DE1006902B - Elektronischer Schwingungserzeuger - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Schwingungsgeneratoren oder Oszillatoren mit veränderbarer Frequenz und insbesondere auf solche Generatoren, die in bezug auf die ausgewählte Arbeitsfrequenz relativ stabil und über weite Frequenzbereiche abstimmbar sind.

In den USA.-Patenten 2 268 872, 2 583 649 und 2 583 943 (W. R. Hewlett) sind Schwingungsgeneratoren angegeben, die über einen weiten Frequenzbereich einstellbar sind und einen relativ hohen Grad von Frequenzstabilität aufweisen. In allen diesen Schaltungen ist eine zweistufige Verstärkerschaltung mit positiver Rückkopplung über eine Wiensche Brücke vorgesehen, welche Widerstands- und Kapazitätselemente enthält und ein frequenzbestimmendes Netz für den Oszillator darstellt. In einem Brückenarm, der zugleich die Kathodenleitung der ersten Verstärkerstufe ist, ist bei diesen Schaltungen ein wärmeempfindlicher Widerstand vorgesehen. Dieser Widerstand begrenzt mittels einer negativen Rückkopplungswirkung die Amplitude der Schwingung auf einen Pegel, bei welchem der Verstärker noch linear arbeitet. Wenn die Brücke im Gleichgewicht ist, ergibt er somit eine gleichzeitige Bestimmung von Frequenz und Amplitude der Schwingung.

Ältere Oszillatoren der vorerwähnten Art weisen bestimmte Eigenschaften auf, die für einen Allzweck-Laboratoriumsoszillator erwünscht sind, nämlich einen weiten Abstimmbereich mit relativ guter Frequenzstabilität, aber sie ergeben nicht die erwünschte Stabilität in bezug auf Änderungen der Belastung. Somit sind sie auf Grund von Veränderungen der Belastungsverhältnisse Veränderungen der Ausgangsspannung, Frequenzverschiebungen und Verzerrungen ausgesetzt. Auch sind sie nicht gut geeignet, entweder eine symmetrische oder eine unsymmetrische Ausgangsspannung zu liefern.

Insbesondere ist ein elektrischer Schwingungserzeuger mit symmetrischer Rückkopplung eines Gegentaktoszillators über Widerstände und Kondensatoren bekannt, bei dem eine Gegenkopplung über zum Teil stromabhängige Widerstände erfolgt. Der eine der beiden Rückkopplungswege ist auf die gewünschte Arbeitsfrequenz abstimmbar, während der andere ein wärmeempfindliches Element zum Begrenzen der Schwingungsamplitude enthält. Ein gewisser Nachteil liegt hierbei jedoch in dem verhältnismäßig hohen Aufwand an Schaltungselementen, der darauf zurückzuführen ist, daß jeder der beiden Rückkopplungswege auf beide Röhren des Gegentaktverstärkerkreises wirkt.

Es sind auch Vorschläge von Schwingungserzeugern bekannt, bei denen eine Rückkopplung und eine Gegenkopplung durch eine Brückenschaltung vorge-Elektronischer Schwingungserzeuger

Anmelder:

Hewlett-Packard Company,
Palo Alto, Calif. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. F. Werdermann, Patentanwalt,
Hamburg 1, Ballindamm 26

Bernard More Oliver, Palo Alto, Calif. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

sehen sind, die ein wärmeempfindliches Element oder einen stromabhängigen Widerstand aufweist, der nicht vom Kathodenstrom einer Röhre durchflossen wird.

Eine Gegentaktschaltung ist hierbei jedoch nicht vorgesehen.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Oszillator zum Erzeugen ausgewählter Frequenzen, der relativ stabil und über einen weiten Frequenzbereich abstimmbar ist und einen Gegentaktverstärkerkreis sowie zwei Rückkopplungsstromkreise aufweist, welche eine Gegentaktrückkopplungsverbindung zwischen Ausgang und Eingang bilden. Erfindungsgemäß ist jeder der beiden verschiedenartigen Rückkopplungskreise mit nur einer der beiden den Gegentaktverstärkerkreis bildenden Röhren verbunden; der eine der Rückkopplungskreise ist auf die gewünschte Arbeitsfrequenz abstimmbar, während der andere ein wärmeempfindliches Element zum Begrenzen der Schwingungsamplitude enthält, das so geschaltet ist, daß sein Heißwert allein durch den Schwingstrom bestimmt wird. Ein Vorzug des Schwingungserzeugers gemäß der Erfindung liegt zunächst darin, daß der bei ihm erforderliche Aufwand trotz hoher Leistung verhältnismäßig gering ist, da er gegenüber einer Schaltung, bei welcher die Rückkopplungskreise auf beide Röhren des Gegentaktverstärkerkreises wirken, weniger Schaltelemente erfordert.

Ein weiterer Vorteil des neuen Schwingungserzeugers liegt vor allem darin, daß er im Vergleich zu den bisherigen, nach Art einer Wienschen Brücke geschalteten Oszillatoren einen besonders weiten Abstimmungsbereich, insbesondere nach den niedrigen Frequenzen hin, aufweist.

Der Oszillator gemäß der Erfindung zeichnet sich durch eine hohe Reinheit der Ausgangswellenform aus_; die über einen sehr weiten Bereich von Belastungsverhältnissen im wesentlichen von Laständerungen unbeeinflußt bleibt.

ΤΟβι 5W/292

Auch die Schwingung^ frequenz bleibt bei einem Oszillator gemäß der Erfindung über sehr weite Bereiche von Belastungsverhältnissen, von Laständerungen unbeeinflußt.

