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aus "DIE KINOTECHNIK" Heft 2 vom Januar 1937 von Dr. Paul Hatschek

Aufgabe des Schaltungstechnikers ist es, die Endröhren so anzuschalten, daß zugleich ein MaximumanLeistung und ein Minimum an Verzerrungen - besonders nichtlinearer Art - erzielt wird. Unter welchen Betriebsbedingungen dies möglich ist, ergibt sich aus den in den Kennlinienfeldern festgelegten Eigenschaften der Röhren selbst.

Es soll im folgenden geschildert werden, welche Gesichtspunkte zu berücksichtigen sind, bevor man sich für einen bestimmten Ausschnitt aus dem Kennlinienfeld als Arbeitsbereich entscheidet und welche Schaltmaßnahmen getroffen werden müssen, um diesen Arbeitsbereich auch tatsächlich zu erfassen.

Es wird sich zeigen, daß die einfachsten und zuverlässigsten Methoden darin bestehen, den Arbeitsbereich aus dem tatsächlichen Kennlinienfeld auf zeichnerischem Wege zu ermitteln und daß jede Entscheidung ein Kompromiß bedeutet, weil ein Maximum an Leistung und ein Minimum an Verzerrungsfreiheit gleichzeitig kaum erreichbar sind.
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Bei dieser Schilderung wird die Leistungsfrage an idealisierten Kennlinienfeldern mit geradlinigem Kennlinienlauf geprüft, während die Verzerrungsfragen an Hand wirklicher Kennlinienfelder mit gekrümmtem Kennlinienverlauf vorgenommen werden muß, weil vor allem die Krümmung der Kennlinien für die nichtlinearen Verzerrungen bestimmend ist.

Zur Vornahme dieser Untersuchungen erscheint jene Darstellungsart, in der der Anodenstrom (ia) als Funktion der Gitterspannung (eg) dargestellt wird, weniger geeignet als jene nach Abb. 1, in der als Funktion der Anodenspannung (ea) dargestellt wird und die Gitterspannungen als Parameter eingezeichnet sind.

Der besseren Übersichtlichkeit halber sind in Abb. 1 die mathematischen Zusammenhänge der drei Röhrenkonstanten - Innenwiderstand (Ri), Steilheit (S) und Durchgriff (D) - angegeben. Würde man sich für den auf der Gitterspannungslinie (-2) eingezeichneten Punkt (P) als Arbeitspunkt entschließen und die Gitterspannung zwischen 0 Volt und -4 Volt verändern, wobei der Anodenkreis der Röhre praktisch kurz geschlossen ist, dann würde in diesem Falle der Arbeitsbereich auf einer (der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichneten) Senkrechten liegen, die im Punkte P auf der Abszissenachse errichtet wird.

Diese Senkrechte wäre die statische Arbeitslinie, während uns die dynamische interessiert, die bei Vorhandensein eines Außenwiderstandes (Ra) im Anodenkreis der Röhre auftritt.

Diese dynamische oder Arbeitskennlinie hat somit den Anodenstrom als Funktion der Gitterspannung bei Vorhandensein eines Außenwiderstands darzustellen.

Bei ihrer Konstruktion ist zu berücksichtigen, daß die Zunahme des Anodenstroms eine Zunahme des an ihm stattfindenden Spannungsabfalls zur Folge hat, so daß die eigentliche, an der Röhre liegende Anodenspannung oder Restspannung (er) kleiner als die Batteriespannung (e0) ist.

Wie aus Abb. 1 ersichtlich ist, steht die (strichpunktiert eingezeichnete) Arbeitskennlinie nicht mehr senkrecht, sondern schief auf der Abszissenachse, sie dreht sich um den Arbeitspunkt im umgekehrten Sinne des Uhrzeigers, wobei der Winkel ß um so kleiner wird, je größer man den Außenwiderstand wählt.

Eine auf die Röhre gegebene sinusförmige Gitterwechselspannung hat offenbar einen um so größeren Anodenwechselstrom und eine um so kleinere Anodenwechselspannung zur Folge, je steiler die Arbeitskennlinie verläuft, und eine um so größere Anodenwechselspannung und einen um so kleineren Anodenwechselstrom, je flacher der Winkel ist, den die Arbeitskennlinie mit der Abszisse einschließt.

Da die Wechselstromleistung der Röhre nichts anderes als das Produkt von Anodenwechselstrom und Anodenwechselspannung ist, so läuft die Leistungsanpassung der Röhre auf folgende Frage hinaus:

Bei welcher Neigung der Arbeitskennlinie nimmt das Produkt aus Anodenwechselstrom und Anodenwechselspannung den Höchstwert an?

