DE1270118B - Gleichstrom-Impedanzwandler zur Erzeugung eines eingepraegten Stromes proportional zu einer Eingangsspannung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

H03f

Deutsche Kl.: 21 a2-18/02

P 12 70 118.7-31 29. Oktober 1965 12. Juni 1968

Die Erfindung betrifft einen mit Transistoren aufgebauten Gleichstrom-Impedanzwandler zur Erzeugung eines eingeprägten Stromes proportional zu einer Eingangsspannung.

Um eine z. B. von einem Potentiometer abgegriffene Gleichspannung in einen vorzeichenrichtigen und genau proportionalen eingeprägten Gleichstrom umzuwandeln, sind Gleichstrom-Meßverstärker gebräuchlich, die nach dem Chopper-Prinzip arbeiten, die also die Gleichspannung zerhacken, in eine Wechselspannung umsetzen und dann wechselstromseitig verstärken. Solche Impedanzwandler sind relativ aufwendig.

Es sind Verstärkerschaltungen bekannt, bei denen zwei komplementäre, an ihren Basen gegenüber einer ersten Eingangsklemme gegensinnig vorgespannte Transistoren mit ihren Emittern über Emittervorwiderstände miteinander verbunden sind und die Eingangsspannung mit einer zweiten Eingangsklemme an dem Verbindungspunkt der Emitterwiderstände anliegt und bei denen ein Verbraucher in einem zu dem Verbindungspunkt geführten gemeinsamen Teil der Emitter-Kollektor-Kreise der beiden Transistoren einschaltbar ist. Dabei handelt es sich jedoch nicht um Impedanzwandler zur Erzeugung eines eingeprägten Stromes, sondern um normale Verstärker, bei denen der Ausgangsstrom nicht in weiten Grenzen von der Größe des Verbraucherwiderstandes unabhängig »eingeprägt« ist. Die Basisvorspannung wird bei dieser Verstärkerschaltung in der üblichen Weise durch ein geeignetes Netzwerk aus der Versorgungsspannung der Transistoren abgeleitet.

Es sind ferner Gegentakt-B-Verstärker mit zwei gleichartigen PNP-Transistoren bekannt, wobei den Basen der Transistoren eine Eingangswechselspannung gegenphasig zugeführt wird. Zwischen den Kollektoren der Transistoren ist der Ausgangstransformator mit Gegentaktwicklungen eingeschaltet. Eine Gleichstromquelle versorgt die Kollektorseite, eine zweite Batterie mit geringerer Spannung dient dazu, die Transistoren etwas zu öffnen und Verzerrungen bei kleinem Signal zu vermeiden. Kollektoren, Emitter und Basen sind durch Widerstände gleichstrommäßig verkoppelt. Diese Anordnung ist weder bestimmt noch geeignet, einen eingeprägten Strom proportional zu einer Eingangsspannung zu erzeugen.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen einfach aufgebauten Transistor-Impedanzwandler für Gleichspannungen zu schaffen, der den Umweg über eine Zerhackung und Wechselstromverstärkung vermeidet.

Gleichstrom-Impedanzwandler zur Erzeugung eines eingeprägten Stromes proportional zu einer Eingangsspannung

Anmelder:

Fernsteuergeräte Zachariä-Oelsch-Meier, ίο 1000 Berlin 47, Jahnstr. 68-72

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Klaus Thiele, 8581 Oberailsfeld

Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die Kombination der nachstehenden, jedes für sich bekannten Merkmale:

a) Zwei komplementäre, an ihren Basen gegenüber einer ersten Eingangsklemme gegensinnig vorgespannte Transistoren sind mit ihren Emittern über Emitterwiderstände miteinander verbunden, die Eingangsspannung liegt mit einer zweiten Eingangsklemme an dem Verbindungspunkt der Emitterwiderstände an, und ein Verbraucher ist in einem zu dem Verbindungspunkt geführten gemeinsamen Teil der Emitter-Kollektor-Kreise der beiden Transistoren einschaltbar.

b) zur Erzeugung der Basisvorspannung sind ein oder mehrere gesonderte, von den Versorgungsspannungen der Transistoren galvanisch getrennte Spannungsquellen vorgesehen.

