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Schaltungsanordnung für Verstärker mit kombinierter Strom- und Spannungsgegenkopplung
Bei Verstärkern kann man durch gleichzeitige Strom- und Spannungsgegenkopplung erreichen,
daß der Verstärkerinnenwiderstand unabhängig vorn gesamten Gegenkopplungsgrad wird.
Es ist bekannt, zu diesem Zweck den Ausgangskreis eines Verstärkers als Brückenschaltung
auszubilden, wie dies beispielsweise in Fig. i dargestellt ist. Macht man hier
wobei Ri. den inneren Widerstand der Endröhre bedeutet, so ist der vom Verbraucher
(bzw. von den Ausgangsklemmen) aus gesehene Verstärkerinnenwiderstand unabhängig
von der Gegenkopplung, d. h. von der Stellung des Abgriffs an R. Man kann dann also
die Verstärkung durch Änderung der Gegenkopplung ändern, ohne den Verstärkerinnenwiderstand
zu beeinflussen.
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Wendet man die angegebene Schaltung bei mehrstufigen Verstärkern an,
die mit starker Gegenkopplung betrieben werden sollen und deren Übertragungsbereich
groß ist und sich bis zu Frequenzen erstreckt, die über dem Tonfrequenzbereich liegen,
dann treten leicht Schwierigkeiten auf, die daher rühren, daß die Anodenwicklung
des Ausgangsübertragers nicht einseitig wechselstrommäßig an Erde liegen kann. Es
kommt dann häufig vor, daß
schon bei verhältnismäßig schwacher Gegenkopplung
Selbsterregung des Verstärkers eintritt.
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Nimmt man bei der in Fig. z gezeigten Schaltung das Verhältnis der
Gegenkopplungsspannung U,. zur Gitterwechselspannung U9 der Endröhre in Abhängigkeit
von der Frequenz auf, so ergibt sich häufig eine Kurve, wie sie in Fig., angedeutet
ist. Wenig oberhalb der oberen Grenze (f2) des Übertragungsbereiches (f,.
. . f 2) des Verstärkers verschwindet die Gegenkopplungsspannung bei einer
bestimmten Frequenz f,. nahezu- vollständig.
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Würde man also den Verstärker normal betreiben und dann die Gegenkopplung
von sehr kleiner Gegenkopplung aus langsam steigern, dann würde bei verhältnismäßig
schwacher Gegenkopplung bereits Selbsterregung eintreten. Der Verstärker schwingt
dabei mit einer Frequenz, die in der Nähe von f,. liegt.
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Die Ursache dieser unerwünschten Erscheinungen soll an Hand des in
Fig. 3 gezeigten Ersatzschaltbildes für den Ausgangskreis des Verstärkers, welches
allerdings nur eine grobe Annäherung darstellt, kurz erläutert werden. Die Endröhre
des Verstärkers ist dabei durch die Spannungsquelle mit der EMK E und dem inneren
Widerstand Ri dargestellt. Da im Zusammenhang mit dem Verschwinden der Gegenkopplungsspannung
bei f,, die Frequenzen interessieren, die oberhalb des Übertragungsbereiches liegen,
ist der Ausgangsübertrager mit dem Verbraucher durch die Reihenschaltung der primären
Streuinduktivität L, mit der Parallelschaltung von Übertragungskapazität Co und
Verbraucherwiderstand R" ersetzt. Die außerdem noch eingezeichneten Kapazitäten
C und C' stellen die Kapazitäten zwischen den Wicklungen bzw. die Kapazitäten zwischen
Anodenwicklung und Kern dar.
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Sieht man zunächst von C, Co und Ra ab, dann fällt sofort der
aus L, und C bestehende Serienresonanzkreis auf. Bei der Resonanzfrequenz dieses
Kreises würde die Spannung UA völlig zusammenbrechen, falls Ra und Ca nicht vorhanden
wären. Infolge von Co und Rd und der Verbindung dieses Zweigs mit R3 bzw. R2 (bzw.
