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Audion: Schwingungs-Einsatz

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Papers » Basic principles of radio technique » Audion: Schwingungs-Einsatz
           
Dietmar Rudolph
Dietmar Rudolph
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21.Feb.09 13:14

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Wenn bei einem Audion die Rückkopplung "angezogen" wird, sollte diese "weich" einsetzen, damit sich der Grad der Rückkopplung günstig einstellen läßt. Besonders bei frühen Audions ist gleichzeitig ggf. auch die Abstimmung und die Ankopplung der Antenne nachzustellen. Das macht die Bedienung nicht sonderlich bequem. Trotzdem läßt sich bei "gefühlvoller" Bedienung der Rückkopplung sehr viel aus einem Audion "herausholen". Das ist der Grund, weshalb diese recht einfache Schaltung zu Beginn des Rundfunks eine so große Bedeutung erlangte.

Unangenehm jedoch wird die Arbeit mit einem Audion, wenn der Schwingungs-Einsatz trotz vorsichtiger Bedienung plötzlich erfolgt und das Audion sofort stark schwingt. Eine Reduzierung der Rückkopplung bewirkt dann zunächst praktisch nichts bis dann ebenfalls plötzlich die Schwingung wieder aussetzt, aber dann das Audion sehr unempfindlich ist.
Die Gründe für „harten“ oder „weichen“ Einsatz der Rückkopplung sind in [1] beschrieben.

303. Harter und weicher Schwingungseinsatz [1]

Unter einem harten Schwingungseinsatz versteht man einen vorzeitigen, sprunghaften Einsatz der Selbsterregung beim Anziehen der Rückkopplung, z. B. mittels des Kondensators C, in Abb. 497.


Dieser harte Einsatz ist mit einem "Ziehen" verbunden, d. h. die Schwingungen setzen beim Zurückdrehen der Rückkopplung nicht an demselben Punkt aus, wie sie beim Hineindrehen eingesetzt haben, sondern später. Aus diesen Gründen ist es dann nicht möglich, die Rückkopplung weit auszunutzen. Erwünscht ist also ein weicher Schwingungseinsatz, bei dem eine stetige Entdämpfung bis zur Selbsterregung möglich ist und das Einsetzen und Aussetzen in derselben Stellung des Rückkopplungskondensators erfolgt.

Die Ursache für einen harten Schwingungseinsatz liegt darin, daß mit zunehmender Amplitude die mittlere Steilheit der Röhre für die betreffende Amplitude zunimmt und sich dadurch die Schwingungen von selbst zu größeren Amplituden aufschaukeln. Diese Bedingung liegt vor, wenn sich der Arbeitspunkt am unteren Knick der Gitterspannungs‑Anodenstrom‑Kennlinie befindet, also besonders bei Anodengleichrichtung.


Bilder 19 & 20 [2] Ia=Ia(Ust) Anodenstrom als Funktion der Steuerspannung. "Fraktur"-Buchstaben bedeuten sinusförmige Wechselgrößen.

Eine Besserung erzielt man bei der Anodengleichrichtung, wenn man die Gittervorspannung nicht von einem Spannungsteiler allein abgreift, sondern wenigstens zum Teil durch einen in die Kathodenleitung eingeschalteten Widerstand erzeugt. Hierdurch erreicht man nämlich, daß sich der Arbeitspunkt für größere Amplitude mehr nach negativen Gittervorspannungen verschiebt. Es besteht allerdings die Gefahr von Verzerrungen.

Einen weichen Schwingungseinsatz erhält man mit Sicherheit, wenn man den Arbeitspunkt an die steilste Stelle der Gitterspannungs‑AnodenstromKennlinie legt. Dies ist bei der Audiongleichrichtung möglich. Wesentlich für die Erzielung eines weichen Schwingungseinsatzes ist die richtige Einstellung der Betriebsspannungen, vor allem der Anodenspannung bzw. bei Schirmgitterröhren der Schirmgitterspannung des Audions. Bei direkter Heizung ist auch von Einfluß, ob man den Gitterableitwiderstand des Audions an das positive oder negative Heizfadenende anschließt. Bei Anschluß an das negative Heizfadenende ist der Schwingungseinsatz im allgemeinen weicher. Zur Einstellung des günstigsten Schwingungseinsatzes kann man parallel zum Heizfaden ein Potentiometer schalten, an dessen Schleifarm der Gitterableitwiderstand liegt.

