DE1074087B - Baueinheit mit einem Transistorverstärker für die Signalverarbeitung in Steuer- und Regelanlagen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Transistorverstärker werden in letzter Zeit auch in der Steuer- und Regeltechnik verwendet. Bei Regelanlagen dient der Transistorverstärker beispielsweise dazu, das meist auf geringem Leistungsniveau liegende Istwert- bzw. Regelabweichungssignal so zu verstärken, daß es zur Beeinflussung des Reglers ausreicht. Dieser Regler kann unter Umständen selbst wieder ein Transistorverstärker sein.

Bei hochwertigen Regelungen reicht jedoch ein reiner Proportionalverstärker nicht aus. Man wird in diesem Fall Rückkopplungen anwenden, die dem Regelverstärker eine bestimmte dynamische Charakteristik geben (beispielsweise IP, IPD, PD). Bei hohem Verstärkungsgrad bestimmt sich das Verhalten des Verstärkers bekanntlich aus dem Frequenzgang der Rückkopplung.

Untersucht man die bisherigen Anwendungen von Transistoren auf diesem Gebiet, so erkennt man, daß die Schaltungen gemäß dem jeweils vorliegenden Zweck spezialisiert worden sind. Dies führt vor allem bei größeren Anlagen zu unübersichtlichem Gesamtaufbau, der beträchtliche Anforderungen an das Bedienungspersonal stellt und den Eindruck großer Kompliziertheit hervorruft. Nicht zuletzt erhöhen sich dadurch auch die Kosten für Berechnung, Projektierung und Ausführung solcher Anlagen. Trotz der Vorteile, die die Verwendung von Transistoren unbestritten bietet, haben sie sich hier aus diesen Gründen nur zögernd in die Praxis einführen können.

Die Verschiedenartigkeit der Transistorschaltungen in der Steuer- und Regeltechnik wird bei näherer Betrachtung um so bemerkenswerter, als gerade in der Regeltechnik einheitliche »Baukasten«~Systeme angestrebt werden. Offenbar hat der Transistor hier grundsätzliche Schwierigkeiten gemacht, diesem Streben nach Vereinheitlichung zu folgen.

Die auf spezielle Zwecke zugeschnittenen Transistorschaltungen eignen sich nicht für allgemeine Anwendung. Wollte man versuchen, einen Austausch verschiedener Schaltungen durchzuführen, so stößt man auf das Hindernis, daß viele im neuen Anwendungsfall notwendige Eigenschaften in der zur Verfügung stehenden Schaltung nicht vorhanden sind und auch nicht einfach durch Ergänzungen hervorgerufen werden können.

Eingehende Untersuchungen zur Präzisierung dieser Eigenschaften haben zu der Erkenntnis geführt, daß eine Einheitsschaltung die nachstehenden Bedingungen erfüllen müßte, die in der allgemeinen Verstärkertechnik nur zum Teil eine Rolle spielen un<? normalerweise nicht zugleich vorliegen:
1. Betrieb wahlweise als stetiger oder Zweipunktverstärker ;

Baueinheit mit einem Transistorverstärker

für die Signalverarbeitung

in Steuer- und Regelanlagen

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr.-Ing. Claus Keßler, Erlangen,
ist als Erfinder genannt worden

2. galvanische Kopplung, um auch Gleichstromsignale verarbeiten zu können;

3. Vermeidung von Blindwiderständen in der Grundschaltung, damit Zweipunktsignale nicht verfälscht werden;

4. Möglichkeit, durch geeignete Rückkopplung jede beliebige dynamische Charakteristik herbeizuführen ;

5. Verarbeitung von wahlweise symmetrischen oder unsymmetrischen Signalen;

6. wahlweise symmetrischer oder unsymmetrischer Ausgang;

7. Unterdrückung von asymmetrischen Signalen;

8. Unempfindlichkeit gegen Störeinflüsse, beispielsweise kapazitive Einstreuung, Temperaturschwankungen, Netzspannungsschwankungen;

9. Unempfindlichkeit gegen Exemplarstreuung, um das Auswechseln von Einheiten untereinander zu ermöglichen;

10, einheitliches Potentialniveau in aufeinanderfolgenden Stufen, um beliebige Rückführschaltungen zu ermöglichen;

11, Anschluß beliebig vieler Stufen parallel an ein S tromversorgungsgerät;

12, möglichst hoher Verstärkungsfaktor zur Verbesserung der Wirkung von Rückführungen, daher

• mehr als eine Stufe je Baueinheit.

