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Verfahren zur Untersuchung des Mikrophoneffektes von Elektronenröhren
Unter der Bezeichnung Mikrophoneffekt von Elektronenröhren wird jene Erscheinung
verstanden, die darin besteht, daß im Anodenkreis der Röhre als Folge mechanischer
Einwirkung ein störender elektrischer Strom auftritt. In Radioapparaten entsteht
nach der Verstärkung dieses Zeichens ein Ton. In elektronischen Meßgeräten kann
die Erscheinung zu falschen Meßergebnissen führen.
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Die Ursache der Erscheinung liegt darin, daß der Aufbau der Elektronenröhre
nicht vollständig starr ist. Zwecks leichter Montage wird in den Glimmerscheibchen
der einzelnen Elektrodenhalterungen für die Elektroden ein gewisses Spiel gesichert.
Als Folge lang anhaltender mechanischer Einwirkungen, z. B.
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Erschütterungen, wird dieses Spiel durch die gegenseitige Reibwirkung
zwischen den Glimmerplättchen und den metallischen Teilen mit der Zeit vergrößert.
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Auch die Gitterrippen, die Gitterwindungen, ferner die Kathodenröhre
und der Heizfaden können Kontinuitätsschwingungen ausführen. Insbesondere die Änderung
des Abstandes zwischen Gitter und Anode, ferner zwischen Kathode und Gitter und
des Abstandes zwischen den Gitterwindungen sind jene kritischen Abstandsänderungen,
welche sich periodisch wiederholen und ähnliche Wirkungen ausüben wie die Steuerung
im Eingang des Gitterkreises, wodurch im Anodenkreis verstärkte Signale! entstehen.
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Fiir die Wirkungsweise einer Elektronenröhre ist das Maß des Mikrophoneffektes
entscheidend, also wie stark jenes nützliche Signal ist, welchem die durch den Mikrophoneffekt
verursachte Stromänderung entspricht. Von zwei Röhren ist nicht jene Röhre die fehlerhaftere,
welche auf eine mechanische Erschütterung oder auf einen Schlag mit einer größeren
Stromänderung reagiert, sondern jene, bei welcher das entstandene Zeichen einer
größeren Eingangsspannung entspricht.
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Es sind bereits Verfahren und Einrichtungen zur Rauschmessung sowie
Röhrenprüfeinrichtungen zur Messung der Anodenspannung bekannt.
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Es ist auch bekannt, den Mikrophoneffekt unter Verwendung mechanischer
Erschütterungen hzw.
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Schwingungen zu messen.
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Zum Prüfen des Mikrophoneffektes von Elektronenröhren sind insbesondere
folgende Verfahren bekannt: Bei dem einen dieser Verfahren wird die mikrophonische
Erregung unter überwachten Umständen untersucht. Die einen Mikrophoneffekt aufweisende
Röhre wird in die eine Stufe eines Empfängers oder eines Verstärkers geschaltet.
Die Rückkopplung der durch den Mikrophoneffekt verursachten akustischen Schwingungen
erfolgt über den Lautsprecher oder auf mechanischem Wege über das Chassis oder auf
akusti-
schem Wege mit Hilfe der Tonschwingungen. Das Verfahren ergibt kein verläßliches
Resultat, da die mechanischen bzw. akustischen Schwingungen von der Resonanzkurve
des Lautsprechers, von den geometrischen Daten, von der Entstehung stehender Wellen
und von der Lage des Lautsprechers und der Röhre in einem solchen Maß abhängen,
daß die in verschiedenen Einrichtungen erhaltenen Resultate kaum einen Zusammenhang
miteinander aufweisen.
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Nach einem anderen Verfahren wird durch ein mechanisches Element,
z. B. einen hölzernen Hammer, ein kleiner Schlag gegen die im Betrieb stehende Röhre
ausgeführt, wonach die Amplitude und der Dämpfungsfaktor des entstandenen Schwingangsgemisches
gemessen wird. Auch dieses Verfahren ist nicht verläßlich, da die Resultate eine
starke Streuung aufweisen und nur statistisch ermittelt werden können.
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Die Hauptursache liegt darin, daß keine Sicherheit dafür geboten ist,
daß jeder Schlag unter gleichen Umständen erfolgt. Ferner sind die erhaltenen Resultate
nicht kennzeichnend für die Wirkungsweise der Röhre. Der Schlag erregt nämlich nicht
mit gleicher Wahrscheinlichkeit die möglichen verschiedenen Elektrodenresonanzen.