Weiterhin läßt sich ein Wienscher Brückenoszillator gemäß der Erfindung so ausbilden, daß er einen Ausgangspegel hat, der über einen weiten Bereich von Belastungsverhältnissen von Veränderungen der Last im wesentlichen unbeeinflußt bleibt, ohne daß es dabei eines Pufferverstärkers bedarf.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren Einzelheiten an Hand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild zur Erläuterung einer Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 2 zeigt ein Schaltbild zur Erläuterung einer Wienschen Brücke mit einem nicht linearen Widerstand ;

Fig. 3 zeigt ein Schaltbild zur Erläuterung einer anderen Ausführungsform gemäß der Erfindung.

In der Hauptsache verwendet die vorliegende Erfindung eine Gegentaktschaltung, bei der keine der Brükkenklemmen geerdet ist und bei der ein wärmeempfindliches Element als ein Teil der Brückenschaltung vor-

ristik hat. Die Widerstände 27 und 28 sind die Anodenwiderstände der Röhren 20 bzw. 21; sie sind, wie dargestellt, an eine geeignete Anodenspannungsquelle angeschlossen. Die Kathodenfolgestufe umfaßt Kathodenwiderstände 29 und 30, die zwischen die Kathoden der Röhren 22 und 23 gelegt sind, und eine Quelle negativen Potentials, die in Fig. 1 mit —120 V bezeichnet ist. Die beiden Primärwicklungen des Transformators 43 liegen in Reihe mit Widerständen

ίο 29 bzw. 30, und die an jeder Primärwicklung feststellbare Impedanz erscheint somit in dem Kathodenkreis der Röhren 22 und 23. Die Bremsgitter der Röhren 22 und 23 sind an das Kathodenpotential gelegt, und die beiden Kathodenspannungen sind über Leitungen 31 und 32 zu den Rückkopplungskreisen 11 und 12 geführt. Die Widerstände 33 und 34 sind die Anodenwiderstände der Röhren 22 bzw. 23. Zwischen den Röhren 22 und 23 ist durch die Leitungen 35 und 36 von den Anoden her zu den Schirmgittern ein positiver Gegentaktrückkopplungskreis vorgesehen. Die Widerstände 39 und 40 sind zwischen die Anoden der Röhren 22 bzw. 23 und die Anoden der Röhren 21 bzw. 20 geschaltet. Die Kondensatoren 41 und 42 sind zwischen die Anoden der Röhren 22 bzw. 23 und

gesehen ist. Wenn diese Anordnung mit einer Brücken- 25 Erde geschaltet,

schaltung" kombiniert wird, welche im Gleichgewichts- Der Ausgang des Verstärkerkreises 10 erscheint an

zustand die Spannung Null zwischen ihren beiden den Kathoden der Röhren 22 und 23 und wird der

Ausgangsklemmen und Erde aufweist, so beeinflussen Primärwicklung des Transformators 43 zugeführt,

die Restkapazitäten der Brückenschaltungselemente Diese Wicklung ist aufgeteilt, und der Kondensator

gegen Erde bei hohen Frequenzen nicht die Frequen- 30 44 ist mit den beiden Teilen in Reihe geschaltet. Die

zen der Schwingung, weil diese Streuelemente eher in Sekundärwicklung des Transformators 43 speist einen

dem Verstärkerstromkreis als im Nebenschluß zu dem Brückenkreis in Erscheinung treten. Die Benutzung einer Gegentaktschaltung ist auch insofern vorteilhaft, als sie die Verwendung einer positiven Rück kopplung in der Ausgangsveistärkerstufe ohne Notwendigkeit von Transformatoren zwecks Schaffung einer positiven Rückkopplung gestattet.

Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung

üblichen, als Brücke geschalteten. Endabschwächer 45, der, wie dargestellt, veränderbare Widerstände haben kann und zur Pufferung, Glättung oder Dämpfung dienende Reihenwiderstände 61 und 62 aufweist.

Die Frequenz der Schwingung kann durch Verändern der Kondensatoren 46 und 47 in dem Rückkopplungskreis 11 eingestellt werden, die, wie dargestellt, mechanisch gekuppelt sein können. Der

besteht darin, daß ein besonderer Verstärkerkreis 40 Kreis umfaßt ferner einen Widerstand 48 in Reihe mit benutzt werden kann, der in der Endstufe eine posi- dem Kondensator 46 und einem Widerstand 49 partive Gegentaktrückkopplung aufweist. Der Grad der
positiven Rückkopplung ist eine Funktion der Bela

stung ; er nimmt zu, wenn die Lastimpedanz abnimmt,

allel zu dem Kondensator 47, Praktisch können die Widerstände 48 und 49 zweckmäßig stufenweise verändert werden, um Einstellbereiche zu schaffen. Bei

und sucht so die Ausgangsleistung ohne Rücksicht auf 45 Festwiderständen ist es zweckmäßig, durch Kapazidie Last konstant zu halten, und zwar sowohl hin- tätsänderungen im Verhältnis 10:1 nur Frequenzsichtlich der Amplitude als auch hinsichtlich der Rein- änderungen im Verhältnis 10 :1 zu schaffen. Um den heit der Wellenform der Ausgangsleistung. vollen erwünschten Frequenzbereich von 100 000 :1