Eine weitere Bedingung grundsätzlicher Art ergibt sich aus folgender Überlegung: In manchen Steuerbzw. Regelanlagen hat das Stellglied einen sehr hohen Leistungsbedarf, nach dem sich die Endstufen des Verstärkers zu richten haben. Es kann sich dabei um Leistungstransistoren, Stromrichter, Magnet- und

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Maschinenverstärker u. dgl. handeln. Der Erfindung liegt daher auch der Gedanke zugrunde, die Aufgaben des Regel Verstärkers in Signalverarbeitung einerseits und Leistungsverstärkung andererseits zu unterteilen. Unter Signalverarbeitung wird die Umsetzung der einzelnen Meß- und Rückführungswerte in ein im Sinne der gestellten Regelaufgabe optimales Stellkommando verstanden, das dann nur noch dem Leistungsbedarf des Stellgliedes angepaßt werden muß. Die zu schaffende Baueinheit soll nur für die Zwecke der Signalverarbeitung dienen. Versuche, die Leistungsverstärkung in das Einheitsschema aufzunehmen, würden zumindest wegen Unwirtschaftlichkeit scheitern.

Von diesen Erkenntnissen ausgehend, gelangt man gemäß der Erfindung zu einer Baueinheit für die Signalverarbeitung in Steuer- und Regelanlagen mit Transistoren, die allen hier auftretenden Anforderungen durch entsprechende äußere Beschattung angepaßt werden kann. Als Grundelement wird der sögenannte Differentialverstärker gewählt. Es handelt sich dabei um zwei Transistoren in Gegentaktschaltung mit einem gemeinsamen Emitterwiderstand und zwei Kollektorwiderständen.

Diese an sich bekannte Schaltung ist in Fig. 1 schematisch dargestellt und sei zunächst kurz erläutert. Die Transistoren sind mit 1 und 2, die Kollektorwiderstände mit 5 und 6 und der gemeinsame Emitterwiderstand mit 9 bezeichnet. Die Eingangsklemmen 21 und 22 liegen etwa auf gleichem Potential wie die Emitterelektroden, da die Emitter-Basis-Spannungen klein sind. Die Potentiale der an den Klemmen 29 und 30 zugeführten Speisespannung "bestimmen in Verbindung mit den Basispotentialen die Spannung am Emitterwiderstand 9 und damit die Summe der Emitterströme und angenähert auch die Summe der Kollektorströme. Durch die Festlegung der Eingangspotentiale wird also eine konstante Kollektorstromsumme erzwungen,- so daß sich die einzelnen Kollektorströme nur gegensinnig ändern können und die Transistoren im Gegentakt arbeiten. Werden beispielsweise die Eingangsspannungen an den Klemmen 21 und 22 gegensinnig um den gleichen Betrag, geändert, so führt dies zu einer gegenläufigen Aussteuerung der beiden Transistoren. Werden die Eingangsspannungen dagegen gleichsinnig geändert (sogenanntes asymmetrisches Signal), so tendieren die Transistoren zu einer gleichsinnigen Aussteuerung. Dadurch würde sich die Summe der beiden Kollektorströme verändern. Eine geringfügige Stromänderung genügt jedoch bereits, um die Emitter-Basis-Spannung der Spannungsänderung an den beiden Eingängen folgen zu lassen und damit eine weitere Aussteuerung zu verhindern. Die Transistoren verhalten sich in diesem Fall analog einer Kollektorschaltung und zeigen praktisch keine Verstärkung. Die ■ Schaltung reagiert also im allgemeinen nur auf die Differenz der an den beiden Eingängen vorhandenen Steuergrößen, wovon der Name Differentialverstärker herrührt. Die Stromaufnahme des Verstärkers ist annähernd unabhängig von seiner Aussteuerung, und Änderungen der Speisespannung bleiben als gleichsinnige Störeinflüsse praktisch unwirksam. Dies gilt auch für eine gemeinsame Temperaturänderung beider Transistoren. Bildet man den Verstärker so aus, daß er seinen Arbeitspunkt bei der Eingangsspannung Null annimmt, so wirkt er als Nullstromverstärker, wobei die Ausgangsspannungen unabhängig von der Form der Eingangsgröße (diese kann auch unsymmetrisch zugeführt sein) symmetrisch um Null veränderbar sind.

