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Schaltungsanordnung zum Summieren von Strömen für Meßzwecke In Meß-
oder Reihenschaltungen ist häufig die Aufgabe gestellt, aus mehreren Einzelströmen
einen Summenstrom zu bilden, der proportional der Meßgröße der Summe ist. So sind
die Einzelströme z. B. das analoge Abbild einer physikalischen Größe. Andererseits
kann man einen Zahlenwert z. B. durch Ströme nachbilden, die in Potenzen von 2,
also 20 -i- 21 -f- 22 -f- 21= die Größe des Wertes bestimmen. Aus dem Vorhandensein
oder Nichtvorhandensein dieser Ströme ergibt sich dann durch Summenbildung der tatsächliche
Wert. Hierfür werden Impedanzwandler benötigt, deren Eingang auf möglichst konstantem
Potential bleiben und damit einen niedrigen Eingangswiderstand aufweisen soll. An
ihrem Ausgang soll die Summe der Teilströme möglichst unverfälscht mit großem Innenwiderstand
wieder austreten, so daß auch eine der Meßgröße proportionale Spannung in einfacher
Weise gebildet werden kann.
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Es ist bekannt, die Teilströme dem Eingang eines Gleichspannungsverstärkers
zuzuführen, dessen Ausgangsspannung gegenphasig zur Eingangsspannung ist, und dessen
Ausgang über einen Gegenkopplungswiderstand mit dem Eingang verbunden ist. Das bedingt
jedoch einen relativ großen Aufwand durch den Verstärker.
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Eine billigere und einfachere Schaltung für den genannten Zweck ist
ein Transistor in Basisschaltung. Diese hat jedoch den Nachteil, daß der Kollektorstrom
gegenüber dem Emitterstrom um den Anteil des Basisstromes verkleinert ist. Der dadurch
entstehende Fehler ändert sich mit der in Emitterschaltung- gemessenen Stromverstärkung
a' des Transistors, die einerseits von Exemplarstreuungen, andererseits auch von
der jeweiligen Aussteuerung abhängig ist. Weiterhin ist der Eingangswiderstand für
viele Anwendungen noch zu groß und zudem nichtlinear. Wählt man den Basisanschluß
des Transistors als Bezugspunkt, so schwankt die Spannungs Basis-Emitter in Abhängigkeit
vom Summenstrom und kann somit. die Teilströme verfälschen, wenn die Bezugsspannung,
aus der diese abgeleitet sind, nicht groß genug gegen die erläuterten Spannungsschwankungen
ist.
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Weiterhin ist eine Anordnung bekannt, in der zwei Transistoren zu
einer sogenannten Darlingtonschältung vereinigt sind. Hierbei liegt die Basis des
ersten Transistors am Emitter des zweiten, und die Kollektoren beider Transistoren
sind parallel geschaltet. Diese Anordnung verhält sich etwa wie ein Transistor,
dessen Stromverstärkung ä gleich dem Produkt der Stromverstärkungen beider Transistoren
ist. Es entsteht somit ein Ersatztransistor, dessen Emitter dem Emitter des ersten
Transistors entspricht, dessen Basis der Basis des zweiten entspricht und dessen
Kollektor den zusammengeschalteten Kollektoren beider Transistoren entspricht. Mit
dieser Kombination in Basisschaltung wird der obengenannte erste Nachteil vermieden;
der Kollektorstrom unterscheidet sich bei den handelsüblichen Transistoren nur noch
um etwa ein Promille weniger vom Emitterstrom, was im allgemeinen zu vernachlässigen
ist. Dagegen ist der Eingangswiderstand gegenüber der einfachen Basisschaltung noch
vergrößert worden. Die Spannungen zwischen Emitter und Basis der beiden Transistoren
addieren sich, wodurch jetzt das Potential des Emitters des ersten Transistors gegen
die Basis des zweiten Transistors als Bezugspunkt noch stärker von der Summe der
Teilströme abhängt, die damit entsprechend verfälscht werden.
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Durch die Erfindung wird eine Schaltungsanordnung offenbart, durch
die der Eingangswiderstand eines einzelnen Transistors oder einer Darlingtonkombination
in Basisschaltung für den beschriebenen Zweck wesentlich verkleinert wird.
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Bei einer Schaltungsanordnung für Meßzwecke zum Bilden des Summenwertes
von über Widerstände und eine Spannungsquelle abgeleiteten Strömen als Spannungsabfall
an einem Arbeitswiderstand unter Verwendung von Transistoren in Darlingtonschaltung
wird erfindungsgemäß das Potential der freien Basis der Transistoren in Abhängigkeit
von der Summe der Ströme durch einen Verstärker so geregelt, daß das Potential des
mit dem Verstärkereingang verbundenen freien Emitters der Transistoren als Summierungspunkt
konstant ist.