In Fig. 1 ist ein Schwingungsgenerator mit einem zu schaffen, ist es sehr vorteilhaft, die Widerstände Verstärkerkreis 10, Rückkopplungskreisen 11, 12 und 50 so zu verändern, daß jeder Widerstand einer Freeinem Ausgangskreis 13 gezeigt. Der Verstärkerkreis quenzdekade oder Frequenzverzehnfachung, wie z. B. 10 ist eine ausbalancierte Push-Pull- oder Gegentakt- von 5 Hz auf 50 Hz, entspricht. Die Amplitude der schaltung; er weist eine erste Verstärkerstufe mit Schwingung ist durch den wärmeempfindlichen WiderVakuumröhren 20 und 21 und anschließend eine stand 50 und den Widerstand 51 in dem Rückkopp-Kathodenfolgestufe mit Vakuumröhren 22 und 23 auf. 55 lungskreis 12 auf einen bestimmten Amplitudenwert In der Praxis können die Röhren 20 und 21 solche begrenzt. Dieser Kreis umfaßt auch Kondensatoren der Herstellertype (USA) 6 AC 7 und die Röhren 22 52 und 53, und zwar in Parallelschaltung mit den und 23 solche der Type 6AÜ5 sein, wobei jede Röhre Widerständen50 bzw. 51. Der Oszillatorausgang ereine Anode, ein Bremsgitter, ein Schirmgitter, ein scheint als symmetrische Spannung zwischen den Aus-Steuergitter und Kathodenelemente aufweist. Der 60 gangsklemmen 54 und 55, oder aber es kann durch Verstärkerkreis 10 empfängt seine Eingangsspannung Verbinden einer dieser Klemmen mit der geerdeten an den Steuergittern der Röhren 20 und 21 bzw. über Klemme 56 ein unsymmetrischer Ausgang erhalten die Leitungen 24 und 25. Das Ausgangssignal der werden.

ersten Verstärkerstufe tritt an den Anoden der Roh- Die grundsätzliche Arbeitsweise der Schaltung

ren 20 und 21 auf; dieses Signal wird den Steuer- 65 kann am einfachsten an Hand von Fig. 2 erläutert gittern der Röhren 22 und 23 über eine i?-C-Kopp- werden, in welcher die Rückkopplungskreise 11 und 12 lungsschaltung üblicher Art, die als Stromkreis 26 von Fig. 1 mit bestimmten gegebenen Symbolen der bezeichnet ist, zugeführt. Diese Schaltung soll so aus- Widerstände und Kondensatoren herausgezeichnet gelegt sein, daß sie für den gesamten Frequenzbereich sind. Der Widerstand 49 hat hierbei den Wert R, der des Oszillators eine im wesentlichen flache Charakte- 7° Kondensator 47 den Wert C, der Widerstand 48 den

Wert R/2 und der Kondensator 46 den Wert 2 C erhalten. Zwischen den Leitungen 24 bzw. 25 und Erde sind zusätzliche Widerstände 57 und 58 sowie parallel dazu Kondensatoren 59 bzw. 60 gezeichnet. Diese zusätzlichen Widerstände und Kondensatoren stellen die Streukapazität und die Ableitungswiderstände zwischen den Gittern der Röhren 20 bzw. 21 und Erde dar, wie sie durch die Restkapazität der Drehkörper der Kondensatoren 46 und 47 nach Erde verursacht sein können. Die Grundschaltung ist eine übliche Wiensche Brückenschaltung mit Ausnahme des wärmeempfindlichen Widerstands 50 und der Kondensatoren 52 und 53, die nur Trimmkapazitäten sind und die grundsätzliche Arbeitsweise der Schaltung nicht beeinflussen. Typische Werte für diese Kondensatoren sind etwa 5μμΡ. Die thermische Zeitkonstante des Widerstands 50 ist groß im Vergleich zu der Periode der niedrigsten Schwingungsfrequenz, so daß der Widerstandswert sich nicht merklich während eines Zyklus der Schwingungsfrequenz ändert. Praktisch kann dieser Widerstand durch ein Paar in Reihe geschalteter Glühlampen üblicher Art mit je einer Leistung von etwa 10 W gebildet werden. Bei Betrachtung der Arbeitsweise der Schaltung kann somit dieser Widerstand für jede gegebene, an die Brücke angelegte Spaunungsamplitude V₁ als konstanter, linearer Widerstand angesehen werden.

Die Arbeitsweise der Brückenschaltung gemäß Fig. 2 ist grundsätzlich folgende:

Es sei angenommen, daß die Eingangsspannung V_x zwischen den Leitungen 31 und 32 einen weiten Amplituden- und Frequenzbereich haben kann, aber immer eine rein symmetrische Spannung ist, d. h. daß die Spannung der Leitung 31 in bezug auf Erde immer den gleichen Betrag hat und um 180° gegenüber der Spannung zwischen der Leitung 32 und Erde phasenverschoben ist. Wenn nun die Arbeitsfrequenz für eine festgelegte Amplitude V_x verändert wird, so geht die Ausgangsspannung V₀ zwischen den Leitungen 24 und 25 bei einer Frequenz durch ein Minimum, die nahe derjenigen liegt, bei welcher die Reihenschaltung R/2-2 C eine Impedanz hat, die derjenigen der Parallelschaltung R-C gleich ist. Für eine Spannungs· amplitude, die gerade ausreicht, um den Lampenwiderstand gleich dem Wert des Widerstandes 51 zu machen, geht die Brückenübersetzung, d. h. das Verhältnis von V₀ zu V_x, bei der Frequenz f = 1/2 nRC durch Null. Umgekehrt geht, wenn die Frequenz auf diesen Wert eingestellt und die Amplitude von V_x verändert wird, die Brückenübersetzung durch Null, wenn die Amplitude gerade ausreicht, um den Lampenwiderstand gleich dem Wert des Widerstands 51 zu machen. Für alle höheren oder niedrigeren Amplituden von V_x ist die Brückenübersetzung größer als Null.

