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Zweirichtungsverstärker mit in beiden Richtungen steuerbaren Transistoren
Die Erfindung betrifft Zweirichtungsverstärker mit in beiden Richtungen steuerbaren
Transistoren.
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Es ist bereits bekannt, unter Verwendung von symmetrisch ausgebildeten
Transistoren einen in zwei Richtungen arbeitenden Verstärker dadurch zu verwirklichen,
daß die Speisestromversorgung durch eine Wechselspannungsquelle erfolgt, die in
periodischer Folge eine Polaritätsumkehr der zwischen den beiden gleichen Elektroden
und der Basis stehenden Spannungen, damit eine Umkehr der in den beiden Elektrodenzuleitungen
fließenden Speiseströme und letztlich einen Richtungswechsel der Verstärkung bewirkt.
Die bei Umkehr der Verstärkungsrichtung notwendigen verschiedenen Anpassungen der
Eingangs-und Ausgangsimpedanzen an die jeweiligen Elektroden werden durch Halbleiterdioden
in den Stromkreisen der Ein- und Ausgangselektroden erzielt. Bei dieser bekannten
Anordnung wird die Speisewechselspannung über einen besonderen Transformator in
den Verstärkerkreis eingespeist.
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Es hat sich gezeigt, daß derartige mit einer Sinusförmigen Wechselspannung
gespeiste Anordnungen dann schwierig auszuführen sind, wenn mehrere Transistorverstärkerstufen
hintereinandergeschaltet werden sollen. Auch bei der einstufigen Anordnung bedeutet
die zusätzliche Induktivität des Einspeisungstransformators in den beiden Elektrodenzuleitungen
eine unerwünschte Begrenzung des Frequenzbereiches, ganz abgesehen von den erhöhten
Anforderungen an die Symmetrie des Einspeisungstransformators. Bei der Verwendung
einer Sinus-Wechselspannung ist außerdem eine gewisse Mindestamplitude in jeder
Halbwelle notwendig, ehe eine Verstärkung möglich ist, d. h., von der an sich zur
Verfügung stehenden Gesamtzeit wird nur ein Teil für die Übertragung ausgenutzt,
die Umschaltzeit ist im Verhältnis zu der für die Verstärkung zur Verfügung stehenden
Zeit außerordnetlich lang. Dies stellt den Hauptnachteil der bekannten Anordnung
dar.
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Da man mit Zweirichtungsverstärkern stets nur die hälfte der Umschaltfrequenz
als höchste Nutzfrequenz übertragen kann, kommt es außerdem darauf an, eine möglichst
hohe Umschaltfrequenz zu erreichen, um z. B. eine trägerfrequente Übertragung zu
ermöglichen. Wenn aber, wie bei der bekannten Anordnung, bei jedem Polaritätswechsel
eine längere Unterbrechung der Übertragung eintritt, ist eine Erhöhung der sinusförmigen
Speisewechselspannung nicht mehr möglich.
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Die Erfindung stellt sich nun die Aufgabe, einen auf dem Prinzip der
Verstärkungsrichtungsumkehr durch Polaritätsumkehr der Betriebsspannung beruhenden
Zweirichtungsverstärker mit in beiden Richtungen steuerbaren Transistoren anzugeben,
der eine praktisch vollständige Ausnutzung der für die Verstärkung jeweils zur Verfügung
stehenden Zeit, d. h. extrem kurze Umschaltzeiten und hohe Umschaltfrequenzen, ermöglicht.
Weiter erlaubt die Anordnung gemäß der Erfindung den einfachen Aufbau auch mehrstufiger
Verstärker ohne frequenzeinengende Schaltungselemente und ohne Verwendung eines
Wechselspannungsgenerators und Einspeisungstransformators. Erst dadurch wird infolge
der hohen Umschaltfrequenz eine trägerfrequente Übertragung möglich.
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Dies geschieht nach der Erfindung dadurch, daß die Speisestromrichtung
eines Verstärkungstransi= stors von der Lage des Arbeitspunktes eines Schalttransistors
mit negativer Widerstandskennlinie abhängt. Dieser Schalttransistor liegt in Reihe
mit einem ohmschen Widerstand derart an den Polen der Speisestromquelle, daß im
hochohmigen Zustand des Schalttransistors der Strom z. B. von dem einen Pol der
Stromquelle über den ohmschen Widerstand unmittelbar zu der einen Steuerelektrode
des Verstärkungstransistors fließt. Nach Umspringen des Arbeitspunktes des Schalttransistors
fließt in dessen niederohmigen Zustand der Strom in umgekehrter Richtung von der
gleichen Steuerelektrode über den Schalttransistor unmittelbar zu dem anderen Pol
der Stromquelle. Der Schalttransistor öffnet und schließt also durch das Umspringen
seines Arbeitspunktes einen zweiten Stromweg für einen in umgekehrter Richtung verlaufenden
Speisestrom, der eine Umkehrung der Verstärkungsrichtung mit sich bringt.
