Neutralisation

Schwingneigung und Neutralisation – das sind Themen für den fortgeschrittenen Radio-Restaurateur. In den Anlagen finden sich dazu zwei digitalisierte Aufsätze im PDF-Format mit je 6 DINA4-Seiten.

1. Die Neutralisation – aus: FUNKSCHAU 18/1961 behandelt die Neutralisation von Röhren und Transistoren in einfacher Darstellungsweise.

2. Neutralisationsschaltungen – aus: TELEFUNKEN Laborbuch Band 1 ist mit dem erstgenannten Aufsatz vergleichbar, geht jedoch mehr in die Details.

egrund

Anlagen:

• Neutralisation (256 KB)
• Neutralisationsschaltungen (198 KB)

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Im Telefunken Laborbuch Bd 1 wird auf den Seiten 293 bis 295 die Neutralisation einer ZF Verstärkerstufe behandelt. Es ist dies eine entsprechende Problemstellung, wie das bereits bei der Schaltungsanalyse des Grundig 5040W/3D eine Rolle spielte. Der Schaltungsauszug von Hans M. Knoll zeigt (als Teil dieser Neutralisation) wie die Anodenspannung der EF98 mit 2 nF über das Schirmgitter und dieses dann mit 10 nF gegen Masse abgeblockt werden.

In dem Aufsatz aus dem TFK Laborbuch wird die Wirkungsweise dieser Neutralisation erklärt.

ZF Verstärkerstufe für AM und FM Rundfunkempfänger (.pdf 181kB)

MfG DR

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Ergänzung 1:

C80 wurde in der späteren Ausgabe des "Reparaturhelfers" von Grundig "händisch" von 10nF auf 2nF verändert. Es könnte aber sein, daß dies ein Zeichenfehler ist und eigentlich C79 hätte auf 2nF geändert werden müssen, was logischer wäre.

Als Begründung hierfür folgende Figuren aus: "Arguibau, L.B.:, Adler, R.B.: Vacuum-Tube Circuits and Transistors, p. 282, Wiley, 1956"

In Fig.45 ist das Schirmgitter direkt mit dem "kalten" Ende des Anoden-seitigen Schwingkreises verbunden. In dem oben gezeigten Schaltbild von 5050W/3D ist es über den Kondensator C80 mehr oder weniger (!) "kurzgeschlossen" und der Kondesator C79 hat die Funktion von Cs aus Fig. 45 bzw. Fig. 46. Da aber die in Fig. 46 gezeigte Brückenschaltung eben den besagten "Kurzschluß" zwischen dem kalten Ende des Schwingkreises und dem Schirmgitter voraussetzt, ist es folglich "logischer" wenn beim Grundig 5050W/3D C80 = 10nF und C79 = 2nF tatsächlich wären.

Bitte an Besitzer dieses Gerätes: Kann jemand dies überprüfen und sich per "Mail an Autor" dazu melden? Vielen Dank!

Ergänzung 2:

Die beiden Artikel in Post #1 lassen sich mit Adobe Reader (ohne Passwort)  nicht drucken. Wohl aber geht das Drucken ohne Probleme mit Okular.

Herr Ploch teilt noch mit: Ausserdem kann ich sie im Firefox öffnen (per Doppelklick) und auch Ausdrucken. Ich verwende den Firefox 32.1.1 also die neueste Version.

22.11. Typo korrigiert.

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Frühe Neutralisations-Schaltungen

Frühe Radios hatten als Röhren nur Trioden zur Verfügung. Diese Trioden haben jedoch bauartbedingt eine relativ "große" Kapazität (C_ag ≈ 2pF ... 5pF) zwischen Anode und Gitter. Bei einem selektiven Verstärker (HF oder ZF) ergibt sich dadurch eine Rückwirkung vom Anodenkreis auf den Gitterkreis. Da die Röhre verstärkt, ist die Wechselspannung an der Anode um den Verstärkungsfaktor entsprechend größer als am Gitter, was im Ersatzschaltbild durch die "Miller-Kapazität" (Miller-Effekt) ausgedrückt wird.

In der Praxis führt das dazu, daß solche Verstärkerstufen zur Instabilität neigen und "pfeifen" oder "jaulen". Besonders kritisch werden Verstärker mit 2 oder mehr Stufen, wie sie in ZF-Stufen (≈ 50 kHz) verwendet wurden.  Bereits 1922 entwickelte Harold Wheeler, der in den Laboratorien von  Louis Hazeltine am Stevens Institute of Technology in den USA arbeitete, eine Schaltung, die die Wirkung der Anode-Gitter-Kapazität mit Hilfe eines Kondensators (Neutrodon) "neutralisierte". Die entsprechenden Geräte wurden deshalb auch "Neutrodynes" genannt.