Dies wäre nur möglich, wenn die Zeitdauer des Schlagens unendlich kurz wäre. In
diesem Falle wäre das Fourier-Spektrum des Einheitsimpulses bei allen Frequenzen
von der gleichen Amplitude. Da jedoch die besagte Zeitdauer eine endliche ist, verringert
sich die Größe der Komponenten hoher Frequenz, so daß die Erregung geringer ist.
Die
Schläge heben also die Resonanzen geringer Frequenz heraus und
unterdrücken jene einer höheren Frequenz.
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Man hat es auch versucht, die vollständige Resonanzkurve der Elektronenröhre
als die eines komplizierten mechanischen Schwingungssystems aufzunehmen. Dies kann
dadurch erfolgen, daß man die Röhre einer akustischen Einwirkung aussetzt, z. B.
in einem kleinen Raum der Einwirkung von Tonschwingungen, die durch einen Lautsprecher
erzeugt werden. Der Lautsprecher wird aus einem besonderen Tongenerator gespeist
und die Steuerung so geregelt, daß die Größe des Schalldruckes bei jeder Frequenz
gleich groß sei.
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Es wird die Größe des durch den Mikrophoneffekt erzeugten Signals
als Funktion der Frequenz gemessen. Die Schwäche des Verfahrens liegt darin, daß
sich der Schalldruck in jedem geschlossenen Raum von Punkt zu Punkt stark ändert
und so das Regeln unsicher ist.
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Bei einem anderen allgemein üblichen bekannten Verfahren wird die
Röhre mit Hilfe eines elektrodynamischen Vibrators unmittelbar in mechanische Schwingungen
versetzt. Auch bei diesem Verfahren ist die Erregung von sinusförmigem Charakter,
und das Signal wird in Abhängigkeit der Frequenz untersucht. Auch dieses Verfahren
weist mehrere Nachteile auf. Es ist vor allem zu beachten, daß die Resonanzkurve
einer mikrophonischen Röhre recht oft nadelspitzenartige Resonanzstellen aufweist.
Erfolgt das Registrieren mit Hilfe einer mechanischen Vorrichtung, so ermöglicht
die Massenträgheit der Einrichtung das richtige Aufzeichnen der Spitzen in der hierzu
zur Verfügung stehenden kurzen Zeit nicht. Man muß auch aus bestimmten Gründen mit
dem Schallgenerator das Frequenzband zu schnell abtasten, damit die einzelnen mechanischen
Resonanzen den durch die Dämpfung bestimmten stationären Wert erreichen können.
Da die notwendige Einschwingzeit bei den verschiedenen Spitzen verschieden ist,
erscheinen diese im Diagramm in einer verzerrten Form.
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Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Aufnahme nur die Größe
des Mikrophoneffektsignals ergibt, man jedoch keine Aufklärung darüber erhält, welche
Frequenzen in diesem Signal vertreten sind.
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Das Zeichen ist in gewissen Fällen eine lineare Funktion der Erregung,
enthält jedoch manchmal insbesondere deren höhere Harmonische. Zwischen den beiden
Fällen besteht jedoch in bezug auf eine etwaige Selbsterregung ein sehr wesentlicher
Unterschied: Ist im Signal die Grundfrequenz nur schwach vertreten, so ist audi
das Maß der Rückkopplung gering, damit auch die Gefahr der Selbsterregung. Man würde
eine vollständige Aufklärung erst dann erhalten, wenn man das Signal einer Frequenzanayse
unterwerfen würde.
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Dadurch wäre jedoch das Verfahren zu sehr kompliziert, da man hierzu
einen kostspieligen und deshalb schwer zugänglichen Tonfrequenzspektroineter benötigen
würde.
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Gegenstand der Erfindung bildet ein Verfahren zum einfachen und leicht
auswertbaren Messen des Milerophoneffektes von Elektronen röhren in der Weise, daß
man als Resultat einen für den Mikrophoneffekt der Röhre kennzeichnenden einzigen
Wert erhält. Im Sinne der Erfindung wird zu diesem Zweck die auf ihren Mikroplioneffekt
zu nutersuchende Röhre innerhalb beliebiger Frequenzgrenzen durch ein mechanisches
weißes Rauschen erregt und die infolge dieser Erregung im Anodenkreis entstehende
Spannung gemessen. Der auf diese Weise gemessene Spannungswert bestimmt jene Erregung
im EingangskFeis. welche unter normalen Betriebsverhältnissen der
Röhre eine Anodenspannung
derselben Größe erzeugen kann.