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Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung findet ein Schalttransistor
rr.t sperrfreier am Kollektorpotential liegender Hilfselektrode Verwendung, über
die ein Strom zur Basis fließt, der etwa
das 10- bis 100fache des
Sättigungsstroms eines normalen p-n-Übergangs beträgt. Derartige Schalttransistoren
lassen Umschaltfrequenzen in der Größenordnung von einigen Megahertz zu, erlauben
also eine extrem kurze Umschaltzeit, so daß sich ein praktisch rechteckförmiger
Stromverlauf mit vernachiässigbar kleinen Umschaltzeiten ergibt.
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Die Prinzipien der Erfindung lassen sich jedoch keineswegs nur bei
Verwendung eines Flächentransistors mit sperrfrei kontaktierter Hilfselektrode anwenden:
als Schalttransistor mit negativer Widerstandskennlinie im Sinne der vorliegenden
Erfindung soll vielmehr jedes steuerbare Halbleiterelement mit negativer Widerstandskennlinie
verstanden werden.
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Zweckmäßigerweise wird man das Umspringen des Arbeitspunktes in periodischer
Folge selbsttätig eintreten lassen und die Umschaltfrequenz durch die Zeitkonstante
eines RC-Gliedes bestimmen.
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An Stelle einer solchen Betriebsweise des Schalttransistors wird es
in manchen Fällen von Vorteil sein, wenn das Umspringen des Arbeitspunktes erst
durch ein äußeres Signal ausgelöst wird.
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Um der Basis des Verstärkungstransistors für den Betrieb in beiden
Richtungen jeweils die richtige Vorspannung zu geben, wird sie vorteilhaft an den
Mittelpunkt eines aus zwei gegeneinandergeschalteten Dioden bestehenden Spannungsteilers
gelegt, der an die beiden Zuleitungen für die Stromversorgung der Transistorstufe
angeschlossen ist. Bei der Umkehr des Stromes wird durch die richtungsabhängigen
Glieder die richtige Vorspannung der Basis für jede Betriebsrichtung gewährleistet.
Zur Erzielung des jeweils günstigsten Arbeitspunktes für beide Betriebszustände
des Verstärkungstransistors werden zweckmäßigerweise parallel oder in Serie zu den
Dioden noch Symmetrierungswiderstände gelegt. Bei hoher Umschaltfrequenz ist es
außerdem in manchen Fällen von Vorteil, parallel zu den Dioden des Spannungsteilers
Kondensatoren zu schalten.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausbildung der Erfindung werden
für den Ein- und Ausgang der in beiden Richtungen steuerbaren Transistorverstärkerstufe
jeweils zwei getrennte Übertrager verwendet. Die hochohmige Wicklung des jeweils
im Eingangskreis liegenden Ausgangsübertragers wird durch stromrichtungsabhängige
Elemente, die für die Sprechwechselströme vorgespannt sind, kurzgeschlossen, so
daß die Primärwicklung dieses Übertragers durch die transformatorische Rückwirkung
sehr niederohmig wird und sich eine Mithördämpfung ergibt. Dadurch wird die notwendige
Anpassung für den jeweiligen Betriebszustand gewährleistet. Für die V orspannung
genügt in vielen Fällen bereits der Spannungsabfall an der Übertragerwicklung. Die
Vorspannung kann aber auch durch zusätzliche Spanungsteiler eingestellt werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung bereitet es keine Schwierigkeiten,
mehrere in beiden Richtungen steuerbare Transistorstufen hintereinanderzuschalten.
Dabei werden die Stromversorgungszuleitungen der nachfolgenden Stufen an die entsprechenden
Stromversorgungspunkte der vorhergehenden Stufe angeschlossen. Die Ankopplung zwischen
den Stufen erfolgt transformatorisch, ohne daß sich besondere Schwierigkeiten ergeben.
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An Hand schematischer Darstellungen werden zwei Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher erläutert.
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In der Abb. 1 wird ein einstufiger Zweirichtungst erstärker, in der
Abb. 2 ein zweistufiger Zweirichtungsverstärker als Ausführungsbeispiel angegeben.
Beiden Ausführungsbeispielen ist die erfindungsgemäße Art der Stromversorgung gemeinsam.
Für Schaltungselemente mit gleichen Aufgaben wurden in beiden Abbildungen gleiche
Bezugszeichen gewählt.
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In den Abbildungen stellt Ti einen Schalttransistor mit negativer
Widerstandskennlinie dar, der eine sperrfrei kontaktierte Hilfselektrode H aufweist,
die am Kollektorpotential liegt. Die Basis Bi des Schalttransistors wird in bekannter
Weise über den Widerstand R2 vorgespannt. Das Umspringen seines Arbeitspunktes wird
durch das Zeitkonstantenglied Ri C bestimmt, das in beiden Abbildungen verschieden.
aber mit gleicher Wirkung angeschlossen ist. Der Emitter El des Schalttransistors
liegt über das Zeitkonstantenglied an dem Minuspol der Batterie Ba.