Diese Schaltung aus "Morecroft, J.H.: Principles of Radio Communication, 3rd ed., Wiley, 1933" zeigt das von Wheeler verwendete Prinzip. Die Spule an der Anode ist angezapft, so daß im Teil zwischen B und C eine gegenphasige Spannung entsteht, die über das "Neutrodon" C₂ auf das Gitter geführt wird, wodurch sich die Rückwirkung über C₁ ( = C_ag) aufhebt. (In der zeitgenössischen Amerikanischen Fachliteratur hat man oft beim Schaltbild einer Röhre auf die Darstellung der Hülle der Röhre verzichtet.)

Ein entsprechendes Schaltbild aus "Lehmann, W.: Die Rundfunk- und Tonfilm-Technik, 2.A., Killinger, 1932" zeigt die Situation in "gewohnter" Darstellung.

Man beachte die damals ebenfalls übliche "Panzerung" (Schirmung) der einzelnen Stufen.

Neben der Schaltung nach Wheeler, die üblicherweise Hazeltine zugeschrieben wird, gibt es auch noch andere Varianten, die jedoch stets auf dem gleichen Prinzip der Kompensation beruhen.

In "Terman, F.E.: Radio Engieering, 2nd ed., Mc-Graw-Hill, 1937" findet sich die folgende Darstellung.

Auswirkungen der Rückwirkungskapazität

Ohne Neutralisation ergibt sich bei einem selektiven Verstärker aufgrund der Rückwirkung von der Anodenspannung am Gitter ein Eingangs-Widerstand und eine (zusätzliche) Eingangs-Kapazität. Die gemessene Röhre hat eine C_ag = 0,04pF , also deutlich weniger als eine Triode.

In einem Ersatzschaltbild läßt sich das so darstellen.

 

Da die Neutralisation auf einem  Brücken-Abgleich beruht, kann folglich "unter" oder "über" neutralisiert werden.

Eine unvollständige Neutralisation wirkt sich aber auch auf die Durchlaßkurve des Schwingkreises in der Anode aus.  Zunächst die von Terman gemessene Resonanzkurve.

Wie man erkennt, wird die Durchlaßkurve unsymmetrisch.

Deutlicher wird dieser Effekt bei ZF Verstärkern auf 10,7MHz, wie in "Rothe, H.: Die Telefunken-Röhre im UKW-Empfänger, Teil 3, Franzis, 1953" nachgelesen werden kann.

Hierbei ist a) ohne Rückwirkung (exakt neutralisiert), b) mit Rückwirkung durch C_ag, c) bei Über-Neutralisation.

In der Praxis konnte es auch vorkommen, daß der Aufbau so war, daß zuviel Neutralisations-Kapazität vorhanden war, so daß sich gemäß den oben gezeigten Prinzipschaltungen kein Abgleich erzielen läßt. Für einen solchen Fall empfiehlt "Vilbig, F.: Lehrbuch der Hochfrequenztechnik, Bd. 2, 4.A., VAG, 1943" folgendes. Dieser Fall kommt bei Siemens Neutro 12 vor.

Bei Röhren mit geringer Anoden-Gitterkapazität bereitet die Neutralisation manchmal Schwierigkeiten, da wegen der Kleinheit der Anoden-Gitterkapazität auch die Kapazität des Neutralisationskondensators sehr klein werden muß. U. U. besitzen dann bereits die Zuleitungen zum Neutralisationskondensator höhere Kapazitätswerte, als zur Neutralisation erforderlich sind. Man hilft sich dann durch einen kleinen Kunstgriff in der Weise, daß man die Anoden-Gitterkapazität durch Parallelschalten einer kleinen Kapazität erhöht.

Schmalband-Neutralisation

Während die Neutralisation mittels Brückenschaltungen breitbandig sind, kann man auch schmalbandig (frequenz-selektiv) die Anoden-Rückwirkungs-Kapazität mit Hilfe einer Spule neutralisieren, wobei  ein "Sperrkreis" (Parallelkreis) gebildet wird. 

Diese Art der Neutralisation findet man in (früheren) Rundfunk-Sendern.