Bei gegebenem Kennlinienfeld, gegebener Batteriespannung und gegebener Gitterwechselspannung, wobei hier nur an den A-Verstärker gedacht wird, ergibt sich die zeichnerische Beantwortung dieser Frage aus Abb. 2.

Das Produkt aus Anodenwechselstrom und Anodenwechselspannung ist proportional der Fläche des schraffierten Dreiecks, so daß man einfach zeichnerisch zu ermitteln hat, bei welcher Neigung der Arbeitskennlinie die Dreiecksfläche am größten wird.
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Dieser Neigungswinkel der Arbeitskennlinie, die man deshalb auch als Widerstandsgerade bezeichnet, gibt sodann gemäß der in Abb. 1 angeschriebenen Beziehung die Größe des Außenwiderstandes in Ohm an.

Allerdings kann diese Einzeichnung erst dann vorgenommen werden, wenn feststeht, welche Ausschnitte aus dem Kennlinienfeld aus irgendwelchen Gründen für die Benutzung verboten und welche erlaubt sind.

Die Verbote ergeben sich einmal aus der Unzulässigkeit des Auftretens von Gitterströmen, zum anderen daraus, daß bei den technischen Röhren bestimmte Grenzen in bezug auf Spannung und Leistung festgesetzt sind, die ohne Beschädigung der Röhren nicht überschritten werden dürfen.

Wenn die der Gitterspannung 0 entsprechende Kennlinie als die linke Grenze der zur Benutzung gestatteten Kennlinienpartie betrachtet wird, dann wird das Auftreten von Gitterströmen verhindert und damit der einen aufgestellten Bedingung entsprochen.

Die zweite Grenzlinie verläuft in Abb. 2 als auf der Abszisse im Punkt B0 errichtete Senkrechte, wobei dieser Punkt der höchstzulässigen Anodenspannung entspricht.
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Unter Anodenverlustleistung versteht man bekanntlich die Differenz zwischen der von der Röhre aufgenommenen Gleichstromleistung und der von ihr an den Lautsprecher abgegebenen Wechselstromleistung, also welche Differenz von der Röhre in Wärme umgesetzt werden muß.

Bei der hier allein ins Auge gefaßten A-Schaltung ist diese Differenz in den unbesprochenen Momenten am größten, weil dann die Röhre nur Gleichstromleistung aufnimmt, ohne zugleich Wechselstromleistung abzugeben.

Daher ist hier die Anodenverlustleistung gleich dem Produkt aus Anodenruhestrom und Anodenruhespannung. Die graphische Darstellung erscheint hier als eine in das Kennlinienfeld eingezeichnete Grenzlinie von der Form einer Hyperbel.

In Abb. 3 ist nun gezeigt, daß die optimale Leistungsanpassung je nach der Größe der zulässigen oder verfügbaren Anodengleichspannung eine verschiedene ist. Bezüglich der näheren Erläuterung dieser Zeichnung sei auf die im Anhang angeführte Literatur verwiesen und hier nur das Ergebnis der
zeichnerischen Untersuchung angeführt.

Aus ihr ergibt sich nämlich eine äußerst einfache Regel für die optimale Bemessung des Außenwiderstandes in leistungsmäßiger Beziehung:

Formel

Hierin bedeutet (ea) die verfügbare Anodenspannung, während (Nv) die Anodenverlustleistung und (tga) den aus Abb. 1 erkennbaren Neigungswinkel der der Gitterspannung 0 entsprechenden Kennlinie gegen die Ordinate bedeutet.

In jenen Sonderfällen, in denen der auf die obige Art berechnete Wert des Außenwiderstands kleiner als 2 tga ist, gilt hingegen:

Formel : Ra = 2 tga.

Zu tga ist noch zu bemerken, daß diese Größe nicht mit dem Innenwiderstand (vgl. Definition zu Abb. 1) identisch sein muß. Insbesondere ist dies nicht der Fall bei den tatsächlichen Kennlinienfeldern von Pentoden, bei denen die Kennlinien zunächst unter steilem Winkel vom Nullpunkt ausgehen, um sich dann umzubiegen und unter flacher Neigung gegen die Abszisse fortzusetzen, wie dies Abb. 4 andeutet.
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In diesem Fall entspricht der theoretische Innenwiderstand dem Winkel a, während der für die Verstärkung in Betracht kommende Winkel a1 wesentlich kleiner ist. Dieser Winkel a1 wird dadurch erhalten, daß man jene Punkte der einzelnen Kennlinien miteinander verbindet, an denen sie unter Veränderung ihrer Richtung praktisch geradlinig werden.

Da beide Winkel (a und a1) ihrer Dimension nach als Innenwiderstände aufzufassen sind, so hat man zwischen einem Verstärkungs- und einem Leistungs-Innenwiderstand zu unterscheiden, von denen der letztere (a1) für unsere Untersuchung allein in Betracht kommt.

