-
Steuerstrom benötigender, austauschbarer Verstärker mit Kippeigenschaften
In Geräten der modernen Steuer- und Regeltechnik ist es vielfach üblich, austauschbare
Baueinheiten einzusetzen. Erwünscht ist, daß bei einem Austausch einer Baueinheit
kein besonderer Abgleich entweder der Baueinheit oder der betroffenen Steuer- bzw.
Regeleinrichtung erforderlich ist. Besonders schwierige Verhältnisse ergeben sich,
wenn Transistorverstärker zum Einsatz kommen, da die einzelnen Transistoren zum
Teil recht unterschiedliche Stromverstärkungsfaktoren besitzen.
-
In Geräten der vorbeschriebenen Art kommen weiterhin Verstärker mit
Schalt- bzw. Kippeigenschaften zum Einsatz. Kennlinien solcher Verstärker mit Kippeigenschaften
sind in F i g. 1 dargestellt, in der Ausgangsströme J über Steuerspannungen
u aufgetragen sind. Die Kurve 20 zeigt dabei eine normale Verstärkerkennlinie.
Diese Verstärkerkennlinie läßt sich mit Hilfe einer Mitkopplung von sogenanntem
kritischem Wert zu der praktisch senkrecht verlaufenden Kurve 21 aufrichten. Um
mit Sicherheit ein Kippen des Verstärkers zu erreichen, hat man zur Berücksichtigung
von Temperaturschwankungen usw. eine überkritische Mitkopplung gewählt, bei der
das Zurückkippen des Verstärkers beispielsweise entlang der Kurve 26 erfolgte. Bei
einem Austausch des jeweiligen Verstärkers in den bisher verwendeten Geräten konnten
sich sowohl die Absolutwerte der Lagen der Kurven 21 und 26 als auch ihr gegenseitiger
Abstand beträchtlich verschieben.
-
Einen bekannten Verstärker mit Kippeigenschaften zeigt die F i g.
2.
-
In F i g. 2 ist ein dreistufiger Transistorverstärker dargestellt.
Dieser enthält Transistoren 3 ... 5. Kollektorwiderstände 8 und 9 sowie eine
mit einem Strom J zu beaufschlagende Relaiswicklung 11. Vom Kollektor des zweiten
Transistors 4 führt ein Mitkopplungszweig mit einem relativ hochohmigen Widerstand
7 zum Basiskreis des ersten Transistors 3. Die Speisung und Steuerung des Verstärkers
erfolgt durch eine an den Klemmen 1 und 2 liegende Gleichspannung. Die Steuerspannung
u des Verstärkers wird mit Hilfe eines Vorwiderstandes 15 und eines gegenüber dem
Mitkopplungswiderstand niederohmigen Potentiometers 16 gebildet. Im Basiskreis des
Transistors 5 ist ein Ohmscher Widerstand 10 angeordnet, der verhindert, daß durch
den Transistor 5 die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 4 kurzgeschlossen
wird.
-
In dem vorbeschriebenen Verstärker war weiterhin im Eingangskreis
ein Ohmscher Widerstand 6, der hier an den Potentiometerabgriff 17 angeschlossen
ist. vorgesehen. Wenn nun der Verstärker mit Hilfe von Steckverbindungen 12.'.
. 14 austauschbar ist, dann beeinflussen besonders die Spannungsabfälle an
dem Widerstand 6 die Ansprechwerte des jeweiligen Kippverstärkers. Dies soll in!
folgenden näher erläutert werden.
-
Wenn die Steuerspannung u durch Verstellung des Potentiometerabgriffes
17 vom.. Wert Null an erhöht wird, dann beginnt mit dem Erreichen des Schwellwertes
der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 3 ein Steuerstrom über den Widerstand
6 zu fließen. Da der Mitkopplungswiderstand 7 gegenüber dem Widerstand 6 hochohmig
und der vorgenannte Schwellwert relativ niedrig ist, wird über den Mitkopplungswiderstand
7 und den leitenden Transistor 4 nur ein geringer Teil des über den Widerstand 6
fließenden Steuerstromes abgeführt. Wenn die Steuerspannung u einen Wert erreicht,
bei dem ein entsprechender Basis-Emitter-Strom den Transistor 3 öffnet, beginnt
der Transistor 4 zu sperren. Dabei ergibt sich eine Einitter-Kollektor-Spannung
am Transistor 4, die einen Strom im Sinne des Basis-Emitter-Stromes des Transistors
3 über, den Mitkopplungswiderstand 7 treibt. Wenn der Widerstand 6 .einen zu kleinen
Wert hat, dann kann ein größerer Teil des über den Widerstand 7 fließenden Stromes
über den Widerstand 6 abfließen. Es besteht dann Gefahr, daß die Mitkopp-Jung nicht
ausreichend ist.
-
Sowohl bei einer kritischen Mitkopplung als auch bei einer überkritischen
Mitkopplung wird ein Kippen in den Einschaltzustand, bei dem der Relaiswicklung
11 Strom J zugeführt wird, bei Erreichen des Punktes 22 der Abszisse der F i g.
1 entlang der zwischen den Punkten 23 und 24 liegenden Gerade 21 erfolgen.