Wenn die Brückenausgangsspannung V₀ nun über einen Verstärkerkreis mit beträchtlichem Verstärkungsgrad geführt und der Ausgang des Verstärkerkreises als Größe V_x dem Brückeneingang wieder zugeführt wird, so schwingt das System. Bei sehr kleinen Schwingungsamplituden hat der Widerstand 50 einen niedrigen Wert, und die Brückenübersetzung oder das Brückenverhältnis ist hoch, was darauf hinausläuft, daß dem Brückeneingang eine sich stetig vergrößernde Spannung wieder zugeführt wird. Wenn die Brückeneingangsspannung zunimmt, erwärmt sich jedoch die Lampe 50, und das Brückenverhältnis nimmt ab, bis der Übersetzungsverlust gerade gleich der mit dem Verstärker erzielten Verstärkung ist. Die Schaltung kann so ausgelegt werden, daß im Betrieb die Verstärkerröhren alle auf dem linearen Teil ihrer Charakteristik arbeiten und eine sehr reine Sinuswellenform der Schwingung erhalten wird.

Wenn der \'^rerstärkungsgrad verhältnismäßig hoch ist, sucht die Brücke in der Nähe des Gleichgewichtszustandes mit einem sehr großen Übersetzungsverlust, der der Verstärkung gleich ist, zu arbeiten, und die Spannung V₀ hat daher notwendigerweise nur einen sehr kleinen Wert. Somit ist die Spannung an den Leitungen 24 und 25 jeweils klein, sowohl wenn sie zwischen den Leitungen als auch wenn sie gegen Erde gemessen wird. Infolgedessen wird zweckmäßig der Verstärker 10 praktisch so ausgebildet, daß er einen ziemlich hohen Verstärkungsgrad, beispielsweise in der Größenordnung von 40 db, hat.

Die Auswirkungen einer Streukapazität oder eines Verlust- oder Ableitungswiderstandes entweder zwischen den Leitungen oder nach Erde hin, wie durch die Widerstände 57 und 58 und die Kondensatoren 59 und 60 veranschaulicht, können sehr klein gehalten werden, weil nur die zu verstärkende Spannung an diesen Elementen auftritt und nur ein sehr kleiner Strom sie durchfließen kann. Mit anderen Worten, die Auswirkung einer Streukapazität oder eines Ableitungswiderstandes wird aus dem frequenzbestimmenden Stromkreis verlagert und beeinträchtigt nur die Frequenzabhängigkeit des Verstärkers, die von zweitrangiger Bedeutung ist. Wenn eine unsymmetrische Schaltung verwendet würde, könnten die Streukapazität und der Ableitungswiderstand einen Nebenschluß zu den Brückenarmen bilden und die Oszillatoreinstellung erheblich stören oder es sogar völlig verhindern, manche Frequenzen zu erreichen.

Da sehr hohe Widerstände in der Größenordnung von mehreren Megohm oft in dem frequenzbestimmenden Stromkreis gebraucht werden, können ganz bescheidene Ableitungsstrompfade von beträchtlicher Wichtigkeit sein, wenn der Brückenstrom über sie fließt. Diese Schwierigkeit ist bei der Schaltung gemäß der Erfindung durch die Verwendung eines Brückenkreises ohne geerdete Brückenklemme, der so ausgelegt ist, daß die Ausgangsspannung von jeder Ausgangsklemme nach Erde im Gleichgewichtszustand Null ist, praktisch beseitigt.

Ein weiterer wichtiger Vorteil eines wirklich ausbalancierten Oszillators, d. h. eines Stromkreises, in welchem ein Gegentaktverstärker auf einen Brückenstromkreis folgt, bei dem keine Klemme geerdet ist, ergibt sich bezüglich der Verzerrung, die durch den wärmeempfindlichen Widerstand 50 hereingebracht wird. Die thermische Zeitkonstante der Lampe wird normalerweise in der gleichen Größenordnung wie die Periode der niedrigsten Frequenz, bei der der Oszillator zu arbeiten hat, gewählt. Eine längere Zeitkonstante ist unvorteilhaft in bezug auf Lampenleistung, Erwärmungszeit usw. Statt dessen ist es wirtschaftlicher, mit einer Lampen-Zeitkonstante zu arbeiten, die so kurz ist wie möglich, ohne eine unerwünschte Verzerrung infolge des Aufheizens und Abkühlens der Lampe, also eine entsprechende Widerstandsänderung während eines Zyklus, hereinzubringen. Bei einer unsymmetrischen Schaltung, in welcher die Gleichstromkomponente des Anodenstromes der ersten Verstärkerstufe die Lampe durchfließt, hat der Schwingungsstrom die Wirkung, daß er einem festgelegten Gleichstrom-»Heiß«-Widerstandswert bei niedrigen Frequenzen eine Wechselstromwiderstandsveränderung überlagert. Bei einer Gegentaktschaltung, wie sie in Fig, 1 dargestellt ist, durchfließt die Lampe keine Gleichstromkomponente, und der Lampenwiderstand

bei niedrigen Frequenzen schwankt von dem »Heiß«- Wert aus, der hier allein durch den Schwingungsstrom bestimmt wird. Der Lampenwiderstand wird durch die Temperatur der Lampe bestimmt, die wiederum von der der Lampe zugeführten Leistung abhängt; die Leistung ist proportional dem Quadrat des Stromes, der die Lampe durchfließt. Im Falle, daß Gleichstrom die Lampe durchfließt, ist der Strom in erster Annäherung durch die Funktion (A + sin ω t)

Dies ist eine positive Rückkopplungswirkung und würde, wenn sie zu stark wäre, ein unerwünschtes Selbstschwingen des Verstärkerstromkreises verursachen. Der Grad der Rückkopplung im Verstärker 5 muß genau gewählt werden, um ein solches Schwingen zu vermeiden; dies geschieht durch richtige Auswahl der Widerstände 33, 34, 39 und 40 und durch sorgfältige Kontrolle der Anoden- und Kathodenimpedanzen über den gesamten Frequenzbereich des

mit der thermischen Zeitkonstante der Lampe ein Arbeiten der Gegentaktschaltung bei einer niedrigeren Frequenz ermöglicht wird, als es mit einer unsymmetrischen Schaltung möglich ist.

