DE1150118B - Gleichstromverstaerkeranordnung - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Gleichstromverstärkeranordnung, vorzugsweise zur Verstärkung niedriger Ausgangsströme von Ionisationskammern, die den Neutronenfluß in Kernreaktoren messen, unter Verwendung einer Impedanzbrücke, deren eine Diagonale mit Wechselstrom erregt und deren Gleichgewicht durch das Gleichstromsignal verschoben wird, so daß sich über der zweiten Diagonalen der Brücke ein Ausgangssignal ergibt, und die vorzugsweise Halbleiterdioden enthält, die unterhalb ihres Schwellwertes arbeiten, so daß durch ihre Kapazitätsänderung die Gleichgewichtsverschiebung bewirkt wird, wonach das Wechselstromausgangssignal weiter verstärkt und demoduliert wird.

Es ist bekannt, kleine Gleichströme durch Anordnungen zu verstärken, in denen der Wert einer Impedanz in einem Zweig einer im Gleichgewicht befindlichen Impedanzbrücke durch den zu verstärkenden Strom verändert wird. Wird eine der beiden Diagonalen dieser Brücke mit einem Wechselstrom erregt, so ergibt sich über der anderen Diagonalen eine Wechselspannung, die in Amplitude und Phase der Größe und der Polarität des zu verstärkenden Gleichstroms proportional ist. Die Impedanzen der Brücke können dabei Widerstände, Induktivitäten und/oder Kapazitäten enthalten. Es ist weiterhin bekannt, zur Verstärkung eines geringen Gleichstromsignals eine den Gleichstrom modulierende und verstärkende Brücke mit Halbleitern vorzusehen, deren Kapazität sich in Abhängigkeit vom Gleichstromsignal ändert. Das resultierende Ausgangssignal dieser Anordnung verläuft nach einer Exponentialkurve. Will man eine derartige Brücke für Gleichstromsignale verwenden, die sich z. B. in einem Intervall von 10¹⁰ ändern, sind Umschaltungen nötig. Außerdem ist die Zeitkonstante eines solchen Kreises nicht vernachlässigbar klein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleichstromverstärker zu schaffen, der diese Nachteile nicht aufweist. Erfindungsgemäß wird dies dadurch möglich, daß das demodulierte Ausgangssignal nach Phasenumkehr auf den Eingang der Brücke rückgekoppelt wird, derart, daß eine an sich bekannte Gegenkopplung geschaffen wird, die eine Diode mit logarithmischer Spannungs-Strom-Kennlinie enthält.

Die Diode mit logarithmischer Strom-Spannungs-Kennlinie dient dazu, das Ausgangssignal in eine logarithmische Funktion des Stroms zu verwandeln, der von der Ionisationskammer abgegeben wird. Dadurch wird es möglich, das Meßinstrument mit einem verhältnismäßig kleinen Meßbereich auszustatten, der z. B. nur noch 6 Dekaden umfaßt. Hierbei ent-

Gleichstromverstärkeranordnung

Anmelder:

The Bendix Corporation,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. H. Negendank, Patentanwalt,
Hamburg 36, Neuer Wall 41

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 30. April 1959 (Nr. 809 960)

sprechen die Dekaden den Exponenten zur Basis 10. Die Diode arbeitet dabei nicht unterhalb des Schwellwertes. Da ihre Kennlinie nicht linear ist, ist demnach das Verhältnis der Eingangsgrößen zu der Ausgangsgröße ebenfalls nicht linear. Eine zusätzliche Wirkung der Rückkopplungsschaltung besteht noch darin, daß die Spannung an der Anode der Diode in der Nähe des Massenpotentials gehalten wird, um die Zeitkonstante der Schaltung zu verringern. Das wird dadurch erreicht, daß die Spannung an der Kathode bzw. an der Ausgangsseite der Diode um Beträge herabgesetzt wird, welche dem Spannungsanstieg an der Anode entsprechen.

Weitere Merkmale der Anordnung nach der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Schaltbild einer Gleichstromverstärkeranordnung nach der Erfindung zur Verstärkung des Ausgangsgleichstroms einer Ionisationskammer und Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 1.

