Regelangseinrichtung an Verstärkern. Es ist ein bekanntes Merkmal des menschlichen Ohres, dass es gegen Töne von sehr niedriger Frequenz relativ unempfind lich wird; wenn die Tonstärke auf ein nie driges Niveau fällt.
Wenn Musik, zum Beispiel von einer Rundfunkstation, in einem akustischen Stärkeniveau, das nahezu gleich demjenigen am Mikrophon ist, wiedergegeben wird, klingt die Wiedergabe am natürlichsten, vorausgesetzt, dass die Ausgangs-Frequenz- charakteristik des elektroakustischen Sy stems flach ist, das heisst dass alle Frequen zen in der gleichen relativen Amplitude wie in der Originalaufnahme in der Wiedergabe vorhanden sind.
Entsprechend der kleinen Grösse des Durchschnittraumes, in welchem ein Radio empfänger oder Phonograph betätigt wird, ist es normalerweise nicht wünschenswert, dass der wiedergegebene Ton ebenso laut wie das Original ist. Die Lautstärke muss also empfangseeitig reduziert werden.
Geschieht dies, ohne dass die relativen Amplituden der verschiedenen Frequenzen geändert werden, so wird wegen des oben erwähnten Merk mals des Ohres die Empfindung entstehen., als ob ein ernsthafter Mangel in der Wie dergabe der niedrigen Frequenzen oder Bass- noten vorhanden wäre. Es ist daher, um die psychologische Wirkung eines richtigen Tongleichgewichtes bei verschiedenen aku stischen Stärkeniveaus zu erzeugen, notwen dig, eine Regelungseinrichtung am Verstär ker vorzusehen, welche in Abhängigkeit vom Ausgangsniveau die Frequenzcharakteristik des Verstärkers derart ändert, dass die durch das menschliche Ohr bedingten linearen Ver zerrungen mindestens teilweise wieder auf gehoben werden.
Eine solche Regelungsein richtung zu schaffen, ist Gegenstand vorlie gender Erfindung.
Es sind Versuche gemacht worden, das gewünschte Resultat dadurch zu erzielen, dass die Ausgangs-Frequenzcharakteristik des Verstärkersystems entsprechend der Stellung der Leistungsniveauhandsteuerung durch Zusammenschaltung geeigneter Kreis elemente variiert wird. Während diese He thode eine merkliche Verbesserung gegen über der Leistung eines urkompensierten Verstärkers bringt, ist sie doch nicht gänz lich befriedigend, da die wirkliche Leistung des Verstärkers über einen. weiten Bereich bei fester :
Stellung der Leistungssteuerungs- einrichtung variiert, und zwar wegen der normalen Variation der musikalischen Am plitude zwischen Pianissimo und Fortissimo. Dieser Mangel ist bei der vorliegenden Er findung behoben, indem die Regelungsein richtung auf den momentanen Wert des Ausgangsniveaus selbsttätig anspricht, so dass es also nicht darauf ankommt, ob das Leistungsniveau infolge einer Leistungs- steuerungseinrichtung oder aus Gründen, wie sie oben genannt sind, variiert.
Die erfindungsgemässe Regelungseinrich tung kann an einem Radio- oder Audiofre- quenzverstärker vorgesehen sein.
Im folgenden werden anhand der Zeich nung Verstärker beschrieben, .die mit Aus- führungsbeispielen erfindungsgemässer Re gelungseinrichtungen versehen. sind.
Die Fig. 1 bis 7 stellen folgendes dar: Fig. 1 ist ein Diagramm, welches den Schwellentondruck auf das menschliche Durchschnittsrohr für verschiedene Audio- frequenzen darstellt; Fig. 2 und 3 sind schematische Schalt schemen von Verstärkersystemen, die mit Regelungseinrichtungen gemäss dieser Er findung versehen sind;
Fig. 4 ist ein Schaltschema eines Audio- frequenzverstärkersystems, das eine erste Ausführungsform der Regelungseinrichtung zeigt; Fig. 5 ist ein Schaltschema eines Au diofrequenzverstärkers mit einer zweiten, Ausführungsform der Regelungseinrichtung;
Fig. 6 ist ein Schaltschema eines Audio- frequenzverstärkers, der eine dritte Ausfüh- rungsform der Regelungseinrichtung auf weist; Fig. 7 ist ein Diagramm, das die pro zentualen Beziehungen für Hoch- und Nie derausgangsspannungsniveaus zwischen den verschiedenen Frequenzen im Audiofrequenz- ausgang des Verstärkers nach Fig. 4 zeigt.