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In dieser Beschreibung und den Patentansprüchen wird unter dem Ausdruck
»weißes Rauschen« ein Rauschen verstanden, dessen Fourier-Spektrum innerhalb beliebig
gewählter Frequenzgrenzen bei jeder Frequenz vollständig gleichmäßig ist. Es handelt
sich also um ein Rauschen, in welchem die Schwingungen aller Frequenzen mit derselben
Amplitude vorhanden sind.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Zeichnung näher
erläutert.
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Die Zeichnung zeigt als Beispiel eine Schaltanordnung zum Durchführen
des Verfahrens nach der Erfindung.
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Mit dem Rauschgenerator 1 wird ein elektrisches weißes Rauschen innerhalb
beliebiger Frequenzgrenzen erzeugt. Dieses elektrische weiße Rauschen wird vorteilhaft
unter Zwischenschaltung eines Verstärkers 2 in einem elektromechanischen Wandler
3 in ein mechanisches weißes Rauschen umgewandelt und mit diesem weißen Rauschen
die zu untersuchende Elektronenröhre 4 erregt bzw. in mechanische Schwingungen versetzt.
Die Anodenspannung der Elektronenröhre 4 wird zweckmäßig unter Zwischenschaltung
eines Meßverstärkers 5 einem Anzeigeinstrument 6 zugeführt.
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Der Rauschgenerator 1 kann entweder ein an sich bekannter elektrischer
Widerstandsrauschgenerator oder ein Schrotrauschgenerator oder ein mit einer ein
Gas enthaltenden Röhre arbeitender Rauschgenerator od. dgl. sein.
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Der elektromechanische Wandler 3 ist ein solcher, der, durch ein
weißes Rauschen oder im allgemeinen durch einen Strom oder eine Spannung konstanter
Amplitude gespeist, für die Röhre mit einer kleines Masse eine Beschleunigung konstanter
Amplitude erzeugt.
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Die zu untersuchende Elektronenröhre 4 wird mit dem weißen Rauschen
vorteilhaft derart erregt, daß die erregende Schwingung je eine Komponente in der
Richtung der Symmetrieachse der Röhre als auch in einer zu dieser senkrechten Richtung
aufweist. Um dies zu erreichen, wird die Röhre unter einem Winkel zur Richtung der
erregenden Schwingung angeordnet, welche kleiner als eirx rechter Winkel ist und
vorteilhaft 450 beträgt.
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Die Frequenzgrenzen des zur Untersuchung gewählten Frequenzbandes
werden entsprechend den jeweiligen Umständen, z. B. vorteilhaft zwischen 50 und
5000 Hz, gewählt Vorteilhaft liegt die untere Grenze nicht unter der Periode der
Netzspannung (50 Hz), um das Netzgeräusch zu vermeiden. Eine obere Grenze von 5000
Hz genügt bereits praktisch in fast allen Fällen.
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Das Verfahren nach der Erfindung zum Prüfen des Mikrophoneffektes
von Elektronenröhren weist den Vorteil auf, daß in demselben keine unterschiedlichen
Frequenzen eine Rolle spielen, sendern die integrale Wirkung des gesamten gewählten
Frequenzbereiches durch einen einzigen numerischen Wert gekenuzeichnef wird. Außer
für Laboratoriumszwecke eignet sich das Verfahren vorteilhaft auch zur Anwendung
in der Massenfabrikation zum Untersuchen und Sortieren der fertigen Röhre in bezug
auf ihren Mikrolorlefelrt.
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Da durch das Verfahren die zulässige maximale Mikrophonef elctneigùrlg
der Röhre mit einem einzigen Zahlenwert gekennzeichnet werden kann, werden die zu
untersuchenden Röhren der beschriebenen Prüfmig unterworfen und die sich als Resultate
ergebender
Meßwerte mit einem im voraus festgesetzten Maximum verglichen.
Auf diese Weise kann es festgestellt werden, ob die Röhre in bezug auf den Mikrophoneffekt
den gestellten Forderungen entspricht oder als Ausschuß zu bewerten ist.
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PATENTANSPRUCEIE 1. Verfahren zur Untersuchung des Mikrophoneffektes
von Elektronenröhren unter Verwendung mechanischer Schwingungen und durch Messung
der hierdurch im Anodenkreis entstehenden Spannung, dadurch gekennzeichnet, daß
die zu untersuchende Röhre zwischen beliebigen Frequenzgrenzen durch ein mechanisches
weißes Rauschen erregt wird.