Bei einer solchen Schaltung ist einer der Transistoren vom PNP- und der andere vom NPN-Typ. Die beiden Transistoren liegen demgemäß mit Emitter und Kollektor an entgegengesetzten Versorgungsspannungen. Auch die Basen sind gegensinnig vorgespannt. Wenn jetzt die Eingangsspannung an den Verbindungspunkt der Emittervorwiderstände angelegt wird, dann erfolgt eine gegensinnige Aussteuerung der beiden Transistoren. Der Strom durch den einen Emittervorwiderstand wächst und der Strom durch den anderen Emittervorwiderstand sinkt, und entsprechend ändert sich der Spannungsabfall an den Emittervorwiderständen, so daß der Verbindungspunkt der Emittervorwiderstände dem Potential der zweiten Eingangsklemme folgt. Da die Transistoren eine hohe Stromverstärkung haben, kann die zum Aussteuern der Transistoren erforder-

809 559/351

3 4

liehe Spannung praktisch vernachlässigt werden, so Fl g. 4 zeigt eine Abwandlung der Anordnung Von

daß die Änderung der au den Emittervöfwiderstanden Fig. 3, bei welcher def Nullpunkt an einem Ende

abfallenden Spannungen und der dort hindurch- des Potentiometers liegt;

fließenden Ströme ein genaues Abbild der Eingangs- F i g. 5 zeigt eine Anordnung nach Art von F i g. 3,

spannung sind. In dem zu dem Verbindungspunkt s bei welcher die Speisespannung des Potentiometers

geführten gemeinsamen Teil der Emitter-Kollektor- und die BasisVorspanhüng stabilisiert sind;

Kreise der beiden Transistoren muß dann ein Strom F i g. 6 zeigt eine Abwandlung der Anordnung

fließen, welcher nach Größe und Vorzeichen der von F i g. 5;

Differenz der in den Emittervorwiderständen fließen- Fig,7 zeigt ©ine Anordnung ähnlich Fig. 4 mit

den Ströme genau proportional ist. Bei Verwendung io durch Zenerdioden stabilisierten Spannungen,

einer von den Kollektorkreisspannungen galvanisch In Fig. 1 sind mit T₁ und T₂ zwei komplementäre

getrennten Hilfsspannungsquelle zur Erzeugung der Transistoren bezeichnet. Einer ist ein PNP-Transistor

Basisvorspannungen tritt der überraschende Effekt und der andere ein NPN-Transistor. Die Transistoren

auf, daß der Ausgangsstrom »eingeprägt«, d. h. in T₁., T₂ haben Emittervorwiderstände 10 bzw. 12,

weiten Grenzen — etwa zwischen fast 0 und 15 Diese Transistorvorwiderstände 10,12 sind im Punkt

100 Ohm — von der Größe des Verbraucherwider- 14 miteinander verbunden. Zwischen den Kollek-

standes unabhängig ist, Das ist bei den erwähnten toren der Transistoren liegt eine GieiehStföül-Speise-

vorbekannten Gegentaktschaltungen nicht der Fall späünungsquelle mit einer Mittenäfl2äpfüng 16» In

und läßt sich dort auch nicht erreichen. Die Ursache Fig. 1 ist die Speisespannungsqüelle durch zwei

der Lastunabhängigkeit der erfindungsgemäßen Schal- 20 Batterien 18, 20 dargestellt, die bei 16 in Reihe ge-

tung liegt darin, daß Transistoren ihrer Natur nach schaltet sind. Auf dies'© Weise liegen an den Trän-

»Pentodencharakter« haben. Der nach Maßgabe des sistören T₁, T% Spannungen entgegengesetzter Polafl·-

Basisstromes ausgesteuerte Kollektorstrom ist so gut fäf, bezogen auf die »Mitteflaäzapfüng« 16,· an, Zwi-

wie unabhängig von der am Kollektor liegenden sehen den Punkten 14 lind 16 liegt ein Verbraucher

Spannung. 25 22 ünd/ödef ein Instrument 24.