In der Fig. 1 stellen die Ordinaten den Tondruck und die Abszissen die Audio- frequenzen dar. Die Kurve, welche aus "Speech aand Hearing" von Metcher genom men wurde, gibt den hörbaren Minimumwert des Tondruckes für verschiedene Audiofre- quenzen an.
Es kann aus dieser Figur er sehen werden, da$ das Durchschnittsohr am empfindlichsten auf Frequenzen ist, die zwi schen 1000 und 4000 Hertz liegen, und dass der für Hörbarkeit notwendige Tondruck bei einer Frequenz zwischen 64 und 128 Hertz ein Vielfaches von demjenigen ist, ,der notwendig ist für Hörbarkeit bei 1000 Hertz.
In der schematischen Fig. 2 wird das zu verstärkende Zeichen dem Eingangsverstär- ker 11 und dem zusätzlichen Verstärker 12 zugeleitet. Die Leistungen beider Verstär ker 11 und 12 werden dem Ausgangsverstär ker 13, durch welchen die Zeichen weiter verstärkt werden, zugeführt. Ein Teil der Leistung des Ausgangsverstärkers wird dem Frequenzfilter, Gleichrichter und Zeitkon- stantenkreis 14 zugeführt.
Hier wird eine steuernde Vorspannung für den zusätzlichen Verstärker 12 erzeugt. Der Kreis 14 enthält einen Zeitkonstantenkreis, damit augenblick liche Variationen des Leistungsniveaus nicht den zusätzlichen Verstärker beeinflussen. Die Wirkung dieses Systems wird später in Verbindung mit der Beschreibung der Fig. 4 geschildert.
In der schematischen Fig. 3 wird das Zeichen dem Eingangsverstärker zugeleitet. Das Zeichen wird dann zur selektiven Ver stärkungssteuerung 15 und dann zum Aus gangsverstärker 13 geleitet. Ein Teil der Leistung des Verstärkers 13 wird dem Fre- quenzfilter, Gleichrichter und Zeitkonstan- tenkreis 14 zugeführt. Hier wird eine Steuervorspannung für die selektive Ver- stärkungssteuerung 15 geschaffen.
Der greis 14 enthält einen Zeitkonstantenkreis, damit augenblickliche Variationen des Ausgangs niveaus die selektive Verstärkungssteuerung nicht beeinflussen. Die Wirkung dieses Sy stems wird später in Verbindung mit der Beschreibung der Fig. 6 geschildert werden.
In Fig. 4 sind die Eingangsklemmen 1, 2 über einen Spannungsteiler P, geschaltet, dessen variable Anzapfung dazu dient, einen gewünschten Teil der Eingangsspan nung der Verstärkerröhre V, aufzudrücken. Das Eingangszeichen wird in Röhre V1 ver stärkt und über den Kopplungskondensator C, zum Gitter der Röhre VZ geleitet.
Das Zeichen wird weiter in der Verstärkerröhre V2 verstärkt und über den Kopplungskon densator C2 der Verstärkerröhre V4 aufge drückt. Hier wird das Zeichen weiter ver stärkt und über den Transformator T1 den Gegentakt geschalteten Vakuumröhren V,, V, aufgedrückt.
Der Ausgang des Gegen takt geschalteten Verstärkers wird mit dem Primärteil des Ausgangstransformators TZ verbunden. Über die Hälfte des Primärteils des Ausgangstransformators T2 ist ein Span- nungsteiler P2 geschaltet, durch dessen va riablen Kontakt ein gewünschter Teil der Ausgangsspannung über den Kopplungs kondensator C3 zu den Diodenplatten der Röhre V2 geleitet wird.
Ein Diodenwider- stand Ri ist zwischen die Diodenplatten und die Kathode der Röhre V2 geschaltet.