Wie oben in Verbindung mit Fig. 1 erläutert wurde, sind in dem Verstärkerstromkreis 10 zwei Verstärkerstufen enthalten; die Röhren 20 und 21 bilden eine einfache Spannungsverstärkerstufe. Die Anodenspan-

gegeben, worin A eine Konstante ist. Das Quadrat 10 Oszillators. Wenn die Impedanz von Kathode zu

des Stromes enthält die Ausdrücke Kathode von der Röhre 22 zur Röhre 23 Null ist, so

jj2 _|_ 2A sin co t + sin ²ω ί *^st ^^er Grad der positiven Rückkopplung auf einen

Punkt gerade kurz vor dem Schwingen eingestellt.

und weist somit sowohl die Grundkomponente als Für eine bestimmte Impedanz von Kathode zu Kathode auch die zweite harmonische Komponente der Ver- 15 ist dann der Stromkreis nicht schwingungsfähig, änderung auf, da sin² ω t in eine Konstante plus einer Bei hohen Frequenzen wird eine Zunahme der

zweiten Harmonischen aufgelöst werden kann. Bei lokalen positiven Rückkopplung durch Erniedrigen der der Gegentaktschaltung jedoch ist bekanntlich der Anodenimpedanz der Röhren 22 und 23 durch das Strom einfach sincoi, und das Quadrat des Stromes, Hinzufügen der Kondensatoren 41 und 42 vermieden, nämlich sin² ω t, enthält nur Veränderungen in der 20 welche, als typisches Beispiel, je einen Wert von zweiten Harmonischen. Der Strom, der in der Lampe 100 μμΈ, effektiv in Parallelschaltung zu den Anodenfließ t, die eine Widerstandsänderung erfährt, modu- widerständen 33 und 34 gemessen, haben können, liert oder vermischt sich mit den Widerstandsände- Durch diese Anordnung wird die Rückkopplung in der rungskomponenten, um im Falle der Gegentaktschal- Kathodenfolgestufe davon abgehalten, den Wert 1 zu tung nur einen Verzerrungsausdruck der dritten Har- 25 überschreiten, auch wenn die negative Rückkopplung, manischen, dagegen in einem unsymmetrischen Strom- die durch die Impedanz von Kathode zu Kathode gekreis, wo eine Gleichstromkomponente des Lampen schaffen wird, effektiv beseitigt wird, stromes vorhanden ist, eine Verzerrung sowohl in der Bei sehr niedrigen Frequenzen ist, wenn die Impe-

zweiten als auch in der dritten Harmonischen zu ei- danz von Kathode zu Kathode der Kathodenfolgestufe geben. Das letzte Ergebnis besteht darin, daß für 30 sehr niedrig wird, der Spielraum zwischen zufriedeneine gegebene prozentuale Verzerrung im Vergleich stellendem Arbeiten und Selbstschwingen des Verstärkerkreises 10 klein. In einem Normalfall reicht der Widerstand der Transformatorwicklung aus, ein zufriedenstellendes Arbeiten bei sehr niedrigen Fre-35 quenzen mit einer Kurzschlußbelastung zu ermöglichen. Dämpfungsreihenwiderstände 61 und 62 sorgen auch für eine festgelegte Maximalbelastung in der Sekundärwicklung des Transformators, selbst wenn die Ausgangsklemmen kurzgeschlossen sind. Eine Aufnungen der Röhren 20 und 21 werden an die Steuer- 40 rechterhaltung hoher negativer Rückkopplung durch gitter der Röhren 22 bzw. 23 über eine Gitterschal- Hochhalten der Impedanz von Kathode zu Kathode tung 26 angelegt, und die Röhren 22 und 23 sind bei Gleichstrom ist ebenfalls wichtig zum Verhüten Teil einer besonderen Kathodenfolgestufe, welche eine einer Gleichstromunsymmetrie, d. h. einer festen Spanpositive Gegentaktrückkopplung in den Anodenstrom- nungsdifferenz zwischen den entgegengesetzten Seiten kreisen verwendet. Bei dieser Anordnung ist die 45 der balancierten Schaltung. Wäre nicht eine negative Anode der Röhre 22 über einen aus Widerständen 28 Rückkopplung für Gleichstrom vorgesehen, so könnte und 39 bestehenden Spannungsteiler an den Eingang eine kleine Unsymmetrie infolge des Gitterstromes in der Gitterschaltung der Röhre 23 gelegt. Das Schirm- der ersten Verstärkerstufe verstärkt werden und eine gitter der Röhre 23 empfängt gleichzeitig einen Teil feste Gleichstromunsymmetrie erzeugen. Ein Kondender Anodenspannung der Röhre 22. Eine ähnliche 50 sator 44 ist hinzugefügt, um die Widerstände 29 Verbindung ist zwischen der Anode der Röhre 23 und 30 für Wechselspannungen höherer Frequenz zu und dem Steuergitter sowie dem Schirmgitter der überbrücken.