Wenn man dafür sorgt, daß die Verteilung der I_n ähnlicher Weise ist eiüe Späünuügsqüelle mit

Kollektorspannungen nicht durch gegenkoppelnde einer Mitteüänzapfüng 26 Vorgesehen,- die zwischen

Widerstände der Schaltung auf die Basisvorspannun- den Basen der Transistoren T^ T₂ liegt. In Fig. 1

gen nachwirken kann, so bleibt diese Konstantstrom- ist diese Spannungsquelle durch zwei Batterien 28,

eigenschaft des Transistors erhalten. Diese Rück- 30 30 dargestellt, die bei 26 iü Reihe geschaltet sind, so

wirkung wird erfindungsgemäß durch Vorspannen daß _an defl BaSen der beiden Transistor en T₁ und T₂-

der Basen mittels einer von der Versorgungsspannung Spannungen entgegengesetzter Polarität,, bezögen auf

galvanisch getrennten gesonderten Stromquelle ver- den Punkt 26, anliegen.

mieden. Die Schaltung ist weitgehend unabhängig Def Pumcl 26 ist fnit einer öiSMö BingäögSklefiiäig

von den Eigenschaften der Transistoren und den ₃₅ 32 einer Eiägängsspännung U verbünden.- Die zweite

Speisespannungen, da eine sehr starke Gegenkopp- ElügangskletHine 34 der Em'gäügsSpäünung ist rflit

lung erfolgt. Dementsprechend ist die erreichbare dem Püüktl4 Verbünden.

^Spannungsverstärkung höchstens eins. Es handelt Wenn die EingängsSpännüng null ist,- däün hat

sicfihalso nur um einen Impedanzwandler. msä Vollständig Symmetrische Verhältnisse.· Da die

Im Gegensatz zu dem vorbekannten obenerwähn- 40 Tiäfisistoren Z^ und T₂ zueinander komplementäre

ten Gegentakt-B-Verstärker arbeitet die Schaltung Typen sindj Werden sie von den gegenpöligeü BaSiS-

nach der Erfindung mit Komplementärtransistoren spannungen iü gleicher Weise ausgesteuert. Die durch

(PNP und NPN), führt Eingangsstrom und Eingangs- die EmitteirvöfWidersiäüde 10, 12 fließenden Ströme

spannung gleichphasig an die Basen, schaltet den sind gleich* wobei der eine Strom zum Punkt 14 MH-

Ausgangsverbraucher nicht an die Kollekforelek- 45 und der ändere Von Punkt 14 weggeriehtet ist, Deffl-

troden, sondern schließt diesen zwischen dem Fuß- gemäß fließt keift Ström in dem Voüt Verbraucher

punktvon zwei Kollektorgleichspannungsquellen und 22 gebildeten gemeinsänteö Teil der" Effiitter-KöHek-

der Mitte der Emittervorwiderstände an. Außerdem tor-Kreise der Transistoren T₁, T₂.

sind bei der Erfindung die Basisgleichspannungen, Wenn äff die Klemmen 32, 34 eine Ekgäfigsspan-

welche das Köllektorpaar öffnen, stroffimäßig in kei- 50 mffig Ü_e gelegt Wird, Sö Werden die Transistoren T₁

ner Weise mit den beiden Kollektor-Emitter-Kreisen und T_ä gegensiüüig angesteuert. Def Strom, z. B.

gekoppelt. durch deß Widerstand IO wird geringer; und der

Die Von def Veisorgüngsäpännüng galvanisch ge- stfötii durch den Widerstand 12 Wird Stärker, und

trennte HilfsspannUng kann gegebenenfalls in zwei- ζ^_{3Γ so}\ daß Sieh das Potential des Punktes' 14 ent-

fäehef Weise ausgecuM werden. Es kann nämlich 55 sprechend der Mngängsspanäüng U_e verschiebt.

m eine* zuf Erzeugung der Bäsisvorspannung die- ^a_0n i_St die Spannung an der Bäsis-EMtter-Strecke

nenden Gleichstromquelle ein Geberpotentiometer des Transistors wieder irrt wesentlichen null, Wegen

äidiegeny das not seinem Abgriff an dem besagten der hohm Stromverstärkung des Transistors von bei-

Verbindungspunkt anliegt. spielsweise 100 sind der Bäsis-Emitter-Ström und die

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind 60 Spannung an def Basis-Effiittef-Strecke praktisch zu

ift de« Zeichnungen dargestellt und im folgenden vefüachlägSigen, Die Änderungen de§ SpännUngs-

bescfefieben, äbfälles äö deü Widerständen 10, 12 sind daher ein

Fig, 1 zeigt das Prinzip der erfindungsgemäßen getreues Abbild der Eingangsspannung U. Weüö nun

Schaltung; der Siforn dufcb den Widerstand 10 Meiner und der

Fig,2 z-eigt eine Schaltung mit Netzteil? 65 dutch den Widerstand 12 großer wird, dann muß

F ί g. 3 zeigt eine Schaltung, bei welcher die Ein- ein der Differenz entsprechende* Strom / übef. den

gäögsspäünuflg an einem Potentiometer abgegriffen Verbraucher 22 ond das Instrument 24 fließe», Di©-

id ser Strom ist proportional der angelegten Spannung

U₆ und — in den Grenzen der Schaltelemente — unabhängig von dem Widerstand R des Verbrauchers 22 oder Instrument 24,

T __

Ue Re

(R_e = Größe des Emittervorwiderstandes).