Ein Kreis, der den Widerstand R2, Kon densator C4 und Kondensator C, einschliesst, ist zwischen die Anode der Röhre V, und ihre Kathode geschaltet. Eine Verbindung, ausgehend von einem Punkt zwischen den Kondensatoren C4 und C,, ist zum Ein gangsgitter der zusätzlichen Verstärkerröhre V3 hergestellt, durch welche Niederfrequenz zeichen auf die Röhre V3 in einer Art, die später vollständiger beschrieben wird, auf gedrückt werden.
Die gleichgerichtete Span nung, die über den Widerstand R, ent wickelt wird, und die normale Spannung über den Kathodenwiderstand R3 der Röhre V2 bestimmen die Vorspannung der Vaku umröhre V3 in einer Weise, welche später . vollständiger beschrieben werden wird.
Die Niederfrequenzspannungen werden in der Röhre V3 verstärkt und über den Konden sator C6 dem Gitter der Verstärkerröhre V4 zugeleitet, in welcher sie zusammen mit den Zeichenspannungen, die dem Gitter der Röhre V4 über den Kondensator C2 zuge leitet werden, verstärkt werden.
Geeignete Widerstände, Kondensatoren und Spannungsquellen sind, wie . gezeigt, vorgesehen. Obgleich Batterien aus Bequem lichkeitsgründen gezeigt sind, kann irgend welche geeignete Spannungsquelle vorge sehen werden.
Beim Betriebe wird die verstärkte Zei chenspannung, die an der Anode der Röhre V, erscheint, .dem Gitter der Röhre V2 durch ein Leitungsnetz, welches nicht fre- quenzselektiv wirkt, zugeführt. Die ver stärkte Zeichenspannung wird auch zum Steuergitter der Röhre V3 über das Lei tungsnetz R2, C, geleitet. Der Kondensator C4 ist von hoher Kapazität und dient nur dazu, die hohe Gleichstromspannung von dem Gitter der Röhre V3 abzusperren. Das Gitter der Röhre V3 wird daher durch den Spannungsfall über den Kondensator C, er regt.
Es ist offensichtlich, dass bei hohen Frequenzen nur ein kleiner Prozentsatz der Spannung über diesen Kondensator er scheint, während bei sehr niedrigen Fre quenzen der grösste Teil der Spannung über ihn entwickelt wird.
Der Widerstand R2 wird von genügend hohem Widerstand ge wählt, so dass, der Kondensator C, den Ein gang der Röhre Vz bei hohen Frequenzen nicht merklich beeinflusst. Die Röhre Va ist eine Hochleistungsverstärkerröhre, und die Kreiskonstanten sind so gewählt, dass mit normaler Vorspannung an dem Gitter der Röhre V3 die niedrigen Frequenzen bevor zugt werden.
Die Zeichen, welche durch die Röhren V2 und V3 verstärkt worden sind, werden kombiniert und dem Gitter .der Röhre V4, welche die Gegentaktausgangs röhren V, in der gebräuchlichen Weise speist, zugeleitet. Ein Lautsprecher ist ge- wöhnlich an die Ausgangsklemmen 3-4 ge schaltet.
Die Zeichenspannung, die dem Span- nungsteiler P2 entnommen wird, wird über den Kondensator C3 zum Diodendetektor der Röhre Vz geführt. Der Diodennebenwider- stand R, muss hoch genug sein, so dass er eine vernachlässigbare Wirkung auf den Ausgangskreis des Gegentaktverstärkers aus übt. Der Wert des Kondensators C3 muss sorgfältig in bezug auf .den Widerstand von Ri ausgewählt werden.
Wenn dieser Kon- densator zu klein ist, werden die Bassnoten, wenn das Ausgangsniveau hoch ist und die wiedergegebene Musik wenig Diskantnoten enthält, zu stark betont werden. Wenn dieser Kondensator anderseits zu gross ist, kann die gewünschte Betonung des Basses bei niedri gem Ausgangsniveau nicht erreicht werden, weil die Bassnoten selbst den Diodenkreis wegen ihrer meist relativ grossen Amplitude zu stark erregen werden.