Zwar sind beide Innenwiderstände in der Praxis identisch, soweit es sich um Eingitterröhren handelt, jedoch sehr erheblich verschieden, sofern Pentoden in Betracht kommen.
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Dieser Unterschied erklärt die Überlegenheit der Pentode in bezug auf ihren Leistungsfaktor, der besonders aus der vergleichenden Darstellung Abb. 5 deutlich wird.

Die volle Anodenwechselspannung ist infolge des steilen Anstiegs der Pentodenkennlinien bei kleinen Anodenspannungen (sehr kleiner Leistungs-Innenwiderstand) wenig kleiner als die Anodengleichspannung und der Wirkungsgrad ist angenähert 50%, während er bei Eingitterröhren nur etwa halb so groß (25%) sein kann.

Die Anpassung in bezug auf die Herstellung eines Minimums nichtlinearer Verzerrungen setzt voraus, daß man nicht das idealisierte, sondern das tatsächliche Kennlinienfeld zeichnerisch untersucht, weil gerade die Krümmung der Kennlinie für die Größe der nichtlinearen Verzerrungen maßgebend ist.
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Da nun die Kennlinien von Eingitterröhren dem Raumladegesetz, die von Pentoden den Stromverteilungsgesetzen gehorchen, so ist ihr Krümmungssinn und die durch sie verursachte Art von Verzerrungen grundsätzlich eine andere.

Abb. 6a und b zeigen das verschiedene Verhalten dieser beiden Röhrentypen bei verschiedenen Außenwiderständen in bezug auf die Form der Arbeitskennlinie. Es ergibt sich hieraus, daß die Verzerrungen mit wachsendem Außenwiderstand bei der Eingitterröhre abnehmen, bei der Pentode zunehmen, was für die Bemessung des Außenwiderstands, von überragender Bedeutung ist.

Ganz abgesehen davon zeigen auch die Formen der Arbeitskennlinien, daß bei Eingitterröhren praktisch fast nur die 2. Harmonische, bei Pentoden aber auch die 3. Harmonische auftritt. Da die erstere, nicht aber die letztere durch Gegentaktschaltung zu kompensieren ist, so ergibt sich hieraus die Überlegenheit der Eingitterröhre in bezug auf die nichtlinearen Verzerrungen.

Bei den bisherigen Überlegungen war stillschweigend vorausgesetzt, daß der Außenwiderstand keinerlei Frequenzabhängigkeit zeigt, was z. B. durch die transformatorische Ankoppelung eines Ohmschen Widerstandes zu realisieren wäre.

Tatsächlich stellt sich aber die Schwingspule des dynamischen Lautsprechers als Impedanz dar, so daß der Außenwiderstand bei höheren Frequenzen wächst.

Paßt man nun den Lautsprecherwiderstand in üblicher Art für das Gebiet zwischen 100 und 1000 Hertz an, so bewirkt die Vergrößerung des Außenwiderstandes in den höheren Frequenzbereichen bei der Eingitterröhre eine Verminderung der Leistung und des Klirrfaktors, bei der Pentode die Vergrößerung beider.
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In Sonderfällen kann diese Anhebung der hohen Töne, trotzdem sie mit einer Erhöhung des Klirrfaktors verbunden ist, wünschenswert sein, so etwa bei Rundfunkempfängern, bei denen die hohen Töne in den hochfrequenten Vorstufen beeinträchtigt werden, so daß sich die beiden Mängel teilweise kompensieren.

Bei Niederfrequenzverstärkern ist diese Erscheinung unerwünscht, doch arbeitet man mit Erfolg an Kunstschaltungen, die den geschilderten Mangel weitgehend beheben. Sie bestehen im Wesen aus einer frequenzabhängigen Gegenkoppelung.

Jedenfalls ist die Entwicklung dieser Kunstschaltungen noch nicht so weit fortgeschritten, daß an die Verwendung von Pentoden als Endröhren bei hochwertigen Wiedergabeansprüchen gedacht werden könnte, trotzdem die leistungsmäßige Überlegenheit dieser Röhrentype über die Eingitterröhre zweifelsfrei feststeht.

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1. Maximale Leistung, Wirkungsgrad und optimaler Außenwiderstand von Endröhren, von R. Urtel, Aus der Telefunken-Zeitung Nr. 62.
2. Die Leistungen und Verzerrungen von Endverstärkern von H. Bartels, Telefunken-Zeitung Nr. 70.
3. Endröhrenprobleme von W. Kleen, Telefunken-Röhre, Januar 1936.