Man erkennt, daß der Differentialverstärker für die Zwecke der Signalverarbeitung grundsätzlich geeignet ist.

Derartige Differentialverstärker sind mit Röhren auch bereits mehrstufig aufgebaut worden, wobei zur galvanischen Kopplung Brückenschaltungen oder Spannungsteiler verwendet wurden. Bei Brückenschaltungen tritt jedoch der wesentliche Nachteil auf, daß das Potentialniveau einer folgenden Stufe immer höher als das der Vorstufe ist, so daß also der Kaskadenschaltung Grenzen gesetzt sind.

Maßnahmen zur galvanischen Kopplung mehrstufiger, nicht im Gegentakt arbeitender Transistorverstärker mit gemeinsamer Speisespannungsquelle sind an sich bereits bekannt. Dazu gehört beispielsweise die Verwendung von Transistoren verschiedenen Leitfähigkeitstyps in aufeinanderfolgenden Stufen. Die bekannten Maßnahmen sind jedoch bei Differentialverstärkern nach Fig. 1 nicht anwendbar, da dann die für die Regelung erforderlichen Eigenschaften verlorengehen würden. Man kommt aber durch eine Modifikation der erwähnten Spannungsteilerkopplung zum Ziele. Dabei ist allerdings auf die grundsätzliche Verschiedenheit zwischen Röhre und Transistor Rücksicht zu nehmen. Während Röhren durch Spannungen gesteuert werden und einen fast unendlich großen Eingangswiderstand haben, ist beim Transistor der Basissteuerstrom entscheidend. Man kann jedoch durch geeignete Bemessung des Spannungsteilers den Zweck, den er bei Röhrenschaltungen zu erfüllen hat, auch bei Transistorschaltungen erzielen, nämlich das Potential der Steuerelektrode festzulegen.

Der Spannungsteiler hat übrigens eine andere Funktion als die bei Wechselspannungs-Transistorverstärkern bekannte Stabilisierungsschaltung. Dabei wird die Basiselektrode an den Mittelpunkt eines Spannungsteilers gelegt, der nicht an den Kollektor der Vorstufe, sondern zwischen die Stromversorgungsanschlüsse geschaltet ist. Die stabilisierende Wirkung beruht darauf, daß die zwischen Basis und Emitter liegende Gleichspannung abhängig vom Emitterstrom so geändert wird, daß eine Emitterstromzunahme eine Abnahme des Basisstromes zur Folge hat; es handelt sich also um eine Gegenkopplung innerhalb einer Stufe. Die bekannten Stabilisierschaltungen sind auch nur dann geeignet, wenn der Transistorverstärker reine Wechselstromsignale verarbeiten soll und kapazitive oder transformatorische Kopplung angewendet werden kann.

Gegenstand der Erfindung ist nun eine Baueinheit für die Signalverarbeitung in Steuer- und Regelanlagen aus zwei über Spannungsteiler galvanisch gekoppelten, gleichartig mit gemeinsamem Emitterwiderstand aufgebauten Transistor-Differentialverstärkerstufen, deren sämtliche Basis- und Kollektorelektroden an Klemmen zum Anschluß äußerer Beschaltungselemente geführt sind.

