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Niederfrequenzverstärker mit Dynamikregelung, insbesondere mit Dynamikerweiterung
Die Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, in einem Niederfrequenzverstärker bekannter
Ausführung eine Dynamikerweiterung zu ermöglichen, welche neben dem Vorteil einer
guten Wirkung einen besonders geringen Aufwand erfordert und die zudem unter Beibehaltung
der gegebenen, optimalen Schaltungsdimensionierung des Niederfrequenzverstärkers
als zusätzliche Schaltungseinheit ausgeführt werden kann.
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Bei Rundfunkübertragungen ist es bekanntlich nicht möglich, die Dynamik
insbesondere von Orchesterdarbietungen in vollem Umfang wiederzugeben, da sonst
bei Pianissimopassagen ein schlechter Störabstand oder bei Fortissimopassagen eine
Übersteuerung der Modulatorstufe des Senders die Folge wäre. So ist senderseitig
eine Dynamikpressung erforderlich, die im günstigsten Fall bei AM-Übertragung eine
Dynamik von weniger als 10 db, bei UKW-Übertragung eine solche zwischen 10 und 20
db zwischen fortissimo und pianissimo bestehen läßt. Die Darbietung verliert dadurch
bedeutend an Lebendigkeit und wird in starkem Maße verfälscht.
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Bei modernen Schallplatten läßt sich ein höherer Dynamikumfang erhalten
als bei der Rundfunkübertragung, jedoch ist auch bei der modernen Schallplatte eine
beträchtliche Dynamikpressung unumgänglich.
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Es sind eine Reihe von Schaltungen bekannt, welche es gestatten, die
eingeengte Dynamik auf der Wiedergabeseite, also im Niederfrequenzverstärker des
Empfängers bzw. des Wiedergabeverstärkers im gewissen Umfang wieder zu erweitern
bzw. zu entzerren.
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Abgesehen von einer nicht sehr hochwertigen Anordnung, die mit einer
vor dem Lautsprecher angeordneten leistungsabhängigen Brückenschaltung aus Kohlefaden-
und Wolframfadenglühlämpchen arbeitet, sind alle bekannten Anordnungen sehr aufwendig
und nicht einfach zu bedienen. Daher fand man bisher eine Anwendung dieser Schaltungen
nur in Spezialverstärkern, jedoch nicht in Rundfunkempfängern und Wiedergabeverstärkern
für den Hausgebrauch.
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Das Grundprinzip dieser Schaltungen ist allgemein, daß der Niederfrequenzverstärker
mit einer Verstärkerröhre ausgerüstet ist, welche eine Regelcharakteristik hat und
die im Grundzustand heruntergeregelt ist und daher mit verminderter Verstärkung
arbeitet.
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Mit Hilfe eines zweiten getrennten Niederfrequenzver stärkers und
eines Gleichrichters wird dann eine von der Lautstärke abhängige Regelspannung erzeugt,
welche mit wachsender Lautstärke in positiver Richtung ansteigt. Diese Regelspannung
wird der Regelröhre des Wiedergabe-Niederfrequenzverstärkers zugeleitet und bewirkt
eine mit wachsender Lautstärke ansteigende Verstärkung, wodurch die Dynamik der
Darbietung erweitert bzw. entzerrt wird.
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Da bei Anwendung dieses Prinzips einerseits die Verstärkungsregelung
für alle Frequenzen des Übertragungsbereiches gleichmäßig erfolgt und andererseits
auf eine Übertragung der tiefen Frequenzen nicht verzichtet werden kann, werden
bei der für die Arbeitsweise der Regelung erwünschten niedrigen Zeitkonstante auch
die durch den Regelvorgang bewirkten Gleichspannungsimpulse von der Anode der Regelröhre
an den nachfolgenden Verstärker übertragen, welche die Wirkungsweise der Anordnung
stören und Verzerrungen verursachen.
