DE1279735B - Stromverstaerkende Abtastschaltung fuer Gleichspannungen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H03k

Deutsche KL: 21 al - 36/18

Nummer: 1279 735

Aktenzeichen: P 12 79 735.2-31 (St 25639)

Anmeldetag: 14. Juli 1966

Auslegetag: 10. Oktober 1968

Die Erfindung betrifft eine stromverstärkende Abtastschaltung für unsymmetrische oder symmetrische Gleichspannungen für η Eingangsleitungen, die wahlweise an eine Ausgangsleitung anschaltbar sind.

Einer solchen Abtastschaltung entspricht ein mechanischer Drehschalter oder ein Drehwähler. Bei diesen mechanisch bzw. elektromechanisch arbeitenden Anordnungen ist die Ausgangsspannung im allgemeinen gleich der Eingangsspannung, d. h., der ohmsche Widerstand der Schaltstrecke ist sehr klein. Eine elektronische Anordnung, die die gleiche Aufgabe erfüllen soll, wird einen Fehler verursachen, d. h., die Ausgangsspannung wird nicht genau der Eingangsspannung entsprechen. Dieser Fehler tritt unabhängig von der verwendeten Schaltung auf, wenn die schaltenden Elemente Halbleiter sind. Im Einzelfall ist dabei zufällig oder durch Abgleich eine mehr oder weniger gute Kompensation möglich.

Bei der Abtastschaltung handelt es sich demnach um eine Schaltung aus der Analogtechnik, die aber in digitaler Weise gesteuert wird.

Aus dem Stand der Technik sind im wesentlichen zwei Arten zur elektronischen Gleichspannungsein/ausschaltung bekannt. Die erste bekannte Schaltung enthält vier Dioden in Graetzschaltung, bei der an zwei gegenüberliegenden Verbindungspunkten der Diode Spannungen zugeführt werden und bei der die beiden anderen Verbindungspunkte der Dioden die Schaltstrecke darstellen. Durch Wahl der zugeführten Spannungen kann erreicht werden, daß entweder alle vier Dioden leiten und damit die Schaltstrecke durchgeschaltet ist oder daß alle vier Dioden sperren. Es gibt auch Schaltungen mit nur zwei Dioden, die aber schlechtere Eigenschaften aufweisen.

Die zweite bekannte Art zur Gleichspannungsdurchschaltung ist in der USA.-Patentschrift 2 962 603 beschrieben. Sie verwendet zwei invers betriebene Transistoren. Dabei sind die Kollektoren der beiden Transistoren direkt und die Basen über Widerstände miteinander verbunden. Der Emitter des einen Transistors ist die Eingangs- und der Emitter des anderen Transistors die Ausgangsklemme. Zwischen dem Verbindungspunkt der beiden Kollektoren und dem Verbindungspunkt der beiden Widerstände liegt die Sekundärwicklung eines Übertragers, über den die gesamte Anordnung gesteuert wird. Wenn die beiden Kollektorbasisdioden in Durchlaßrichtung betrieben werden, steuern die Transistoren durch, und es kann Strom von der Eingangs- zur Ausgangsklemme fließen. Die Span-Stromverstärkende Abtastschaltung für
Gleichspannungen

Anmelder:

Standard Elektrik Lorenz Aktiengesellschaft,
7000 Stuttgart-Zuffenhausen,
Hellmuth-Hirth-Str. 42

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Ernst Munter, 7015 Korntal

nungsabfälle heben sich im Idealfall auf. Die Ansteuerung über einen Transformator ist erforderlich, weil sonst die Stromsymmetrie gestört würde. Für diese Schaltung sind auch spezielle Transistoren entwickelt worden, bei denen in die Basis zwei Emitter eindiffundiert sind.

Alle diese bekannten Schaltungen sind hinsichtlich der Genauigkeit der übertragenen Gleichspannung oder des Eingangswiderstandes oder der Geschwindigkeit oder der Verlustleistung nicht befriedigend.

