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Schaltungsanordnung zur Kompensation von Störspannungen, die sich
bei einem Schaltvorgang ergeben Die Erfindung befaßt sich mit der Verminderung von
Störspannungen und -strömen, die in Transistorschaltkreisen, besonders, aber nicht
ausschließlich, in Transistor-Zerhackerschaltungen im Schaltaugenblick auftreten.
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Zerhackerschaltungen dienen prinzipiell zur Umsetzung von Gleichspannung
in Wechselspannung. Kleine Gleichspannungen, die verstärkt werden sollen, werden
oftmals in Wechselspannungen umgesetzt, um die Verstärkung einfacher zu machen.
Ein auf diese Weise hergestellter Gleichspannungsverstärker mit Driftkorrektur ist
auf Seite 200 in dem Buch »Electronic Analogue Computers« von Korn &
Korn,
Verlag McGraw-Hill (auch ins Deutsche übertragen), Beschrieben.
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Zerhackerschaltungen bestehen im wesentlichen aus einem Schalter,
der an einer Gleichspannungsquelle liegt. Der Schalter wird ständig auf- und zugeschaltet
und die Ausgangsspannung an ihm abgegriffen. Die Ausgangsspannung ist deshalb gleich
der Eingangsgpannung, wenn der Schalter gesperrt ist, und Null, wenn der Schalter
die Spannungsquelle kurzschließt. Der Schalter liegt gewöhnlich über einem Vorwiderstand
an der Spannungsquelle, so daß der Kurzschlußstrom begrenzt wird.
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Bei einem Tastverhältnis von 0,5 ist somit der Mittelwert der
Ausgangsspannung gleich dem halben Mittelwert der Eingangsspannung. Jeder
Spannungsabfall an dem leitenden Schalter verursacht deshalb einen Fehler im Mittelwert
der Ausgangsspannung, die auf einen an den Ausgang des Zerhackers angeschlossenen
Verstärker gegeben wird. Eine solche Fehlerspannung ergibt sich gewöhnlich auch
in Transistor-Zerhackerschaltungen, infolge des Kollektor-Emitter-Spannungsabfalls
eines leitenden Transistors.
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Es ist an sich bekannt (vgl. den Aufsatz von Chaplin in Proe. LE.E.,
Vol. 105 B, November 1957, S. 249), einen Transistor mit einer Rechteckspannung
an der Basis anzusteuern. Außerdem wird eine gegenphasige Rechteckspannung auf den
Kollektor gegeben (der über einen Lastwiderstand an Masse liegt), um den Emitter
auf 0 Volt zu bringen, wenn der Transistor leitet.
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Eine verbesserte Schaltung, in der nur eine Steuerspannungsforin verwendet
wird, enthält zwei Transistoren, die mit ihren Emitter-Kollektor-Strecken gegeneinander
in Reihe geschaltet sind, so daß die Emitter-Kollektor-Spannungsabfälle einander
nahezu aufheben. Die Transistoren werden gleichzeitig durch eine auf ihre Basiselektroden
geleitete Rechteckspannung ein- und ausgeschaltet.
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Bei hohen Schaltfrequenzen ist keine dieser an sich bekannten Schaltungen
insgesamt befriedigend, da sich dann die Transistorkapazitäten bemerkbar machen
und Störspannungen verursachen.
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Diese Störspannungen, die während der Schaltvorgänge auftreten, führen
zu Leck- oder Restströmen, die in den anschließenden Verstärker fließen und dort
Fehler in der Ausgangsspannung hervorrufen. Diese Störströme können durch Schalttransistoren
kleiner Umschlagzeit während des Einschaltvorgangs klein gehalten werden, aber ein
nachhaltiger Störstrom tritt während des Ausschaltvorganges auf.
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Zur Beseitigung dieser Störspannungen in eine Schaltungsanordnung
zur Kompensation von Störspannungen, die sich durch den Schaltvorgang bei einem
Schaltkreis aus zwei Transistoren ergeben, bei dem die Emitter-Kollektor-Strecken
gegensinnig hintereinander zwischen zwei Klemmen geschaltet sind, die durch den
Schaltkreis kurzgeschlossen oder getrennt werden sollen, gesteuert von einer veränderbaren
Spannung, die über zwei Eingangsanschlüsse zugeführt und so verändert wird, daß
sie den Schaltkreis zwischen seinem Sperr- und Durchlaßzustand hin- und herschaltet,
während die Zwischenelektroden und Schalt(ungs)-Kapazitäten der Transistoren oder
des Transistors eine Brückenschaltung bilden, von der zwei Punkte mit den Eingangsanschlüssen
identisch
sind, wird vorgeschlagen, einen veränderbaren Kondensator einer Brückenkapazität-oder-
zu-
sätzlich einen festen Kondensator einer anderen Brückenkapazität parallel
zu schalten und so einzustellen oder zu bemessen, daß sich Störspannungen zwischen
den Klemmen weitgehend kompensieren.