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Als Abhilfe wurde eine Gegentaktschaltung mit zwei Regelröhren empfohlen,
bei der sich die Gleichstromimpulse der Regelröhren kompensieren, so da,ß keine
Gleichspannungsimpulse im Ausgang auftreten und die Regelzeitkonstante vermindert
werden kann. Die Nachteile der zuletzt genannten Anordnung sind die, folgenden:
1. Die positive Regelspannung für die Regelröhren muß begrenzt werden.
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2. Die Anpassung der Verstärkung des Regelspannungsverstärkers an
den mittleren Lautstärkepegel des Signals, welche üblicherweise durch einen separaten
Regler vorgenommen wird, erfordert ein hohes Bedienungsgeschick.
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3. Die Steuerung einer für die Bedienungserleichterung vorgesehenen
Anzeigeröhre zur Dynamikanzeige erfordert weiteren Aufwand.
Der
Gesamtaufwand ist so beträchtlich, daß eine Anwendung für Heimgeräte praktisch nicht
in Frage kommt, da er in keinem gesunden Verhältnis zum Nutzeffekt steht.
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5. Die Einordnung der Schaltung in den Niederfrequenzverstärker kann
nicht in Form einer zusätzlichen Schaltungseinheit erfolgen, sondern der :\?i-ederfrequenzverstärker
bildet zusammen mit der Dynamikregelanordnung einen Spezialverstärker.
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Es sind auch Schaltungen zur Dynamikregelung behaimt, bei welchen
auf dem Umweg über eine Veränderung der Gegenkopplung des Verstärkers der Dynamilcumfang
beeinflußt und auf eine Gegentaktregelanordnung verzichtet wird. Dabei wird eine
regelbare Impedanzröhre als Verstärker in den vom Aus=-gang zum Eingang des Niederfrequenzverstärkers
geführten Gegenkopplungskanal eingefügt. Bei Herunterregelung der Impedanzröhre
wird die Gegenkopplung vermindert und damit die Verstärkung des Niederfrequznzverstärkers
erhöht. Wird die Regelspannung aus der Niederfrequenzsignalspannung entnommen, so
ergibt sich damit in bekannter Weise eine Dynamik regelting. Diese bekannten Schaltungen
arbeiten frequenzunabhängig. Sie haben außerdem den Nachteil, daß bei kleiner Regelzeitkonstante
die an der Anode der Impedanzröhre auftretenden Gleichspannungsimpulse niedriger
Folgefrequenz in den Eingang des N iederfrequenzverstärkers gelangen können. Es
muß daher eine sehr lange Zeitkonstante für die Heraufregelung zugelassen werden,
um Störungen zu vermeiden. Im übrigen gelten auch für diese Schaltung zum Teil die
im vorausgehenden Absatz unter 2, 3, 4-lind 5 angeführten Nachteile.
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Die erfindungsgemäße Schaltung kommt unter Ver= #-eidung der genannten
Nachteile ohne eine Gegentaktregelanordnung aus und eignet sich zudem besonders
für die Ausführung als getrennte Schaltungseinheit, welche einem vorhandenen Niederfrequenz=
vierstärker ohne wesentliche Veränderung desselben hinzugefügt werden kann. Die
nähere Erläuterung erfolgt an Hand der Abb. 1.
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In einem Niederfrequenzverstärker mit den Röhren 2. 3, bei welchem
zur Erzielung einer vorzugsv; eise frequenzabhängigen Gegenkopplung vom Ausgang
zum Eingang des Verstärkers ein entsprechender Spannungsteiler 5, 6, 7, 8, 9, 10,
11 geschaltet ist, dessen Ouerwiderstand 5 in der Kathodenleitung der ersten Röhre
2 oder im Fußpunkt des eingangsseitigen L autstärkereglers 1 liegt, wird der reelle
Anteil des Spannungsteilers-Längswiderstandes oder ein Teil desselben, 6, durch
den dynamischen Innenwiderstand einer für die Dynamikregelung vorgesehenen Impedanzröhre
12 besetzt. Die Schaltung ist derart, daß die Kathode der Impedanzröhre 12 über
dem Querwiderstand 5 des Gegenkopplungsspannungsteilers an Masse liegt und die vom
Ausgang des ''erstärlzers' hergeleitete Gegenkopplungsspannung ihrer Anode zugeführt
wird. Die Impedanzröhre wird also praktisch rückwärts gesteuert. Als wesentlicher
Vorteil dieser Maßnahme ergibt sich. daß die an der Anode der Impedanzröhre bei
der Regelung auftretenden Hohen Gleichspannungsimpulse niedriger Folgefrequenz nicht
dem Eingang, sondern dem Ausgang des Verstärkers zugeleitet werden, wo sie, wegen
des niedrigen Belastungswiderstandes (Lautsprecher) praktisch keine Störung hervorrufen
können.