Röhre 22 hergestellt. Es sei nun angenommen, daß Ein wichtiges Merkmal eines Oszillators gemäß der

ein reines Gegentaktsignal an den Anoden der Röhren Erfindung ist seine vollständige oder doch relativ weit-20 und 21 erscheint, derart, daß an einem gewissen 55 gehende Freiheit von Verzerrung oder Frequenz-Zeitpunkt die Anodenspannung der Röhre 20 steigt Verwerfung auf Grund von Belastungsänderungen, und die Anodenspannung der Röhre 21 abnimmt. Eine ähnliche Leistungsfähigkeit oder Vollkommen-Diese Spannungen sind an die Steuergitter der Röhren heit könnte man auch bei einem Oszillator üblicher 22 und 23 angelegt und verursachen, daß der Anoden- Bauweise durch Hinzufügen einer Pufferverstärkerstrom in der Röhre 22 zunimmt und der Anodenstrom 60 stufe erhalten, jedoch mit viel höherem wirtschaftin der Röhre 23 abnimmt. Der aus der Röhre 22 über lichem Aufwand. Bei der Schaltung gemäß Fig. 1 erden Widerstand 33 fließende, zunehmende Strom gibt die positive Rückkopplung in der Ausgangsbringt die Anodenspannung der Röhre 22 zum Ab- verstärkerstufe des Kathodenfolgegliedes, wie ersi entfallen, und da ein Teil dieser Spannung an das Steuer- lieh, durch die Belastung von Kathode zu Kathode eine gitter und das Schirmgitter der Röhre 23 angelegt 65 Ausgangsimpedanz, die praktisch den Wert Null hat. wird, nimmt der Strom in der Röhre 23 mehr ab, als Die Kathodenbelastung umfaßt jedwede äußere Last es der Wirkung des aus der Röhre 21 angelegten in Reihenschaltung mit den Widerständen 61 und 62, Signals allein entsprechen würde. Eine ähnliche Wir- welche beispielsweise in einem typischen Fall eine Oskung findet als Ergebnis der symmetrischen Rück- zillatorausgangsimpedanz von 600 0hm darstellen; kopplung von der Röhre 23 nach der Röhre 22 statt. 70 diese wird an den Oszillatorausgangsklemmen unab-

hängig von der äußeren Last mit dem genannten Wert aufrechterhalten.

Wenn die äußere Last vom geöffneten Stromkreis bis zum Kurzschluß verändert wird, ändert sich der Grad der Gegentaktrückkopplung und kann bei einem typischen Beispiel etwa eine Änderung 2: 1 des Anodenwechselstroms der Ausgangsstufe herbeiführen. Für eine im Vergleich mit den Anodenwiderständen 33 und 34 hohe Impedanz von Kathode zu Kathode verhält sich die Schaltung im wesentlichen wie ein einfaches Dualkathodenfolgeglied. Für eine mit den Werten der Anodenwiderstände vergleichbare Impedanz von Kathode zu Kathode wird die positive Rückkopplung wirksam und erhöht effektiv den Anodenstrom für eine gegebene angelegte Gitterspannung in gerade dem richtigen Verhältnis, um die Spannung von Kathode zu Kathode konstant zu halten. Somit reduziert ein sehr niedriger Belastungswiderstand die negative Rückkopplung, die normalerweise als Ergebnis der Impedanz von Kathode zu Kathode vorhanden ist, und dies erhöht im positiven Sinne die restliche Rückkopplung derart, daß die Ausgangsspannung zu steigen und die niedrigere Impedanz der Belastung zu kompensieren sucht. Die Schaltung von Fig. 1 kann so eingestellt werden, daß sie eine mit großer Annäherung vollkommene Kompensation über den größten Teil des Frequenzbereiches mit Ausnahme der sehr hohen und der sehr niedrigen Frequenzen ergibt. Im Ergebnis bleibt die Netzsausgangsimpedanz konstant, und zwar praktisch gleich Null, und Belastungsänderungen haben fast gar keinen Einfluß auf die Frequenz oder die Wellenform der Schwingungen, weil die Rückkopplungsspannung der Wienschen Brücke von einer Quelle aus zugeführt wird, deren Impedanz Null beträgt; die Rückkopplungsspannung ist daher im wesentlichen unabhängig von der Belastung.

Diese Schaltung, die eine sehr niedrige effektive Ausgangsimpedanz aufweist, gestattet es, an dem Ausgang Transformatoren mit relativ leicht zu erhaltenden Eigenschaften zu verwenden; mit ihnen lassen sich mit geringem Kostenaufwand alle Vorteile eines Transformatorausganges schaffen. Praktisch kann es mitunter erwünscht sein, mehr als einen Transformator zu verwenden, derart, daß der jeweils für den besonderen Frequenzbereich geeignete Transformator mittels eines Frequenzbereichschalters eingeschaltet wird. Ein solcher Schalter ist im allgemeinen stets vorgesehen, um verschiedene Werte der Widerstände 48 und 49 für bestimmte Frequenzbereiche einzuschalten. Es kann dann für jeden Frequenzbereich mit zusätzlichem Vorteil hinsichtlich Kostenersparnis und höherer Leistungsfähigkeit die jeweils beste Transformatorausführung benutzt werden. In Fig. 1 ist ein überbrückter T-Glied-Abschwächer 45 dargestellt, um die Amplitude der Ausgangsspannung zu steuern; bei der Abschwächungseinstellung Null ist der Reihenwiderstand überbrückt und der Nebenschlußwiderstand geöffnet. Es könnte auch ein H-Glied-Abschwächer, der etwas umständlicher ist, verwendet werden, wenn ein noch vollkommenes symmetrisches Ausgangssignal gewünscht werden sollte.

