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Verstärkerstufe, insbesondere zur Kompensation des Nachleuchtens in
Kathodenstrahlabtastern Die Erfindung bezieht sich auf die Dimensionierung einer
Verstärkerstufe zur Kompensation irgendwelcher zeitlich abklingender Störungen.
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Beim Kathodenstrahlabtaster macht sich eine solche Störung, nämlich
die Nachleuchterscheinung von Bildschirmen, insbesondere bei hohen Bildpunktzahlen,
sehr unangenehm bemerkbar, da sie eine Unschärfe der Bildkünturen bewirkt. Es ist
bekannt, in die Kathodenli-itung der ersten Photoverstärkerstufe ein RC-Glied einzuschalten
und durch den an diesem Glied auftretenden Spannungsabfall die Gittervorspannung
der Verstärkerstufe in einem der Nachleuchtspannung entgegengesetzten Sinne zu steuern.
Es ist dabei für die DimensIonierung dieses Gliedes die Beziehung R - C =
to angegeben worden, wobei to die Zeitkonstante des Nachleuchtens bedeutet. Die
Njachleuchtkurve von Phosphoren kann in erster Näherung durch e-ine Exponentialkurve
ersetzt werden. Die Zeitkonstante to des Nachleuchtens bedeutet also ,die Zeitkonstante
der Ersatzexponentialkurve. Dieser Ausdruck genügt aber in keiner Weise für die
Dimensionierung des RC-Gliedes, da er nichts über das Größenverhältnis des Widerstandes
und der Kapazität aussagt und ebenso nicht erkennen läßt, welche Beziehungen zwischen
diesen und der Wahl der Elektronenröhre bestehen müssen. Denn wie experimentelleUntersuchungen
gezeigthabeen, wird bei der Diniensionierung des Kompensationsgliedes allein nach
der Beziehung R - C = to unter Umständen keine störungsfreie Kompensation
erreicht.
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Die Erfindung betrifft eine Verstärkerstufe, insbesondere zur Kompensation
des Nachleuchtens in Kathodenstrahlabtastern unter Benutzung eines RC-Gliedes in
der Kathodenleitun- und ist dadurch -ekennzeichnet daß bei gegebenem Kompensationswiderstand
R
das Produkt aus Röhrensteilheit S und Abklingzeit t, der durch das
RC-Glied hervorgerufenen
Störspannung, dividiert durch die KompensationskapazitätC,
gleich oder größer als i ist.
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Diese Dimensionitrungsregel für das RC-Glied hat den Vorteil, daß
sie für jede Elektronenröhre entsprechend deren Steilheit S
die günstigste
Dimensioniierung des RC-Gliedes zur Kompensation des Nachleuchtens angibt. Sie gestattet
aber auch fernerhin. aus der großen Anzahl von Elektronenröhren diejenigge herauszufinden,
die für bestimmte Anforderungen bei der Kompensation des Nachleuchtens am geeignetsten
ist.
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Zur Erläuterung des Erfindungsgegenstandes ist in Fig.' i die schematische
Schaltun- einer Pliotoverstärkerstufe dargestellt, ,tvährend Fig. :2 die Wirkungsweise
eines solchen RC-Gliedes gemäß der Erfindung erläutert.
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Am Gitter 2 in Fig. i der Verstärkerröhre i eines Photoverstärkers
lier-t die Photozellenspannung
die sich allgemein aus zwei Spannungen zusammensetzt: einer konstanten, der Helligkeit
eines bestimmten Elementes entsprechenden Spannung U,1. und einer nach ein-er e-Funktion
abklingenden, der Helligkeit des vorhergehenden Elementes entsprechenden Spannung
U,2 (Nachleuchtstörspannung). In der Verbindungsleitung zwischen der Kathode
3 und Erde 4 befindet sich das Widerstandskapazitätsglied RC, bestehend aus
dem Widerstand 5 und dem parallel geschalteten Kondensator 6. Der
an R entstehende Spannungsabfall UL, wird zur Kompensation des durch das Nachleuchten
entstandenen Spannungsanteils
benutzt. Für den Anodenstrom gilt die 2n Be7iehung
,vob-ei S die Röhrensteilheit bedeutet.