Fig. 2 zeigt die gesamte innere Schaltung einer Baueinheit nach der Erfindung mit den beiden Differentialverstärkerstufen I und II. Sie bestehen aus je zwei Transistoren 1, 2 bzw. 3, 4 mit Kollektorwiderständen 5,6 bzw. 7, 8 und Emitterwiderständen 9 bzw. 10. Die gegebenenfalls einstellbaren Widerstände 11 und 14 dienen zur Einspeisung eines Gleichstromes in die Basen der Vortransistoren, damit diese auf den Arbeitspunkt eingestellt sind. Über Widerstände 15,16 können die Basen mit dem Erdpotential verbunden sein. Bei unsymmetrischer Einspeisung wird dann einer der beiden Widerstände kurzgeschlossen. Kollek-

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■toren und Basen sämtlicher Transistoren sind an einander etwa gleiche Zeitkonstanten als Trägheiten

Klemmen geführt, die mit 21 bis 28 bezeichnet sind. in Erscheinung treten. Diese Trägheiten sind beispiels-

Ferner sind die Kollektoren der Vortransistoren 1 weise durch die Trägheiten der Transistoren bedingt,

und 2 über Widerstände 17, 19 mit den Basen der Bei einer stärkeren Gegenkopplung können unter

folgenden Transistoren 3, 4 galvanisch gekoppelt. Zur 5 Umständen diese Trägheiten zur Instabilität oder zu

Konstanthaltung der Basispotentiale dienen Ableit- einer mangelhaften Dämpfung des Steuervorganges

widerstände 18, 20. führen.

Zum besseren Verständnis der Kopplungsanordnung Diese Nachteile sind dadurch zu beseitigen, daß diene die Fig. 3. Zwischen den Stromversorgungs- die Trägheiten der beiden Verstärkerstufen etwa um klemmen 29 und 30 sind drei Strpmpfade gegeben, io eine Größenordnung voneinander verschieden gemacht nämlich erstens über den Kollektorwiderstand 5, den werden. Hierzu gibt es zwei Möglichkeiten. Die eine Transistor 1 und den Emitterwiderstand 9, zweitens besteht darin, daß eine der beiden Verstärkerstufen, über den Kollektorwiderstand 5 und die Widerstände beispielsweise die Vorstufe, mit einer statischen 17 und 18, drittens über den Kollektorwiderstand 5, Gegenkopplung versehen wird. Dadurch können auch den Widerstand 17, den Steuerkreis des Transistors 3 15 die Arbeitspunktverschiebungen dieser Verstärkerund den in Fig. 3 nicht dargestellten Emitterwider- stufe eingeschränkt werden. Es ergibt sich bei einer stand 10. Bei einer Aussteuerungsänderung des solchen statischen Gegenkopplung jedoch unter Transistors 1 ändert sich seine Kollektorspannung anderem der Nachteil einer geringeren Strom- und damit auch der durch den Widerstand 17 nie- verstärkung, so daß hiermit ein Güteverlust der Baußende Strom. Diese Änderung ist bei geeigneter Be- 20 einheit verbunden ware.

messung der einzelnen Widerstände ebenso groß wie Eine andere Möglichkeit zur Veränderung der

die Steuerstromänderung im Transistor 3, so daß der Trägheiten der beiden Verstärkerstufen besteht darin,

Widerstand 18 von konstantem Strom durchflossen eine der Verstärkerstufen mit einer kapazitiven

wird. Demzufolge bleibt das Basispotential des Gegenkopplung zu versehen. Wie oben ausgeführt,

Transistors 3 konstant und ist durch Wahl der 25 dient die statische Gegenkopplung dazu, die Trägheit

Widerstandswerte einstellbar. einer Verstärkerstufe zu verringern; durch die kapa-

Beim Gegenstand der Erfindung ergibt sich die zitive Gegenkopplung dagegen wird die Trägheit der Möglichkeit, eine beliebige Anzahl von Baueinheiten betreffenden Verstärkerstufe vergrößert. Zu dem parallel aus demselben Stromversorgungsgerät zu Zweck können geeignete Kapazitäten beispielsweise speisen. Durch die Eingabe sämtlicher Signale als 30 zwischen die Klemmen 21-25 und 22-26 bzw. 23-27 Potentiale gegen Erde wird eine einheitliche Erdung und 24-28 gelegt werden. Es ist auch möglich, die und große Sicherheit gegen äußere Störeinflüsse er- Kapazitäten zwischen die Klemmen 23-25 und 25-26 reicht. Kapazitiv bedingte Störeinflüsse, die im allge- zu schalten. Es zeigt sich, daß für jeden Gegenmeinen gleichsinnig auf beide Transistoren wirken, kopplungsfall eine bestimmte Mindestkapazität erwerden schon durch das Differentialverhalten aus- 35 forderlich ist, die stabilen und dennoch gut gegeschaltet, dämpften Betrieb gewährleistet. Diese Grenzkapazität

Außer diesen äußeren Störgrößen können auch erzielt gleichzeitig die geringste Trägheit des Verinnere Störgrößen für Arbeitspunktverschiebungen stärkers in dem betreffenden Gegenkopplungsfall, maßgebend sein. Diese inneren Störgrößen sind an die Zwar ist es möglich, eine größere als die erwähnte Wirkungsweise der Transistoren gebunden und be- 40 Mindestkapazität zu verwenden, jedoch wird dadurch ruhen auf thermischen Effekten. Um ihre Wirkungen außer dem Dämpfungsgrad der Gegenkopplungsmöglichst weitgehend zu beseitigen, kann die Schal- schaltung auch die Trägheit erhöht,
tung so bemessen sein, daß die maximale Verlust- Die Baueinheit kann — wie bereits ausgeführt — leistung im Arbeitspunkt jedes Verstärkers, also etwa als Nullstromverstärker ausgebildet sein, d. h. daß es bei einer Ausgangsspannung Null, auftritt. Dadurch 45 bei der Eingangsspannung bzw. bei dem Eingangswird der innere Störeffekt ausgeschaltet, welcher auf strom Null auch die Ausgangsspannung Null aufder durch die Verlustleistung der Transistoren weist. Dadurch wird sein Einsatz für Gegenkopplungsbedingten Erwärmung beruht. Bei einer Aussteuerung schaltungen wesentlich erleichtert. Es ist nämlich in der beiden Verstärkerstufen nimmt nämlich einer der dem Fall möglich, dem Verstärker auch im statischen beiden Vor- bzw. Endtransistoren mehr Strom, ver- 50 Endzustand eine wirksame Gegenkopplung zu geben, bunden mit einem Spannungsrückgang, auf, während ohne daß hierdurch der Arbeitspunkt beeinflußt oder an dem anderen Transistor mehr Spannung, ver- — bei einer Veränderung des Gegenkopplungsbunden mit einem Stromrückgang, anfällt. In beiden grades — verschoben wird. Als einfaches Beispiel Fällen verringert sich die in den Transistoren auf- hierfür sei die normale Proportionalgegenkopplung tretende Verlustleistung. Befinden sich die Tran- 55 zwischen Eingang und Ausgang durch einen ohmschen sistoren am Arbeitspunkt bereits im Gebiet maximaler Widerstand erwähnt.