Bei einem symmetrischen Verstärker ist es auch möglich, für die Wiensche Brücke eine Rückkopplungsspannung zu schaffen, die im wesentlichen von Laständerungen unbeeinflußt ist, und zwar durch eine Brückenrückkopplungsschaltung, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Der Stromkreis von Fig. 3 stimmt weitgehend mit dem Verstärkerstromkreis von Fig. 1 über-, ein mit Ausnahme der Verbindungen zwischen den Röhren 22 und 23. Bei Fig. 3 besteht keine Verbindung zwischen den Anoden der Röhren 22 und 23 und deren Gittern, d. h., die Leitungen 35 und 36 sind fortgelassen. Bei der Schaltung nach Fig. 3 ist die Anode der Röhre 23 über einen Kondensator 63 und Widerstände 64 und 65 an die Kathode der Röhre 22 gelegt. Die Rückkopplungsspannung für die Wiensche Brücke wird über dieLeitung31 entnommen, welche in diesem Falle an dem Punkt zwischen den Widerständen 64 und 65 angeschlossen ist. Die Anode der Röhre 22 ist über den Kondensator 66 und die Widerstände 67 und 68 an die Kathode der Röhre 23 angeschlossen. Die Leitung 32 ist zwischen den Widerständen 67 und 68 angelegt. Bei dieser Schaltung haben die Widerstände 64, 65, 67 und 68 normalerweise alle gleiche Werte. Die Reaktanz der Kondensatoren 63 und 66 ist in dem hauptsächlichen Frequenzarbeitsbereich vernachlässigbar.

Die Arbeitsweise dieser Schaltung kann folgendermaßen erläutert werden:

Es sei zunächst die Auswirkung einer Änderung der Belastung auf die der Wienschen Brücke über die Leitungen 31 und 32 zugeführte Spannung betrachtet. Werden die Spannungen an den Gittern der Röhren 22 und 23 zeitweise als fest angesehen und die Werte der Anodenwiderstände 33 und 34 annähernd entsprechend dem umgekehrten Verhältnis der Kathoden-Transkonduktanz der Röhren 22 und 23 gewählt, so sind die Anodenspannungen der beiden Röhren gleich ihren Kathodenspannungen. Für diesen Fall sind die Anoden- und die Kathodenspannung der Röhre 22 gleich und zu den Spannungen an Anode und Kathode der Röhre 23 entgegengesetzt gerichtet. Wird nun der von der Last aufgenommene Strom verändert, so ändert sich der Wert dieser Spannungen, wird aber für die beiden Röhren gleich und entgegengesetzt gerichtet gehalten. Wenn die Widerstände 64, 65,, 67 und 68 gleiche Werte haben, wird der von dem Widerstandspaar 64 und 65 aufgenommene Strom gleich dem das Widerstandspaar 67 und 68 durchfließenden Strom sein, und die Spannung zwischen den Mittelpunkten der Widerstandspaare wird unbeeinflußt bleiben, auch wenn der Strom als Funktion der Belastung verändert wird.

Es ist leicht einzusehen, daß ein an die Gitter der Röhren 22 und 23 angelegtes Signal über die Leitungen 31 und 32 übertragen wird, auch wenn keine Veränderungen des Laststrcwnes erfolgen. Für eine feste Belastung verursacht ein zwischen den Gittern der Röhren 22 und 23 angelegtes Signal das Auftreten eines entsprechenden Signals an den Kathoden; beispielsweise nimmt die Kathodenspannung der Röhre 22, wenn die Gitterspannung der Röhre 22 zunimmt, als Ergebnis des vergrößerten Anodenstromes in der Röhre 22 gleichfalls zu. Der Strom in der Röhre 23 nimmt inzwischen ab, und dies bewirkt bei den Strömen durch die Widerstandspaare 64, 65 und 67, 68 die entgegengesetzten Effekte; d. h., der Strom durch ein Widerstandspaar nimmt zu, wenn der Strom durch das andere abnimmt, und zwar auf Grund des Anlegens einer symmetrischen Gitterspannung. Somit bewirkt ein angelegtes Signal die Übertragung eines Signals, das dem angelegten Signal direkt proportional ist, über Leitungen 31 und 32 auf die Wiensche Brücke. Andererseits bewirken Veränderungen des Belastungsstromes nicht die Übertragung eines unterschiedlichen Signals auf die Wiensche Brücke.

Beispielsweise war eine Ausführungsform eines Oszillators gemäß der Erfindung folgendermaßen ausgebildet:

