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Elektrisches Filter, welches einen glockenförmigen Ausgangsimpuls
liefert Es ist bereits vorgeschlagen worden, ein elektrisches Filter lediglich aus
mehreren verschieden großen Längsinduktivitäten und verschieden großen Querkapazitäten
derart aufzubauen, daß es aus sogenannten Dirac-Impulsen, d. h. aus kurzen Impulsen,
die durch im Vergleich zur Impulsdauer sehr lange Pausen (streng genommen sogar
durch unendlich lange Pausen) getrennt sind und ein Frequenzband besitzen, welches
von der Frequenz Null bis zur Frequenz Unendlich alle Frequenzen mit gleicher Amplitude
enthält, einen Impuls herstellt, der zeitlich von der Impulsmitte an gerechnet,
bei der die Ausgangsamplitude des Filters Aa betragen möge, angenähert nach dei
Gleichung
verläuft. Solche Impulse sind Glockenimpulse genannt worden. In dieser Gleichung
bedeutet F diejenige Frequenz, bei der die Amplitudenfrequenzkurve
des Glockenfilters auf den
Teil ihres
Wertes y., den sie bei der Frequenz Null b besitzt, abgefallen
ist.
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Ein Beispiel für ein derartiges Glockenfilter io ist in Abb. i der
Zeichnung dargestellt. Dieses Filter stellt aus Impulsen annähernd rechteckiger
Form, wie sie z. B. aus dem Nulldurchgang einer Sinusspannung mit an sich bekannten
Mitteln hergestellt werden können, Impulse her, die der in Gleichung (i) angegebenen
Glockenform außerordentlich nahe kommen, nämlich etwa die in Abb. 2 dargestellte
Form besitzen.
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Für die praktische Verwendung derartiger Glockenimpulse, beispielsweise
für Signalzwecke, in der Telegraphie, als Synchronisierimpulse im Fernsehen u: dgl.,
ist nun zu bedenken, daß ein Glockenfilter nach Art desjenigen in Abb. i, das für
eine bestimmte Form der Impulse berechnet ist, nun auch einen bestimmten Eingangs-
sowie Ausgangswiderstand besitzen muß, der sich aus der Berechnung ergibt.
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Wenn man beispielsweise ein sogenanntes Stromglockenfilter betrachtet,
d. h. ein Filter, welches den Eingangswiderstand Unendlich besitzt, was praktisch
darauf hinausläuft, daß man die gegebenen Impulse, wie in Abb. 3 dargestellt, dem
Steuergitter einer Fünfpolröhre i i zuführen muß, die auf ein Filter io nach Art
desjenigen in Abb. i arbeitet, so ergibt die Berechnung dieses Filters io für eine
bestimmte Annäherung an die Glöckenimpulsform einen endlichen ohmschen Ausgangswiderstand
des Filters, der in Abb.3 mit 12 bezeichnet ist. Dieser Ausgangswiderstand muß eingehalten
werden, so daß man also an die Ausgangsklemmen 13 und 14 nicht jeden beliebigen
Belastungswiderstand anschließen kann. Darüber hinaus ist es bei einer Schaltung
nach Abb. 3 noch nötig, die Anodengleichspannung für die Eingangsröhre i i zwischen
das untere Ende des Widerstandes 12 und die Ausgangsklemme 14 einzuschalten, wie
in Abb. 3 durch eine dort eingezeichnete Batterie 15 angedeutet ist. Eine solche
Schaltung ist aber praktisch nicht befriedigend; weil die ganzen Querkapazitäten
des Glockenfilters dann neben den Anodenwechselspannungen auch noch die unter Umständen
erhebliche Anodengleichspannung der Röhre z i ertragen müssen, und außerdem auch
deshalb nicht, weil die Längsinduktivitäten zwischen der Ausgangsklemme 13 und der
Eingangsklemme 16 sich auf dem hohen Gleichspannungspotential befinden und gegen
Erde und gegen Berührung isoliert werden müssen. Man kann nun zwar versuchen, diesen
letzteren Übelstand dadurch zu vermeiden; daß man sich die an sich bekannte Tatsache,
daß jedes elektrische Filter umgedreht werden kann, ohne an dem Verhalten des Filters
etwas zu ändern, zunutze macht: Man kann also grundsätzlich die Schaltung nach Abb.