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Durch diese vorgeschlagene Maßnahme werden insbesondere diejenigen
Störspannungen in der Ausgangsspannung des Schaltkreises beseitigt, die sich ergeben,
wenn die Schaltstrecke des Schaltkreises gesperrt wird, da in diesem Fall hochfrequente
Komponenten der Steuerspannung, insbesondere über die Zwischenelektrodenkapazitäten
der Transistoren des Schaltkreises als Störspannung in die Ausgangsspannung gelangen.
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Die Zwischenelektrodenkapazitäten. eines Transistors sind spannungsabhängig
und lassen sich am besten durch - ein Kettenleiternetzwerk aus- Kondensatoren
und Widerständen statt durch eine reine Kapazität darstellen. Deshalb ist es am
besten, eine Brückenschaltung aufzubauen, bei der sich ähnliche Kondensatoren, wie
die zweier Transistoren oder eines Doppelemittertransistors, soweit wie- möglich
,gegenseitig kompensieren oder abgleichen, während D 4
der Hauptant' eiI'der
verbleibenden Kapazitätsunsymmetrie durch einen veränderbaren Kondensator abgeglichen
wird.
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Die Tatsache, daß es sich bei den Kapazitäten um keine reinen Kapäzitäten
handeltj-kann dazu führen, daß sich die Brücke niemals genau -abgleichen läßt. Aber
ein Abgleich reicht aus, um die Störspannunolen hinreichend zu vermindern-.' Der
Schaltkreis kann zwei Trän'gistor',en 'entha Iten, die zwisthen.- ' - d-id
beiden' Klemmen . geschaltet-. sind, wobei die Kollektoren der beiden-Ti#ansi.StoriQn
miteinander verbunden sind, der Emitter-des einen Transistors mit der einen der
beiden. Klemmen und. der Emitter des andexen Tran4 is i#r#'mit# s der anderen,
der b e i de'- n` -e-m men veAü#id bh ist. In äie'se'ih Kteü- Wird die Steuers#annung-
gleichzeitig an -die miieinander verbundenen Kollektoren,#,und die Basen
der Trans.istoren gelegt. Dabei sind die Basiselektroden entw e"di -"'*
d` ' " nä 6d -r, rekf oder'filier i*#i--Wiäe'r-*stan, e miteina #ärbiffiden.
Der*-"-'#;#r'a*ifäeibare'"-K«> oiiddng ot ist -zwischen Einitf##.' iiiid'-.-K61lektor
:eines TraÜslistors ges#liäl#i,ef und bifdei -mit den Strehka' p äzität6n# üü:d
den Z,W.is'clie'n'elektrodenkap#azitäten'-des Transistors' ein6 Ä#d6# e-'r-s- eits
kän n* #---d-er aus'einem -einzigen Do#pelemiite#tr'ansistor'-bestefien,' wobei
-eine der beiden Klein . inen-mit -dem einen Emitter u nd, die andere-der
beiden Klemmen mit dem anderen Emitter verbunden ist- und die Steuerspannung- auf
die Basis und den Kolfektor gegeben wird. In diesem Kreis wird die Brücke durch
einen weiteren,veränderbaren Kondensator zwischen der einen Klemme und
d ein Kollektor des Transistors vervollständigt. Ein weiterer fester Kondensator
kann zwischen d ie andere der beiden Klemmen und den Kollektor geschaltet
werden Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die Steuers' . pannung
durch eine Schaltung erzeugt werden, die eine Vorrichtüng enthält, mit der eine
Wechselspannung erzeugt *erden kann, wenn der Schaltkreis leiten soll, und die keine
Ausgangsspannung abgibt, wenn der Schaltkreis nicht leiten soll, und die einen Transformator
enthält, dessen Primärwicklung an der Vorrichtung liegt, -die die Wechselspannung
erzeugt, und dessen Sekundärwicklung an e«m"'er . Giefchrichter'-schaltung
angeschlossen ist, die eine Gleichspannung zur Durchsteuerung des Transistors oder
der Transistoren abgibt, wenn die Wechselspannung erzeugt wird.