Mit der Erfindung wird ein Gleichspannungsabtaster angegeben, der genauer und schneller arbeitet als die bekannten Schaltungen und der außerdem einen höheren Eingangswiderstand und eine geringere Verlustleistung aufweist. Unter »genau« wird hierbei bei einer von Eins verschiedenen Verstärkung auch die Konstanz der Verstärkung verstanden.

Die Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Transistor-Differenzverstärker, bei dem die erste der beiden Stufen η mal und die zweite der beiden Stufen einmal vorgesehen ist, und dadurch, daß jeweils nur eine der η ersten Stufen angeschaltet ist, daß als erste der beiden Stufen die nicht invertierenden Eingänge des Differenzverstärkers verwendet werden, daß — bei Betrachtung nur jeweils einer ersten Stufe des Differenzverstärkers — die Emitter der beiden Stufen über entgegengesetzt gepolte Dioden zusammengeschaltet sind, an deren Verbindungspunkt eine Urstromquelle liegt, auf deren Eingang die Steuerspannung gegeben wird, und daß der Kollektor der zweiten der beiden Stufen des Differenzverstärkers ebenfalls von einer Urstromquelle gespeist wird und daß die Urstromquellen so ausgelegt sind, daß die Ströme das Verhältnis 2:1

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haben und daß bei den η Stufen im Ruhezustand das Steuereingang für diese Urstromquelle ist mit L1

Potential des Verbindungspunktes der Dioden so bezeichnet. Weiter ist in der Kollektorleitung des

weit angehoben wird, daß die beiden Dioden sperren. Transistors T1 eine zweite Urstromquelle Q 0 vor-

Besonders günstige Eigenschaften der Abtast- gesehen. Die Schaltung ist nun so bemessen, daß die

schaltung ergeben sich, wenn der Differenzverstärker 5 Summe der Ströme in den Emittern von T11 und

eine Rückkopplung enthält und wenn der Differenz- T1 konstant und gleich dem Strom ist, der durch

Verstärker mit Urstromquellen betrieben wird. die Stromquelle Q1 fest eingestellt ist. Der Strom

Die Erfindung wird nun an Hand der Figuren durch den Transistor T1 ist ebenfalls fest gegeben,

beispielsweise näher erläutert. Es zeigt und zwar durch die Stromquelle Q 0 im Kollektor-

Fig. 1 die Gesamtschaltung des Abtasters, i° kreis. Der Strom von Ql wird nun so eingestellt,

Fig. 2 eine Realisierungsmöglichkeit für die Ur- daß er doppelt so groß ist wie der Strom von QO.

Stromquelle Q 0, Dadurch wird erreicht, daß die Transistoren T11

Fig. 3 eine erste Realisierungsmöglichkeit zum und Tl sowie die Dioden D11 und D12 den

Abschalten der nicht verwendeten Eingangsstufen, gleichen Strom führen. Bei gleichen Eigenschaften

Fig. 4 eine zweite Möglichkeit zum Abschalten 15 der Transistoren untereinander und der Dioden

der nicht verwendeten Eingangsstufen. untereinander ist also der Spannungsunterschied

Bei der in Fig. 1 gezeigten Abtastschaltung ist es zwischen El und Cl gleich dem Spannungsunterzweckmäßig, zunächst nur den Differenzverstärker schied zwischen A und Cl, wenn Rl gleich Null an sich zu betrachten und dann zu erläutern, daß die gemacht wird. Durch Einschalten von R1 kann der eine Stufe des Differenzverstärkers η mal vor- 2° Fehler kompensiert werden, der dadurch entsteht^ handen ist. daß der Basisstrom von T11 am Innenwiderstand

Der Differenzverstärker besteht demnach nach der abgetasteten Spannungsquelle einen Spannungs-

Fig. 1 aus einem ersten Transistor, z.B. TU, und abfall hervorruft

einem zweiten Transistor Γ1. Dem zweiten Tran- Der Transistor Γ 2 dient dazu, den Basisstrom von

sistor, dessen Ausgang mit B bezeichnet ist, ist ein 25 Γ1 bereitzustellen sowie dazu, die Ausgangsklemme

weiterer Transistor Γ 2 nachgeschaltet. An dessen niederohmig zu halten. Er kann auch durch eine