Wichtig zur Erzielung eines weichen Schwingungseinsatzes ist auch, daß auf die oben bei Abb. 496 beschriebene Weise das Eindringen von Hochfrequenz in den Niederfrequenzteil verhindert wird. Anderenfalls gerät der ganze Empfänger vorzeitig ins Schwingen. In Abb. 497 dient der Kondensator Ca = 50pF zur Ableitung des Hochfrequenzstromes.

Es ist beobachtet worden, daß der Schwingungseinsatz bei den mittleren Wellen weich und bei den langen Wellen hart ist. Dies läßt sich auf die Amplitudenabhängigkeit der Gitterstromdämpfung zurückführen, welche bei den langen Wellen wegen der größeren Resonanzwiderstände von größerem Einfluß ist. Man vermeidet diese Schwierigkeit, indem man die Röhre bei den langen Wellen loser an den Schwingungskreis ankoppelt (Anzapfung).

Selbst bei weichem ‑Schwingungseinsatz kann man die Entdämpfung nicht beliebig weit treiben. Da nämlich die mittlere Steilheit und damit auch der Rückkopplungsstrom bei abnehmender Amplitude zunimmt, besteht die Gefahr, daß sich die infolge der Modulation vorkommenden kleineren Amplituden selbst erregen. Auch aus einem anderen Grunde ist der Entdämpfungsgrad begrenzt (auf etwa 20fache Entdämpfung). Bei starker Entdämpfung genügen nämlich bereits minimale Änderungen der Betriebsspannungen und der Temperatur, um eine Instabilität hervorzurufen. Es ist also zur Erzielung einer hohen Verstärkung wichtig, daß der Schwingungskreis von vornherein möglichst dämpfungsarm aufgebaut ist. Daher ist es nicht zweckmäßig, die Schwingkreisspule eines Einkreisempfängers abzuschirmen.

Es hätte übrigens auch keinen Sinn, die Entdämpfung beliebig weit zu treiben, weil die Resonanzkurve schließlich so schmal würde, daß die Seitenfrequenzen trotz höherer Resonanzkurve nur noch unwesentlich angehoben würden und deshalb die Lautstärke kaum noch ansteigen würde.

Die Schwinglinie

Möller [3] analysiert den Schwingungseinsatz von Oszillatoren allgemeiner mit Hilfe der Schwinglinie. Diese Betrachtungen gelten auch für das Anschwingverhalten von Audion und Anodengleichrichter.

Auch hierfür wird der Anodenstrom Ia einer Röhre, hier einer Pentode, in Abhängigkeit der Steuerspannung Ust betrachtet, Ia=Ia(Ust), Bild 107.

Bild 107 (Die in Fraktur geschriebenen Spannungen und Ströme sind sinusförmige Zeitverläufe.)

Im gewählten Arbeitspunkt S, der durch die Größe der Gittervorspannung ug1 festgelegt ist, werden sinusförmige Wechselspannungen unterschiedlicher Größe angelegt und an der Kennlinie Ia(Ust) „gespiegelt“. Da diese Kennlinie gekrümmt ist, ergeben sich keine sinusförmigen Anodenströme. Man muß deshalb eine Fourier-Analyse durchführen, um aus den verzerrten Zeitverläufen der Anodenströme die Grundschwingung zu gewinnen.
Physikalisch geschieht dies durch den Schwingkreis, der auf die Grundschwingung abgestimmt ist und die Oberschwingungen unterdrückt.
Über die Fourier-Analyse erhält man die Amplitude der sinusförmigen Grundschwingungs-Komponenten, jeweils in Abhängigkeit von der Amplitude der sinusförmigen Wechselspannung am Gitter. Diese Wertepaare trägt man in einem Diagramm Ia=Ia(Ust) auf und erhält mittels Interpolation daraus die Schwinglinie.