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aus KINOTECHNIK Heft 3 / Febr. Berlin 1937

(Primary considerations in the design and production of theater-amplifiers.) Von D. T. Cunningham J. S. M. P. E. Vol XXVII August 1936

Nach einem kurzen Überblick über die chronologische Entwicklung der Tonfilmverstärker bringt der Verfasser eine Gegenüberstellung von Batterie und Wechselstromgeräten und knüpft dann Betrachtungen an über die Anforderungen, die heute an eine gute Ton-Übertragungsanlage zu stellen sind.

Er befaßt sich einerseits mit der Frage, wie die Wünsche nach Betriebssicherheit, Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit schon beim Entwurf eines Verstärkers berücksichtigt werden können, andererseits mit den Kontrollen, die während der Herstellung bzw. nach der Fertigstellung durchzuführen sind.

Obwohl für jede Verstärkeranlage der jeweilige raumakustische Charakter des Theaters zu berücksichtigen wäre, werden vier Verstärkertypen als ausreichend angesehen, um damit für jedes Theater eine befriedigende Anlage zu schaffen. Diese vier Typen unterscheiden sich grundsätzlich nur durch die abgebbare Leistung.

Es wird jedoch vorgeschlagen, eine Möglichkeit für die Änderung des Frequenzganges vorzusehen, damit in einzelnen Fällen spezielle akustische Eigen-schaften einesTheaters noch ausgeglichen werden können.

Die weiteren Ausführungen befassen sich mit den grundsätzlichen Fragen der Planung von Verstärkern, wobei zunächst die in Frage kommenden Röhrentypen festgelegt werden müssen um danach die Dimensionierung der übrigen Einzelteile, wie Transformatoren, Drosseln und Kondensatoren, Widerständen, Schaltern und Instrumenten, zu wählen.

Für die Auswahl der Röhren sind noch besondere Gesichtspunkte, wie Freiheit von mikrophonischen Eigenschaften, hoher Verstärkungsfaktor bei geringstmöglichen nichtlinearen Verzerrungen usw., zu beachten.

Was der Verfasser über die Auswahl der einzelnen Verstärkerelemente bringt, dürfte sich kaum von den Grundsätzen, die in Deutschland beim Bau von Verstärkern üblich sind, unterscheiden.

Das gleiche gilt für seine Ausführungen über Störerscheinungen wie Netzbrummen, mikrophonische Eigenschaften und Schwingneigung sowie über die angegebenen Abhilfemaßnahmen.

Für die Installation, den Betrieb und Servicedienst der Verstärker haben die von vorn zu bedienenden, an einer Wand aufzuhängenden Typen, den Vorzug. Alle
Meßstellen sind zweckmäßigerweise auf ein Mindestmaß zu beschränken, um eine möglichst hohe Betriebssicherheit und eine weitgehende Entlastung der Vorführer durch die Möglichkeit einer schnellen Beseitigung von Fehlern zu gewährleisten.

Als unbedingt wünschenswert für die Erleichterung des Servicedienstes sind gute Erreichbarkeit, Kenntlichmachung und geschickte Verteilung aller Einzelteile, soweit sich das mit der elektrischen Betriebssicherheit vereinbaren läßt, angeführt, an sich eine Selbstverständlichkeit.

Da in jedem Lande besondere Feuersicherheitsvorschriften für elektrische Geräte bestehen, sollten auch in dieser Richtung jeweils die entsprechenden Voraussetzungen erfüllt werden. Da die Sicherheit, mit der bei der Fabrikation von Verstärkern gearbeitet wird, sehr wichtig ist, werden die Prüfvorschriften besprochen, die bei einem vorliegenden Muster unter Berücksichtigung der zulässigen Toleranzbereiche als notwendig und hinreichend anzusehen sind.

Abgesehen von einer an sich selbstverständlichen eingehenden mechanischen Prüfung einschließlich der Lötstellen werden folgende Kontrollmessungen vorgeschlagen:

• 1. Die Röhrendaten sowie alle wichtigen Arbeitsspannungen und Ströme,
• 2. der Frequenzgang für verschiedene Ausgangs-spannung,
• 3. die nichtlinearen Verzerrungen als Funktion der Ausgangsspannung,
• 4. die Brummspannung,
• 5. Betriebsstabilität als Funktion der Aussteuerung,
• 6. das Maß der mikrophonischen Eigenschaften,
• 7. lautloses Arbeiten der Lautstärkenregulierung,
• 8. akustische Kontrolle der Tonübertragung.

Von Interesse ist noch die Schlußausführung des Verfassers, daß die Kostenfrage, die im einzelnen nicht weiter berührt worden ist, zwar sehr wichtig ist, aber eigentlich gegenüber den Erfordernissen einer guten Tonwiedergabe zurückstehen sollte.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß der Artikel eine sehr gute und ausführliche Betrachtung über den Bau von Tonfilmverstärkern darstellt und alles erfaßt, was von Bedeutung ist, jedoch grundsätzlich wohl kaum etwas Neues bringt. Pr.

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