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Schaltung zur Erzeugung einer von einer vorgegebenen Gleichspannung
logarithmisch oder exponentiell abhängigen Gleichspannung Zur Erzeugung einer von
der Eingangsspannung logarithmisch oder exponentiell abhängigen Ausgangsspannung,
wie sie beispielsweise für Aussteuerungsmesser und Dyn.amikragelschaltungen
be-
nötigt wird, werden bekanntlich vor allem zwei Verfahren verwendet. Bei
dem einen Verfahren entsteht durch eine Reihenschaltung eines Festwiderstandes und
eines spannungsabhängigen Widerstandes, z. B. einer Diode, an dem spannungsabhängigen
Widerstand eine zur Eingangsspannung nichtlineare Ausgangsspannung, die in einem
bestimmten Bereich logarithmisch von der Eingangsspannung abhängt. Andererseits
entsteht an dem Festwiderstand in einem anderen Bereiche eine exponentiell abhängige
Ausgangsspannung. Durch Hintereinanderschaltung einer größeren Anzahl solcher Spannungsteiler
läßt sich damit über einen Bereich von etwa 3 bis 4 Dekaden eine logarithmische
bzw. exponentifelle Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Eingangsspannung erziel-ein.
Spie wird im wesentlichen bei der logarithmischen Spannungsabhängigkeit für Pegelmesser
im Tonfrequeuzgebiet und für Kompressoren. verwandt. Die exponentielle Spannungsabhängigkeit
findet ihre Anwendung im Dynamikexpander. Ein wesentlicher Nachteil dieser Schaltung
ist der mit zunehmen-dem Pegel sinkende Eingangswiderstand, weiterhin wird durch
die Reihenschaltung mehre;rer solcher Teiler die am Ausgang zur Veirfügung stehende
Meißspannung sehr klein.
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Die zweite Möglichkeit besteht in der Verwendung von Regeilröhren,
das sind Elektronenröhren., deren Steilheit nahezu exponentiell von der angelegten
Gittervorspa.nn:ung abhängt. Die Funktionsweise dieser Schaltung beruht darauf,
daß man die in der Röhre verstärkte Eingangsspannung nach der Gleichrichtung zur
Steuerung der Gittervorspannung der Regelröhre zurückführt, wodurch je nach Pel.ung
und Vorwahl der ohn.eEingangssignal eingestellten Gitte@rvorspannung eine nahezu
exponentielle oder logarithmische Verstärkung des Eingangssignals erzielt werden
kann. Die. Ausgangsspannung der Regelröhre wird dann einem M.eßwerk zur Anzeige
zugeführt. Der Vorteil dieser Schaltung liegt in. dem erreich.-baren hohen Eingangswiderstand,
de;r mit der erstem. Schaltung ohne Vorverstärkerröhren nicht etrzielbar ist. Die
Nachteile liegen in den hohen. Anforderungen an die Stabilisierung der für die-
Regeilröhreu erforde:rlichen Gleichspannungen und der Heizung, außerdem an der zeitlichen
Änderung de--r Regelkennlinie der Elektronenröhre.
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Zur Vermeidung der vorstehend beschriebenen Nachteile wird bei einer
Schaltung zur Erzeugung einer von einer vo,rgegebenen Gleichspannung, bzw. von einer
aus einer vorgegebenen Wechselspannung abgeleitete. Gleichspannung, logarithmisch
oder exponentiell abhängigen Gleichspannung, unter Verwendung eines spannungsabhängigen
Spannungsteilers erfindungsgemäß vorgeschlagen., daß in Reihe mit dem Widerstand
oder Anzeigelinstrument, an dem die logarithmische öder exponentieille Spannung
auftritt, ein Transistor so geschaltet ist, daß sich durch den spannungsabhängigen
Spannungs.te;iler die Vorspannung für die Basis des Transistors mit zunehmender
angelegter Gleichspannung nichtlinear verändert, so daß der als Vorwiderstand wirkende
Innenwiderstand der Emitter-Kollektor-Strecke, bezogen auf die angelegte Gleichspannung,
einen logarithmischen oder exponentiellen Verlauf erhält.
