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Verstärkeranordnung mit fotoelektrischen Koppelelementen Die Erfindung
bezieht sich auf Verstärkeranordnungen mit fotoelektrischen Koppelelementen, insbesondere
auf Meßverstärker.
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Verstärkeranordnungen werden heutzutage meistens aus dem Wechselstromnetz
gespeist. Schon aus Gründen des Berührungsschutzes sind sie deshalb einpolig an
Masse gelegt. Soll an ihren Eingang nun eine Signalquelle angelegt werden, die nicht
ebenfalls einpolig mit Masse verbunden ist bzw. bei der eine solche durch den angeschlossenen
Verstärker erfolgende Verbindung nicht zulässig ist, so muß eine galvanische Trennung
zwischen dem Verstärkereingang und dem Signalquellenausgang erfolgen. Ein hierfür
übliches Mittel ist ein Trennübertrager, der sich aber nur einsetzen läßt, wenn
das Signal ein reines Wechselstromsignal ist, also keine Gleichstromkomponente aufweist.
Aber auch bei über einen weiten Frequenzbereich sich erstreckenden Signalen macht
die Auslegung eines solchen Trennübertragers Schwierigkeiten. Eine gewisse, besonders
bei hohen Frequenzen störende Kapazität zwischen Primär- und Sekundärwicklung läßt
sich ebensowenig vermeiden wie ein Spannungsabfall bei tiefen Frequenzen und das
Auftreten einer Streuresonanz bei hohen. Hinzu kommt noch, daß der Trennübertrager
zwischen Primärwicklung einerseits und Sekundärwicklung und Kern andererseits eine
hinreichend hohe Spannungsfestigkeit aufweisen rnuß.
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Die deutsche Patentschrift 284 314 beschreibt nun ein Fernsprechvermittlungssystem,
bei dem die übertragung der Sprach- und Rufsignale von der anrufenden auf die gerufene
Teilnehmerleitung durch ein fotoelektrisches Koppelelement, bestehend aus einer
in ihrer Helligkeit durch die Signalwechselströme gesteuerten Glühlampe und einer
Selenzelle als gesteuertem Widerstand, erfolgt. Die Wärmeträgheit des Fadens einer
solchen Lampe erlaubt selbst bei Einsatz von Speziallampen nur die verzerrungsfreie
übertragung tiefer Frequenzen. Während infolge der Wärmeträgheit einer Glühlampe
das vorher beschriebene fotoelektrische Koppelelement unter bewußter Benutzung der
hierdurch bedingten Integrationswirkung wohl nur Verwendung in Schaltungen zur Dynamikkompression
bzw. Expansion gefunden hat (Funkschau, 1962, H. 5, S. 116), beschreibt die deutsche
Patentschrift 700 878 ein solches Koppelelement, dessen sendende Lichtquelle aus
einem durch Kathodenstrahlen angeregten Leuchtschirm besteht und so mindestens für
den ganzen Tonfrequenzbereich verwendbar sein dürfte. Nun sind heute sowohl Fotoelemente,
deren obere Grenzfrequenz erheblich höher liegt als die der bisherigen Selen- bzw.
Gas- oder Hochvakuumfotozellen in Form von Fotodioden (deutsche Patentschrift 891580)
und Fototransistoren, wie auch entsprechende Lichtquellen in Form von Emissionsdioden
(Elektronik, Jg.14 (1965), H. 6, S. 161... 166) bekannt und bereits zu fotoelektrischen
Koppelelementen vereinigt worden. Ein solches fotoelektrisches Koppelelement besteht
also aus einer Emissionsdiode, z. B. Gallium-Arsenid-Diode, deren emittiertes Licht
mittels einer Glasfaseroptik auf die zugeordnete Fotodiode bzw. Fototransistor geleitet
wird. Die deutsche Auslegeschrift 1217 463 beschreibt eine Modulationseinrichtung,
die mit solchen fotoelektrischen Koppelelementen bestehend aus Emissionsdiode und
Fotodiode aufgebaut ist.