Bei hohem Ausgangsniveau wird ein gro sser -Spannungsabfall am Widerstand R, ge bildet, und diese Spannung wird durch das Filterleitungsnetz R,-C,-R, zum Gitter der Röhre V3 übertragen und genügt, um die Röhre V3 unwirksam zu machen. Unter die sen Bedingungen hat der Verstärker eine normale, flache Frequenzcharakteristik.
Wenn die Ausgangsspannung aus irgend einem Grunde sinkt, sinkt der Spannungsab fall am Widerstand R,, bis die Röhre V3 bei einem gewissen Ausgangsniveau wirksam zu werden anfängt. Wie bereits bemerkt, be- günstigt der Eingangskreis der Röhre V8 die niedrigeren Frequenzen in bezug auf die höheren.
Der Ausgangskreis der Röhre V;, benachteiligt auch hohe Frequenzen bis zu einem gewissen Grade; V, ist eine Hochim- pedanzröhre, was bedeutet, dass die erzielte Spannungsverstärkung annähernd propor tional ihrer Anodenkreisimpedanz ist;
für sehr niedrige Frequenzen ist die Anoden kreisimpedanz praktisch diejenige ihres Ano denwiderstandes RL parallel mit der Gitter ableitung Re der Röhre V4; für sehr hohe Frequenzen ist der Anodenwiderstand R4 der Röhre V2 parallel mit den Widerständen R;, und R6, und da R4 widerstandsmässig be trächtlich niedriger ist, ist die Leistung durch die Röhre V3 für hohe Frequenzen be trächtlich niedriger als für niedrige Fre quenzen.
Wenn V3 daher wirksam ist, dient sie dazu, die Basstöne im Verhältnis zu den mittleren und Diskanttönen zu betonen.
Wenn die Ausgangsspannung weiter sinkt, nähert sich das Potential an den Di- odenplatten der Röhre V2 demjenigen der Kathode von V2, und die Röhre V8 arbeitet unter dieser Bedingung mit Maximumlei- stung.
Daher erhält der Bass für alle Leistungen unter einem gewissen Niveau die volle Be tonung, zu welcher das System fähig ist. Die Wahl des Niveaus, bei welchem sich die Leistungskurve abflacht, und die Wahl des besonders zu betonenden Frequenzbereiches kann von vornherein willkürlich festgelegt werden durch eine Variation der vorhande nen Kreiselemente.
Obgleich irgendwelche geeigneten Ver- stärkerröhren gebraucht werden können, seien die folgenden amerikanischen Röhren typen und folgende Kondensatoren und Wi derstände als geeignet angeführt:
EMI0004.0075
V, <SEP> der <SEP> Triodenteil <SEP> einer <SEP> Röhre <SEP> derType85
<tb> V2 <SEP> Type <SEP> 85
<tb> V3 <SEP> Type <SEP> 77
<tb> V4 <SEP> und <SEP> V, <SEP> Röhren <SEP> der <SEP> Type <SEP> 42, <SEP> geschal tet <SEP> als <SEP> Trioden
<tb> Cl <SEP> 0,01 <SEP> pf.
<tb> C2 <SEP> 0,02 <SEP> ,uf.
<tb> C3 <SEP> 0,003 <SEP> ,uf.
<tb> C4 <SEP> 0,1 <SEP> <I>,cif</I>.
<SEP> <I>.</I>
<tb> C6 <SEP> 0,005 <SEP> ,uf.
<tb> C6 <SEP> 0,05 <SEP> ,uf.
<tb> C, <SEP> 0,25 <SEP> ,uf.
<tb> R, <SEP> 500,000 <SEP> Ohm
<tb> R2 <SEP> 100,000 <SEP> Ohm
<tb> R3 <SEP> 4,000 <SEP> Ohm
<tb> R., <SEP> 50,000 <SEP> Ohm
<tb> R, <SEP> 160,000 <SEP> Ohm
<tb> Re <SEP> 500,000 <SEP> Ohm
<tb> R7 <SEP> 0,5 <SEP> Megohm
<tb> R8 <SEP> 0,5 <SEP> Megohm Beim Verstärker nach Fig. 5 werden die hohen und niedrigen Frequenzen mehr ver stärkt als die mittleren Frequenzen, wenn das Leistungsniveau reduziert wird.