Prüfung auf korrekte Neutralisation

In "Nowak, A.; Schilling, F.: Vom Dipol zum Lautsprecher, Weidemann, 1950" oder "Nowak, A.; Schilling, F.: Die Empfangstechnik frequenzmodulierter Sendungen, 2.A., Schütz, 1955" wird eine Methode beschrieben, wie man meßtechnisch prüfen kann, ob die Neutralisation stimmt.

Man koppelt einen HF Generator ganz lose an den Schwingkreis an, ebenso z.B. ein Röhrenvoltmeter. Der Kreis wird so abgeglichen, daß das Röhrenvoltmeter ein Maximum zeigt. Wird jetzt die Abstimmung des Gitterkreises verändert, darf sich bei richtiger Neutralisation die Anzeige des Röhrenvoltmeters nur unwesentlich ändern.

Einflüsse der Zuleitungs-Induktivitäten

Gemäß "Rothe, H.; Kleen, W.: Elektronenröhren als Anfangsstufen-Verstärker, 2.A. VAG, 1944" gelten folgende Ersatz-Schaltbilder für eine Tetrode (links) und für eine Pentode (rechts) zur Darstellung der Induktivitäten von Schirmgitter bzw. Schirm- und  Bremsgitter, sowie der einzelnen Teil-Kapazitäten.

Durch die Zuleitungs-Induktivitäten wird die Größe der (resultierend) Gitter-Anoden-Kapazität frequenzabhängig.

Man erkennt, daß die resultierende Gitter-Anoden-Kapazität C'_ga bei der Frequenz f_n zu Null wird, was mit "Selbstneutralisation" bezeichnet wird.

Terman bringt noch ein Beispiel dafür, wie man konstruktiv die Größe der Zuleitungsinduktivitäten verringern kann.

MfG DR

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Anmerkung zu "Neutralisation" (Funkschau 18/1961) in Post #1:

In diesem Papier wird als Literaturstelle "Limann, O.; Hassel, W.: Hilfsbuch für Hochfrequenztechniker, Bd. 2, 2.A., Franzis, 1960, pp.540 - 547" benannt.

Der Text und die Abbildungen in Teil VII, 7. "Neutralisierung" in diesem Hilfsbuch sind zu ca. > 90% identisch mit der Veröffentlichung im Telefunken Laborbuch 1 auf den Seiten 286 bis 292.  Diese Quelle wird zwar pauschal als Literaturstelle benannt, jedoch ist nicht vermerkt, welche Teile daraus 1:1 übernommen wurden. Nach heutigen Maßstäben würde man von einem Plagiat sprechen.

 

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In "Langford-Smith, F.: Radio Designer's Handbook, 4th ed., 4th impression, Iliffe, 1957, pp. 1065 - 1067" werden unter dem Thema "Stabilität" weitere Neutralisations-Schaltungen vorgestellt. Dabei wird das Schirmgitter nicht in die Neutralisierung einbezogen.

Eine davon, die eine Induktivität in der Katodenleitung (einer ZF Röhre) verwendet, ist deshalb von besonderem Interesse, weil diese Art der Stabilisierung z.B. bei manchen Geräten von Grundig angewendet wurde, wie z.B dem TS58.

Neutralisation Fig. 26-19

Hierfür gilt für die erforderliche Neutralisierungs Kapazität C_N: C_N = C*C_gp/C_gk  Dies läßt sich aus der in (B) gezeichneten Brücke als Abgleichbedingung herleiten.

Hierbei sind:

• C der Abblock-Kondensator für die Regelspannung (A.V.C.) in der Größenordnung con 10nF
• C_gp die gesamte Kapazität zwischen Gitter und Anode (plate), also einschließlich der Streu-Kapazitäten
• C_gk die gesamte Kapazität zwischen Gitter und Katode, einschließlich Streu-Kapazitäten

Typischer Fall: C = 10nF, C_gp = 0,01pF, C_gk = 15pF. Dann wird C_N = 6,7pF. Der genaue Wert von C_N muß experimentell ermittelt werden. Allerdings ist es meist ausreichend in einer Serienfertigung einen Festwert für C_N zu verwenden, weil de Neutralisationsbedingung nicht sehr kritisch ist.

Neutralisationen Fig. 26-20

Hier ist im Fall (2) die Neutralisation mit einer Spule in der Katode gezeigt.

Aus den Neutralisations-Brücken zu diesen Fällen ergeben sich sofort die Abgleichbedingungen (1) bzw. (2).

