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Wechselspannungsgespeister Transistorverstärker für Regelzwecke Die
Erfindung bezieht sich auf einen wechselspannungsgespeisten Transistorverstärker
zum Betrieb der Stellglieder in Steuerketten und Regelkreisen, der von einer mit
der Speisewechselspannung gleichfrequenten Eingangswechselspannung gesteuert. wird
und eine Ausgangsgleichspannung liefert, ;deren Größe von der Amplitude der Steuerwechselspannung
und deren Richtung von der Phasenlage der Steuerwechselspannung in bezug auf die
Speisewechselspannung abhängen, mit zwei parallelen Gegentaktverstärkern, von denen
jeweils nur einer arbeitet, je nachdem ob die Steuerspannung in Phase oder in Gegenphase
mit der Speisespannung ist.
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Solche Steuerspannungen liefern unter anderem Folgeregelsysteme, die
mit induktiven Drehmeldersystemen arbeiten und die Regelabweichung als elektrische
Spannung abbilden. Dabei entspricht die in ihnen durch Induktion erzeugte Wechselspannung
der Auslenkung bzw. der Verdrehung zwischen dem Sollwert- und dem Istwertsystem.
Sie ändert bei Nulldurchgang, d. h. in Abhängigkeit von der Verstellrichtung des
Gebers, ihre Phasenlage um 180°. Der Verstärker muß also in dem Sinne phasenabhängig
arbeiten, daß er die von der Amplitude der Steuerung abhängige Ausgangsgröße einer
Richtung liefert, die davon abhängt, ob seine Steuer- und Speisewechselspannung
in Phase oder in Gegenphase liegen. Dazu ist erforderlich, daß die Speisewechselspannungen
von Drehmeldersystem und Verstärker in Phase liegen, also der gleichen Quelle entnommen
werden.
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Es sind z. B. bereits mit Röhren arbeitende Verstärker für Folgeregelungen
bekannt, die aus einer doppelten Gegentaktstufe bestehen. Je nach Phase (0 oder
180°) der vom induktiven Drehgeber gelieferten Steuerwechselspannung in Bezug zur
Anodenwechselspannung erhält die eine oder die andere Ausgangsseite die höhere Spannung;
die Differenzspannung dient zur Speisung des Stellgliedes, z. B. zur richtungsabhängigen
Erregung eines Leonardgenerators. Röhrenverstärker besitzen aber bekanntlich eine
Reihe von Nachteilen. Ihrer begrenzten mechanischen Festigkeit wegen stellen Röhren
in Systemen, die Erschütterungen und Stößen ausgesetzt sind, immer einen Unsicherheitsfaktor
,dar. Ferner benötigen Elektronenröhren im Bereitschaftszustand einen ständigen
Leistungsbedarf zu ihrer Heizung. In den erwähnten Verstärkern ist außerdem die
der Ausgangsspannun.gsdifferenz beider Stufen entsprechende Nutzleistung wesentlich
geringer als die für die Röhren ständig benötigte Anodenleistung. Ein weiterer Nachteil
besteht darin, daß der mit verhältnismäßig hohem Anodenpotential arbeitende Verstärker
einerseits einen aufwendigen Netztransformator mit vier getrennten Sekundärwicklungen,
andererseits zwei Ausgangstransformatoren zur Abspannung der Netzausgänge auf die
verhältnismäßig kleine Erregerspannung z. B. eines Leonardgenerators erfordern.
Die bekannte Schaltung enthält somit einen überaus großen Anteil von Transformatorwicklungen
und hat einen unerwünscht großen Raumbedarf.
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Bei einer anderen bekannten Schaltung sind zwei Gegentaktverstärkerstufen
mit Röhren hintereinandergeschaltet; sie dient insbesondere zur Steuerung eines
Schaltmotors. Die steuernden Eingangssignale setzen sich aus einer Gleichspannung
und einer überlagerten Wechselspannung zusammen; ihre Größe und ihr Vorzeichen bestimmen
die Bewegung .des Schaltmotors. Die Schaltung ist dabei so ausgelegt, daß, solange
die eine der beiden jeweils hintereinandergeschalteten Röhren arbeitet, die andere
unwirksam ist und umgekehrt.
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Es sind auch bereits Regelverstärker mit phasenempfindlichen Endstufen
bekannt, die mitTransistoren bestückt sind. Bei einer dieser Schaltungen ist die
aus zwei Transistoren bestehende phasenempfindliche Endstufe über einen Transformator
an den eigentlichen Steuerverstärker angekoppelt. Je nach Phasenlage des vorverstärkten
Signals wird der eine oder der andere der Transistoren leitend. Je nach der Art
des Stellgliedes wird der Endstufe die Netzwechselspannung unmittelbar oder über
eine Vollweggleichrichterschaltung zugeführt. Diese Schaltung liefert Ausgangsspannungen
für die Dauer der einen Halbwelle der Eingangsspannung an einem der Transistoren
oder mit unterschiedlichen Vorzeichen für die Dauer der
einen Halbwelle
an dem einen und für die Dauer der anderen Halbwelle an dem anderen Transistor.