Die Eingangsklemmen 1, 2 sind über den Span- nungsteiler P, geschaltet, dessen variabler Kontakt dazu dient, irgendeinen gewünsch ten Teil der Eingangsspannung der Röhre V, aufzudrücken. Der Ausgang der Röhre V, ist über den Kondensator Cl an das Steuergitter der Verstärkerröhre V4 geschal tet. Der Ausgang der Röhre V4 ist über den Transformator T1 an die Eingänge der Ge gentakt geschalteten Verstärkerröhren V', TV" geschaltet.
Der Ausgang des Gegentakt verstärkers ist mit dem Primärteil des Transformators T2 verbunden, dessen Sekun därteil mit den Ausgangsklemmen 3, 4 ver bunden ist, an welche ein Lautsprecher an geschaltet werden kann.
Ein Spannungsteiler P2 ist über die Hälfte des Primärteils des Ausgangstrans formators T2 geschaltet. Der variable Kon takt des Spannungsteilers P2 ist über den Kondensator C3 mit den Diodenplatten der Röhre V3 'verbunden. Ein Widerstand R, ist zwischen die Kathode der Röhre Vs und die Diodenplatten geschaltet. Das Schirm gitter der Röhre V, ist über die parallelen Impedanzen L, R und C mit der Kathode der Röhre V" verbunden.
Geeignete, vorspan nende Widerstände, Kopplungswiderstände und Spannungsquellen sind, wie gezeigt, vorgesehen.
Wenn die Ausgangsspannung an den Klemmen 3, 4 hoch ist, wird eine hohe Span nung auf die Diodenplatten der Röhre Va aufgedrückt, woraus eine beträchtliche Gleichspannung über den Widerstand R, re sultiert. Dies ergibt für das Gitter der Röhre Vs eine hohe negative Vorspannung, so dass diese Röhre wie ein hoher Widerstand in dem ,Schirmkreis der Röhre V, wirkt. Wenn der Widerstand der Röhre V, verglichen mit der Resonanzimpedanz des Kreises L-R-C gross ist, wird der Verstärker eine flache Charakteristik haben.
Bei niedrigem Aus gangsniveau ist der Widerstand .der Röhre V3 relativ klein, so dass dann die Leistung der Röhre V, freqüenzabhängig wird. Die Charakteristik des Kreises L-R-C wird so gewählt, dass .die Verstärkung der Röhre V,. bei niederem Ausgangsniveau des Verstär kers für mittlere Frequenzen stark abfällt. Der Kreis L-R-C kann, um irgendeine ge wünschte Form der Ansprechkurve zu er zeugen, durch ein kompliziertes Netzwerk ersetzt werden.
Fig. 6 ist eine Anordnung nach dem Schema der Fig. 3. Die Zeichenspannung wird zu den Eingangsklemmen 1 und 2, über welche ein Spannungsteiler P, geschaltet ist, geleitet. Der Teil der Eingangsspannung, der zwischen der Klemme 2 und der variablen Anzapfung am Spannungsteiler erscheint, wird dem Steuergitter der Hochleistungs- verstärkerröhre Vi zugeführt. Wenn man im .Augenblick von der Betrachtung der Wir kung des Filterkreises L-Cs-C9 absieht, zeigt sich,
dass verstärkte Zeichenspannung über den Kopplungswiderstand R(, erscheint und .durch den Kopplungskondensator C,. zum Gitter der Verstärkerröhre V4 übertragen wird. Nachdem sie durch Röhre V4 weiter verstärkt ist, wird die Zeichenspannung durch den Gegentakteingangstransformator T, zu den Gittern der Gegentakt geschalte ten Ausgangsverstärkerröhren V, geleitet.
Nachdem sie durch die Röhren V, weiter verstärkt ist, wird die Zeichenspannung zum Ausgangstransformator TZ und sodann zu .den Ausgangsklemmen 3 und 4 geleitet.