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Ist nun die Amplitude des zu übertragenden Signals ausreichend groß,
um damit die Emissionsdiode direkt steuern zu können, so lassen sich mit diesen
modernen fotoelektrischen Koppelelementen einfach Verstärkeranordnungen aufbauen,
deren Eingang galvanisch getrennt von der übrigen Verstärkerschaltung ist und die
trotzdem einerseits Frequenzen bis zum Gleichstrom andererseits infolge der zu erzielenden
geringen Kapazität zwischen Emissionsdiode und Fotodiode auch hohe Frequenzen übertragen
können, wobei die obere übertragungsfrequenzgrenze allein durch die obere Grenzfrequenz
des verwendeten fotoelektrischen Koppelelementes bestimmt wird. Anders liegt nun
allerdings der Fall, wenn die Amplitude des Eingangssignals nicht ausreicht, um
mit dem Signal die Emissionsdiode direkt ansteuern zu können. In diesem Falle müssen
Vorverstärker eingesetzt werden, die eine getrennte Stromversorgung benötigen. Besteht
diese Stromversorgung aus Trockenbatterien, so läßt sich, abgesehen von deren Abmaßen
und Gewicht, zwar eine hinreichend kleine Kapazität zwischen Vorverstärker und Hauptverstärker
erzielen, jedoch erfordert eine solche Anordnung infolge der
begrenzten
Lebensdauer der Trockenbatterien eine ständige Wartung. Bei galvanisch getrennter
Stromversorgung aus dem Netz läßt sich aber eine hinreichend kleine Kapazität infolge
der verwendeten Netztransformatoren nicht mehr erzielen. Ein ähnliches Problem tritt
dann auf, wenn der Vorverstärker abhängig vom Hauptverstärker im Sinn einer Gegenkopplung
oder Verstärkung- oder sonstigen Regelung beeinflußt werden soll.
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Die Erfindung setzt sich nun zur Aufgabe für den Fall, daß das Eingangssignal
kleine Amplituden aufweist, die nicht mehr zur Aussteuerung einer Emissionsdiode
ausreichen, eine Schaltung anzugeben, die trotzdem den Vorteil eines Einsatzes von
fotoelektrischen Koppelelementen auszunutzen gestattet, der in einer galvanischen
Trennung zwischen Signalquelle und Verstärker bei sehr geringen Koppelkapazitäten
besteht, auch wenn sich das Eingangssignal über einen weiten, eventuell sogar eine
Gleichstromkomponente enthaltenden Frequenzbereich erstreckt.
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Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß
die Verstärkeranordnung in einen Endverstärker und einen oder mehrere mit dem Endverstärkereingang
über fotoelektrische Koppelelemente verbundene Vorverstärker, an deren Eingang bzw.
Eingängen das bzw. die Eingangssignale anliegen, aufgeteilt ist, daß ferner die
Stromversorgung des bzw. der Vorverstärker durch je eine fotoelektrische Batterie,
die von einer aus dem Stromversorgungsteil des Endverstärkers gespeisten Lichtquelle
angeregt wird, bei Bedarf nach Stabilisierung der von ihr abgegebenen Spannung erfolgt.
In weiterer Fortbildung der Erfindung erfolgt die übertragung von vom Endverstärker
abgeleiteten, zur Spannungs- und/oder Stromgegenkopplung und/oder Verstärkungsregelung
dienenden Signalen auf den bzw. die Vorverstärker mittels weiterer fotoelektrischer
Koppelelemente.
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Die Erfindung soll nun an Hand der Figur eingehend beschrieben werden.
Diese zeigt dabei eine nach den Prinzipien der Erfindung aufgebaute Verstärkeranordnung.