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Es ist auch bekannt, phasenempfindliche Gleichrichter mit vier Transistoren
aufzubauen. Diese Anordnung läßt sich als Brückenschaltung auffassen, bei der in
zwei benachbarten Brückenzweigen Widerstände und in den beiden anderen Brückenzweigen
je zwei über ihre Kollektoren und Basen verbundene Transistoren liegen. Über die
eine -Brückendiagonale wird die (gleichzurichtende) Steuerwechselspannung zugeführt,
in der anderen Brückendiagonalen liegt die Last. Zwischen den Verbindungen der Kollektoren
und der Basen beider Transistorpaare liegen die Sekundärwicklungen von Transformatoren,
über die ihnen eine Speisewechselspannung zugeführt wird. In dieser Schaltung üben
die Transistoren wiederum nur Schaltfunktionen aus und bewirken keine Verstärkung
der Steuerspannung. In den meisten Anwendungsfällen bei Steuerungen und Regelungen
ist eine Verstärkung jedoch erforderlich, da die Steuerspannungen meist aus einem
Meßvorgang stammen.
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Die Erfindung zeigt nun einen Weg, die den bekannten Schaltungen anhaftenden
Nachteile zu vermeiden und eine Anordnung zu schaffen, die Verstär-kung und
phasenempfindliche Gleichrichtung in einer einzigen Baueinheit bewirkt. Der erfindungsgemäße
wechselspannungsgespeiste Transistorverstärker für Stellglieder in Steuerketten
und Regelkreisen, der von einer mit der Speisewechselspannung gleichfrequenten Eingangswechselspannung
gesteuert wird und eine Ausgangsgleichspannung liefert, deren Größe von der Amplitude
der Steuerspannung und deren Richtung von ihrer Phasenlage in bezug auf die Speisespannung
abhängen, mit zwei parallelen Gegentaktverstärkern, von denen jeweils nur einer
arbeitet, je nachdem ob die Steuerspannung in Phase oder in Gegenphase mit der Speisespannung
ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung für jede Verstärkergruppe
über den Eingangstransformator mit zwei getrennten Sekundärwicklungen an den Emitter-Basis-Strecken
von Vortransistoren liegt, deren Emitter jeweils an die Basen der zugehörigen Leistungstransistoren
geführt sind, und daß die Kollektoren der Vortransistoren mit der einen, die Emitter
der zugehörigen Leistungstransistoren mit der anderen Sekundärklemme des Speisetransformators
verbunden sind, mit dessen Mittelanzapfung ferner die Kollektoren aller Leistungstransistoren
über zwei Lastwiderständen verbunden sind, so daß je nach der Phase der Steuerspannung
entweder die Kollektorhalbwellenströme der Leistungstransistoren der einen Verstärkergruppe
den einen oder die der anderen Verstärkergruppe den anderen Lastwiderstand in entgegengesetzter
Richtung durchfließen. Zu den allgemein bekannten Vorzügen der Transistoren gegenüber
Röhren kommt der weitere Vorteil, daß der Verstärker nach der Erfindung nur einen
kleinen Netztransformator für eine Speisespannung von nur etwa 30 Volt mit einer
Sekundärwicklung benötigt. Ferner können die Nutzströme, ohne daß besondere Ausgangstransformatoren
nötig sind, direkt zur richtungsabhängigen Speisung eines Stellgliedes benutzt werden.
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Die Polung der Transistorelektroden ist hierbei so gewählt, daß während
einer Halbwelle der Steuerspannung zwar in jeder Gegentaktgruppe eine der beiden
Vortransistoren basisstromführend wird, jedoch in Abhängigkeit von der 0°- oder
180°-Phase zwischen Speisespannungshalbwelle undSteuerspannungshalbwelle nur jeweils
einer dieser schaltbereiten Vortransistoren die richtige Emitter-Kollektor-Polarität
erhält, so daß -nur jeweils in einer Gegentaktgruppe ein Vortransistor kollektorstromführend
und damit der ihm zugeordnete Leistungstransistor basisstromführend wird. Dürch
Halbleiterdioden zwischen den Sekundärklemmen des Eingangstransformators und den
Basen der Leistungstransistoren erreicht man, daß die Basisströme der Leistungstransistoren
nur über die Vortransistoren zur Sekundärwicklung des Speisetransformators, nicht
aber über die Sekundärwicklungen des Eingangstransformators fließen können.