Über die Hälfte des Primärteils des Transformators T2 ist ein Spannungsteiler P2 nebengeschlossen. Der Teil der verstärk ten Zeichenspannung, welche zwischen der variablen Anzapfung von P2 und Erde er scheint, wird über den Kopplungskondensa tor C3 zu den Diodenplatten der Röhre Va geleitet.
Der gleichgerichtete Strom fliesst über R, Die Wechselstromkomponenten wer den. im wesentlichen durch den Filterkreis R,-C,-B, entfernt, und die resultierende Gleichspannung wird als Vorspannung dem ,Gitter der Röhre Vs zugeleitet.
Röhre Vs wirkt wie ein variabler Widerstand, der in ,der Erdleitung des Tiefpassfilters Cs-L-C9 eingeschaltet ist. Anodenstrom wird V3 über die Impedanz Z zugeführt, welche eine hohe Impedanz für alle Verstärkerfrequenzen hat, um alle Frequenzen daran zu hindern, di rekt von der Anode der Röhre Vs über die Anodenspannungsquelle zur Erde zu gehen.
Die Wirkung des Steuerkreises ist fol gende: u Wenn das Ausgangsniveau über dem Primärteil von T2 hoch ist, wird eine relativ hohe negative Vorspannung zum Gitter von V3 geleitet, welche V3 veranlasst, den Zeichen strömen einen sehr hohen Widerstand zu bieten. Folglich hat der Filterkreis Cs-L-Ca einen vernachlässigbaren Einfluss auf die :Übertragungseigenschaften des Verstärkers, weil die Eingangsimpedanz der Röhre V4 für alle Audiofrequenzen hoch ist.
Wenn das Zeichenniveau bei TZ reduziert wird, wird indessen weniger Vorspannung zum Gitter von V3 geleitet. Wenn die Vorspan- nung auf einen niedrigen Wert fällt, bietet die Röhre V3 einen relativ niedrigen Wider stand.
Somit wird das Tiefpassfilter Cs-L-C, wirksam, und die Übertragungscharakte- ristik des Verstärkers wird daher so geän dert, dass niedrige Frequenzen in einem höheren Masse als hohe Frequenzen verstärkt werden.
In jedem der gezeigten greise bil den .die Widerstände .R7 und Rs und der Kondensator C7 einen Filter, um die Wech- selstromkomponenten daran zu hindern, das Gitter der Steuerröhre zu erreichen, und um eine Zeitkonstante einzuführen, um die steuernde Spannung über ein gewünschtes Zeitintervall abzudrosseln.
In dem angegebenen Beispiel ist die Zeit konstante '/s Sekunde. Diese Zeitkonstante ist nicht kritisch, jedoch sollte sie klein genug sein, um die Vorspannung zu befähi gen, den normalen Schwankungen in der ;Lautstärke einer musikalischen Passage zu folgen, und gross genug, dass keine be merkenswerte Steuerwirkung während der mittleren Dauer einer einzigen musikali schen Note erscheint. Fig. 7 illustriert die Ausgangsfrequenz charakteristik eines Verstärkers nach Fig. 4.
Die Kurven A und B stellen die Ausgangs frequenzcharakteristiken für niedriges bezw. hohes Ausgangsniveau dar. Die Ordinaten stellen die Ausgangsspannung bei den ver schiedenen Frequenzen in bezug auf die Lei stung bei 400 Hertz dar. Man sieht, dass bei niedriger Ausgangsspannung die niedrigen Frequenzen zwischen 64 und 128 Hertz um ungefähr 300 bis 800 % im Verhältnis zu den Frequenzen von mehr als 500 Hertz vor herrschen. Daher wird, wenn der Umfang der Leistung durch irgendwelche Mittel re duziert wird, die Verstärkung der niederen Frequenzen relativ grösser.
Auf diese Weise wird mit dieser Anordnung das Ansprechen bei den niedrigen Frequenzen auf einem genügend hohen Niveau gehalten, um ober halb des Schwellenwertes des Durchschnitts rohres zu bleiben. Infolgedessen werden die niedrigen Frequenzen nicht scheinbar aus gelöscht, wenn das Leistungsniveau redu ziert wird.