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Bei der in der Figur dargestellten erfindungsgemäßen Verstärkeranordnung
ist 2 ein Vorverstärker mit dem Eingang 1 und dem Ausgang 3. Der Endverstärker 5
weist den Eingang 4 und den Ausgang 6 auf. Der Ausgang 3 des Vorverstärkers 2 ist
mit dem Eingang 4 des Endverstärkers 5 über ein fotoelektrisches Koppelelement 11
verbunden, das z. B. aus einer Gallium-Arsenid-Emissionsdiode 21 und einem Fotoelement
31, wie Fotodiode oder Fototransistor, bestehen kann, wobei das von der Emissionsdiode
21 emittierte durch das vom Vorverstärker 2 verstärkte Eingangssignal modulierte
Licht z. B. mittels einer Glasfaseroptik praktisch vollständig auf das Fotoelement
übertragen wird. Als Fotoelement 31 können dabei sowohl solche Typen eingesetzt
werden, die selbst an ihren Ausgangsklemmen ein der jeweiligen Beleuchtungsstärke
proportionales elektrisches Signal (Strom- oder Spannung) abgeben (als Fotozellen
bekannte aktive Fotoelemente) wie auch solche, bei denen durch die Intensität der
Bestrahlung im wesentlichen nur eine Änderung ihres Innenwiderstandes erzielt, also
noch eine äußere Versorgungsstromquelle benötigt wird (als Fotodioden und Fototransistoren
bekannte passive Fotoelemente). Ein bekannter, wenn auch für den vorliegenden Verwendungsfall
meistens zu träger Vertreter der ersten Gruppe ist auch die Selenzelle, der zweiten
Gruppe die Gas- oder Vakuumfotozelle. Da sich insbesonders bei Einsatz einer Glasfaseroptik
zwischen steuernder Lichtquelle (z. B. Emissionsdiode) und Fotoelement die gegenseitigen
Kapazitäten sowie auch unerwünschte Kapazitäten gegen Erde sehr klein halten lassen,
arbeitet ein solches fotoelektrisches Koppelelement 11 völlig rückwirkungsfrei und
erlaubt so eine völlige Potentialtrennung zwischen Vorverstärker 2 und Endverstärker
5. Hierbei kann der Frequenzbereich des Eingangssignals sich vom Gleichstrom bis
zu hohen Frequenzen hin erstrecken. Die obere Frequenzgrenze wird dabei allein durch
die obere Grenzfrequenz des fotoelektrischen Koppelelementes 11 bestimmt.
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Ist nun an den Eingang 1 des Vorverstärkers 2 eine erdsymmetrische
Leitung angeschlossen, deren Signaladern gegeneinander zwar nur geringe Störspannungen,
gegenüber Erde dagegen große aufweisen, so ist die durch den Einsatz eines fotoelektrischen
Koppelelementes 11 erzielbare extreme Potentialtrennung zwischen Vor- und Endverstärker
zum Erzielen eines guten Nutz-Störspannungs-Verhältnisses begrüßenswert.
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Schwierigkeiten macht allerdings jetzt die Stromversorgung des Vorverstärkers,
da auch für diese eine mindestens gleichwertige Entkopplung gegenüber dem Erdpotential
erzielt werden muß, um die Vorteile des Einsatzes des fotoelektrischen Koppelelementes
11 zwischen Vorverstärker 2 und Endverstärker 5 ausnutzen zu können. Wie schon in
der Einleitung erwähnt, könnte daran gedacht werden, den Versorgungsstrom des Vorverstärkers
aus Trockenbatterien oder Sammlern zu entnehmen. Die räumlichen Abmessungen und
das Gewicht dieser Stromquellen und die Notwendigkeit ihrer häufigen Erneuerung
bzw. Wartung machen dieses aber wenig wünschenswert. Mit Netzanschlußgeräten läßt
sich die erforderliche Trennung insbesonders für hohe Frequenzen nicht erzielen.
Erfindungsgemäß wird deshalb für die Stromversorgung der Vorverstärker 2 eine fotoelektrische
Batterie 34 eingesetzt. Eine solche fotoelektrische Batterie besteht aus der Reihenschaltung
einer Anzahl aktiver Fotoelemente hinreichender wirksamer Fläche. Solche Anordnungen
sind aus der Raumfahrttechnik als sogenannte »Solarbatterien« bekannt und in den
letzten Jahren zu großer Zuverlässigkeit und gutem Wirkungsgrad entwickelt worden,
um den für die elektrischen Einrichtungen von Satelliten benötigten Versorgungsstrom
aus der Sonnenenergie zu gewinnen.
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Als Lichtquelle 24 dient dabei beispielsweise eine Glühlampe,
die aus dem Netzgerät des Endverstärkers 5 mitgespeist wird. Auch angeregte Leuchtstoffflächen
können hierfür Verwendung finden. Auch hierbei kann durch eine Glasfaseroptik eine
Bündelung des emittierten Lichtes und ein vollständiges überleiten auf die wirksamen
Flächen der Fotoelemente der fotoelektrischen Batterie 34 erfolgen. Zum Erzielen
einer hohen Spannungskonstanz kann dabei der fotoelektrischen Batterie 34 eine bekannte
Spannungsstabilisierungsschaltung wie Zenerdiode oder Regeltransistor mit Referenzdiode
nachgeschaltet werden. Denkbar ist auch die primärseitige Regelung des Speisestromes
der Lichtquelle 24 bzw. ihrer Helligkeit, obwohl hierbei eventuelle Alterungserscheinungen
der
fotoelektrischen Batterie 34 nicht miterfaßt werden würden.