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Aus Gleichung (i) Lind (2) ergibt sich die Differentialgleichung
Die allgemeine Lösung der Differentialgleichung -#r-- --L- X, - y
= X., wobei X, und d.v 1
K. Funktionen von x allein sind, lautet
bekanntlich
Aus dem Vergleich der beiden Ansatzgleichungen ergibt sich, daß die einzelnen Glieder
der allgemeinen Differentialgleichung wie folgtden Gliedern des durch die vorletzte
Gleichung dargestellten speziellen Problems entsprechen: x ............
t
y ............ UX.,
Es ergeben sieh also für die einzelnen Glieder der allgeineinen Lösungsbeziehung
folgende Ausdrücke:
Setzt man diese gefundenen Ausdrücke in die allgemeine Lösungsbezichung
ein, so ergibt sich:
Demgemäß erhält man für Uk die Lösung
woVei q eine Integrationskonstante bedeutet. Zur Zeit t = o sei Uk =
Uko; q ist demnach gegeben durch die Gleichung
Aus den letzten beiden Gleichungen folgt die Beziehung
Da nach Gle.ichung (2) die Beziehung gilt
ergibt sich ferner
Aus der letzten Gleichung erhält man mit einigen geringfügigen Änderungen Gleichung
(3).
Aus Gleichung (3) geht hervor, daß das Nachleuchten dann
kompensiert wird, wenn das zweite Glied dieser Gleichung o wird, d. li. aber,
wenn der Ausdruck
ist. Gleichung (4) ist gleichbedeutend mit der bereits bekannten Formel R
- C = t, Die, Gleichung (3) zeigt aber weiterhin, daß die Bedingung
(4) allein nicht genügen kann, da noch ein drittes Glied vorhanden ist, das ebenfalls
von R und C abhängig ist. Dieses dritte Glied ist ein zusätzliches Stärglied, welches
eine überkompensation hervorruft. Es wird durch die beschriebene Art der Kompensation
selbst hervorgerufen und muß möglichst klein gehalten werden. Wenn gefordert wird,
daß die durch die Kompensation hervorgerufene Störspannung, die durch das letzte
Glied Gleichung (3) dargestellt wird, nach. einer bestimmten Zeit t3, auf
den c-ten Teil abgeklungen ist, so muß der Ausdruck
-rfüllt sein, der sich nach einer einfachen Umformung des Exponenten der e-Funktion
des letzten Gliedes der Gleichung (3) ergibt. Da
ein positiver und gegen
vernachlässigbarerWert ist, kann statt (5) ,geschrieben werden
Wenn die durch die Kompensation hervorgerufene Störspannung klein gehaIten werden
soll, so muß Gleichung (5) erfüllt sein, d. h. die Summe
soll größer als i sein. Da' . ein positiver Wert ist, so ist Gleichung
(5) um so mehr erfüllt, wenn el -
bereits
für sich größer als i ist. Gleichung (6) erfüllt also auf alle Fälle die
Anforderungen, ganz unabhängig davon, wie 0
ß to ist.
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Die Zeit t" wird möglichst nicht größer als die Dauer eines Bildpunktes
gewählt. Diese Beziehung besagt, daß die Dimensionierung des RC-Gliedes dann am
günstigsten gewählt ist, wenn der Wert von
möglichst groß ist, d. h. wenn eine Röhre mit großer Steilheit S
und ein Kompensationsglied
mit kleiner Kapazität C gewählt werden. Dabei ist zu berücksichtigen, daß
der Anodenstrom und bei indirekt geheizter Kathode auch der Spannungsabfall iam
Kathodenwiderstand, d. h. Spannung zwischen Heizfaden und Kathode, einen
bestimmten Maximalwert nicht Überschreiten dürfen.
