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Regelstufe für Verstärker und Oszillatoren Die Erfindung betrifft
eine Regelstufe für Verstärker und Oszillatoren, bei der die Regelung durch Verschieben
des Gleichstrompunktes eines Transistors erfolgt.
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An die Konstanz der Ausgangsspannung von Verstärkern und Oszillatoren
werden häufig hohe Anforderungen gestellt. Das trifft vor allem für Verstärker und
Oszillatoren zu, die bei Trägerfrequenz-Systemen eingesetzt werden. Es handelt sich
hierbei meist um Anordnungen, deren aktive Elemente Transistoren sind. Bei den in
der Trägerversorgung von Trägerfrequenzsystemen eingesetzten Oszillatoren gewinnt
die Verstärkungsregelung als Möglichkeit zur Amplitudenbegrenzung immer mehr an
Bedeutung. Dabei werden häufig an die Phasenkonstanz der Regelschaltung höhere Anforderungen
gestellt, als an die Regelsteilheit.
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Ein für diese Zwecke eingesetzter Verstärker ist in F i g. 1 schematisch
dargestellt. Der Transistor 1 ist in Emitter-Schaltung betrieben. Er wird
von der Eingangsspannung U 1 über den Übertrager 2 an seiner Basis
gesteuert. Die Ausgangsspannung U2 wird am übertrager 3, der im Kollektorkreis des
Transistors 1 liegt, abgenommen. Sie wird häufig zur Aussteuerung eines nachgeschalteten
Verstärkers verwendet, der die auf einen konstanten Wert zu regelnde Ausgangsgröße
liefert. Durch Vergleich dieser Ausgangsgröße mit einer Bezugsspannung gewinnt man
in der Gleichrichter-Schaltung 6 die Regelspannung UR, Die Regelspannung
UR" ist an die Basis des Transistors 1
geführt und legt dessen Arbeitspunkt
im geregelten Zustand fest. Die Polarität der Regelspannung ist so gewählt, daß
sie den Transistor in Sperrichtung vorspannt, sobald die zu regelnde Ausgangsgröße
ihren Sollwert überschreitet. Im nicht geregelten Zustand, z. B. bei Ausfall der
Eingangsausspannung U1 oder vor dem Einsetzen der Regelung ist der Arbeitspunkt
des Transistors und damit die Verstärkung der Regelstufen durch den Spannungsteiler,
bestehend aus den in Reihe geschalteten ohmschen Widerständen 4
und
5, festgelegt. In diesem Arbeitspunkt hat die Regelstufe ihre größte Verstärkung,
und der Transistor wird mit der größten in Betrieb möglichen Verlustspeisung beansprucht.
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Dieser Arbeitspunkt muß aus Gründen der Betriebssicherheit so stabilisiert
werden, daß unter allen möglichen Betriebsbedingungen die zulässigen Grenzwerte
der Regelstufe nicht überschritten werden. Insbesondere muß der Einfluß von Schwankungen
der Stromverstärkung auf die Verschiebung des Arbeitspunktes klein gehalten werden,
um auch für die kleinste noch zulässige Eingangsspannung eine für das Einsetzen
der Regelung ausreichende Verstärkung der Regelstufe zu garantieren. Diese Bedingung
legt eine Grenze für die zulässige Verschiebung des Arbeitspunktes in das Gebiet
geringerer Steilheit bzw. kleinerer Kollektorströme fest.
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Eine Grenze für die Verschiebung des Arbeitspunktes in das Gebiet
größerer Steilheit und damit größerer Kollektorströme ist durch die zulässige Verlustleistung
und den in der Schaltung maximal zulässigen Stromverbrauch des Transistors gegeben.
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Da die Schwankungen der Stromverstärkung, bedingt durch Temperaturänderungen
und durch die Exemplarstreuung der Transistoren, beträchtliche Werte annehmen können,
wird eine volle Ausnutzung des mit einem gegebenen Transistor erzielbaren Regelbereiches
nur bei guter Stabilisierung des Arbeitspunktes im nichtgeregelten Zustand gelingen.