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In vielen Fällen ist bei Verstärkeranordnungen zum Erzielen einer
guten Langzeitkonstanz eine Gegenkopplung über alles, also vom Verstärkerausgang
auf die Eingangsstufen erwünscht. Eine solche Gegenkopplung läßt sich mittels eines
weiteren fotoelektrischen Koppelelementes 12, das z. B. wiederum aus Emissionsdiode
22 und Fotodiode oder Fototransistor 32 bestehen möge und entsprechend dem Koppelelement
11 aufgebaut ist, durchführen. Ebenso läßt sich mittels eines weiteren fotoelektrischen
Koppelelementes 13, das wiederum den Elementen 11. und 12 entspricht,
eine Verstärkungsregelung des Vorverstärkers 2 durchführen. Hierbei bleibt es unerheblich,
ob diese Verstärkungsregelung automatisch, also durch einen der Signalamplitude
am Ausgang 6 des Endverstärkers 5 proportionalen Gleichstrom erfolgt, oder ob die
Regelung von Hand kontinuierlich oder stufenweise dadurch erfolgt, daß mittels eines
nicht dargestellten Potentiometers oder Stufenschalters der Betriebsstrom der Emissionsdiode
23 verändert wird.
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Zum Schluß sollen noch einige Einsatzmöglichkeiten der erfindungsgemäßen
Verstärkeranordnung besprochen werden. Wird z. B. die Eingangsstufe des Endverstärkers
5 als Differentialverstärkerstufe mit den Eingängen 4 und 4' ausgebildet, so können
die beiden in Vorverstärkern 2 und 2' vorverstärkten Einzelsignale diesen Eingängen
4 bzw. 4' mittels fotoelektrischer Koppelelemente 11 bzw. 11' zugeleitet werden,
ohne daß die zwischen den Eingängen 1 und 1' der Vorverstärker 2 und 2' bestehenden
Potentialverhältnisse berücksichtigt werden müssen und sich die zwischen diesen
beiden Eingängen bzw. den an diesen angeschlossenen Leitungen auftretenden Störspannungen
auswirken können. Ähnlich lassen sich auch Verstärkeranordnungen ausbilden, bei
denen die Eingangsstufe des Endverstärkers 5 als Schaltstufe ausgebildet wird, durch
die die Signale zweier oder mehrerer Eingänge 4, 4', 4" usw. an den Verstärker zyklisch
angelegt werden. Die Signale werden dann von Vorverstärkern 2, 2', 2" usw. mittels
fotoelektrischer Koppelelemente 11, 11', 11" usw. auf diese Eingänge gekoppelt.
Eine solche Verstärkeranordnung ist für die Darstellung mehrerer getrennter Vorgänge
mittels eines Einstrahlkathodenstrahloszillografen von Interesse. Um in diesen beiden
beschriebenen Anwendungsfällen eine völlige Entkopplung der Eingänge 1, 1' usw.
zu erzielen, müssen für jeden Vorverstärker 2, 2' usw. getrennte fotoelektrische
Batterien 33, 33' usw. sowie auch getrennte Fotoelemente für Gegenkopplung und Verstärkungsregelung
vorgesehen werden. Während für die Gegenkopplung den Fotoelementen 32, 32' usw.
eine Emissionsdiode 22 und für die Stromversorgung der fotoelektrischen Batterien
34, 34' usw. eine Lichtquelle 24 zugeordnet sein kann, richtet sich diese Frage
bei der Emissionsdiode 23 für die Verstärkungsregelung nach den an den Eingängen
1, 1' usw. angelegten Signalamplituden und danach, ob eine Einzelregelung der einzelnen
Signale oder eine gemeinsame Regelung zweckmäßig oder gefordert ist.
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Als weitere Anwendungsgebiete einer erfindungsgemäßen Verstärkeranordnung
nach der beschriebenen Figur seien z. B. Pegelmeßgeräte angeführt oder Meßanordnungen
für Kabel, bei denen bekanntlich im verlegten Zustand hohe Störspannungen zwischen
den symmetrischen Adern und dem auf Erde liegenden Kabelmantel auftreten können.
Obwohl nicht alle Anwendungsfälle der Erfindung aufgeführt werden können, ist aus
den oben beschriebenen Fällen wohl leicht zu ersehen, für welche Aufgaben eine erfindungsgemäß
aufgebaute Verstärkeranordnung mit Erfolg eingesetzt werden kann.