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Die neue Logarithmierungsschaltung hat den Vorteil, d.aß der Eingangswiderstand
mit zunehmender angelegter Spannung anwächst: hierdurch wird der vorgeschaltete
Generator- in erwünschter Weise entlastet. Weiterhin ergibt sich die Möglichkeit,
mit sehr geringem Aufwand eine logarithmische oder exponeintielle Abhängigkeit der
Ausgangsspannung von der Eingangsspannung über einen Bereich von 3 bis 4 Dekaden
zu erzielen, ohne daß neben der Meßspann.ungsquel.le noch weitere Spannungs- oder
Stromquellen zum Betrieb des Transistors erforderlich sind. Weitere Vorteile sind
die leichte Einstellba.rkeit des Durchlaßwiderstandes für einen bestimmten Pegel
sowie .die Möglichkeit, den Widerstandsverlauf in genvissen Grenzen zu verändern.
Die
Zeichnung zeigt Ausführungsbeispiele der neuen Schaltung.
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Die- Fig. 1 gibt eine einfache Schaltung wieder. Sie besteht aus eiirrem
Widerstand oder Meßinstrumemt 1, einem Transistor 2, eineue spannungsabhängigen
Widerstand 3 und einem Festwiderstand 4. Der letzteres kann jedoch noch zur Erzielung
extremer Steilheit durch einem spannungsabhängigen Widerstand ersetzt werden, dessen.
Widerstand mit zunehmender Spannung ansteigt (Sperrichtung einer Diode). Als spannungsabhängigen
Widerstand 3 wird man im allgemeinen eine Diode oder einen. anderen spannungsabhängigen
Widerstand, dessen Widerstand mit zunehmender Spannung sinkt, verwenden. Diese Schaltung
hat folgende Funktionsweise: Der Spannungsteiler 3, 4 bestimmt die Vorspannung der
Basis 8 des Flächentranssiisto@rs 2 und damit den Innenwiderstand der E.mitter-Kollektor-Strecke
6, 7. Durch die Nichtlinea-rität des Spannungsteilers 3, 4 in Zusammenhang finit
dem Kenulinienfeld des Transistors 2 ergibt sich eine logarithmische Abhängigkeit
des Innenwiderstandes des. Transistors, und zwar steigt dieser m-it zunehmender
Eingangsspannung. Dadurch ergibt sich an, dem Meßinstrument bzw. Widerstand 1 eine
logarithmische Abhängigkeit des Stromes von der angelegten. Gleichspannung. Diese
logarithmische Abhängigkeit umfaßt eine Bereich von 3 bis d Dekaden je nach der
Höhe der Eingangsspannung. Durch den Widerstand 4 ist eine leichte Einstellmöglichkeit
auf einen bestimmten Strom im Widerstand. bzw. Instrument 1 bei einer vorgewählten
Spannung gegeben.. Das Charakteristische dieser Schaltung ist, daß der Eingangswiderstand
mit zunehmender Spannung ansteigt, im Gegensatz zu der zuerst gemannten bekannten
Schaltung mit Dioden und Festwiderständen. Dies ist sehr vorteilhaft, da dann bei
größeren Pegeln: eine Entlastung des vorgeschalteten Generators eintritt. Die Grenzen
der Logarithmierung sind einerseits gegeben durch die Charakteristik des spannungsabhängigen
Widerstandes. 3, für den man zweckmäßig ebne Flächendiode in. Durahlaßrichtung verwendet,
da diese sehr genau denn Exponentialgesetz gehorcht. Andererseits ist die Grenze
der Logarithmierung durch den Widerstand 1 gegeben, der an der oberen Grenze des
Aus:steu erungsbereiches eine Spreizung der Logarithmierung zu einer Linea,ris,ierung
hin bewirkt. Dieser Fall isst bei den üblichen Aussteuerungsmessern erwünscht, da
dadurch eine bessere Kontrolle der maximalen Aussteuerung ermöglicht wird.
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Zur Erzielung einer exponentiellen. Anzeige sind dic Widerstände 3
und 4 zu vertauschen bzw. der nichtlineare Widerstand 3 durch einen nichtlinearen
Widerstand mit umgekehrter Charakteristik zu ersetzen. Ebenso ist selbstverständlich
bei beiden Schaltungen eine Versetzung des Widerstandes bzw. Meßinstrumentes 1 hinter
den Kollektor möglich.