In der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 erfordert das eine gegenüber dem Basiseingangswiderstand
möglichst große Gleichstromlinearisierung durch den ohmschen Widerstand
7 im Emitterzweig des Transistors 1.
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Beide Maßnahmen haben den Nachteil, daß je nach ihrer Wirksamkeit
eine mehr oder minder große Einbuße an Regelsteilheit und Regelgenauigkeit auftritt.
Das überbrücken des Basiseingangswiderstandes durch den ohmschen Widerstand
4 kostet Regelleistung und damit Regelsteilheit, die bei voller Ausnutzung
der Hochohmigkeit des Basiswiderstandes
gewonnen werden könnte.
Andererseits ist ein möglichst hoher Abschlußwiderstand der Regelspannungsquelle
für die Stabilität des Regelkreises von besonderem Vorteil, da die durch den Kondensator
8 und die Parallelschaltung aus Basiswiderstand und ohmschen Widerstand 4 gegebene
Zeitkonstante einen kritischen Punkt nicht unterschreiten darf. Bei hochohmigem
Abschluß der Regelspannungsquelle kommt man daher mit kleineren Kapazitätswerten
für den Kondensator 8 aus.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine gegenüber bekannten Schaltungsanordnungen
verbesserte Gleichstromarbeitspunktstabilisierung von Transistorverstärkern oder
Oszillatoren zu schaffen.
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Die Regelstufe wird gemäß der Erfindung derart ausgebildet, daß die
Basis des Transistors mit dem einen Pol einer Diode verbunden ist, die mit einem
in Reihe geschalteten Widerstand einen Teilwiderstand des Basisspannungsteilers
überbrückt und daß die Diode im nicht geregelten Zustand in Durchlaßrichtung gepolt
ist, so daß dann der Arbeitspunkt durch den Spannungsteiler einstellbar ist, und
daß im geregelten Zustand die Diode gesperrt ist.
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An Hand der Ausführungsbeispiele nach den F i g. 2 und 3 wird die
Erfindung näher erläutert. Die Schaltungsanordnung nach F i g. 2 unterscheidet sich
von der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 lediglich dadurch, daß der ohmsche Widerstand
5 der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 durch eine Reihenschaltung, bestehend aus
der Halbleiterdiode 9 und dem ohmschen Widerstand 10, überbrückt ist und daß der
Verbindungspunkt dieser beiden Schaltelemente mit dem Wicklungsende der Sekundärwicklung
11 des Eingangsübertragers 2 verbunden ist.
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Der ohmsche Widerstand 10 ist so dimensioniert, daß der übrige an
die Basis geführte Strom positiver Polarität auch bei der kleinstmöglichen Stromverstärkung
des Transistors 1 für die Aufrechterhaltung des gewünschten Kollektorgleichstromes
und damit des gewünschten Arbeitspunktes ausreicht. Praktisch ist dieser Widerstand
meist eine Größenordnung höher als der Basiseingangswiderstand, da die für ihn zur
Verfügung stehende Spannung ein vielfaches der erforderlichen Basisspannung beträgt.
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Ist die Stromverstärkung des Transistors größer als der angenommene
Minimalwert, so fließt der überflüssige Strom über die Halbleiterdiode 9 zu dem
niederohmigen Spannungsteiler, bestehend aus den Ohmschen Widerständen 4 und 5,
ab. Da der der differentielle Widerstand der Diode in Durchlaßrichtung klein ist
gegenüber dem Basiswiderstand, wird bei Änderung der Stromverstärkung das Basispotential
konstant gehalten. Auch eine Arbeitspunktverschiebung durch Ansteigen des Kollektorsperrstromes
wird mit der Halbleiterdiode 9 wirksam verhindert. Zusätzlich bewirkt die Halbleiterdiode
9 auch noch eine Temperaturkompensation, da sich ihre Kennlinie über der Temperatur
um den gleichen Spannungsbetrag verschiebt, wie die des Transistors. Der Vollständigkeit
halber sei noch bemerkt, daß das Abfließen eines positiven Stromes über die Regelleitung
durch die Vorspannung der Gleichrichter-Schaltung 6 verhindert wird. Die Polung
der Halbleiterdioden und Gleichspannungen in den F i g. 1 und 2 gilt für npn-Transistoren
und kehrt sich bei pnp-Transistoren um.