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Die in den Lastwiderständen erzeugten Halbwellenströme mit ,gegenüber
der Netzfrequenz doppelter Frequenz können durch parallel geschaltete RC-Glieder
geglättet werden, so daß insbesondere die negativen Spannungsspitzen nach demAbklingen
der Halbwellen in induktiven Lastwiderständen kompensiert und ein rasches Absinken
des Stromes bei schneller Spannungsänderung der Steuerwechselspannung bewirkt werden.
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Die oben angedeutete Arbeitsweise des Verstärkers sowie weitere Einzelheiten
der Erfindung sollen an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
näher beschrieben werden.
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Die Leistungstransistoren 1. und 2 mit den Vortransistoren 11 und
12 bilden die eine, die Leistungstransistoren 3 und 4 mit den Vortransistoren 13
und 14 die andere Gegentaktgruppe. An den Klemmen 5 und 6 wird dem Potentiometer
7 die Steuerwechselspannung zugeführt, die z. B. von einem (nicht gezeichneten)
induktiven Drehmeldersystem bekannter Bauart erzeugt wird und die Abbildung der
Differenz zwischen einem Winkelsollwert und dem momentanen Winkelistwert einer beliebigen
Regelgröße darstellt-Das Potentiometer 7 erlaubt die Einstellung .der günstigsten
Steueramplitude und damit eine Anpassung des Verstärkers an beliebige Sollwertgeber
sowie eine Empfindlichkeitseinstellung. Über den Eingangstransformator 8 mit seinen
beiden Sekundärwicklungen 9 und 10 werden .die Steuerspannungen für beide Gegentaktgruppen
galvanisch getrennt. Die Wicklung 9 sowie die Emitter-Basis-Strecken der Transistoren
11 und 12 bilden den Steuerkreis der einen Gegentaktgruppe, die Wicklung 10 sowie
die Emitter-Basis-Strecken der Transistoren 13 und 14 den der anderen Gegentaktgruppe.
Die je aus zwei Gleichrichtern und einem Widerstand bestehenden Begrenzer beschneiden
die Sekundärspannungen auf die zulässigen Basisspannungswerte der Vortransistoren
11, 12 bzw. 13, 14. Die Speisung der Leistungstransistoren 1 bis 4 und der Vortransistoren
11 bis 14, deren Emitter-Kollektor-Strecken von den Basisströmen .der zugehörigen
Leistungstransistoren durchflossen werden, erfolgt über den Transformator 26 aus
einem Netz, das an die Klemmen 23 und 24 angeschlossen ist. Die Betriebsspannung
für das nicht gezeichnete Drehmeldersystem wird dem gleichen Netz entnommen, damit
sie mit den Kolleltorspannungen der Transistoren in Phase liegt.
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Die Emitter der Transistoren 1 und 3 sowie die Kollektoren der Vortransistoren
12 und 14 liegen an der einen äußeren Klemme der Sekundärwicklung 28 des Netztransformators;
.die Emitter der Transistoren 2 und 4 sowie die Kollektoren der Vortransistoren
11 und 13 liegen an der anderen äußeren Klemme. Die Kollektoren aller vier Leistungstransistoren
sind mit der Mittelanzapfung der Sekundärwicklung des Netztransformators verbunden,
und zwar derart, daß die Kollektorströme der Transistoren 1 und 2 den Lastwiderstand
29, die Kollektorströme der Transistoren 3 und 4 den Lastwiderstand 30 durchfließen.
Die Widerstände in den Kollektorkreisen der Vortransistoren
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bis 14 dienen zur Einstellung der Kollektorströme dieser Vortransistoren und damit
der Basisströme der Leistungstransistoren 1 bis 4. Die Ströme in den Lastwiderständen
können zur Speisung eines Stellgliedes dienen. Im hier gewählten Beispiel sind die
Widerstände 29 und 30 die beiden Feldwicklungen eines Leonardgenerators. Die parallel
liegenden RC-Glieder kompensieren die negativen Spannungsspitzen an den Feldern
29 und 30 nach dem Abklingen der Spannungshalbwellen und bewirken ein rasches Absinken
des Feldstromes bei schnellen Spannungs- und Vorzeichenänderungen der Steuerwechselspannung.
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Die in die Steuerkreise eingeschalteten Halbleiterdioden 41 bis 44
verhindern, daß die Basisströme der Leistungstransistoren 1 bis 4 über die Sekundärwicklungen
des Eingangsspannungstransformators fließen können. Die vor die Emitter der Transistoren
1 und 2 bzw. 3 und 4 geschalteten Halbleiterdioden 45 bzw. 46 schützen die Leistungstransistoren
1 bis 4 vor Überlastung für den Fall, daß ein Transistor ausfällt.
