Amplitudenbegrenzer für Trägerwellensignale. Die Erfindung bezieht sich auf Ampli- tudenbegrenzer für Trägerwellensignale. Von den zahlreichen vorgeschlagenen Amplituden begrenzern, dürfte derjenige, welcher mit Gittergleichrichtung arbeitende Elektronen röhren verwendet, wegen seiner zahlreichen Vorteile der zweckmässigste sein.
Diese Vor teile bestehen vor allem in der Schnelligkeit und Gleichmässigkeit der Amplitudenbegren- zung, in der Einfachheit und der leichten Ein- atellbarkeit der Anordnung, weiterhin darin, dass die Anordnung selbst die Gittervorspan- nung für die Röhren erzeugt, so dass die mit verschiedenen Nachteilen verbundene feste Vorspannung überflüssig wird, sowie schliess lich darin, dass die Anordnung keine Neutrali sation erfordert.
Die bekannten Amplitudenbegrenzer die ser Art haben jedoch den Nachteil, dass die Amplitudenbegrenzung, obgleich sie schneller vor sich geht als bei den meisten andern Am plitudenbegrenzern, doch zeitlich verhältnis mässig spät wirksam wird, weil der Gitter- ableitwiderstand und der Gitterkondensator notwendigerweise so gross ist, dass die Anord nung eine ansehnliche Zeitkonstante erhält. Daher werden vorübergehende Störspannun gen einerseits nur unvollkommen begrenzt, während anderseits die Ausgangsleistung der Anordnung nach dem Eintreffen einer grossen kurzzeitigen Störspannung auf längere Zeit stark herabgesetzt wird.
Jeder Versuch der Verminderung der Zeitkonstanten des Gitter- kondensators und des Gitterableitwiderstan- des setzt die Empfindlichkeit der Anordnung im ganzen Bereich ihrer Wirksamkeit herab und erhöht den Schwellwert der Amplituden begrenzung.
Gemäss der Erfindung sind bei einem Am plitudenbegrenzer, der zwei im Gegentakt ge schaltete Elektronenröhren und einen dem Eingangskreis beider Röhren gemeinsamen Widerstand aufweist, welcher zu der durch Gittergleichrichtung erfolgenden Erzeugung einer ihre Grösse in Abhängigkeit von der Amplitude der einkommenden Trägersignale ändernden Vorspannung dient, der Wert R des Widerstandes, ferner eine Konstante A, welche gleich dem Wert des Gitterstromes bei einer Gittergleichspannung von einem Volt ist, sowie diejenige Gittervorspannung E,, bei welcher der Anodenstrom abgeschnitten wird, derart bemessen,
dass das Produkt 2 RA
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einen Wert zwischen 35 und 40 hat, wobei Spannungen, Ströme und Widerstände in Volt bzw. Ampere und Ohm zu messen sind.
Die Erfindung wird an Hand der Zeich nung beispielsweise näher erläutert.
Fig. 1 der Zeichnung ist eine teilweise schematische Darstellung eines Empfängers für den Empfang frequenzmodulierter Trä gersignale, bei dem ein erfindungsgemässer Amplitudenbegrenzer in beispielsweiser Aus führung angewendet ist.
Fig. 2 ist ein Diagramm, welches das Ver hältnis zwischen Anodenstrom und Gitter- spannung für jede der in Fig.1 dargestellten Röhren des Amplitudenbegrenzers zeigt, wäh rend Fig. 3 die Ausgangscharakteristik des Amplitudenbegrenzers veranschaulicht.
Der Empfänger gemäss Fig.1 enthält einen Hochfrequenzverstärker 10, dessen Eingangs kreis an die Antennenanordnung 11, 12 an geschlossen ist und dessen Ausgangskreis mit einem Oszillator-Modulator 13 verbunden ist.
An diesen schliessen sich ein ein- oder mehr stufiger Zwischenfrequenzverstärker 14, ein weiter unten näher beschriebener Amplitu- denbegrenzer 15, ein Frequenzgleichrichter und selbsttätiger VerstärkLUigsregler 16, ein ein- oder mehrstiüiger Niederfrequenzverstär- ker 17 und ein Lautsprecher 18 an.
Der selbsttätige Verstärkungsregler wirkt über die Leitung 34 auf den Eingangskreis einer oder mehrerer der. Vorrichtungen 10, 13 und 14.
Die oben erwähnten Teile des Empfängers sind, mit Ausnahme des Amplitudenbegren- zers, von üblicher Art, so dass es nicht erfor derlich ist, sie näher zu beschreiben. Es sei daher nur kurz erwähnt, dass die empfange nen Signale im Hochfrequenzverstärker 10 verstärkt und im Oszillator-Modulator in Zwischenfrequenzsignale umgewandelt wer den, welche der Zwischenfrequenzverstärker 14 verstärkt und dem Amplitudenbegrenzer zuführt.