Die äußere Elektrode einer in Fig. 1 dargestellten Ionisationskammer 24 ist über ein abgeschirmtes Kabel 22 mit einer Hochspannungsqueüe 20 verbunden. Die innere oder axiale Elektrode 26, z. B. die Kathode, der Kammer ist über ein weiteres, abgeschirmtes Kabel 28, die Leitung 40 und den Widerstand 70 mit dem Eingang der Gleichspannungsver-Stärkeranordnung verbunden. Der Verstärker besteht aus einer Impedanzbrücke, deren dem Punkt, dem der zu verstärkende Gleichstrom zugeführt wird,

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benachbarte Zweige aus zwei gleichsinnig geschalteten Dioden 44 und 46 bestehen. Die beiden anderen Zweige der Brücke werden von einem Spannungsteiler gebildet, der aus den beiden festen Widerständen 55 und 56 und dem Potentiometer 54 besteht. Der in Punkt 42 mit Masse verbundene Schleifer dieses Potentiometers bildet den unteren Punkt der Ausgangsdiagonale der Brücke. Die durch die beiden Punkte 60 und 62 gebildete Eingangsdiagonale der Brücke wird durch einen Wechselstrom niedriger Amplitude erregt. Dieser Wechselstrom wird vom Oszillator 67 über den Transformator 66, 65, 64 zugeführt.

Die sich zwischen Masse und dem Verbindungspunkt der beiden Dioden 44, 46 ergebende Ausgangs- spannung der Brücke wird über einen Trennkondensator 74 und eine die Kapazität dieses Kondensators kompensierende Induktionsspule 76 mit variabler Induktivität dem Eingang eines normal aufgebauten Wechselstromverstärkers 34 zugeführt. Die darin ver- ao stärkte Spannung wird dann z. B. einer Einrichtung 36 zugeführt, welche die ihr zugeführte Spannung in der Phase dreht und demoduliert, so daß sich an den Klemmen der Ausgangsimpedanz 80 eine Nutzspannung E₀ ergibt. Gleichzeitig wird der Ausgangsstrom über eine Leitung 37 und die Diode 38 auf den Eingang der Verstärkeranordnung oberhalb des Trennwiderstandes 70 im Sinne einer Gegenkopplung zurückgeführt.

Hinsichtlich der Wirkungsweise der eben beschriebenen Verstärkeranordnung sei insbesondere darauf hingewiesen, daß die beiden Dioden 44, 46 nicht ihre Leitfähigkeit, sondern ihre Kapazität verändern. Die Kapazität zwischen den beiden Elektroden einer Halbleiterdiode ändert sich, solange ein bestimmtes Leitfähigkeitsniveau der Diode nicht überschritten wird, exponentiell als Funktion der Polarisationsspannung. In dem Diagramm der Fig. 2 ist diese Kapazitätsänderung durch die beiden Kurven 44 a und 46 a für die beiden Dioden 44 und 46 dargestellt. Da die beiden Dioden vom selben Typ sind, sind ihre Kapazitäten bei einer Polarisationsspannung NuU gleich. Bei einer positiven Polarisationsspannung V₁ ist die Kapazität der Diode 46 größer als die der Diode 44, während bei einer negativen Polarisationsspannung V₂ die Kapazität der Diode 44 größer ist als die der Diode 46. Diese Kapazitätsänderungen sind dank der hohen Steilheit der beiden exponentiellen Kurven schon bei kleinen Änderungen der Polarisationsspannung relativ hoch.

In Fig. 1 werden diese Kapazitätsänderungen durch die beiden parallel zu den Dioden 44 und 46 geschalteten gestrichelt gezeichneten fiktiven veränderlichen Kondensatoren 48 und 50 angedeutet. Die Brücke wird mit Hilfe des Potentiometers 54 abgestimmt, wenn kein von der Ionisationskammer 24 herrührender Eingangsstrom fließt, so daß an der Ausgangsdiagonalen keine Spannung auftritt. Sobald nun über die Leitung 40 dem Eingang der Brücke eine kleine Gleichspannung zugeführt wird, ändern sich die Kapazitäten der beiden Dioden 44 und 46 in einander entgegengesetztem Sinne, so daß das Gleichgewicht der Brücke gestört wird und am Eingang des Verstärkers 34 eine dem zu verstärkenden Gleichstrom proportionale Wechselspannung auftritt. Diese Wechselspannung kann nach erneuter Verstärkung und Demodulation über der Ausgangsimpedanz 80 abgegriffen werden. Die Ausgangsspannung wird dabei in an sich bekannter Weise über das Gegenkopplungsnetzwerk 37, 38 stabilisiert. In diese Gegenkopplungsleitung ist eine Halbleiterdiode 38 eingeschaltet, um die Gegenkopplungsspannung gemäß der logarithmischen Kennlinie der Diode zu korrigieren.