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Weiterhin ist vorteilhaft, daß die Dynamikregelung selbsttätig physiologisch
annähernd richtig erfolgt, wenn die Gegenkopplung des Niederfrequenzverstärkei-frequenzabhängig
mit einer nach hohen und tiefen Tonfrequenzen abnehm-iden Wirkung 8, 10 dimensioniert
wird. Bei Dynamikerweiterung erfolgt dann eine bevorzugte Anhebung der mittleren
Tonfrequenzen bei den Fortepassagen und eine bevorzugte Schwächung der mittleren
Tonfrequenzen bei den Pianopassagen. Bei Dynamikeinengung ergibt sich bei entsprechender
Polung der Regelspannung ebenfalls eine physiologisch richtige Regelung.
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In Weiterbildung der Erfindung erhält die Impedanzröhre 12 selbst
eine Spannungsgegenkopplung, um den dynamischen Innenwiderstand zu vermindern. Im
praktischen Fall hat der durch den Innenwiderstand zu ersetzende Teil des Längswiderstandes
6 des Gegenkopplungsspannungs.teilers einen ziemlich niedrigen Wert (z. B. 1 kOhm).
Mit der zusätzlichen Spannungsgegenkopplung der Impedanzröhre kann ein solcher Wert
auch bei kleinem Anodenstrom (z. B. 1 mA) gut durch den dynamischen Innenwiderstand
realisiert werden. Mit Vorteil wird die erwähnte Spannungsgegenkopplung der Impedanzröhre
12 in der Weise ausgeführt, daß ein Kondensator 14 von der Anode zum Gitter geschaltet
wird. Durch Bemessung dieses Kondensators (z. B. 0,015 [,F), sowie des Gitterableitwiderstandes
15 der Impedanzröhre (z. B. 0,5 MOhm), kann man ferner erreichen, daß die Eigengegenkopplung
der Impedanzröhre bei tiefen Frequenzen geringer, ihr wirksamer dynamischer Innenwiderstand
also größer wird. Damit wird aber die Gegenkopplung des Niederfrequenzverstärkers.
bei tiefen Frequenzen vermindert, was einerseits der üblicherweise gewünschten Frequenzabhängigkeit
entspricht und andererseits die Fernhaltung der durch die Regelung der Impedanzröhre
bedingten Gleichspannungsimpulse vom Verstärkereingang trotz der Eigengegenkopplung
sicherstellt.
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Erfindungsgemäß wird weiterhin die im Gegenkopplungszweig vorgesehene
Impedanzröhre als Alizeigeröhre (magisches Auge) ausgeführt, um zugleich mit der
Dynamikregelung eine Dynamikanzeige zu erzielen.
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Ein anderer Erfindungsgegenstand bei Anwendung von Dynamikerweiterung
liegt darin, daß die vom Ausgang des Niederfrequenzverstärkers abgenommene und dein
Regelspannungsgleichrichter 17 zugeführte Niederfrequenzspannung so bemessen wird,
daß einerseits bei sehr kleiner eingestellten Lautstärke (z. B. 1 mW) noch keine
Dynamikerweiterung erfolgt und daß andererseits die zwischen dem Gitter und der
Kathode der Impedanzröhre auftretende Niederfrequenzspannung, welche mit zunehmender
eingestellter Lautstärke stark ansteigt, erst dann die Aussteuerungsgrenze der Impedanzröhre
überschreite;, wenn diese durch die dann ebenfalls hohe Regelspannung bereits gesperrt
ist. Der Prozeß der Dynamilcerweiterung wird also bei dieser Dimensionierung auf
den Bereich mittlerer Lautstärke beschränkt und Verzerrungen durch Übersteuerung
der Impedanzröhre werden vermieden.