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Der Spannungsabfall am Widerstand 5 des RC Gliedes ist -um
so höher, je größer 5 ist (s. Fig. i). Die Kathode
3 würde bei großem Widerstand 5 große Spannung gegen Erde 4 z21 und
gegen den Heizfaden, der praktisch auf Erdpotential liegt, führen. Da diese Spannung
einen gewissen zulässigen Maximalwert nicht überschreiten darf, ist auch der Wert
des Widerstandes R nach oben hin begrenzt. Der Widerstand R ist also von den zulässigen
Betriebsdaten der Röhre abhängig. Da die Be-Ziehung gilt
ist also auch die Wahl von C voll der Wahl der Röhre und mithin von
J# abhängig. Es kann daher auch weiter gefolgert werden, daß es nicht genügt, entweder
mir die Steilheit S
möglichst groß oder nur die Kapazität C möglichst
klein zu halten. Die Dimensionierung muß vielmehr so getroffen werden, daß der Quotient
unter Berücksichtigung obiger Bedingungen
möglichst groß wird. Die Wir-t, z5
kungsweise einer solchen Schaltanordnung
ist in Abb. 2 dargestellt, in der die Störwirkung infolge der Kompensation dargestellt
ist. Es ist angenommen, daß die Beseitigung des Nachleuchtens durch die Schaltung
Fig. i gemäß Gleichung (3) vollständig erreicht wird. Demzufolge ist in Fig.
2a auch keine zeitlich abklingende G.itterspannting eingezeichnet, an der allein
die Kompensation des Nachleuchtens dargestellt werden könnte, sondern eine sprunghaft
einsetzende konstante Gitterspannung (U,#U"). Wenn ein Impuls der Form nachFig.
2a auf das Gitter 2 der Röhre i gelangt, so wird ein Anodenstrom fließen, der die
Kapazität 6 auflädt und an dem RC-Glied eine Kompensationsspannung entstehen
läßt, welche den Verlauf nach Abb. 2b besitzt. Die am Anodenwiderstandwirksame
Spannung U" wird nach Gleichung (3) den in Fig. 2 c angedeuteten Verlauf
haben. Man erkennt, daß die Anodenspannung infolge der Störwirkung des Kompensationsgliedes
einen Anfangswert besitzt, der gegenüber dem Normalwert überhöht ist. Es tritt hier
also eine Überkompensation ein. Wenn die Zeit tx etwa gleich einer Bildpunkt,dauer
ist, sind die hierdurch hervorgerufenen Störungen praktisch noch vernachlässigbar.
Wenn man aber dafür sorgt, daß die Gleichung (6) erfüllt ist, wird die Anodensparmung
bereits nach der Zeit t" auf ihren Normalwert abklingen und der weitere Ausgleich
der Nachleuchtspannung unbeeinflußt von dieser erfolgen.
Durch die
folgenden Beispiele wird die Dimensionierungsregel an einer Verstärkerstufe zur
Kom pensation des Nachleuchtens erläutert. Es sei angenommen, daß die Zeitkonstante,des
Nachleuchtens to = io-4 sec beträgt.
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i. Eine handelsübliche Röhre besitzt z. B. ei,nenAnodenstroniI"=40mA
und eine SteilheitS=9,5,mA/V. Wenn#di-ozulässigeSp#annung am Kathodenwiderstand
R - 1" = i oo Volt beträgt, so kann der KompensationswiderstandR
maximal 2,5oo Ohm betragen (2500fi X 40 mA = ioo V). Aus der bekannten Formel
R - C = to ergibt sich für die Kompensationskapazität eiin Wert von
40 000 pF. Der Quotient Steilheit dividiert durch Kompensationskapazität
beträgt in diesem Falle 2,4 * 10 5
2. Eine andere handelsübliche Röhre besitzt z. B. einen Anodenstrom J" = io
mA und eine Steilheit S = 5 rnA/V. Zulässige Spannung am Kathodenwideritand
ioo Volt, hieraus R = io ooo Ohm. Dann ergibt sieh aus R-C=to für
C ioooo pF und.für den Quotienten
= 5 - io5 Die erfindungsgemäße
Dimensionierungsregel fordert, daß der Quotient
möglichst groß sein soll.
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Man sieht also aus diesen heiden Beispielen, daß es nicht darauf ankommt,
eine Röhre mit großer Steilheit (Beispiel i) zu wählen; es kommt vielmehr darauf
an, daß
groß ist. Diese Forderung wird bei Benutzung einer Röhre nach Beispiel:2 besser
erfüllt als bei Benutzung einer Röhre nach Beispiel i.
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Diese Dirnensionierungsregel einer Verstärkerstufe zur Kompensation
von Störspannunggen ist nicht nur auf den speziellen Fall der Kompensation des TNachleuchtens
beschränkt, sondern sie läßt sich eben-so bei der Dimensionierung von Schaltungen
zur Kompensation von Stör- und Abklingvorgängen, insbesondere in Verstärker- und
Regelschaltungen, benutzen.