem von dem Speise gerät 6 gelieferten mittleren Anodenstrom proportional ist, ist die zusätzliche Steue rung, welche am Widerstand 29 entsteht, im wesentlichen proportional dem mittleren Strom, welchen das Speisegerät 6 zu liefern hat. Diese Verhältnisse machen es sehr leicht, die Folgen der unerwünschten Span nungsabnahme zu kompensieren und deren Grösse ungefähr dem Betrage des von dem Speisegerät gelieferten Stromes proportional zu halten.
Eine Überkompensierung lässt sich nach dieser Schaltung sehr leicht erzielen.
Es ist möglich, die Zeitkonstante des Gleichrichterkreises mit dem Kondensator 30 kleiner als die Zeitkonstante der Glättungs elemente des Speisegerätes 6 zu wählen, so dass die Kompensierung der Gittervorspan nung unter allen Umständen genügend rasch erfolgt. Aus diesem Grunde hat die Schal tungsanordnung nach Fig. 4 bestimmte Vor teile gegenüber der Anwendung eines Speise gerätes nach Abb. 3. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass in Fig. 4 das Speisegerät 6 mit sehr geringen Kosten konstruiert wer den kann, weil es nicht mehr den sehr hohen Anforderungen hinsichtlich der geringen Spannungsabnahme zu genügen hat.
Die Verbesserung, welche sich mit einer solchen zusätzlichen Steuerung, die im Ver gleich zu der bereits vorhandenen negativen Gittervorspannung nur verhältnismässig ge- ring ist, erzielen lässt, ist, wie die Versuche gezeigt haben, recht bemerkenswert.
Die Wirkung der eben beschriebenen Ein richtung weicht vollkommen von der Ein richtung nach der britischen Patentschrift Nr. 355346 ab. Tatsache ist, dass die eben beschriebene Einrichtung vorteilhaft auf Sy- sf.eme gemäss der britischen Patentschrift angewendet werden kann. In diesem Fall sind zwei Stromkreise mit Gleichrichtern vor handen. Jeder dieser Gleichrichterkreise hat seine eigene Funktion; die Wirkungen der beiden Gleichrichterkreise haben nichts mit einander zu tun.
Sowohl die Einstellung wie die Anforderungen, denen die beiden Gleich- ri chterkreise zu genügen haben, sind eben falls durchaus verschieden.
Eine negative Gitterspannung, welche Entsprechend der Abnahme .der Anodenspan nung vermindert wird, kann auch dadurch erzielt werden, dass die negative Gittervor- spannung unmittelbar von der Anodenspan nung selbst abgeleitet (bezw. von dieser ge steuert) wird, beispielsweise gemäss .dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dort ist an das Anodenspeise gerät 6 ,eine im Verhältnis zu den Gegentakt röhren 1 und 2 verhältnismässig kleine Oszil- 1 torröhre 31 mit einem Schwingungskreis 33 angeschlossen.
Die Röhre 31 erzeugt Schwin gungen einer vorzugsweise hohen Frequenz. Diese Schwingungen werden mit Hilfe der S S pule 34, welche mit der Spule des greises 33 gekoppelt ist, abgenommen und mit Hilfe des Gleichrichters 28 und des Kondensators 30 gleichgerichtet und geglättet, so dass am Widerstand 29 eine Gleichspannung entsteht.
Diese Gleichspannung bildet die zusätzliche negative Gittervorspannung für die Gegen taktröhren 1 und 2.
Wenn die Spannung des Speisegerätes 6 abnimmt, wird auch die Amplitude der Schwingungen des Hilfsoszillators 31 abneh men und infolgedessen auch die zusätzliche negative Gittervorspannung für die Röhren 1 und 2, so dass diese immer auf den erwünsch ten Teil ihrer Kennlinien eingestellt bleiben. Es ist sehr leicht, auf diese Weise den erwünschten Zusammenhang zwischen der Spannungsabnahme des Speisegerätes und der Abnahme der negativen Gittervorspan nung zu erzielen.
Es lassen sich verschiedene Verhältnisse erreichen, indem ausser der nach obigen Ausführungen erzeugten Gittervor- spannung noch eine Batterie 5 vorgesehen wird, welche mitwirkend oder gegenwirkend geschaltet ist.
Es können auch die Schaltungen nach Fig. 4 und Fig. 5 miteinander vereinigt wer den, indem die gemäss Fig. 4 erzielte, gleich gerichtete Spannung den Oszillator gemäss Fig. 5 steuert. In diesem Fall kann man den Oszillator statt mit dem Speisegerät 6 auch mit einer andern Stromquelle speisen, wozu gegebenenfalls die Batterie 5 dienen kann. Diese Einrichtung hat aber die Schwierig keit, dass sie verhältnismässig kompliziert ist, obwohl mit ihr unter bestimmten Umständen wichtige Vorteile erreicht werden können.
Auch die Einrichtungen nach Fig. 3 und 4. können kombiniert werden, indem der ge mäss Fig. 4 erzielte Gleichstrom die Hilfs wicklungen der Regeldrosselspulen 23 und 24 beeinflusst (gegebenenfalls unter Zwischen schaltung eines Verstärkers). Statt der Dros selspulen können auch andere Regelvorrich tungen Anwendung finden.
Obwohl die Beschreibung übersichtlich keitshalber von der Anwendung von Ent ladungsröhren mit elektrischer Steuerung ausgeht, können auch Entladungsröhren mit magnetischer Steuerung angewendet werden.