Die Spannung zwischen den Kollektoren der Transistoren T₁ und T₂ wird man mindestens zu

wählen.

Die Spannung U₂ zwischen den Basen der Transistoren T₁, T₂ wählt man mindestens zu

"2 ⁼ '■max ' **-e?

wobei I_max der maximale zu erwartende eingeprägte Strom ist.

Es muß ja stets noch eine die Transistoren off- ao nende Spannung an den Basen anliegen, und der Spannungsabfall am Verbraucher kann nicht größer werden als die am Emitter-Kollektor-Kreis überhaupt anliegende Spannung.

F i g. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung einschließlich einer konkreten Ausführung des Netzteiles. In der Schaltung sind die Typen und die Bemessung der Schaltelemente angegeben. Gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet wie in F i g. 2.

Das Netzteil 35 enthält einen Netztransformator 36 mit einer Primärwicklung 38 und einer ersten Sekundärwicklung 40 sowie einer zweiten Sekundärwicklung 42. Die Wicklung 40 hat eine Mittenanzapfung 44, so daß sich zwei Wicklungshälften ergeben. Die daran abgegriffenen Spannungen werden durch Gleichrichter 46, 48 gleichgerichtet und laden Kondensatoren 50, 52 auf, die somit an der Mittenanzapfung 44 miteinander verbunden sind. Die Anzapfung 44 entspricht dem Punkt 16 von F i g. 1. An den Kondensatoren 50, 52 werden die Speisegleichspannungen der Transistoren T₁, T₂ abgenommen.

An der Wicklung 42 liegt ebenfalls über einen Gleichrichter 54 ein Kondensator 56. Parallel zu dem Kondensator 56 liegen zwei Widerstände 58, 60, zwisehen denen eine dem Punkt 26 entsprechende Mittenanzapfung 62 gebildet wird. An dieser liegt die erste Eingangsklemme für die Eingangsspannung.

Da die Anordnung weitgehend unempfindlich gegen Netzspannungsschwankungen od. dgl. ist, kommt man, wie beschrieben, mit einem sehr einfachen Netzteil aus.

Bei der Anordnung nach F i g. 3 werden die Funktion der Widerstände 58,60 zur Bildung der virtuellen Mittenanzapfung 62 und die Funktion eines Geberpotentiometers für die Eingangsspannung miteinander vereinigt. Parallel zu dem Kondensator 56 liegt ein Potentiometer 64 mit vor- und nachgeschalteten Festwiderständen 66 und 68. Wenn der mit dem Punkt 14 verbundene Potentiometerschleifer 70 sich in seiner Mittellage befindet, dann hat man die Verhältnisse wie in F i g. 2 mit einer Eingangsspannung null. Einer Verschiebung des Potentiometerschleifers 70 aus dieser Mittellage heraus entspricht dem Anlegen einer entsprechenden Eingangsspannung. Die »erste Eingangsklemme« im Sinne der Erfindung ist die Mitte des Potentiometers 64, die »zweite Eingangsklemme« ist der Abgriff 70.

Gemäß Fig, 4 kann die Anordnung aber auch so getroffen werden* daß der Potentiometerschleifer 72 im abgeglichenen Zustand an einem Ende des Potentiometers 74 steht. Das ist sinnvoll, wenn nur Eingangsspannungen einer Polarität auftreten und man dann natürlich den gesamten Stellweg des Potentiometerschieifers 72 ausnutzen will. Zu diesem Zweck ist dem Potentiometer 74 ein Widerstand 76 vor- und ein Widerstand 78 naehgeschaltet, und der die Größe des Widerstandes 76 plus dem Widerstand des Potentiometers 74 ist gleich der Größe des Widerstandes 78.