Die für die Neutralisation abzugleichenden Schaltelemente sind C₃ (links) bzw. L_a (rechts)

Während der Kondensator C₁ des ZF-Kreises im linken Fall in die Abgleich-Bedingung eingeht, liegt er bei der Neutralisation mit dem Katoden L (rechts) in der Diagonale der Brücke und geht nicht in die Neutralisationsbedingung ein.

Beim Modell TS58 von Grundig gibt es eine Modifikation der "L-Neutralisation" für die 2. ZF-Stufe (EF89 II). Die erste ZF Stufe arbeitet mit Schirmgitter-Neutralisation 8,2nF (Anode - Gitter 2) und 4,7nF (Gitter 2 - Masse). (Man beachte auch die jeweilige Verstärkungs-Regelung der beiden ZF-Stufen, jeweils über das Bremsgitter.) Dank an Hans Knoll für das Schaltbild.

Das Teil-Schaltbild der 2. ZF-Stufe (I-F, intermediate frequency) sieht dann entsprechend zu Fig. 26-20 (rechts) folgendermaßen aus.

 

Hier ist (gemäß Schaltbild) ein Schwingkreis L₁C₁, wo eigentlich eine Induktivität sein sollte. Ein in Resonanz befindlicher Schwingkreis stellt einen Ohm'schen Widerstand dar. Damit wäre aber kein Brücken-Abgleich möglich. Tatsächlich gehen auch noch weitere "Streu-Kapazitäten" in die Resonanzbedingung für den ZF-Kreis ein, so daß der (im Schaltbild direkt erkennbare) Kreis aus L₁ und C₁ alleine genommen auf eine höhere Frequenz als die ZF (10,7 MHz) abgegelichen werden muß. Damit verhält sich aber die Parallelschaltung von L₁C₁ induktiv (bei der ZF-Frequenz) und kann ersatzweise als (kleinere) Induktivität L*₁ dargestellt werden. Die Kapazität C_gk liegt in der Diagonale der Brücke und geht nicht in den Abgleich ein.

In der Kapazität C_pk (Anode - Katode) sind auch alle Kapazitäten enthalten, die durch das Bremsgitter und durch die interne Schirmung zustande kommen. Speziell die Verbindung der interenen Schirmung der EF89 mit der Katode (und nicht mit der Masse) hat sich als notwendig gezeigt, um einen Brücken-Abgleich zu erhalten. Die Induktivität L_a wurde beim TS58 in der Fertigung mit Hilfe eines Wobblers abgeglichen. Hierzu wurde L_a "posaunen-artig" realisiert und dann entsprechend festgelötet. Später wurde dafür ein versilberter Draht zwischen Mittelröhrchen des Röhrensockels und einer ausgestanzten Lasche verwendet.

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Ergänzung 10.12.14: (Telefonat mit Hans Knoll)

Es erscheint auf den ersten Blick verwunderlich, daß für die beiden ZF-Stufen unterschiedliche Arten der Neutralisation angewendet wurden. Der Grund dafür liegt (höchst wahrscheinlich) darin, daß dadurch die Eingangskapazität C_gk der 2. ZF-Röhre nicht in den Brückenabgleich eingeht. In dieser Begrenzerstufe können am Gitter 1 relativ hohe ZF-Spannungen entstehen, so daß sich der Wert der Eingangskapazität dadurch ändert. Die daraus gleichgerichteten Spannungen werden ja auch zur Verstärkungsregelung der 1. ZF-Stufe über deren Bremsgitter verwendet. Da die zweite ZF-Stufe den Ratio-Detektor treibt, ist es notwendig, daß sie weitestgehend Pegel unabhängig arbeitet, um (unerwünschte) Rückwirkungen auf den Ratio-Detektor zu vermeiden.

Die "Kathoden-Neutralisierung" galt damals als "Firmengeheimnis". Es war zwar bekannt, wie man diese Neutralisierung realisieren konnte, jedoch nicht weshalb sie (theoretisch) funktionierte.

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Neutralisation einer ZF Stufe mit Demodulator

Hier wird oft eine zusätzliche Neutralisation benötigt um die Rückwirkung zwischen Diode und Steuergitter auszugleichen.

Die Neutralisation für die Pentode entspricht dem Fall von Fig. 26-19. C_N1 = C*C_gp/C_gk

Für das zweite Neutalisations-C gilt C_N2 = C*C_gd/C_gk

Hierbei ist C_gd Kapazität (und Streukapazitäten) zwischen Gitter und Diode.

Typische Werte: C_gp = 7mpF, Cgd = 9mpF, C_N1 = 3,3pF, C_N2 = 6pF (1mpF = 0,001pF)

MfG DR

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