3 derart umändern, wie es in Abb. 4 dargestellt ist, bei der der Widerstand 12 der
Abb. 3 nun als Eingangswiderstand auftritt (und deshalb mit 12' bezeichnet ist)
und zwischen den nun zu den Ausgangsklemmen gewordenen Klemmen 16, 17 nun ein unendlicher
Widerstand liegt. Hierdurch verschwindet zwar die Schwierigkeit, daß die Querkapazitäten
des Filters die hohe Anodengleichspannung ertragen müssen und der obere Zweig der
Filterkette gegen Berührung isoliert werden muß, denn der obere Zweig der Filterkette
kann nun durch einen Kopplungskondensator 18, der lediglich so groß sein muß, daß
sein Wechselstromwiderstand für die niedrigste im Impulsspektrum vorhandene Frequenz,
d. h. bei dem praktisch meist vorliegenden Fall wenigstens nahezu äquidistanter
Impulse für die Grundfrequenz der Impulsreihe genügend klein gegenüber den ohmschen
Widerständen der Drosselspulen sein muß, gegen die Anodengleichspannung isoliert
werden. Die Schwierigkeit, daß an die Ausgangsklemmen des Filters kein beliebiger
Belastungswiderstand angeschlossen werden kann, ist jedoch unverändert geblieben,
nur mit dem Unterschied, daß man bei der Schaltung nach Abb. 4 nun einen Ausgangswiderstand
Unendlich einhalten muß und nicht mehr einen endlichen Ausgangswiderstand, wie bei
der Schaltung nach Abb. 3.
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Wenn man beispielsweise die von einem Glockenfilter gelieferten Impulse
stetig in der Phase verschieben will, so kann man dazu eine sogenannte Küpfmüllersche
Laufzeitkette, d. h. eine Filterkette mit lauter gleichen Längsinduktivitäten und
lauter gleichen Querkondensatoren C mit Ausnahme des Eingangs- und Ausgangskondensators,
der C'/2 beträgt, nach Abb. 5 verwenden und diese Querkondensatoren alle mechanisch
miteinander koppeln, so daß sie sich gleichzeitig. verstellen lassen. Das Glockenfilter
muß in diesem Fall mit einem ohmschen' Widerstand belastet werden, da eine solche
Laufzeitkette unterhalb der Grenzfrequenz einen ohmschen Widerstand darstellt, der
im allgemeinen nicht mit dem vorgeschriebenen Abschlußwiderstand des Glockenfilters
übereinstimmen wird und der außerdem je nach der Einstellung der Kondensatoren noch
verschieden ist.
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Bei der praktischen Anwendung von Glockenfiltern tritt auch häufig
der Fall auf, daß zwischen den Ausgangsklemmen eine kapazitive Belastung angeschlossen
werden muß, beispielsweise dann, `venn man zum Abgleich oder zur Prüfung des Glockenfilters
einen Oszillographen zwischen die Ausgangsklemmen schalten will. In diesem Fall
ist die Ablenkplattenkapazität der Oszillographenröhre vorgegeben und darf die Impulsform
natürlich nicht verändern. Die Berechnung des Glockenfilters verlangt aber an seinen
Ausgangsklemmen einen ganz bestimmten Kondensator, z. B. bei dem Filter in Abb.
4 einen Kondensator von der Größe 8o8 pF. Abweichungen von der Größe dieser Kapazität
von etwa 5 % sind bereits vollkommen untragbar und zerstören die Glockenform der
Ausgangsimpulse weitgehend. Es ist also beispielsweise bei einem Filter nach Abb.4
zunächst vollkommen unmöglich, die Ablenkplatten einer Oszillographenröhre, die
etwa 5o bis ioo pF Eigenkapazität besitzen, dem Kondensator zwischen den. Ausgangsklemmen
16, 17 ohne weiteres parallel zu 7 schalten.
Gemäß der Erfindung
wird ein Ausweg aus diesen Schwierigkeiten dadurch geschaffen, daß bei einem Glockenimpulsfilter
nach Abb. q., also einem solchen, dessen aus der Berechnung sich ergebender Abschlußwiderstand
den Wert Unendlich hat, zu dem gewünschten Belastungswiderstand R ein Kondensator
C parallel geschaltet wird, oder zu der gewünschten Belastungskapazität C des Glockenfilters
ein Widerstand R parallel geschaltet wird und in beiden Fällen das Produkt R - C
so bemessen wird, daß die Glockenimpulsform unverändert bleibt.
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Es ist also z. B: zu dem gewünschten Belastungswiderstand Rin Abb.
6 ein Kondensator C parallel zu schalten und seine Größe so einzustellen, daß die
durch die Parallelschaltung des Belastungswiderstandes R zu den Ausgangsklemmen
16, 17 zerstörte Glockenimpulsform wiederhergestellt wird. Ist dagegen
die Größe der kapazitiven Belastung des Glockenfilters mit C vorgeschrieben, so
muß ein zusätzlicher Widerstand R, wie in Abb. 7 dargestellt, parallel geschaltet
und entsprechend bemessen werden.
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Die Tatsache, daß man den aus der Berechnung des Glockenfilters folgenden
unendlichen ohmschen Abschlußwiderstand, der zwecks Wahrung der Glockenimpulsform
nicht nennenswert verändert werden darf, durch Parallelschaltung einer gewünschten
ohmschen Belastung beliebig verändern und die hieraus zunächst resultierende weitgehende
Störung der Glockenimpulsform durch ein so einfaches Hilfsmittel wie die Parallelschaltung
eines weiteren Kondensators wieder rückgängig machen kann, ist zunächst in höchstem
Grade überraschend. Ebenso überraschend ist der zweite der obengenannten Fälle,
nämlich die Tatsache, daß man zu der letzten Querkapazität eines Glockenfilters,
die, ohne die Glockenform erheblich zu stören, nur um sehr kleine Beträge geändert
werden darf, einen großen Kondensator parallel schalten darf und die hieraus resultierende
völlige Zerstörung der Glockenimpulsform durch ein so einfaches Hilfsmittel wie
die Parallelschaltung eines Widerstandes wiederherstellen kann. Die Größe dieses
parallel zu schaltenden Widerstandes im zweiten Falle bzw. die Größe der parallel
zu schaltenden Kapazität im ersten Falle kann jederzeit experimentell sehr leicht
gefunden werden, da es sich nur um eine einzige Veränderliche handelt, nämlich eben
um die Größe des Zusatzwiderstandes im zweiten bzw. der Zusatzkapazität im ersten
Fall.
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Die Richtigkeit der durch die Erfindung gegebenen technischen Lehre
hat sich an zahlreichen Glockenfiltern beweisen lassen, welche aus Induktivitäten
und Kapazitäten aufgebaut waren und für die das sogenannte Stromübertragungsmaß
(d. h. das Verhältnis von Ausgangsspannung zu Eingangsstrom) folgendermaßen dargestellt
werden kann Stromübertragungsmaß =
worin c eine reelle Konstante, p = jco, a eine die Breite des Glockenimpulses
bestimmende Frequenz und n ein ganzzahliger positiver EXponerit ist, der den Aufwand
an Schaltelementen für das Glockenfilter bestimmt. Die angestellten Versuche haben
durchweg ergeben, daß ein Glockenfilter.mit dem aus der Berechnung folgenden Abschlußwiderstand
Unendlich, welches ohne einen zusätzlichen ohmschen und einen zusätzlichen kapazitiven
Belastungswiderstand einen genau glockenförmigen Impuls, wie er in Abb. 8 durch
Kurve a dargestellt ist, lieferte, bei Belastung mit einem beliebigen ohmschen Belastungswiderstand
auch dann noch einen glockenförmigen Impuls ergab, wenn zu der letzten Querkapazität
ein zusätzlicher Kondensator geeigneter Größe parallel geschaltet wurde. War der
zusätzliche Kondensator zu groß, so verlief der Ausgangsimpuls des Glockenfilters
etwa so, wie es in Abb. 8 durch die Kurve b dargestellt ist, war er zu klein, etwa
so, wie es die Kurve c veranschaulicht, hatte er die richtige Größe, aber genau
so wie die Kurve a. Es kommt dabei nicht darauf an, welchen Betrag der gewünschte
Belastungswiderstand des Glockenfilters besitzt. Ebensowenig kommt es bei einer
vorgegebenen Belastungskapazität auf die Größe dieser Kapazität an; sondern man
kann für jeden dieser Belastungswerte den notwendigen Zusatzwiderstand bzw. Zusatzkondensator
finden. Für das Glockenfilter in Abb. q, sind beispielsweise in Abb.9 auf der Abszisse
verschiedene Werte der Belastungskapazität C (in pF) des Glockenfilters dargestellt
und auf der Ordinate in Kurve X die Größe des zugehörigen- Zusatzwiderstandes R.
Wenn man über der Abszisse statt der Funktion R = f (C) die Funktion R =
f (i/C) aufträgt, d. h. wenn man auf der Abszisse eine zweite Skaleneinteilung anbringt,
die auf z/C lautet und die zusätzlichen Widerstände des Glockenfilters über dieser
Skala i/C aufträgt, so ergibt sich eine gerade Linie Y. Man sieht also, daß tatsächlich
lediglich durch richtige Bemessung des Produktes von R und C, nämlich für das Filter
in Abb. i bei R - C = i,2 ,us, bei jeder gewünschten Belastungskapazität für das
Glockenimpulsfilter die Glockenimpulsform gewahrt bleiben kann.
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In dem obengenannten Beispiel eines Glockenfilters mit anschließender
Küpfmüllerscher Laufzeitkette kann man den Zusatzkondensator am Ende des Glockenfilters
nun auch mechanisch mit den Kondensatoren der Laufzeitkette koppeln, so daß das
Produkt der Größe des Zusatzkondensators und des ohmschen Eingangswiderstandes der
Laufzeitkette für jede eingestellte Phasenverschiebung selbsttätig den Wert erhält,
der zur Aufrechterhaltung der Glockenimpulsform erforderlich ist.
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Die erfindungsgemäße Zuschaltung eines Kondensators bzw. ohmschen
Widerstandes mit der oben besprochenen Bemessung ist auch anwendbar, wenn man in
der bei anderen Filtern bekannten Weise in dem Glockenfilter statt jedes Querkondensators
durch Parallelschaltung einer Drossel einen auf eine bestimmte Frequenz abgestimmten
Stromresonanzkreis vorsieht und statt jeder Längsinduktivität durch Reihenschaltung
eines Kondensators einen auf dieselbe Frequenz abgestimmten Spannungsresonanzkreis.
Man
erhält dann ein Bandpaßfilter mit glockenförmigem Verlauf der Amplitüdenfrequenzkurve,
deren Maximum bei der erwähnten Frequenz liegt: Zur Erhaltung der Glockenimpulsform
muß man lediglich den Belastungs- bzw. Zusatzkondensator ebenfalls durch Parallelschaltung
einer Drossel zu einem ebenfalls auf die erwähnte Frequenz abzustimmenden Stromresonanzkreis
ergänzen.