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Je nach den momentanen Vorzeichen der Steuerwechselspannung und der
Speisewechselspannung sind vier verschiedene Betriebszustände des Verstärkers während
einer Halbwelle möglich: a) Klemme 5 positiv, Klemme 6 negativ, Klemme 23 positiv,
Klemme 24 negativ; b) Klemme 5 negativ, Klemme 6 positiv, Klemme 23 negativ, Klemme
24 positiv; c) Klemme 5 positiv, Klemme 6 negativ, Klemme 23 negativ, Klemme 24
positiv; d) Klemme 5 negativ, Klemme 6 positiv, Klemme 23 positiv, Klemme 24 negativ.
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Es soll zunächst die Arbeitsweise des Verstärkers im Falle a) betrachtet
werden. Da dann die äußeren Klemmen der Sekundärwicklungen 9, 10 positives, ihre
inneren Klemmen 56, 57 negatives Potential besitzen, sind die Vortransistoren 11
und 14 gesperrt, während die Vortransistoren 12 und 13 basisstromführend sind. Da
gleichzeitig an der oberen Sekundärklemme des Netztransformators und damit am Kollektor
von Vortransistor 12 ein positives Potential liegt, ist dieser Transistor auch gesperrt.
Diese Polarität der Sekundärklemmen des Netztransformators bewirkt ferner, daß die
Leistungstransistoren 2 und 4 ein gegenüber dem Einitter positives Kollektorpotential
besitzen und damit gesperrt sind. Der Sperrzustand wird außerdem durch die Halbleiterdiode
45 stabilisiert. Aber auch wenn diese Diode, die nur als Überlastungsschutz vorgesehen
ist, nicht vorhanden wäre, wird die Sperrung der Transistoren 2 und 4 durch die
basisstromsperrenden Vortransistoren zusätzlich gesichert. Der Leistungstransistor
1 wird durch den weder kollektor- noch basisstromführenden Vortransistor 11 gesperrt.
Damit ist nur der Leistungstransistor 3, gesteuert durch den von der Steuerspannung
an der unteren Sekundärwicklung abhängigen Basisstrom .des Vortransistors 13, stromführend.
Somit fließt durch den Lastwiderstand 30 eine Stromhalbwelle, die durch das RC-Glied
geglättet wird und ein bestimmtes Gleichspannungserregerfeld für den Leonardgenerator
erzeugt.
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Wird die eben betrachtete Phasenlage von 0° zwischen Steuerspannung
und Speisespannung nicht verändert, so stellt sich in der folgenden Halbperiode
der Fall b) ein. Damit vertauschen die Vor- und Leistungstransistoren 13 und 3 sowie
14 und 4 ihre Rollen gegenüber dem Fall a), während Vor- und Leistungstransistoren
11 und 1 sowie 12 und 2 weiterhin gesperrt bleiben. Vortransistor 11 wird zwar basisstromführend,
bleibt aber wegen seines nun positiven Kollektorpotentials gesperrt und stabilisiert
den Sperrzustand des Leistungstransistors 1. DerLeistungstransistor 2 kann trotz
seines gegenüber seinem Emitter negativen Kollektorpotentials nicht stromführend
werden, da sein Basisstrom durch den Vortransistor 12 gesperrt ist. Der Stromlauf
über den einzigen geöffneten Leistungstransistor 4 führt jetzt ebenfalls über die
Erregerwicklung 30 des Leonardgenerators, aber es entsteht in ihr eine um 180° gegenüber
dem Fall a) verschobene Spannungshalbwelle.
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Die bei dieser Phase zwischen Steuer- und Speisespannung arbeitende
Gegentaktgruppe, bestehend aus den Transistoren 3, 4, 13 und 14, erzeugt also über
die als Widerstand 30 gezeichnete Wicklung ein Erregerfeld mit gleichgerichteten
Halbwellen der doppelten -Netzfrequenz nach Art einer Vollweggleichrichtung.
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In den Fällen c) und d) ist die Phase zwischen Steuerspannung und
Speisespannung um 180° verschoben, und es arbeitet in diesem Falle nur die andere
Gegentaktgruppe, bestehend aus den Transistoren 1, 2, 11 und 12. Es wird .dann in
der als Widerstand 29 dargestellten Erregerwicklung des Leonardgenerators eine Spannungshalbwelle
doppelter Netzfrequenz in umgekehrter Richtung induziert, die einen gegenüber den
Fällen a) und b) umgekehrt gerichteten Ankerstrom im Leonardgenerator erzeugt.
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Liegt an den Eingangsklemmen 5 und 6 keine Steuerwechselspannung,
befindet sich der Verstärker also im stationären Zustand, so ist die Stromaufnahme
des Verstärkers nur etwa gleich dem kleinen L eerlaufstrom des Netztransformators
26. Der Verstärker nach der Erfindung hat also im Unterschied zu Röhrenverstärkern
einen sehr geringen Leistungsbedarf im Bereitschaftszustand.