Emitter ist die Ausgangsklemme A angeschlossen. Diode oder durch einen nicht invertierenden Ver-

Außerdem ist ein Rückkopplungsweg von A über stärker ersetzt werden, wobei die Anode der Diode

den Widerstand Al zur Basis des Transistors Γ1 bzw. der Eingang des Verstärkers an B, die Kathode

vorgesehen. 30 der Diode bzw. der Ausgang des Verstärkers an A

Bei diesem Differenzverstärker handelt es sich um angeschlossen werden.

die Gegentakt-Eingangsstufe eines Verstärkers, der An Stelle der betrachteten einen Stufe des

zwei Eingänge hat, die auf eine von zwei Ausgangs- Differenzverstärkers ist nun diese Stufe insgesamt

klemmen bezogen gegensinnig wirken. Eine solche η mal vorgesehen, so daß sich die η Eingänge El

Stufe hat die Eigenschaft, die Differenz zwischen 35 bis En ergeben. Gemäß der zu lösenden Aufgabe

zwei Spannungen, die an den Eingängen liegen, zu muß man-die Ansteuerung so auslegen, daß immer

verstärken. Im Idealfall ist dabei die Größe der nur eine der ersten Stufen angeschaltet ist. Zur

einzelnen Spannungen ohne Einfluß, nur die Steuerung der einzelnen Eingänge bzw. der gesamten

Differenz wirkt. Anordnung weisen die UrstromquellenQl... Qn

Werden beide Ausgänge eines derartigen symme- 40 SteuereingängeL1...Lη auf, auf die Signale ge-

trisch aufgebauten Verstärkers benützt, so spricht eigneter Polarität gegeben werden,

man von einem Gegentaktverstärker. Im vorliegen- Fig. 2 zeigt eine Realisierungsmöglichkeit für die

den Falle ist jedoch nur die Eingangsstufe als Urstromquelle Q 0 mit dem Transistor Γ 3 und den

Gegentaktstufe aufgebaut, und es wird nur ein Aus- Widerständen R 3, R 4 und RS.

gang, nämlich der Punkts, verwendet. Von diesem 45 Zum An- bzw. Abschalten der Eingangsstufen

Ausgang wird auf einen Eintaktverstärker über- zeigt F i g. 3 eine erste Möglichkeit Gemäß dieser

gegangen, der in Fig. 1 ein Emitterfolger ist. Die Figur wird beim Anlegen einer positiven Spannung

gesamte Anordnung stellt also einen Verstärker dar, an Ln der Schaltertransistor Tn 3 gesperrt, so daß

dessen Eingangsteil nach Art eines Gegentakt- der Stromquellentransistor Tn 2 keinen Basisstrom

Verstärkers aufgebaut ist, der jedoch nur einen Aus- 50 mehr erhält und ebenfalls gesperrt ist In diesem

gang hat. Eine Spannungsänderung im positiven Sinn Falle wird also die Urstromquelle abgeschaltet,

an dem einen Eingang wird also am Ausgang eine Nach Fig.4 wird beim Anlegen einer großen

Spannungsänderung im negativen Sinn hervorrufen. positiven Spannung an Ln das Potential des Punktes

Dies ist der invertierende Eingang. Dieselbe Span- Cn so weit angehoben, daß die DiodenDnI und

nungsänderung im positiven Sinn am anderen nicht 55 Dn2 sperren.

invertierten Eingang ruft eine Spannungsänderung In den Anordnungen nach den Fig.3 und 4 ist am Ausgang ebenfalls im positiven Sinn hervor. Es eine inaktive Eingangsklemme JE η nur über Sperrist ersichtlich, daß bei der vorliegenden Schaltung schichten von Transistoren und Dioden mit den der Ausgang mit dem invertierenden Eingang ver- festen Potentialen verbunden. Verwendet man gebunden ist. Diese Verbindung kann auch über einen 60 eignete Bauelemente, kann ein extrem hoher Sperr-Spannungsteiler erfolgen, was eine Spannungs- eingangswiderstand erreicht werden (100 ΜΩ\. und verstärkung von Punkt £ zu Punkt .4 ergibt. größer).