Aus diesem gelangen sie zum Fre- quenzgleichrichter 16, in welchem die Ire- quenzmodulierten Signale erst in amplituden- modulierte Signale umgewandelt und dann durch Gleichrichtung demoduliert werden, worauf die so gewonnenen Niederfrequenz signale über den Verstärker 17 dem Lautspre cher 18 zugeführt werden.
Der Amplitudenbegrenzer 15 besteht aus zwei Elektronenröhren 19, 20 mit vorbestimm ter Gittergleichrichtungs-Charakteristik und ebenfalls vorbestimmter Eingangsspannung- Ausgangsstrom-Charakteristik, welche so be schaffen ist, dass die Röhren den Anoden strom beim Erreichen einer bestimmten Git terspannung ganz plötzlich abschneiden. Die Eingangselektroden der Röhren 19 und 20 sind je für sich an einen gesonderten Eingangs- kreis angeschlossen, der je aus einer Hälfte der Sekundärwicklung eines Eingangstrans formators 22 besteht.
Die Sekundärwicklung 21 ist mittels des Kondensators 23 auf die Mittelfrequenz der dem Transformator zuge führten Signale abgestimmt. Die mit den einzelnen Hälften der Sekundärwicklung 21 des Transformators parallel geschalteten Wi derstände 24, 24 dienen zur Verbreiterung der Resonanzkurve des abgestimmten Krei ses 21, 23.
Über einen den Eingangskrei sen beider Röhren gemeinsamen Widerstand 25 entsteht infolge der Gittergleichrichtung der einkommenden Signale eine von der Stärke dieser Signale abhängige Gittervor- spannung. Die Zwischenelektrodenkapazitä- ten zwischen den Eingangselektroden der Röh ren 19, 20 sind durch die gestrichelt gezeich neten Kondensatoren 26 und 26' angedeutet, während der gestrichelt gezeichnete Konden sator 27 die Kapazität der Mittelanzapfung der Sekundärwicklung 21 gegen Erde andeu tet.
Diese Kapazitäten können allerdings teil weise auch schon in den verteilten Kapazitä ten der beiden Eingangskreise inbegriffen sein.
Die Ausgangselektroden der Röhren 19 und 20 sind je für sich an Ausgangskreise an geschlossen, welche je eine Hälfte der Primär wicklung 28 eines Ausgangstransformators 29 umfassen, dessen Sekundärwicklung mit dem Frequenzgleichrichter 16 verbunden ist. Die Primärwicklung 28 ist durch den Kondensator 30 auf die Mittelfrequenz der dem Ampli- tudenbegrenzer zugeführten Signale abge stimmt und die Resonanzkurve dieses abge stimmten Kreises wird durch die Widerstände 31 und 32 verbreitert, welche mit je einer Hälfte der Primärwicklung 28 parallel ge schaltet sind. Die Anodenspannung der Röh ren 19, 20 liefert eine Spannungsquelle 33.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich, sind die Röhren 19, 20 durch die genannten Eingangs und Ausgangskreise im Gegentakt geschaltet.
Es ist offenbar, dass an den Steuergittern der Röhren 19, 20 in Abwesenheit von ein kommenden Signalen keine Vorspannung liegt. Wenn nun ein verhältnismässig schwaches Signal eintrifft, wird durch das Steuergitter jeder Röhre je eine Halbwelle des Signals gleichgerichtet, und am Widerstand 25 ent steht eine negative Vorspannung. Diese Vor spannung, welche die durch die Kondensa toren 26, 26' und 27 angedeuteten Eigen kapazitäten auflädt, wächst so lange an, bis das Gitter eine solche Vorspannung erhält, welche eine Spitzengleichrichtung des ein kommenden Signals zur Folge hat. Dieser Vorgang nimmt gewöhnlich nur einige Perio den des einkommenden Signals in Anspruch.
Im Diagramm gemäss Fig.2 ist auf der Abszisse die Gittervorspannung und auf der Ordinate der Anodenstrom einer der beiden Röhren 19, 20 aufgetragen. Die Achse 0-0 bezeichnet die Stelle, an welcher die Gitter vorspannung den Wert Null hat. Die Ordi nate a-a ist die Schwingungsachse der den Steuergittern der Röhren zugeführten Träger- signale.