Die
Steuerspannung u bei dem Punkt 22 bzw. 23 setzt sich im wesentlichen aus der Schwellspannung
der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 3 und dem Spannungsabfall, den der über
den Potentiometerabgriff 17 fließende Steuerstrom im Widerstand 6 hervorruft, zusammen.
Der zum Kippen in den Einschaltzustand benötigte Steuerstrom des Transistors 3 schwankt
mit der Stromverstärkung des jeweils verwendeten austauschbaren Verstärkers. Mit
dem vorgenannten von Fall zu Fall verschiedenen Steuerstrom ändert sich aber auch
der Spannungsabfall am Widerstand 6, so daß auch die entsprechende zum Kippen in
den Einschaltzustand benötigte Steuerspannung u sich ändert.
-
Das Kippen in den Ausschaltzustand, bei dem der Relaiswicklung 11
kein nennenswerter Strom mehr zugeführt wird, erfolgt bei überkritischer Mitkopplung,
abweichend -von der Einschaltkurve 21, vom Punkt 25 entlang der gedachten Geraden
26 zum Punkt 27, wenn die Steuerspannung u vom Punkt 22 her in Richtung auf den
Wert Null der Steuerspannung u den Punkt 27 überschreitet. Es wird dabei über den
Widerstand 6 so viel vom über den Widerstand 7 fließenden Strom an der Basis-Emitter-Strecke
des Transistors 3 vorbeigeleitet, daß die Mitkopplung den Einschaltzustand nicht
mehr aufrechterhalten kann. Der Verstärker kippt in den Ausschaltzustand. Welcher
Anteil des über den Widerstand 7, in diesem Fall über den Widerstand 6 fließenden
Stromes, abgeführt werden muß, ist von der Stromverstärkung des Transistors 3 abhängig.
Mit einem Austausch des Verstärkers ändert sich demnach mit einer anderen Stromverstärkung
des Transistors 3 auch der Spannungsabfall am Widerstand 6 und damit die für den
Übergangin den Ausschaltzustand maßgebliche Steuerspannung u. In F i g. 1 liegt
sie für eine überkritische Mitkopplung beispielsweise bei dem Punkt 27.
-
Die genannten Nachteile will die Erfindung mindern, so daß bei einem
Austausch von Verstärkern kein besonderer Abgleich der Anordnung erforderlich ist.
Die Erfindung betrifft demgemäß einen Steuerstrom benötigenden, austauschbaren Verstärker
mit Kippeigenschaften, die durch überkritische Mitkopplung verstärkter Größen auf
den Eingang des Verstärkers erzeugt sind. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß auf eine Steuerspannungsquelle ein elektrisches Ventil folgt, daß der Mitkopplungszweig
für eine stark überkritische Mitkopplung bemessen ist und daß Mittel zur Begrenzung
der durch Mitkopplung erzeugbaren Steuergrößen vorgesehen sind.
-
Die weiteren Erläuterungen der Erfindung erfolgen an Hand der in F
i g. 1 dargestellten Kurven und an Hand eines in F i g. 3 dargestellten Ausführungsbeispiels
der Erfindung.
-
In F i g. 3 ist wiederum ein dreistufiger Transistorverstärker mit
Kippeigenschaften dargestellt. Dieser Verstärker entspricht weitgehend dem in F
i g. 1 dargestellten Verstärker. Es wurden daher in F i g. 3 für die mit der F i
g. 1 übereinstimmenden Bauelemente gleiche Bezugszeichen gewählt. An Stelle des
Ohmschen Widerstandes 6 in F i g. 1 ist in F i g. 3 als auf die vom Potentiometer
16 gebildete Steuerspannungsquelle folgendes elektrisches Ventil eine Halbleiterdiode
18 vorgesehen: Unter Berücksichtigung der Schwellspannung (Au in F i g. 1) der Halbleiterdiode
18 kann zunächst die Steuerspannung u ausgesucht werden, bei der der Verstärker
in den Einschaltzustand kippt. Wenn die Schwellspannung der Halbleiterdiode 18 abweichend
von der Darstellung in F i g. 1 hoch genug über der zum Kippen in den Einschaltzustand
minimal benötigten Steuerspannung u an der Steckverbindung 13 ist, dann stören bei
kleinem Durchlaßwiderstand der Halbleiterdiode 18 gewisse Verschiebungen des Fußpunktes
der Verstärkerkennlinie nicht mehr. Außerdem entfällt wegen des kleinen Durchlaßwiderstandes
die Berücksichtigung des unterschiedlichen Steuerspannungsabfalles an dem beim Gegenstand
der F i g. 1 vorhandenen Widerstand 6. Jetzt steht bei Erreichen der resultierenden
Schwellspannung der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 3 und der Halbleiterdiode
18 durch die Steuerspannung u ohne größere Steuerspannungserhöhung der zum Kippen
in den Einschaltzustand benötigte Steuerstrom zur Verfügung.