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß die Emitter der Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Ab-

beiden Transistoren des Differenzverstärkers nicht tasters ist darin zu sehen, daß durch entsprechende

direkt miteinander, sondern über entgegengesetzt ge- 65 Ausbildung der Urstromquellen Ql. ..Qn und

polte Dioden D11 und D12 miteinander verbunden deren An- und Abschaltung der Stromverbrauch der

sind. Am Verbindungspunkt C1 der beiden Dioden inaktiven Eingänge (alle, bis auf einen) praktisch

ist eine schaltbare Urstromquelle angeschlossen. Der Null wird und daß dadurch selbst bei einer großen

Anzahl von Eingängen der Gesamtstromverbrauch der Schaltung klein bleibt. Dies ist besonders wichtig bei Fernmeßanlagen für Raumfahrzeuge.

Die Genauigkeit der bisher beschriebenen Abtastschaltung wird dadurch bestimmt, inwieweit die Eigenschaften der Transistoren T11 mit den Eigenschaften des Transistors T1 übereinstimmen. Eine symmetrische Schaltung entsteht, wenn beide Klemmen der zu übertragenden Eingangsspannungen an je einem Gleichspannungsabtaster gemäß der Erfindung liegen und wobei der Ausgang der Schaltung aus den Ausgangsklemmen der beiden Gleichspannungsabtaster besteht. Bei dieser Art der Schaltungsausführung kann eine hohe Genauigkeit besonders leicht erzielt werden, da die entsprechenden Halbleiterbauelemente der beiden Abtaster nur paarweise übereinstimmen müssen. Mit der symmetrischen Ausführung können auch erdfreie Spannungen übertragen werden.

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Claims (4)

Patentansprüche:

1. Stromverstärkende Abtastschaltung für unsymmetrische oder symmetrische Gleichspannungen für η Eingangsleitungen, die wahlweise an eine Ausgangsleitung anschaltbar sind, gekennzeichnet durch einen Transistor-Differenzverstärker, bei dem die erste der beiden Stufen «mal (TIl bis TnI) und die zweite der beiden Stufen einmal (Tl) vorgesehen ist, und dadurch, daß jeweils nur eine der η ersten Stufen angeschaltet ist, daß als erste der beiden Stufen die nicht invertierenden Eingänge des Differenzverstärkers verwendet werden, daß — bei Betrachtung nur jeweils einer ersten Stufe des Differenzverstärkers — die Emitter der beiden Stufen über entgegengesetzt gepolte Dioden (DIl; D12 bis DnI; DnI) zusammengeschaltet sind, an deren Verbindungspunkt eine Urstromquelle (Ql bis Qn) liegt, auf deren Eingang (Ll bis Ln) die Steuerspannung gegeben wird und daß der Kollektor der zweiten der beiden Stufen des Differenzverstärkers ebenfalls von einer Urstromquelle (ßO) gespeist wird und daß die Urstromquellen (gO und Qn) so ausgelegt sind, daß die Ströme das Verhältnis 2:1 haben und daß bei den η Stufen im Ruhezustand das Potential des Verbindungspunktes der Dioden so weit angehoben wird, daß die beiden Dioden (DnI; Dn 2) sperren.

2. Abtastschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweiten der beiden Stufen (T¹I) eine Verstärkerstufe (T 2) nachgeschaltet ist, von der das Ausgangssignal abnehmbar und die auf die vorgeschaltete Stufe (Tl) rückgekoppelt ist.

3. Abtastschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschaltung der η Stufen im Ruhezustand durch Abschalten der Urstromquellen (Ql bis Qn) erfolgt (Fig. 3).

4. Abtastschaltung für unsymmetrische Spannungen, gekennzeichnet durch die Verwendung von zwei Abtastschaltungen nach den Ansprüchen 1 bis 3.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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