C) tritt jedoch nicht genau diese Wirkung auf. Die Resonanzfrequenz wird
hierdurch verschoben, die Resonanz selbst gedämpft. Die beiden Kapazitäten C und
C' haben aber auf jeden Fall zur Folge, daß nicht der gesamte in L, eintretende
Strom auch über R3 fließt. Bei der Frequenz f,. ist nun der über R3 fließende Stromanteil
besonders gering und deshalb auch die Spannung U,. nur sehr klein.
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Es wurde bereits bemerkt, daß die durch Fig.3 dargestellte Ersatzschaltung
nur eine grobe Annäherung an die tatsächlich vorliegenden Verhältnisse darstellt.
Es wurde deshalb auch die Wirkung dieser Schaltung nur in groben Zügen angedeutet;
für die Erläuterung des Erfindungsgedankens dürfte dies aber ausreichen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erläuterte Resonanzerscheinung
beim Ausgangsübertrager, die durch die. primäre Streuinduktivität sowie durch die
Kapazitäten zwischen den Wicklungen bzw. zwischen Anodenwicklung und Kern hervorgerufen
wird, unschädlich zu machen. Es war bereits auseinandergesetzt. worden, daß über
die Kapazitäten, die zwischen der Anodenwicklung des Ausgangsübertragers und der
Ausgangswicklung bzw. dem llbertragerkern vorhanden sind, ein Teil des der Anodenwicklung
von der Anode der Endröhre her zufließenden Stromes abfließt und daher nicht über
den Brückenwiderstand R3 geht. Bei der Frequenz f,. ist daher der über R3 fließende
Strom besonders klein. Um nun zu erreichen, daß nahezu der gesamte der Anodenwicklung
von der Endröhre zufließende Wechselstrom auch über den Widerstand R3 fließt, was
die Voraussetzung für die Vermeidung der Resonanzerscheinung ist, wird erfindungsgemäß
die Anodenwicklung des Ausgangsübertragers mit einem statischen Schirm umgeben,
der mit dem dem positiven Pol der Anodenstromquelle zugekehrten Ende dieser Wicklung
verbunden ist.
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Hierdurch wird erreicht, daß zwischen den beiden Wicklungen des Ausgangsübertragers
und auch zwischen Anodenwicklung und Kern keine Kapazitäten mehr vorhanden sind.
Dafür tritt aber jetzt eine Kapazität zwischen Schirm und Kern und eine weitere
zwischen Schirm und Anodenwicklung auf. Dies ergibt sich ohne weiteres bei Betrachtung
des in Fig. q dargestellten Schaltungsbeispiels eines mehrstufigen, gegengekoppelten
Verstärkers, bei dem die erfindungsgemäße Schirmung des Ausgangsübertragers angewendet
ist. Der gesamte der Anodenwicklung des Ausgangsübertragers zugeführte Strom fließt
hier über die Parallelschaltung des Widerstandes R3 und der Kapazitäten zwischen
Schirm und Kern sowie zwischen Schirm und Ausgangswicklung ab.
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In dem Frequenzbereich, in dem der kapazitive Widerstand dieser parallel
zu R3 liegenden Kapazitäten groß gegen den Widerstand R3 ist, fließt dann praktisch
der der Anodenwicklung zugeführte Wechselstrom auch über R3 ab, gleichgültig, ob
nun zwischen primärer Streuinduktivität und Kapazität zwischen Anodenwicklung und
Schirm eine Resonanzwirkung auftritt oder nicht. Es kommt also lediglich darauf
an, daß auch bei der höchsten interessierenden Frequenz der parallel zu R3 liegende
kapazitive Widerstand groß gegen R3 ist.
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Die Ausgangswicklung wird vielfach einseitig an Erde gelegt. Häufig
hat man aber auch Verbraucher, die symmetrisch gegen_Erde sind. Je nachdem, wie
die Erdungsverhältnisse auf der Verbraucherseite liegen, wird auch diejenige zu
R3 parallel liegende Teilkapazität, die von der Kapazität zwischen Schirm und Ausgangswicklung
herrührt, verschiedene Werte haben. Um hier eindeutige Verhältnisse zu bekommen
und von den Erdungsverhältnissen auf der Verbraucherseite unabhängig zu sein, kann
man auch noch die Ausgangswicklung abschirmen und diesen Schirm an Erde legen. Diese
Maßnahme ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. q. ebenfalls dargestellt. Die
beiden Schirme sind dabei mit I und II bezeichnet, Der Schirm II ist außer mit Erde
auch mit dem Kern verbunden.
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Parallel zu R;, liegt jetzt auch die Kapazität des Schirmes I gegen
den Schirm II bzw. gegen den Übertragerkern K, die durch den gestrichelt eingetragenen
Kondensator C;; angedeutet ist.
Die Widerstände R,, R, R3 werden
so gewählt, daß die Bedingung
erfüllt ist, wie bereits ausgeführt wurde. Das Verhältnis
kann nun um so größer sein, je größer die Verstärkung des Verstärkerteils ohne Gegenkopplung
ist, über den sich im Betriebszustand die Gegenkopplung erstreckt. Bei mehrstufigen
Verstärkern, bei denen naturgemäß die Selbsterregungsgefahr besonders groß ist,
braucht man im allgemeinen einen im Vergleich zu Ri nur sehr kleinen Widerstand
R3. Erfahrungsgemäß bleibt dann die Kapazität C3, die man im Ausgangsübertrager
erhält, wenn bei diesem keine besonderen Maßnahmen angewendet werden, um sie besonders
klein zu machen, noch klein genug, um bis zu Frequenzen von einigen MHz neben R3
nicht ins Gewicht zu fallen.
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Bei Verstärkern für das Tonfrequenzgebiet sowie für das Trägerfrequenzgebiet
kann man daher mit Hilfe des Schirmes I erreichen, daß praktisch der gesamte von
der Anode der Endröhre herkommende und der Anodenwicklung des Ausgangsübertragers
zufließende Wechselstrom über den Widerstand R3 abfließt, und zwar im gesamten interessierenden
Frequenzbereich, also auch bei Frequenzen, die weit außerhalb der oberen Grenze
des Übertragungsbereiches liegen. Die über den Trennkondensator C= abgenommene Gegenkopplungsspannung
U,. ist dann auch proportional U.&. Das Verhältnis
in Abhängigkeit von der Frequenz zeigt dann nicht mehr wie ursprünglich bei f,.
eine Senke, sondern verläuft in dieser Gegend ebenso horizontal wie im Übertragungsbereich.
Für den Fall, daß für R3 ein verhältnismäßig großer Widerstand gewählt wird, so
daß C3 bei normaler Ausführung des Ausgangsübertragers sich ungünstig auswirken
würde, kann man diese Kapazität C, durch Erhöhung der Dicke des Isoliermaterials
zwischen den Schirmen I und II durch Verwendung von Isoliermaterial mit kleiner
Dielektrizitätskonstante erheblich herabsetzen. Die Erhöhung der Dicke des Isoliermaterials
zwischen den Schirmen hat allerdings eine Erhöhung der Streuinduktiv itäten des
Übertragers zur Folge. Wie weit man hier gehen kann, hängt von dem gerade vorliegenden
speziellen Fall ab. Meistens wird man mit der Isolationsdicke mit Rücksicht auf
die Streuinduktivitäten nur bis zu einer bestimmten Grenze gehen können.
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Es sind verschiedene Ausführungsformen von Übertragern mit geschirmten
'\Vicklungen bekannt. Diese Ausführungsformen können teilweise für den vorliegenden
Zweck direkt übernommen werden, teilweise aber lassen sie sich leicht in geeigneter
`'eise so abändern, daß sie hier brauchbar sind. In den meisten Fällen ist es nicht
notwendig, daß die Abschirmungen vollkommen sind. Es genügt, wenn durch die Schirme
erreicht wird, daß die schädlichen Kapazitäten so klein werden, daß sie im gefährlichen
Frequenzgebiet keine Rolle spielen. Daher kommt man vielfach auch mit Ausführungsformen
aus, die der in Fig.5 angedeuteten entsprechen oder eine Abwandlung dieser darstellen.
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Diese Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch eine Hälfte eines Mantelkernübertragers
mit dem Kern i und dem Wickelkörper 2. Die Anodenwicklung wA liegt hierbei zwischen
der geteilten Ausgangswicklung ze,B I und wB IL Zwischen den Wicklungen liegen
die aus Kupferfolie bestehenden Schirme I", I, und II", Il,. Es empfiehlt sich,
Schirme aus Folie zu verwenden und keine Schirmwicklungen, da durch die Induktivitäten
derartiger Wicklungen leicht bei hohen Frequenzen störende Effekte hervorgerufen
werden. Die Schirme aus Folie werden in bekannter Weise so ausgeführt, daß sie sich
isoliert überlappen, isoliert, damit keine Kurzschlußwindung entsteht. Die Isolierzwischenlagen
zwischen den Schirmen bzw. zwischen Schirmen und Wicklungen sind mit a, U, c und
a', 1b', c'
bezeichnet.
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Bei Übertragern, deren Wickelkörper mehrere Kammern besitzen, kann
man in den einzelnen Kammern eine ähnliche Anordnung vorsehen. Man kann aber auch
die einzelnen Wicklungen in getrennten Kammern unterbringen und dann die Kammern
gegeneinander abschirmen.
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Wie bereits erläutert, wird- durch die Abschirmung der Anodenwicklung
und der Verbindung des Schirmes mit dem unteren Ende dieser Wicklung erreicht, daß
das Verhältnis
in Abhängigkeit von der Frequenz horizontal verläuft in einem Frequenzgebiet, in
dem ohne diese Maßnahme die entsprechende Kurve eine sehr starke und scharfe Senke
zeigen würde. Nun kann aber durch die beschriebene Maßnahme nicht verhindert werden,
daß die Spannung Uä selbst oberhalb der oberen Grenze des Übertragungsbereiches
in Abhängigkeit von der Gitterwechselspannung der Endröhre mit wachsender Frequenz
erheblichen Schwankungen unterworfen ist, die davon herrühren, daß die Belastung
der Endröhre frequenzabhängig ist. Der über den Ausgangsübertrager angeschaltete
Verbraucher stellt praktisch nur im Übertragungsbereich einen nahezu Ohmschen Widerstand
im Anodenkreis der Endröhre dar. Oberhalb des Übertragungsbereiches spielen Streuinduktivität
und Eigenkapazität eine erhebliche Rolle. Hier kann die Streuresonanz ausgeprägt
auftreten, es sind aber besonders bei stark unterteiltem und teilweise geschirmtem
Wicklungsaufbau auch weitere Resonanzerscheinungen möglich. Die dadurch verursachten
Schwankungen der Anodenwechselspannung UA in Abhängigkeit von der Frequenz treten
selbstverständlich auch entsprechend bei der Gegenkopplungsspannung L% T auf, wenn
in diesem Frequenzgebiet U,. proportional zu Ug ist.
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Wie stark die auftretenden Schwankungen von L',ä sind, hängt in erster
Linie von den speziellen Eigenschaften des Ausgangsübertragers ab. In manchen Fällen
wirken sie sich nicht nachteilig auf die Schwingneigung des Verstärkers aus, häufig
aber beeinträchtigen sie die Stabilität erheblich.
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Es hat sich nun gezeigt, daß derartige, die Stabilität beeinträchtigende
Schwankungen von U,. mit der Frequenz sich dadurch oft fast völlig beseitigen lassen,
daß
der die Anodenwicklung des Ausgangsübertragers umgebende Schirm nicht mit dem unteren
Ende dieser Wicklung verbunden wird, sondern mit einem Abgriff des Widerstandes
R2. Zweckmäßig führt man diesen Abgriff einstellbar aus, so daß die günstigste Stellung
experimentell gefunden werden kann. Eine solche Schaltungsanordnung zeigt Fig.6,
und zwar ist hierbei nur der Ausgangskreis .der Endstufe eines mehrstufigen Verstärkers
dargestellt.
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In seltenen Fällen ist es besser, den Schirm I mit einem Abgriff von
R1 zu verbinden; meistens kommt man aber mit dem obengenannten Abgriff von R2 aus.
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Der günstigste Anschluß des Schirmes I liegt vor, wenn die Abhängigkeit
des Verhältnisses der Spannung Ur zur Gitterwechselspannung der Endröhre
in Abhängigkeit von der Frequenz im gefährlichen Frequenzgebiet nahezu horizontal
verläuft und die vorher störenden Schwankungen beinahe zum Verschwinden gebracht
sind.