709 506/29-2

Es wurde die Schaltung gemäß Fig. 1 angewendet. Für die Röhren 20 und 21 wurde die Röhrentype (USA) 6 AC 7 und für die Röhren 22 und 23 die Röhrentype 6 AU5 benutzt. Die verschiedenen Spannungsquellen hatten die in Fig. 1 angegebenen Werte. Die Widerstände 48 und 49 des Stromkreises 11 hatten je nach dem ausgewählten Frequenzband Werte zwischen 25 Megohm und 2500 Ohm bzw. zwischen 50 Megohm und 5000 Ohm. Der Kondensator 46 war in einem Bereich 100 bis 1200 μμΡ veränderbar, der Kondensator 47 in einem Bereich von 50 bis 600 μμΡ. In dem Stromkreis 12 hatte der Widerstand 51 einen Wert von 3000 0hm; die Kondensatoren 52 und 53 hatten die Werte Null bzw. 1,5 bis 7 μμΡ. Das wärmeempfmdliche Element umfaßte zwei Glühlampen üblicher Art mit je 10 W Leistung bei 220 V. Die Werte der verschiedenen Widerstände im Verstärkerkreis 10 waren folgende: Die Widerstände 27 und 28 hatten 22000 0hm, 39 und 40 68000 0hm, 37 und 38 0, 33 und 34 500 0hm und 29 und 30 2000 0hm. Die Kondensatoren 41 und 42 des Verstärkerkreises hatten Kapazitätswerte von je 100 μμΡ. Jede Primärwicklung des Transformators 43 hatte bei geöffnetem Zustand der anderen Wicklungen einen Ohmschen Widerstand von etwa 120 Ohm und eine Induktanz von etwa 300 H. Der zwischen die Wicklungen geschaltete Kondensator 44 hatte den Wert 100 μΈ. Der Oszillator war durch Einstellen der Kondensatoren 46 und 47 und Schalten der Widerstände 48 und 49 über fünf Stellungen, je eine für eine Frequenzdekade, über einen Frequenzbereich von 5 Hz bis 600 kHz einstellbar. Die Arbeitsfrequenz war über dem gesamten Arbeitsbereich verhältnismäßig stabil. Auch blieb die Betriebsfrequenz an jedem Punkt dieses Bereichs bei Laständerungen in weiten Grenzen stabil.

Die Möglichkeiten zur Anwendung und Ausführung der Erfindung erschöpfen sich nicht mit den hier im einzelnen beschriebenen und dargestellten Beispielen. Dies gilt insbesondere für die Ausbildung des Ver-Stärkerkreises 10, der in verschiedenartiger Weise abgewandelt werden kann.

Claims (8)

Patentansprüche: 45

1. Elektronischer Schwingungserzeuger zum Erzeugen ausgewählter Frequenzen, der relativ stabil und über einen weiten Frequenzbereich abstimmbar ist und einen Gegentaktverstärkerkreis sowie zwei Rückkopplungsstromkreise aufweist, welche eine Gegentakt-Rückkopplungsverbindung zwischen Ausgang und Eingang bilden, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden verschiedenartigen Rückkopplungskreise (11 und 12 in Fig. 1) mit nur einer der beiden den Gegentaktverstärkerkreis bildenden Röhren (20 und 21) verbunden ist und daß der eine der Rückkopplungskreise (11) auf die gewünschte Arbeitsfrequenz abstimmbar ist, während der andere (12) ein wärmeempfindliches Element (50) zum Begrenzen der Schwingungsamplitude enthält, das so geschaltet ist, daß sein Heißwert allein durch den Schwingstrom bestimmt wird.

2. Schwingungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der auf die gewünschte Arbeitsfrequenz abstimmbare Stromkreis an sich bekannte Widerstands- und Kapazitätselemente enthält,

3. Schwingungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegentaktverstärkerkreis einen Satz von Röhren, der als Spannungsverstärker wirkt, und ferner einen zweiten Satz von Röhren, die als Kathodenfolger geschaltet sind, aufweist und daß der zweite Röhrensatz mit dem Spannungsverstärker verbunden und mit einer Einrichtung zur Erzielung einer positiven Rückkopplung versehen ist, um die Ausgangsimpedanz des Verstärkerkreises herabzusetzen, dessen Eingang mit den Steuergittern des ersten Röhrensatzes verbunden ist, während an die Kathode des zweiten Röhrensatzes eine Belastung gekoppelt ist.

4. Schwingungserzeuger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Energierückkopphmg in dem zweiten Röhrensatz eine Rückkopplungsschaltung aufweist, welche kreuzweise zwischen der Anode der einen Röhre und mindestens einem Element der anderen Röhre geschaltet ist.

5. Schwingungserzeuger nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastung mittels eines Ausgangstransformators

(43) mit einem Paar von Primärwicklungen und einer Sekundärwicklung an die Kathode des zweiten Röhrensatzes angekoppelt ist, wobei jede Primärwicklung mit einer Klemme an die Kathodenleitung der entsprechenden Vakuumröhre und die Sekundärwicklung an die Last angeschlossen ist.

6. Schwingungserzeuger nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der die Frequenz bestimmende Rückkopplungskreis und der die Amplitude bestimmende Rückkopplungskreis miteinander verbunden sind, so daß jeder Stromkreis zwei Brückenarme bildet, wobei Leitungen die Eingangsklemmen der Brücke mit dem zweiten Röhrensatz des Verstärkerkreises verbinden und Leitungen die Ausgangsklemmen der Brücke mit den Steuergittern des ersten Röhrensatzes verbinden.

7. Schwingungserzeuger nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Überbrückungskondensatoren (41, 42) zwischen die Anoden des zweiten Röhrensatzes und einem Punkt von neutralem Potential eingeschaltet sind, welche dazu dienen, die Anodenimpedanz der angeschlossenen Röhren für die höheren Betriebsfrequenzen zu erniedrigen.

8. Schwingungserzeuger nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Klemmen der Primärwicklungen, welche entfernt von den an die Kathoden angeschlossenen Klemmen liegen, ein Kondensator

(44) angeschlossen ist, der für relativ niedrige Betriebsfrequenzen und für Gleichstrom eine relativ hohe Impedanz von Kathode zu Kathode ergibt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 738 824;
USA.-Patentschrifte>n Nr. 2 442 138, 2 566 981;
französische Patentschriften Nr. 896 629, 938 204.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 709 506/292 4.57