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Die Schaltungsanordnung nach F i g. 3 zeigt in schematischer Darstellung
einen auf konstanten Ausgangsstrom IA geregelten Verstärker; der z. B. zur Aussteuerung
von Verstärkerdrosseln des Sekundärgruppenerzeugers in TF-Systemen eingesetzt werden
kann. Der innerhalb der strichlierten Linie liegende Teil stellt hierbei die Regelstufe
und der außerhalb dieser Linie liegende Teil den eigentlichen Verstärker dar.
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Die Bewertung des Ausgangsstromes IA erfolgt über die am Meßkondensator
14 gewonnene Meßspannung UM. Der in den Ausgangskreis eingeschaltete Serienresonanzkreis
13 befindet sich unter Einbeziehung des Kondensators 14 bei der übertragenen
Trägerfrequenz in Resonanz, so daß im Verstärker kein Spannungsverlust durch Blindspannungsanteile
auftritt. Aus der Meßspannung UM wird in dem als Spannungsverdoppler-Schaltung
ausgebildetenGleichrichter 6 die Gleichspannung UG gewonnen. Als konstante Führungsgröße
für die Regelung dient die an der Zehner-Diode 15 abfallende Gleichspannung
Up. Übersteigt die Spannung UG den Betrag der Gleichspannung von UF, so entsteht
als Differenzspannung die Regelspannung UR"" die den Arbeitspunkt des Transistors
1 so lange in Sperrichtung verschiebt, bis sich ein Gleichgewichtszustand einstellt.
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Der hochohmige Abschluß der Regelspannungsquelle macht es möglich,
ohne wesentlichen Verlust an Regelsteilheit noch den Vorwiderstand 16 in die Regelleitung
zu schalten und so die für die Stabililtät gegen Regelschwingungen erforderliche
Regelzeitkonstante mit einem gegenüber der Schaltungsanordnung nach F i g.1 erheblich
kleineren Kapazitätswert des Kondensators 8 zu realisieren, so daß der Einsatz eines
Elektrolytkondensators, wie bereits erläutert, vermieden werden kann. Bei voller
Ausnutzung des Regelbereiches in einem großen Temperaturbereich können mit der erläuterten
Arbeitspunktstabilisierung für den Transistor 1 die Exemplarstreuungen ohne
zusätzlichen Prüffeldabgleich aufgefangen werden.
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Ein Vorteil der Ausbildung der Regelstufe nach F i g. 3 liegt noch
darin, daß der Arbeitspunkt des Transistors auch über den B-Bereich hinaus in den
C-Bereich verschoben werden kann, so daß die Regelung auch noch bei übereinstimmung
der Regelstufe einwandfrei arbeitet. Bei Verwendung von Silizium-Transistoren ist
es möglich, mit der beschriebenen Regelstufe einen einstufigen Verstärker wirksam
zu regeln. Im Vergleich zu bekannten Begrenzer-Schaltungen, bei denen sich abhängige
von der Aussteuerung der Grundwellenanteil der Ausgangsspannung ändert, erzielt
man mit der beschriebenen Regelstufe eine bessere Konstanz der Ausgangsspannung
U2 und eine geringere Aussteuerungsabhängigkeit der Phasendrehung zwischen Ausgangs-
und Eingangsaussparung. Diese Eigenschaft ist besonders auch für den Anwendungsbereich
bei der Trägerversorgung für Trägerfrequenzsysteme von größtem Vorteil, da hier
eine Umwandlung von Amplitudensprüngen in Phasensprünge wegen der hohen Anforderungen
an die Phasenstabilität der Träger vermieden werden soll.