Die soeben beschriebene Gleichstromverstärkeranordnung wird vorzugsweise von einer z. B. aus Messing bestehenden Abschirmung 30 eingeschlossen. Die Sekundärwicklung 64 des die Brücke speisenden Transformators liegt ebenfalls in einer Abschirmung 68, die durch die allgemeine Abschirmung 30 hindurchführt und mit ihr verbunden ist.

Im folgenden seien die Werte einiger Schaltelemente in einem Ausführungsbeispiel der Verstärkeranordnung gemäß der Erfindung angegeben: die Halbleiterdioden 44 und 46 wurden so ausgewählt, daß sich ihre Kapazität bei einer gegebenen Polarisationsspannung möglichst stark änderte. Weiter soll der Sperrstrom dieser Dioden möglichst gering sein. Er ist in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 durch den gestrichelt eingezeichneten fiktiven Widerstand 72 berücksichtigt, der in der Größenordnung von 10¹⁰ Ohm liegt.

Die Werte der die Brücke vervollständigenden Widerstände 52, 54, 56 betragen 300, 100 und 300 Ohm.

Die vom Oszillator 67 erzeugte Erregerspannung für die Brücke, die sinusförmig oder rechteckig sein kann oder sonst eine beliebige Kurvenform haben kann, hatte in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Frequenz von etwa 10 kHz. Die Amplitude lag zwischen 100 und 20OmV, im Mittel etwa bei 150 mV. Diese Amplitude muß auf jeden Fall so gewählt werden, daß sie unterhalb des Schwellwertes der beiden Dioden 44 und 46 liegt.

Der Wert des Widerstandes 70, durch den die Ausgangsspannung von der Eingangsspannung isoliert wird, lag bei dem beschriebenen Beispiel bei etwa 750 000 Ohm.

Bei diesen Werten der verwendeten Schaltelemente ergab sich bei zu verstärkenden Gleichströmen im Eingang in der Größenordnung von etwa ΙΟ"¹⁰ Α an den Klemmen der Ausgangsimpedanz 80 eine Spannung E₀, die ausreichte, um verschiedene Regeleinrichtungen und Sicherheitsvorrichtungen auszusteuern.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Gleichstromverstärkeranordnung, vorzugsweise zur Verstärkung niedriger Ausgangsströme von Ionisationskammern, die den Neutronenfluß in Kernreaktoren messen, unter Verwendung einer Impedanzbrücke, deren eine Diagonale mit Wechselstrom erregt und deren Gleichgewicht durch das Gleichstromsignal verschoben wird, so daß sich über der zweiten Diagonale der Brücke ein Ausgangssignal ergibt, und die vorzugsweise Halbleiterdioden enthält, die unterhalb ihres Schwellwertes arbeiten, so daß durch ihre Kapazitätänderung die Gleichgewichtsverschiebung bewirkt wird, wonach das Wechselstromausgangssignal weiter verstärkt und demoduliert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das demodulierte Ausgangssignal nach Phasenumkehr auf den Eingang der Brücke (44, 46, 52, 54, 56) rückgekoppelt wird, derart, daß eine an sich bekannte Gegenkopplung (37) geschaffen wird, die eine Diode

(38) mit logarithmischer Spannungs-Strom-Kennlinie enthält.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Diode (38) enthaltende Gegenkopplung mit dem Eingang der Brücke unter Zwischenschaltung eines Trennwiderstandes (70) verbunden ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal über einen Trennkondensator (74) und eine diesen Kondensator kompensierende Induktionsspule (76) abgenommen wird.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brücke zwei Dioden (44, 46) enthält, die einander ergänzend in Reihe in zwei benachbarten Zweigen liegen, während die beiden anderen Zweige einen ohmschen Spannungsteiler (52, 54, 56) mit einstellbarer Mittelanzapfung enthalten, über den die erregende Wechselspannung zugeführt wird, wobei der zu verstärkende Strom zusammen mit der logarithmischen Rückkopplung zwischen dem Verbindungspunkt der beiden Dioden und der Mittelanzapfung zugeführt und das Ausgangssignal ebenfalls zwischen diesem Punkt und der Mittelanzapfung abgenommen wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 925 179;

schweizerische Patentschrift Nr. 213 131;

britische Patentschrift Nr. 511095;

Zeitschrift »Funkschau«, 1959/H.

5, S. 107;

»Elektrotechnische Zeitschrift«, 1941/H. 22,
S. 493 bis 497; Ausgabe A, 1953/H. 18, S. 538;

Zeitschrift »Electronics«, 1957/1. Januar, S. 178 und 179.

Bei der Bekanntmachung der Anmeldung ist ein Prioritätsbeleg ausgelegt worden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen