-
Transistorschaltung zur Überwachung von Gleichspannungen und Spannungswächter
unter Verwendung dieser Schaltung Die Erfindung bezieht sich auf eine Transistorschaltung
zur Überwachung von Gleichspannungen auf Spannungsabweichungen, die eine vorgegebene
Toleranzgrenze überschreiten, bestehend aus zwei Transistoren gleichen Leitfähigkeitstyps,
deren Kollektor-Emitter-Strecken in Reihe geschaltet an der Versorgungsspannung
liegen. Solche Anordnungen können dazu verwendet werden, um anzuzeigen, wenn ein
beliebiger physikalischer Wert, der sich in an sich bekannter Weise in einen elektrischen
Analogwert umwandeln läßt, vorgegebene Toleranzgrenzen über- bzw. unterschreitet.
-
Für diese Aufgabe ist eine Reihe von Relaisanordnungen bereits bekannt,
die jedoch, wenn sie eine hohe Empfindlichkeit aufweisen, meist nicht hinreichend
zuverlässig und unempfindlich gegenüber den Umwelteinflüssen sind. Beim Erfindungsgegenstand
sind die entscheidenden Teile rein elektrisch, so daß hier Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit
vereint sind.
-
Solche elektronischen Anordnungen könnten nun mittels der bekannten
Begrenzer- oder Triggerschaltungen verwirklicht werden, wie sie z. B. in dem Buch
von Meinke und Gundlach, »Taschenbuch der Hochfrequenztechnik«, Springer, 1962,
auf den Seiten 1193 bis 1201 beschrieben werden. Den Begrenzerschaltungen
müßten geeignete Auswertemittel nachgeschaltet werden, während die Triggerschaltungen
nur zwei Zustände, oberhalb bzw. unterhalb einer vorgegebenen Grenze anzeigen.
-
Nicht ohne weiteres möglich ist hiermit eine Überwachungsschaltung
aufzubauen, die sowohl das Überwie das Unterschreiten eines bestimmten Bereichs
meldet. So ist z. B. aus der Druckschrift der Firma Siemens & Halske, »Halbleiter-Schaltbeispiele«,
Ausgabe April 1962, ein Spannungswächter auf den Seiten 51 und 52 beschrieben, der
zum Schalten einer Transistorschalteinrichtung bei einem vorgegebenen Sollwert eine
Zenerdiode verwendet, die unterhalb des Sollwertes sperrt und darüber leitend wird.
-
Die Erfindung setzt sich zur Aufgabe, eine Transistorschaltung zur
Überwachung von Gleichspannungen anzugehen, also eine Schaltung, die nur einen bestimmten
Bereich durchläßt und bei Einsatz zu Überwachungszwecken sowohl das Überschreiten
einer oberen Grenze wie auch das Unterschreiten einer unteren Grenze signalisiert.
-
Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird eine Transistorschaltung, bestehend
aus zwei Transistoren gleichen Leitfähigkeitstyps, deren Kollektor-Emitter-Strecken
in Reihe geschaltet an der Versorgungsspannung liegen, eingesetzt und die gestellte
Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß die zu überwachende
Gleichspannung der Basis des ersten Transistors als Basisspannung B 1 zugeführt
wird, daß der Emitter dieses Transistors durch eine Gleichspannung E1 sowie die
Basis des zweiten in Reihe liegenden Transistors durch eine Gleichspannung B 2 so
vorgespannt werden, daß der erste Transistor erst leitend wird, wenn die Basisspannung
den Betrag der Emittervorspannung überschreitet, daß dagegen der zweite Transistor
gesperrt wird, wenn das mit dem durch die Basisspannung B 1 gesteuerten Kollektorpotential
des ersten Transistors wertgleiche Emitterpotential des zweiten Transistors die
Basisvorspannung B 2 des zweiten Transistors überschreitet, daß ferner im Kollektorkreis
des zweiten Transistors ein Überwachungsglied angeordnet ist.
-
Aus der deutschen Auslegeschrift 1051916 ist nun zwar eine als zweiseitiger
Amplitudenbegrenzer für Wechselspannungen dienende Transistorschaltung bekannt,
die aus zwei Transistoren gleichen Leitfähigkeitstyps, deren Emitter-Kollektor-Strecken
in Reihe geschaltet an der Versorgungsspannung liegen, besteht. Bei dieser Transistorschaltung
sind aber nie beide Transistoren gleichzeitig leitend, vielmehr wird jeweils einer
der Transistoren in Abhängigkeit von der Polarität der Eingangsspannung leitend,
wenn deren Amplitude einen vorgegebenen Betrag überschreitet. Aus dieser Begrenzerschaltung
können keine Lehren für die Ausbildung obiger erfindungsgemäßer Transistorschaltung
zur Überwachung von Gleichspannungen entnommen werden.
Eine weitere
Fortbildung der erfindungsgemäßen Transistorschaltung zur Überwachung von Gleichspannungen
bezieht sich auf ihre Verwendung als Spannungswächter für Versorgungsgleichspannungen.
Gemäß der Erfindung wird dieses dadurch erreicht, daß die zu überwachende Versorgungsgleichspannung
selbst auch als Versorgungsspannung für die Transistorschaltung verwendet wird,
daß die Vorspannung E1 des Emitters des ersten Transistors und die Vorspannung B
2 der Basis des zweiten Transistors-mittels eines Spannungsteilers aus der Versorgungsspannung
abgeleitet wird, während die Basis des ersten Transistors eine feste Basisvorspannung
erhält.
-
Die Erfindung soll nun an Hand der Figuren ausführlich beschrieben
werden. Es zeigt F i g.1 das Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Transistorschaltung;
F i g. 2 zeigt die Abhängigkeit des Ausgangskollektorstromes von der Steuerspannung;
F i g. 3 veranschaulicht die Arbeitsweise der Anordnung; F i g. 4 zeigt als Beispiel
einen Spannungswächter und F i g. 5 dessen Arbeitsweise.
-
In der folgenden Beschreibung und in den Figuren sind die angeführten
Schaltungsbeispiele mit Transistoren des pnp-Typs ausgelegt. Völlig gleichwertig
können diese auch mit solchen des npn-Typs aufgebaut werden. Der Schaltungsaufbau
der Fig.1 ähnelt dem zweier galvanisch gekoppelter Transistorstufen, jedoch ist
ihre Arbeitsweise gegenüber einem solchen Verstärker verschieden.
-
Der Ausgangsstrom eines solchen Verstärkers ist proportional der Amplitude
der Eingangsspannung, die Elektrodengleichspannungspotentiale der Elektroden bleiben
während der Ansteuerung unverändert. Die Abhängigkeit des Ausgangsstromes von dem
Pegel des Eingangssignals ist für den Erfindungsgegenstand in F i g. 2 dargestellt.
Solange der Eingangspegel den Wert P1 nicht erreicht und wenn er den Wert P2 überschreitet,
ist der Ausgangsstrom gleich Null.
-
Für Eingangspegel zwischen diesen beiden Werten P1 und P2 fließt ein
Ausgangsstrom, der im wesentlichen unabhängig von der Größe des Eingangspegelwertes
ist.
-
Das Eingangssignal liegt mit in der F i g. 1 dargestellter Polarität
an den Klemmen 1 und 2. Der Lastkreis, z. B. eine Relaiswicklung, ist durch den
Widerstand 3, der im Kollektorkreis des Transistors T 2 liegt, dargestellt. Wenn
die Basis B 1 des Transistors T1 negativ gegenüber seinem Emitter E1 und sein Kollektor
negativ gegenüber B 1 ist, fließt ein Strom in der Emitter-Kollektor-Strecke des
Transistors. Wenn außerdem die Basis B 2 des Transistors T 2
negativ
gegenüber seinem EmitterE2 und sein Kollektor negativ gegenüber seiner Basis B 2
ist, fließt ein Strom auch durch diesen Transistor und damit auch durch den Lastwiderstand
3.
-
Wenn nun die Potentiale an den entsprechenden Elektroden auch mit
E 1, B 1 und B 2 bezeichnet werden, fließt durch den Lastwiderstand
3 ein Strom, wenn E1>B1>B2 ist, worin »größer als« mit »positiver als« gleichzusetzen
ist.
-
In den Emitterkreis des Transistors T1 ist- noch ein Widerstand R
eingeschaltet. Ohne diesen Widerstand R würde, da der Widerstand der Basis-Emitter-Diode,
wenn die Basis gegenüber dem Emitter negativ vorgespannt, der Transistor also stromführend
ist, klein wird, der Basisstrom sehr groß werden und könnte das Steuerpotential
Bi beeinflussen. Durch den Widerstand R wird dieses verhindert.
-
Wenn nun das Eingangssignal eine derartige Amplitude aufweist, daß
die Basis B 1 negativ gegenüber der Basis B 2 wird, bleibt zwar der Transistor
T 1
durchgeschaltet, jedoch wird der Transistor T2 gesperrt, weil dann dessen
Basis B 2 eine positive Vorspannung gegenüber dem Emitter führt.
-
Die Lage der Potentiale der Punkte B 1, B 2 und E1 gegeneinander sind
nun in F i g. 3 für drei Werte a, b und c des Eingangssignals graphisch dargestellt.
Hierbei sollen die Potentiale der Punkte B 2 und E1 fest sein und jeweils gleichbleiben.
Das Potential des Punktes B 1 entspricht jeweils der Höhe des Eingangssignals. Der
in F i g. 3 unter a dargestellte Potentialfall entspricht einem Eingangspegel unterhalb
des Punktes P 1 der F i g. 2, der unter b einem Eingangspegel zwischen P1 und P2
sowie der unter c einem Eingangspegel oberhalb von P2. Die F i g. 3 zeigt, daß die
erfindungsgemäße Transistorschaltung leitend wird, wenn sich die E1- und B1-Geraden
schneiden, und daß er ab dem Schnittpunkt der B l- und B2-Geraden wieder gesperrt
ist. Es ist also ersichtlich, daß die Lage der Grenzpunkte P1 und P2 gleich ist
den Potentialen E1 und B 2, so daß die Lage dieser Grenzpunkte durch Wahl der Potentialwerte
für E 1 und B 2 auf vorgegebene Werte festgelegt werden kann.
-
Der begrenzte Ausgangsstromverlauf der erfindungsgemäßen Transistorschaltung,
wie er aus F i g. 2 zu ersehen ist, ergibt sich folgendermaßen. Das Basispotential
B 2 des Transistors ist fest. Der Kollektorstrom dieses Transistors ist angenähert
gleich seinem Emitterstrom, solange der Spannungsabfall am Widerstand 3 kleiner
ist als die Spannung M zwischen Basis und Kollektor des Transistors, also der Kollektor
negativ gegenüber der Basis ist. Bei weiterem Anwachsen des Emitterstromes kann
der Kollektorstrom nicht weiter anwachsen, und der überschüssige Emitterstrom fließt
über die Basis des Transistors T2. Der Transistor ist also gesättigt. Entsprechend
kann auch die Basis des Transistors T1 mit einer Festspannung beaufschlagt werden,
wobei die zu überwachende Amplitude als Versorgungsspannung selbst eingesetzt wird
und die übrigen Elektroden mit vorgegebenen Teilen dieser Spannung beaufschlagt
werden. Für diese Arbeitsweise ist als Beispiel in F i g. 4 ein Spannungswächter
für die Versorgungsspannung - V dargestellt.
-
Das Potential der Basis B 1 des Transistors T 1
wird
hier unabhängig von den Schwankungen der Versorgungsspannung -Y in an sich bekannter
Weise festgehalten durch einen Spannungsteiler aus einem Widerstand 4 und einer
Zenerdiode 5. Die zu überwachende Amplitude ist in diesem Fall die Höhe der Versorgungsspannung
selbst. Von ihr direkt proportional abhängige Teilbeträge liegen an den Elektroden
B2 und El über einen Spannungsteiler aus den Widerständen 6, 7 und B. Ein dritter
Transistor ist eingesetzt, um die Wicklung eines verhältnismäßig unempfindlichen
Alarmrelais zu steuern. Um die Stromversorgung zu vereinfachen, weist dieser Transistor
gegenüber T 2 den komplementären Leitfähig, keitstyp auf. Durch einen Spannungsteiler
aus den
Widerständen 12 und 13 erhält der Emitter des Transistors
T3 eine Vorspannung. In dem Kollektorkreis des Transistors T2 liegen die Widerstände
10 und 11, wobei der Widerstand 10 so bemessen ist, daß die an ihm abfallende Spannung
nicht größer wird als die Emittervorspannung des Transistors T3, wenn der Transistor
T 1 gesperrt ist. Der Wert des Widerstandes 11 wird so gewählt, daß, wenn sowohl
der Transistor T 1 wie auch der Transistor T 2 leitend ist, ein hinreichender
Strom fließt, um durch den Spannungsabfall am Widerstand 10 jetzt den Transistor
T3 durchzuschalten und so über die Wicklung 14 des Relais ansprechen zu lassen.
-
Der Widerstandswert für die Widerstände 6, 7 und 8 wird so gewählt,
daß der sie durchfließende Strom groß ist gegenüber dem Maximalwert des Stromes
durch den Widerstand 9. Hierdurch sind die Potentiale der Elektroden E1 und E2 praktisch
unabhängig von dem Stromfluß durch den Widerstand 9. Mittels des einstellbaren Widerstandes
6 kann die Lage des Punktes P1, also die untere Toleranzgrenze der zu überwachenden
Amplitude, festgelegt werden. Der Wert des Widerstandes 2 bestimmt den Abstand der
Punkte P1 und P2, also den »Gut«-Bereich für die zu überwachende Amplitude.
-
Mit zunehmendem negativen Potential der Basis des Transistors 1 gegenüber
dem Emitter wächst der Basisstrom an und könnte hohe Werte annehmen, d. h. also,
der Widerstand der Basis-Emitter-Diode wird gering. Da Widerstand 4 einen verhältnismäßig
geringen Ohmwert aufweist, würde der Zenerdiode 5 die Reihenschaltung dieses geringen
Widerstandes der Basis-Ernitter-Diode mit dem Widerstand 8 parallel liegen, so daß
an dieser Diode die Zenerspannung unterschritten würde. Durch den Widerstand 9 wird
nun dieses verhindert, indem durch ihn der Basis-Emitter-Strom des Transistors T1
begrenzt wird.
-
Die Arbeitsweise der Transistoren T 1 und T 2 in der
Anordnung gemäß der F i g. 4 ist in F i g. 5 versinnbildlicht. Es ist hier die Lage
der Potentiale der Elektroden EI, B 1 und B 2 für drei
verschiedene Versorgungsspannungen a = -19 V, b = -20 V und c = - 21 V dargestellt.
5 (b) zeigt die Verhältnisse beim Sollwert, 5 (a) die bei Unterspannung und 5 (c)
bei Überspannung. Der Potentialwert für B 1 ist festgehalten, und die Potentiale
für E 1 und B 2 ändern sich in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung. Auch hier
fließt im Lastwiderstand 10
Strom entsprechend der F i g. 3, wenn
EI >B1>B2. Der Stromfluß ist gesperrt, wenn E1>B2>B1 oder B1>El>B2
ist, worin »größer als« wiederum für Transistoren des pnp-Typs mit »positiver als«,
für solche des npn-Typs dagegen mit »negativer als« gleichzusetzen ist.