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Wie aus F i g. 1 hervorgeht, liegt der Eingang 3 einer Darlingtonkombination
in Basisschaltung, bestehend aus den Transistoren 1 und 2, zugleich am Eingang eines
Gleichspannungsverstärkers 7, der von
der Spännung des Einganges
3 gegen ein Bezugspotential 6 ausgesteuert wird. Seine Ausgangsspannung ist gegenüber
der Eingangsspannung verstärkt und gegenphasig, und sein Ausgang ist mit dem Basisanschluß
4 verbunden. Dem Eingang 3 werden die zu summierenden Teilströme Ji, J2
... J" zugeführt, während am Ausgang 5 der Transistorschaltung der Summenstrom
s J austritt.
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Hat nun bei einem Anwachsen des Summenstromes die Spannung zwischen
den Punkten 3 und 4 die Tendenz, sich zu vergrößern, so ändert sich die Eingangs-Spannung
des Verstärkers 7. Dessen Ausgangsspannung wirkt nun so auf den Basisanschluß
4, daß dessen Potential so verschoben wird, daß das Potential des Einganges
3 gegenüber der Bezugsspannung nahezu konstant bleibt.
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Der Verstärkungsgrad des Verstärkers 7 ist nach den Genauigkeitsforderungen
zu bemessen. Ferner muß der Eingang des Verstärkers 7 so hochohmig sein, daß dessen
Eingangsstrom vernachlässigbar klein gegen den kleinsten vorkommenden Teilstrom
ist.
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Im Ausführungsbeispiel der F i g. 2 ist gezeigt, wie diese Forderungen
mit nur einem zusätzlichen Transistor 7' erfüllt werden können. Sein Basisanschluß
liegt am Eingang 3 der Darlingtonkombination, sein Emitter am Bezugspotential 6
und sein Kollektor über einen Widerstand 9 an der Betriebsspannung -12 V und über
eine in Sperrichtung betriebene Zenerdiode 10 am Basisanschluß 4 des Transistors
2 der Darlingtonschaltung. Die Zenerdiode 10 erhält über den Widerstand 11 einen
zusätzlichen Strom, so daß sie stets mit ihrer Zenerspannung betrieben wird. Werden
nun die Teilströme Ji, J2 ... J" durch Betätigen ihrer zugehörigen
Schalter wirksam, so wirkt der Transistor 7' in der beschriebenen Weise auf das
Potential des Punktes 4 ein, so daß die verbleibenden Potentialschwankungen des
Einganges 3 vernachlässigbar klein sind. Durch die Zenerdiode 10 wird der Transistor
7' ohne Verstärkungsverlust an die Basis 4
des Transistors 2 angekoppelt,
und gleichzeitig wird für die nötige Kollektor-Emitter-Spannung am Transistor 7'
gesorgt.
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Der Summenstrom tritt am gemeinsamen Kollektoranschluß 5 aus und erzeugt
beispielsweise am Widerstand 12 einen entsprechenden Spannungsabfall, der zwischen
den Punkten 5 und 13 abgenommen werden kann. An Stelle des Widerstandes 12 kann
ein Strommeßinstrument eingeschaltet werden. Sind sämtliche Teilströme abgeschaltet,
so soll am Widerstand 12 keine Spannung auftreten. Die Regelung über den Transistor
7' versagt jedoch, da der Transistor 2 in diesem Fall völlig gesperrt ist. Es fließt
nun ein hoher Basisstrom vom Transistor 7' über den Transistor 1 durch den Widerstand
12. Durch Einfügen der Diode 14 wird erreicht, daß der Transistor 2 nur bis
zur Spannung Null zwischen Basis und Emitter geregelt wird. Der Transistor 1 wird
dagegen bis zur völligen Sperrung geregelt, da seine Basis durch die Diode 14 als
Folge der Regelschaltung positiv gegenüber seinem Emitter wird. Die Kathode der
Diode 14 ist dem Verbindungspunkt (Basis-Emitter) der Transistoren zuzuordnen. In
diesem Fall fließen über den Widerstand 12 nur noch der normale Basisstrom vom Transistor
7', der über den nur im Kollektorausgang gesperrten Transistor 1 zum Transistor
2 gelangt gelangt und der Reststrom des Transistors 2 bei kurzgeschlossener Basis-Emitter-Strecke.
Zweckmäßig wird die Schaltung beispielsweise durch Wahl der Elemente so dimensioniert,
daß diese restlichen Ströme vernachlässigbar klein gegenüber dem kleinsten Teilstrom
sind.