Die Form der Schwinglinie hängt vom gewählten Arbeitspunkt ab, also von den Spannungen und Strömen an Anode (bei der Triode) bzw. am Schirmgitter (bei Tetrode und Pentode). Wird der Arbeitspunkt variiert, erhält man eine Schar von Schwinglinien.

Bild 10.1 [4]
Je nach Arbeitspunkt der Röhre ergeben sich unterschiedliche Steigungen der Schwinglinien im Ursprung, wodurch das Anschwingverhalten festgelegt ist.

Bilder 110 & 111 [3]

In den Teil-Bildern (a) sind jeweils die Schwinglinien dargestellt, zusammen mit den Rückkopplungs-Geraden, welche sich aus den Eigenschaften des Rückkopplungs-Netzwerkes ergeben. Eine flacher verlaufende Gerade bedeutet dabei eine „stärkere“ Rückkopplung (dargestellt in der Größe von [fraktur] Rk). Der Schnittpunkt der Rückkopplungs-Geraden mit der Schwinglinie ergibt den „Arbeitspunkt“ der Schwingung, also die Größe des Schwingstromes [fraktur] Ia.
In den Teil-Bildern (b) wird die Größe des Schwingstromes Ia in Abhängigkeit der Rückkopplung Rk aufgetragen.
In Bild 110 sieht man im Teilbild (b), daß die Amplitude des Schwingstromes der Größe der Rückkopplung „folgt“, auch wenn da kein linearer Zusammenhang besteht. Dies ist der erwünschte Fall einer „weich“ einsetzenden Rückkopplung.
In Bild 111 zeigt das Teilbild (b), daß die Schwingung bei 1 plötzlich einsetzt, wenn die Rückkopplung stärker wird, und daß andererseits bei Verminderung der Rückkopplung die Schwingung bis 2 andauert um danach plötzlich abzureißen. Dies ist genau der Fall einer „harten“ Rückkopplung beim Audion oder Anodengleichrichter.

Die Sprungphänomene lassen sich anhand der Schwinglinie klären. In Bild 111 ist die Anfangssteilheit der Schwinglinie, welche für das allererste Anschwingen mit kleiner Amplitude verantwortlich ist, geringer als die nachfolgende Steilheit. Man muß deshalb die Größe der Rückkopplung „stärker“ machen (flachere Rückkopplungsgrade 1). Für etwas größere Schwingamplituden ist aber nur eine „schwächere“ Rückkopplung erforderlich. Das hat zur Folge, daß sich eine so große Schwingamplitude einstellt, für die die Schwinglinie 1 durch die Rückkopplungsgerade geschnitten wird. Bei Verminderung der Rückkopplung (Gerade 2) erreicht man einen Punkt, wo für noch kleinere Schwingamplituden wieder eine stärkere Rückkopplung erforderlich wäre. Die Schwingung reißt demzufolge ab.

Wie das folgende Bild zeigt, können sich auch kompliziertere Fälle ergeben.

Bild 112 [3]

Hierbei ist zwar die Anfangssteilheit der Schwinglinie genügend groß, so daß sich (zunächst) ein „weiches“ Anschwingen ergibt. Wird nun die Rückkopplung stärker „angezogen“, ergibt sich ein Bereich mit geringerer Steilheit. Das führt dann zum „Springen“ der Amplitude der Schwingung. Beim Vermindern der Rückkopplung erfolgt ein „Rücksprung“ der Größe der Schwingamplitude an einer anderen Stelle. Es zeigt sich (auch hier) eine Hysterese bei der Bedienung der Rückkopplung.

[1] Pitsch, H.: Lehrbuch der Funkempfangstechnik, Bd. 2, 4.A., VAG Leipzig, 1964
[2] Barkhausen, H.: Lehrbuch der Elektronenröhren, Bd. 3: Rückkopplung, 8.A., Hirzel Leipzig, 1960
[3] Möller, H.G.: Die physikalischen Grundlagen der Hochfrequenztechnik, Bd. 1 v. Lehrbuch der drahtlosen Nachrichtentechnik, 3.A., Springer, 1955
[4] Meinke, H.; Gundlach, F.W.: Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, 3.A., Springer, 1968

  
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