Der Kollektor
K1 mit der Hilfselektrode H liegt über den Widerstand R3 am Pluspol der Batterie
Ba.. Im gesperrten Zustand ist der Schalttransistor T1 hochohmig gegenüber dem Widerstand
R3 im Kollektorkreis. In diesem Fall liegt der Pluspol der Batterie über den Widerstand
R3, der Zweitwicklung des Übertragers ü1 und der Diode D3 an der Elektrode a des
Verstärkungstransistors T2 (Abb. 1). Für diesen Betriebszustand liegt ferner die
Anzapfung O der Batterie Ba als negativer Pol der Stromversorgung über die
Zweitwicklungen der Übertrager Ü4 und Ü3 an der Elektrode b des Verstärkungstransistors.
Die Diode D4 ist in Sperrichtung vorgespannt, so daß die Übertragerwicklung (%3
die Ausgangsimpedanz erhöht. Die Basis B2 des Transistors T2 ist einerseits über
die Diode Dl niederohmig mit dem Pluspol und andererseits über die Diode D2 hochohmig
mit der Anzapfung der Batterie verbunden. Es fließt also Strom vom Pluspol der Batterie
über den Widerstand R3 und die Zweitwicklung des Übertragers C1 sowie über die in
Flußrichtung betriebene und daher die hochohmige Wicklung Ü2 kurzschließende Diode
D3 zu der Elektrode a des Transistors T2 und von dort über die Elektrode b und die
Wicklungen (Y3 und Ü4 zum Punkt O der Batterie. Die Transistorstufe arbeitet jetzt
als Verstärker in Richtung Üi-Ü3.
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Wird durch Abbau der Ladung am Kondensator C des Zeitkonstantengliedes
der Schalttransistor niedernhmig gegenüber dem Widerstand R3, so liegt jetzt der
negative Pol der Batterie über Rr und die niederohmige Strecke El-K1 des Schalttransistors
sowie über die Zweitwicklungen Ui und Ü2 an der Elektrode a des Verstärkungstransistors.
Die Diode D3 ist jetzt in Sperrichtung betrieben, schließt also die hochohmige Wicklung
Ü2 nicht kurz, so daß sich eine erhöhte Ausgangsimpedanz ergibt. An der Elektrode
b liegt über D4 und die Zweitwicklung von Ü4 die jetzt gegeniil)er dem Minuspol
der Batterie positivere Spannung der Anzapfung O. Die Diode D4 ist jetzt leitend
und schließt daher die hochohmige Wicklung Ü3 kurz. Der Strom fließt nunmehr in
umgekehrten Richtung durch den Transistor T2. Gleichzeitig ist die Basisvorspannung
entsprechend geändert. Die Verstärkungsrichtung hat sich also umgekehrt; sie verläuft
jetzt von Ü4 nach Ü2.
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Wie die Abb. 2 zeigt, ist eine Erweiterung des einstufigen Verstärkers
durch Hinzufügung weiterer in beiden Richtungen steuerbarer Transistorstufen ohne
weiteres möglich, indem einfach die entspechenden Stromanschlußpunkte für die nachfolgende
Stufe T3 mit den Speisestromanschlußpunkten der ersten Stufe T2 verbunden werden.
Die Kopplung zwischen den beiden Stufen erfolgt in bekannter Weise transformatorisch
(%'@,
L-'6). R4 und R5 sind Symmetrierungswiderstände im Basisspannungsteiler.
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Die Ausführungsform mit mehreren in beiden Richtungen steuerbaren
Verstärkerstufen bietet ferner die Möglichkeit, einen Zweirichtungsverstärker auch
mit nicht in beiden Richtungen gleich verstärkenden, also unsymmetrischen Transistoren
aufzubauen. Dies geschieht vorteilhaft in der Weise, daß eine gerade Anzahl von
Transistoren mit nicht symmetrischem Elektr odenaufbau derart hintereinandergeschaltet
ist, daß auf einen Transistor mit großer Verstärkung ein solcher mit kleiner Verstärkung
in derselben Richtung folgt. Bei Transistoren mit Emitter- und Kollektorelektrode
wird man also z. B. in der ersten Stufe den Emitter und in der zweiten Stufe den
Kollektor als Steuerelektrode verwenden. Der großen Verstärkung der ersten Stufe
folgt die kleine Verstärkung der zweiten Stufe. In umgekehrter Richtung wird die
zweite Stufe die größere Verstärkung aufweisen, da sie den Emitter als Steuerelektrode
verwendet, während die erste Stufe durch die Steuerung über den Kollektor eine kleinere
Verstärkung aufweist. Die Asvrmnetrie der verwendeten Transistoren wird also durch
diese Hintereinanderschaltung in beiden Richtungen kompensiert.
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Erfolgt die dauernde Umschaltung des Schalttransistors T1 nicht wie
in beiden Abbildungen selbsttätig über ein Zeitkonstantenglied, sondern durch äußere
Impulse, so ist es möglich, mittels eines entsprechenden Steuerimpulses den Verstärker
jeweils nur in der einen oder anderen Richtung arbeiten zu lassen. Die Fernschaltung
kann auch so ausgeführt werden, daß durch entsprechende Wahl der Impulse der Verstärker
entweder in beiden Richtungen oder in einer jeweils gewünschten Richtung arbeitet.
Diese Möglichkeit der Fernschaltung durch Impulse ist bee%onders bei unbemannten
Verstärkerämtern von Vorteil.