-
Das Kippen in den Einschaltzustand wird nunmehr vom Punkt 28 aus entlang
der Geraden 29 verlaufen. Die überkritische Mitkopplung kann so groß gemacht werden,
daß der über den Mitkopplungswiderstand 7 fließende Strom aus Sicherheitsgründen
größer als der zum Kippen in den Einschaltzustand notwendige Basis-Emitter-Strom
des Transistors 3 wird. Dann kann an der Steckverbindung 13 negativeres Potential
als an dem Abgriff 17 des Potentiometers 16 auftreten. Die Halbleiterdiode
18 sperrt. Der Verstärkereingangswiderstand, der bis zum Beginn des Kippens
niedrig sein sollte, wird beim Kippvorgang plötzlich groß. Damit fließt praktisch
der gesamte über den Mitkoppiungswiderstand 7 eingespeiste Strom über die Basis-Emitter-Strecke
des Transistors 3 und unterstützt den Kippvorgang, so daß der Verstärker sicher
umschaltet.
-
Für das Kippen in den Ausschaltzustand könnte eine miteinem Austausch
des Verstärkers sich ändernde Stromverstärkung noch durch eine Verschiebung der
Kurve 26 in Erscheinung treten. Auch hierbei ist eine Bemessung des Mitkopplungszweiges
für eine stark überkritische Mitkopplung von Vorteil, wenn außerdem Mittel zur Begrenzung
der durch Mitkopplung erzeugbaren Steuergrößen vorgesehen sind. Eine stark überkritische
Mitkopplung würde zunächst ergeben, daß bei einem Übergang in den Ausschaltzustand
in F i g. 1 der zwischen den Punkten 25a und 27a liegenden Kurve 26a gefolgt wird.
Um jedoch eine zu große Differenz zwischen dem Ansprechpunkt 28 und dem Ausschaltpunkt
27a bzw. 27 zu verhindern oder um überhaupt einen Übergang in den Ausschaltzustand
zu ermöglichen, sind die vorgenannten Mittel zur Begrenzung der durch stark überkritische
Mitkopplung erzeugbaren Steuergrößen vorgesehen. Diese Mittel bestehen bei dem Gegenstand
der F i g. 3 in einer zur Halbleiterdiode 18 gegenparallel geschalteten Halbleiterdiode
19. Die beiden Dioden können unterschiedliche Eigenschaften, insbesondere unterschiedliche
Schwellspannungen, besitzen. Mit Hilfe der Diode 19 wird in F i g. 1 die
von den Punkten 28, 30, 25 a, 27 a eingeschlossene Fläche
um den schraffierten Teil dieser Fläche verkleinert. Das Kippen in den Ausschaltzustand
wird nicht erst bei einer Steuerspannung u entsprechend dem Punkt 27a, sondern schon
bei einer Steuerspannung u entsprechend dem Punkt 27 bewirkt werden, indem ein Teil
des über den Widerstand 7 fließenden Stromes über die Halbleiterdiode
19 abgeführt wird.
Wenn bei im Einschaltzustand befindlichem
Verstärker der Abgriff 17 des Potentiometers 16 in Richtung auf das an der Klemme
2 liegende Nullpotential verstellt wird, so ergibt sich zunächst der Fall, daß die
durch Mitkopplung gewonnene Spannung an der Basis-Emitter-Strecke des Transistors
3 negativer ist als die Spannung zwischen dem Nullpotential und dem Potentiometerabgriff
17. Die durch Mitkopplung gewonnene, zwischen der Steckverbindung 13 und dem Potentiometerabgriff
17 anstehende Steuerspannungsdifferenz wird mit Hilfe der Halbleiterdiode 19 auf
deren Schwellwert begrenzt. Die Halbleiterdiode 19 bildet einen Nebenweg zum an
der Klemme 2 liegenden Nullpotential. Der Verstärker kann damit trotz der mit Hilfe
des Widerstandes 17 bewirkten überkritischen Mitkopplung an einem genauer als bisher
zu definierenden Punkt der Steuerspannung in den Ausschaltzustand kippen.
-
Es sei noch erwähnt, daß zum Schutz des Transistors 3 ein Ohmscher
Widerstand 31 vorgesehen sein kann. Dieser Widerstand begrenzt den Steuerstrom,
wenn mittels des Potentiometers 16 eine zu große Steuerspannung abgegriffen wird.
-
Mit den erfindungsgemäßen Mitteln ist es also möglich, den Abstand
und den Absolutwert der in F i g. 1 gezeigten, praktisch geradlinigen Kurven 29
und 26 auch bei einem Austausch eines Verstärkers gegen einen Verstärker nur ähnlicher
Eigenschaften genauer als bisher beizubehalten.
-
In dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3 ist ein Transistorverstärker
mit pnp-Flächentransistoren dargestellt. Der Erfindungsgedanke ist jedoch nicht
auf solche Transistoren beschränkt. Vielmehr können in gleicher Weise Verstärker
mit npn-Flächentransistoren in Frage kommen. Weiterhin ist eine übertragung des
Erfindungsgedankens auf andere Steuerstrom benötigende Verstärker, beispielsweise
Magnetverstärker, denkbar.