Verlustleistung, so weisen sie auch bei irgendeiner Aus den vorstehenden Ausführungen erkennt man Aussteuerung stets übereinstimmende Verlustleistun- also, daß tatsächlich alle eingangs aufgestellten Begen auf. Da aber, wie bereits oben ausgeführt, gleich- dingungen erfüllt werden. Es läßt sich jede Anlage artige Störeinflüsse keine Arbeitspunktverschiebungen 60 aus den neuen Baueinheiten und einem jeweils zu zur Folge haben, wirkt sich diese Maßnahme ebenfalls wählenden Leistungsverstärker zusammenstellen. Dazur Stabilisierung des Arbeitspunktes aus. Lediglich durch wird die Lösung gegebener Steuer- und Regelgeringes unterschiedliches thermisches Verhalten der aufgaben und die Realisierung wesentlich vereinfacht. Transistoren kann eine minimale Verschiebung be- Im Betrieb können Störungen durch Auswechseln wirken. 65 einzelner Baueinheiten rasch lokalisiert und behoben

Wird die Baueinheit nach der Erfindung mit Gegen- werden.

kopplung betrieben, so ist ihr dynamisches Verhalten Vorteilhaft ist es, die Baueinheit in ein Gehäuse ein wesentlicher Faktor für ihre Güte. Der in Fig. 1 einzubauen, das mit entsprechenden Anschlußdargestellte Verstärker hat für manche Gegenkopp- kontakten versehen ist. Für das Gehäuse kann lungsarten den Nachteil, daß in zwei Stufen zwei 70 beispielsweise durchsichtiger Kunststoff verwendet

werden. Vielfach wird es sich jedoch empfehlen, ein Metallgehäuse zu verwenden, da hierdurch größere mechanische Festigkeit, elektrische Abschirmung der Baueinheit durch Erdung und gute Wärmeableitung erreichbar sind.

Zur Ableitung der in den Transistoren entstehenden Verlustwärme kann man sie in Metallblöcke einsetzen. Dabei ist es vorteilhaft, die Vortransistoren und die Endtransistoren in verschiedene Blöcke einzusetzen und möglichst weit zu trennen.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Baueinheit für die Signalverarbeitung in Steuer- und Regelanlagen, gekennzeichnet durch einen an sich bekannten Differentialverstärker, der aus zwei über Spannungsteiler galvanisch gekoppelten gleichartig aufgebauten Transistorverstärkerstufen (I₁ II) besteht, deren sämtliche Basis- und Kollektorelektroden an Klemmen (21 ... 28) zum Anschluß äußerer Beschaltungselemente geführt sind (Fig. 2).

2. Baueinheit nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitspunkte der Transistoren in das Gebiet maximaler Verlustleistung gelegt sind, so daß die Verlustleistung bei jeder Aussteuerung sinkt.

3. Baueinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägheiten der Stufen um etwa eine Größenordnung verschieden bemessen sind.

4. Baueinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Verstärkerstufen mit einer statischen Gegenkopplung versehen ist.

5. Baueinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der beiden Verstärkerstufen mit einer kapazitiven Gegenkopplung versehen ist.

6. Baueinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Kollektor und Basis jedes Vortransistors und/oder Endtransistors über eine Kapazität miteinander verbunden sind.

7. Baueinheit nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie in ein Gehäuse mit Anschlußkontakten eingebaut ist, an die die Kollektor- und Basiselektroden sowie Stromversorgungsanschlüsse geführt sind.

8. Baueinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren in einem mit dem Gehäuse verbundenen Metallblock angeordnet sind.

9. Baueinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren in Bohrungen des Metallblocks durch gut wärmeleitenden Klebstoff befestigt sind.

10. Baueinheit nach den Ansprüchen 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Endtransistoren möglichst weit von den Vortransistoren entfernt sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

USA.-Patentschrift Nr. 2 545 507;

R. F. Shea, »Principles of Transistor Circuits«, 1953, S. 164;

Archiv für Technisches Messen, Z 634-9 (September 1952);

Elektrotechnische Zeitschrift, Ausg. A, 1954, Heft 18, S. 591 bis 594;

Nachrichtentechnische Zeitschrift, 1955, Heft 11, S. 595 bis 602;

Funkschau, 1956, Heft 6, S. 216;

Funk-Technik, 1956, Nr. 6, S. 150;

Wireless Engineer, August 1947, S. 231 bis 242;

Electronics, Juli 1952, S. 130 und 131;

IRE Transact.-Circuit Theory, März 1956, S. 51
bis 53.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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