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Für die logarithmische Anzeige eines Pegels, wie sie z. B. in Aussteuerungsmessern
erwünscht ist, wird im allgemeinen ein Meßinstrument verwendet. Dieses besitzt auf
Grund seiner ballistischen -Eigenschaften eine bestimmte Trägheit, die bei kurzzeitigen.
Pegeländerungen. eine genaue Anzeige; nur biss zu einer Mindestimpulsdauer zuläßt.
Dadurch wird bei Impulsen, die: unterhalb dieser Mindestimpuls.dauer liegen, eine
bestimmte Unteranzeige des wirklichen Pegels bewirkt. Die neue Schaltung gibt nun
eine einfache Möglichkeit, diese nachteiligen ballistischen Eigenschaften der Anzeigeinstrumente
kn. einen bestimmten Maße zu kompensieren und dadurch die Fehlanzeige .sehr kurzzeitiger
Impulse zu verringern. Dies geschieht durch die Einschaltung eines Kondensators
5 parallel zur Strecke Kollektor 7 - Basis. B. Die: sich daraus bei der Aufladung
ergebende Zeitkonstante des RC-Gliedes 3, 5 bewirkt eine zeitliche Verzögerung der
Logarithmii@erung der Eingangsspannung, indem die Basis bei einem Spannungsanstieg
zunächst noch entsprechend der Zeitkonstante auf einem hohen Spannungswert gehaltem
wird, so da,ß der Innenwiderstand der Emitter-Kollektor-Stre-cke zunächst klein
bleibt und dadurch das Instrument 1 einen größeren Strom erhält, als der logarithmierten
Eingangsspannung entspricht. Hierraus ergibt sich eine Kompensation der nachteiligen
ballistischen Eigenschaften des Anzeigeinstrumentes. Gleichzeitig erreicht man durch
den Einbau des Kondensators. 5 eine nahezu gleichmäßige Rücklaufgeschwindigkeit
für das Anzeigeinstrument, da bei der Verkleinerung :des Eingangspegels (Entladung)
die Basis mit einer zeitlichen Verzögerung, entsprechend der Zeitkonstante des RC-Gliedes
4, 5 den dem Eingangspegel entsprechenden Wert des logarithmischen Spannungsteilers
annimmt. Ohne diesen Kondensator würde sich auf Grund des abnehmenden Widerstandes
der Emitter-Kollektor-Strecke bei sinkendem Pegel eine nach kleinem Eingangspegeln
zu zunehmende Rücklaufgeschwindigkeit ergeben, die im allgemeinen nicht erwünscht
ist.
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In der Fig. 2 ist eine Schaltung wiedergegeben, die es erlaubt, den
Verlauf der Logarithmierung in ge` wissen Grenzen zu verändern. Das Meßinstrument
1 liegt hier in der Kollektor-Strecke des Transistors; dies ist unter Umständen
auch in der Schaltung nach Fig. 1 zweckmäßig, wenn eine Bedämpfung des Instrumentes
durch die niederohmige Emitter-Basis-Strecke vermieden werden soll. Die Beeinflussung
des Logarithrnierungsverlaufs erfolgt durch dem, Regelwiderstand 9, der erstens
eine Vergrößerung des Widerstandes der Emitter-Basis-Strecke bewirkt, die dem nichtlinearem
Widerstand 3 parallel geschaltet ist. Außerdem bewirkt der Widerstand. 9 eine Stromgegenkopplung
des Transistors, die seine Empfindlichkeit gegen die in den nichtlinearen Spannungsteiler
3, 4 gebildeten Steuerspannungen verringert. Der Widerstand 4 ist bei dieser Schaltung
regelbar ausgeführt, um die Empfindlichkeit der Schaltung nach .der dem vorgewählten
Logarithrnierungsverlau.f entsprechenden Einstellung .des Widerstandes- 9 wieder
auf dem gewünschten Wert zu bringen. Die übrigen Bezugsziffern haben die gleiche
Bedeutung wie in Fig. 1.