Diese Achse liegt in einem Abstand von der Achse 0-0, deren Grösse gleich der am Widerstand 25 infolge der Gittergleichrich- tung erzeugten Vorspannung el ist. Da die Amplitude der einkommenden Zeichen den geraden Teil der Röhrenkennlinie nicht über schreitet, wird das Zeichen linear verstärkt und erscheint im Ausgangskreise in Form der i unverzerrten Kurve c.
Die durch die Eigen kapazitäten 26, 26' und 27 und den Wider stand 25 bestimmte Zeitkonstante des Ein gangskreises ist in der Grössenordnung von 1-2 Mikrosekunden und erstreckt sich daher beispielsweise über 3-5 Perioden des Ein gangssignals, wenn dessen Frequenz etwa 3 MIIz beträgt. Infolgedessen kann die am Widerstand 25 entstehende Vorspannung als innerhalb jedes beliebigen Abschnittes des ein kommenden Zeichens praktisch konstant ange sehen werden.
Wenn sich nun die Amplitude des einkom menden Zeichens vergrössert, entsteht am Wi derstand 25 infolge der Gittergleichrichtung ,der Zeichenspitzen eine grössere Vorspannung. Zum Beispiel liefert die Gittergleichrichtung des durch die Kurve d dargestellten Zeichens eine Vorspannung e., welche beide Röhren während eines Teils jeder Signalperiode sperrt, so dass nur ein Teil jeder positiven Halbwelle des Signals verstärkt wird und im Ausgangskreis jener Röhre daher eine durch die Kurve e veranschaulichte Schwingung er scheint.
Da die Röhren 19 und 20 im Gegen takt geschaltet sind, haben die Ausgangslei stungen der Röhren einen Phasenunterschied von 180 , und infolgedessen erhält man im ab gestimmten Ausgangskreis 28, 30 ein Signal, welches aus den Kurven e und e' zusammen gesetzt ist. Der abgestimmte Kreis sondert c die Grundfrequenz dieser Schwingung aus, welche durch die gestrichelte Kurve f darge stellt ist, und führt diese über den Ausgangs transformator 29 dem Frequenzgleiehrichter 16 zu.
Sollte sich die Amplitude des einkommen den Zeichens noch weiter vergrössern, wie durch die Kurve g dargestellt, dann entsteht am Widerstand 25 eine noch grössere Vor spannung e3, und infolgedessen erscheinen im, Ausgangskreis jeder Röhre noch kleinere Teile dieser positiven Halbwelle des Zeichens, wel che durch die Kurven<I>h, h'</I> dargestellt sind. Hierbei wird ebenfalls die durch die Kurve 1c dargestellte Grundfrequenz dieser Schwin gung ausgesondert und dem Frequenzgleieh- richter 16 zugeführt.
Der Widerstand 25 ist, wie oben erwähnt, im Verhältnis zu gewissen Betriebswerten der Röhren 19 und 20 so bemessen, dass die Ampli tude der Grundschwingung der im Ausgangs kreis der Röhren erscheinenden Signale prak tisch konstant ist für alle Werte der einkom menden Zeichen, welche denjenigen Wert übersteigen, der erforderlich ist, um eine das Sperren der Röhren während eines Teils jeder Periode der Zeichen bewirkende Vorspannung zu, erzeugen. Infolge dieser Bemessung des Widerstandes ist die Übertragungscharakteri stik des Begrenzers im wesentlichen konstant. für alle Werte des einkommenden Zeichens, welche den vorhin erwähnten Wert überstei gen.
Es wird bemerkt, dass der Faktor 2 in der eingangs angegebenen Gleichung darauf zurückzuführen ist, dass der Widerstand 25 theoretisch als aus zwei parallel geschalteten Widerständen zusammengesetzt angesehen werden muss, von denen je einer im Eingangs kreis jeder der Röhren 19 und 20 liegt.
Auf empirischem Wege wurde gefunden, dass in dem Fall, dass das Produkt 2 RA .lEe in welchem. R der Wert des Widerstandes 25 ist, A eine aus der Gitterspannung-Gitter- strom-Charakteristik der Röhre abgeleitete Konstante darstellt, deren Grösse gleich dem Wert des Gitterstromes bei einer Gittergleich- spannung von einem Volt ist, und E, diejenige Gittervorspannung angibt, bei welcher der Anodenstrom der Röhren abgeschnitten wird,
einen Wert zwischen 35 und 40 hat, der Be grenzer eine konstante Übertragungscharakte ristik für alle Werte des einkommenden Si- gnals zwischen 0,6 E, und 10 E, , das heisst zwischen -4 db und -f-20 db hat.