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Erwähnt sei in diesem Zusammenhang, daß bei der erfindungsgemäßen
Schaltung die Abnahme der Regelspannung vom Ausgang des geregelten Verstärkers auch
bei Dynamikerweiterung möglich ist, weil die üblicherweise bei positiver Regelung
auftretende Rückkopplung des Regelvorganges wegen der bei Verminderung der Gegenkopplung
des Verstärkers auch abnehmenden Regelsteilheit, näherungsweise kompensiert wird.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Ausschaltung der Dynamikregelanordnung
in der Weise, daß durch einen vorzugsweise mit einer Drucktaste zu betätigenden
Schalter
22 an Stelle des dynamischen Innenwiderstandes der Impedanzröhre 12 der ohne die
Dynamikregelanordnung im Längszweig des
[email protected] vorhandene, gleich
große feste Widerstand 6 wieder eingeschaltet wird. Dieses hat den Vorteil, daß
auch bei ausgeschalteter Dynamikregelung in Verbindung mit einer zugleich sehr groß
eingestellten Lautstärke keine Verzerrungen durch Übersteuerung der Impedanzröhre
wirksam werden können.
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Es ist ferner zweckmäßig, zugleich mit der Ausschaltung der Dynamikregelung
mittels eines zweiten Schalters 23 die Dynamikregelspannung kurzzuschließen, um
die Dynamikanzeige gleichzeitig zu unterbinden. Diese Art der Ausschaltung hat neben
der sinngemäßen Wirkung den Vorteil, daß kein Umschaltknacken hörbar wird und dennoch
eine trägheitslose Umschaltung erfolgt.
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Ein weiterer Erfindungsgegenstand ist dann von besonderem Interesse,
wenn die Dynamikregelschaltung in einem Rundfunkempfänger angewandt wird und besteht
darin, daß die als Anzeigeröhre ausgeführte Impedanzröhre 12 bei ausgeschalteter
Dynamikregelung als Abstimmanzeigeröhre verwendet wird (Abb. 2). Zu diesem Zweck
wird bei Ausschaltung der Dynamikregelung mit einem weiteren Schalter 24 das Gitter
der Anzeigeröhre von der Dynamikregelspannung getrennt und an die Schwundregelspannung
des Empfängers gelegt. Mit dem Einschalten der Dynamikregelung bewirkt der Schalter
24, daß automatisch wieder die Anzeige der Dynamik erfolgt. Es ist auch möglich,
beide Regelspannungen zu überlagern, so daß neben der Dynamikregelung zugleich eine
Dynamikanzeige und eine Abstimmanzeige erfolgt, jedoch liefert eine solche Anordnung
nicht immer brauchbare Resultate.
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Abb. 1 zeigt das Schaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung für den
Fall, daß die Impedanzröhre 12 nur zur Dynamikregelung und Dynamikanzeige verwendet
wird. Der Querwiderstand 5 des Gegenkopplu.ngsspannungsteilers liegt beispielsweise
im Fußpunkt des Lautstärkereglers 1.
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Abb.2 stellt die Abweichung der Abb. 1 dar, bei der die Impedanzröhre
12 auch zur Abstimmanzeige bei ausgeschalteter Dynamikregelung benutzt wird. Der
Querwiderstand 5 des Gegenkopplungsspannungsteilers liegt hier beispielsweise in
der Kathodenleitung der ersten Röhre 2 des Verstärkers.
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In beiden Abbildungen haben die weiter bezeichneten und noch nicht
erwähnten Schaltteile die folgende Funktion: Ausgangstransformator 4, Arbeitswiderstand
der Impedanzröhre 13., Trennkondensator 16, Regelspannungssiebkette 19, 20, Diodenarbeitswiderstand
18, Koppelkondensator 21.
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In beiden Abbildungen beinhaltet der unterhalb der gestrichelten Querlinie
gezeichnete Schaltungsteil jeweils die komplette Dynamikregelschaltung, die als
getrennte Schaltungseinheit ausgeführt werden kann. Man erkennt, daß aus dem vorhandenen
Niederfrequenzverstärker lediglich einige Verhindungsleitungen herauszuführen sind.