Wenn man entsprechend F i g. 3 und 4 das Geberpotentiometer 64 bzw. 74 unmittelbar auch zur Bildung der Mittenanzapfung 26 heranzieht, dann ist es sinnvoll, die Spannung vom Kondensator 56 zu stabilisieren. Das geschieht gemäß Fig. 5 mittels einer Zenerdiode 80 und eines Stabilisierungswiderstandes 82. Die Zenerdiode 80 liegt parallel zu dem Potentiometer 64 mit den vor- urid nachgeschalteten Widerständen 66 und 68.

Statt einer einzelnen Zenerdiode parallel zu der ganzen Widerstandsanordnung kann man auch das Potentiometer 64 mit einer Mittenanzapfung 84 versehen, die dem Punkt 26 entspricht, und zwei Zenerdioden 86 und 88 parallel zu je einer Hälfte des Potentiometers 64 und einer der Serienwiderstände 66 bzw. 68 vorsehen.

F i g. 7 zeigt eine Anordnung mit einem Potentiometer 90, dessen Schleifer in der Ausgangsstellung sich am unteren Ende des Potentiometers befindet. Mit 92 ist ein Vorwiderstand bezeichnet. Das Potentiometer 90 mit dem Widerstand 92 entspricht dem Potentiometer74 und Widerstand76 von Fig. 4. Eine Zenerdiode 94 stabilisiert die daran anliegende Spannung. Ein dem Widerstand 78 entsprechender Widerstand kann entfallen. Dafür wird eine entsprechende Spannung an einer zweiten Zenerdiode 96 gehalten.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Mit Transistoren aufgebauter Gleichstrom-Impedanzwandler zur Erzeugung eines eingeprägten Stromes proportional zu einer Eingangsspannung, gekennzeichnet durch die Kombination der nachstehenden, jedes für sich bekannten Merkmale:

a) Zwei komplementäre, an ihren Basen gegenüber einer ersten Eingangsklemme (32) gegensinnig vorgespannte Transistoren (T₁, T₂) sind mit ihren Emittern über Emitterwiderstände (10,12) miteinander verbunden,

■ die Eingangsspannung (U _e) liegt mit einer zweiten Eingangsklemme (34) an dem Verbindungspunkt (14) der Emitterwiderstände (10, 12) an, und ein Verbraucher (22) ist in einen zu dem Verbindungspunkt (14) geführten gemeinsamen Teil der Emitter-Kollektor-Kreise der beiden Transistoren (T₁, T₂) einschaltbar;

b) zur Erzeugung der Basisvorspannungen sind ein oder mehrere gesonderte, von den Versorgungsspannungen (18, 20; 40) der Transistoren (T₁, T₂) galvanisch getrennte Spannungsquellen (28, 30; 42) vorgesehen.

2. Impedanzwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einer zur Erzeugung der Basisvorspannung dienenden Gleichstromquelle

ein Geberpotentiometer (64) anliegt, das mit seinem Abgriff (70) an dem besagten Verbindungspunkt (14) anliegt.

3. Impedanzwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Spannungsquelle zur Erzeugung der Basisvorspannung eine gesonderte Wicklung (42) eines Netztransformators mit einem Gleichrichter (57) und Glättungskondensator (56) vorgesehen ist, daß dieser Spannungsquelle zwei in Reihe geschaltete Zenerdioden (86, 88) parallel geschaltet sind und daß das Geberpotentiometer (64) parallel zu den Zenerdioden an der Spannungsquelle und mit einer Mittelanzapfung (84) mit dem Verbindungspunkt der Zenerdioden verbunden ist (F i g. 6).

4. Impedanzwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Spanungsquelle zur Erzeugung der Basisvorspannung eine gesonderte

Wicklung eines Netztransformators mit Gleichrichter und Glättungskondensator vorgesehen ist, daß dieser Spannungsquelle zwei in Reihe geschaltete Zenerdioden (94, 96) parallel geschaltet sind und daß das Geberpotentiometer (90) parallel zu einer der Zenerdioden (94) liegt (Fig. 7).

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 1 042 028;

britische Patentschrift Nr. 778 460;

Buch R. F. Shea, »Transistortechnik«, 1960, S. 123;

Zeitschrift »Funk-Technik«, Nr. 6, 1963, März, S. 179;

Zeitschrift »Electronic Industries«, Juni 1961,
S. 163;

Zeitschrift »Radio & Television News«, 1956,
Februar, S. 40.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 559/351 5.68 © Bimdesdruckerei Berlin