In der obigen Formel sind die Werte für Spannun gen, Ströme und Widerstände in Volt bzw. Ampere bzw. Ohm einzusetzen. m einer kon kreten Ausführungsform hatten die genann ten Grössen z. B. die folgenden Werte- R - 50 000 A =<B>2,6.</B> 10-4 E, - 2,35 Mit Einsetzung dieser Zahlen in den Aus druck 2 RA VZ ergibt sich der entspre chende Wert desselben zu 39,85.
Die an den Enden der Sekundärwicklung 21 des Eingangstransformators erscheinende Zeichenspannung verteilt sich im wesentlichen gleich über die Kapazitäten 26 und 26' des Eingangskreises, da letztere annähernd gleich sind. Aus diesem Grunde wird die Grösse der den Eingangselektroden der Röhren 19 und 20 zugeführten Signalspannung durch die Ein schaltung des Widerstandes 25 in dem ge meinsamen Teil der beiden Eingangskreise nicht merklich beeinflusst.
In Fig.3 stellt die ausgezogene Kurve x die Übertragungscharakteristik des beschrie benen Amplitudenbegrenzers dar. Wie er sichtlich, steigt die Ausgangsleistung des Be grenzers bis zum Punkt m, in welchem die Be grenzung einsetzt, sehr schnell an, bei über diesen Punkt hinausgehenden Signalstärken bleibt jedoch die Ausgangsleistung praktisch unverändert.
Der steile Verlauf des Teils <I>o</I> nt, der Kurve zeigt, dass der Begrenzer Zeichen, deren Stärke unterhalb des Schwell- wertes für die Begrenzung bleibt, in grossem Masse verstärkt, sowie dass die Begrenzung schon bei einer verhältnismässigen kleinen Amplitude der einkommenden Signale ein setzt.
Beide ebengenannten Eigenschaften des Begrenzers sind sehr erwünscht. Falls der Wert des Widerstandes 25 zu klein ist, steigt die Übertragungscharakteristik des Begren zers auch bei höheren Werten der Signal stärke noch an, wie dies durch die Kurve y angedeutet ist. Ein zu grosser Wert des Wi derstandes 25 hat dagegen zur Folge, dass die Ausgangsleistung des Begrenzers nach dem Einsetzen der Begrenzung sehr schnell abfällt, wie dies die Kurve z zeigt.
Die am Ausgang des Empfängers für fre- quenzmodulierte Trägersignale zur Geltung kommenden Störungen sind von der Natur der Störspannung, der Bandbreite und der Symmetrie der Verstärkerstufen einschliess lich des Niederfrequenzverstärkers von etwai gen Ausgleichschaltungen im Niederfrequenz verstärker sowie von der Arbeitsweise des Amplitudenbegrenzers abhängig. Der Begren zer ist dann gut, wenn er auch kurzzeitige Stö rungen nicht überträgt.
In einem vollständig ausgeglichenen Frequenzgleichrichter rufen Amplitudenänderungen in Abwesenheit einer Frequenzmodulation keine niederfrequente Ausgangsleistung hervor, aber während der die gewünschte Frequenzmodulation begleiten den Frequenzschwankungen auftretende plötz liche Amplitudenänderungen erzeugen eine Störleistung im Ausgangskreis, deren Grösse vom Produkt der augenblicklichen Frequenz abweichung und der Amplitudenänderung des dem Frequenzgleichrichter zugeführten Si gnals abhängt.
Die Aufgabe des Begrenzers besteht nun darin, die Ausgangsamplitude des Trägerzeichens so konstant wie möglich zu halten; das Mass der auf den Frequenzgleieh- richter übertragenen Amplitudenschwankun- gen ist ein Mass für die Güte des Begrenzers. Die bekannten Amplitudenbegrenzer über tragen schnelle Amplitudenänderungen in einem ziemlich hohen Masse und verursachen überdies sogar zusätzliche hörbare Störungen, die dann entstehen, wenn die Begrenzung ein setzt.
Demgegenüber sind die hörbaren Stö rungen bei Anwendung des beschriebenen Be grenzers äusserst gering. Die verbesserte über tragungscharakteristik des Begrenzers beruht zum grössten Teil auf der äusserst kleinen Zeitkonstanten des Eingangskreises der Röh ren. Diese Zeitkonstante hängt vom Wider stand 25 und von den Eigenkapazitäten 26, 26' und 27 ab. Infolgedessen wird die Über tragungscharakteristik des Begrenzers durch jede Verminderung der Eigenkapazitäten der Eingangskreise sehr verbessert, und zum Un terschied von bekannten Begrenzern kann hier der mit dem Gitterableitwiderstand normaler weise parallel geschaltete Kondensator ganz in Fortfall kommen.