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Die Sekundärwicklung des Transformators kann mit einem Mittelabgriff
versehen sein und der Gleichrichterkreis zwei Gleichrichter enthalten, von denen
der eine mit dem einen Ende der Sekundärwicklung und der andere mit dem anderen
Ende der Sekundärwicklung verbunden ist. Die Gleichspannung wird dann zwischen den
Elektroden des Gleichrichters, die nicht mit der Sekundärwicklung verbunden sind,
und dem Mittelabgriff der Sekundärwicklung abgenommen.
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Um die Streukapazitäten de - s Transformators klein zu halten,
soll die Frequenz der Wechselspannung ungefähr 5 MI-lz betragen.
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Jeder der obenerwähnten Schaltkreise kann in einer Zerhackerschaltung,
in der eine Eingangsgleichspannung entweder einer Ausgangsldemme zugeleitet oder
durch den Schalter kurzgeschlossen -wird,'#;erwendet werden. In einer solchen Schaltung
kann -die Steuerwechselspannüng' jeden geeigneten Verlauf haben.
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Spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung 'werden jetzt an Hahd
der*Zeichnunääfi.'-beschriüben. Es
zeigt Fi g. # das Schaltbild.:.eiPer
Zerhackeischältühg# geihäß'der Erfihdüng, F i g. 2 das Schaltbild einet..'#grücke»nsöhaltüiig.
' das die in'db#ift'#'Schaltbild häefi F'i g. 1--äuftretende*n'Kapaiitäteli
zbigt3' --F i- g. 3 das Schalibiid einer* -dndeleii Z#itha:ckbtsc
tung geinäß.-.-.detErfliidüng ürid f k.'4 das Schaltbild'eInef Brüdkensch'altung'iin*#
&n iii. S-chältijfig* nd#'h 'Fi g. 1 auftre#ti#iiddii--Ka-# F i
g: 5 -zeigt eine `SÜhaltung gema# öiiidr Wei1.i#tbildi-iiig,d(br E-rfihduiig"las
&ie-Zuführüiigöiii- er- veränderbaren Schaltspäiifiung-'f*(Stöu"e'i'spa*nn'ün'
in biiier..Zi#eha(#kerschaltülig'hätr-ifft.
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f)ie- gezeigte Schaltii#g enthält zwei ,
pnp-Träü§istären 21
u-iid22; d#ten Kollektomil iläii-#manär'- unden-sind-Und derer!.Sihiiter.-;ei;ri'mal
an der A-ii§gaiigskl*enund 10 und-zum 'a>nd-#'r-e#n-'*aii-diar Ma#sekldm.ini-,
11 liegen. Die Eiiigw.0,9kleffinie,--#15-i#t mit:der Aüsgangsklem*inä
10 dürdli einen WideAtand 12'- verbunden, -der, zur dient, ---Wenn diä Transistoren'
durchgesteuert-sind. -Währeid des Betriebs werden die Tränsistoren'dürch eine-Rechtecksparinunä,
die übel- äiiien'Ti:ansfot'inator 24 zu&eführt wird, gleichzeitig periodisch
-ein- und - ausgeschaltet. Ein Ende 26'der des Transformators ist mit den"Kollektor-en
der Transistoren mbunden. Das andere Ende 25 liegt jeweils über Widerstände
13 und 14 an den Basen.
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Die soweit beschriebene Schaltung ist an sich bekannt und hat den
Vorteil, daß die Emitter-Kollektor-Spannungabfälle der beiden Transistoren
sich gegenseitig aufheben, wenn die Transistoren leitend sind. Sie hat den Nachteil,
daß die Zwischenelektrodenkap.azitäten zum indest dann Störspannungen hervorrufen,
wenn ausgeschaltet wird, d. h. die Transistoren gesperrt werden.
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Zur Lösung der Aufgabe der Erfindung liegt ein zusätzlicher veränderbarer
Kondensator C.1 pgallel zur Emitter-Kollektor-Strecke des Transistor 21. Die
Wirkung
dieses Kondensators ist am besten aus F i g. 2 zu ersehen, in der die Schaltung
nach F i g. 1
in Form einer Brücke umgezeichnet wurde, so daß die Kapazitäten
in der Schaltung zu erkennen sind.
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Die Transistorkapazitäten in F i g. 2 sind mit Indizes versehen.
Dabei bedeuten die Ziffern die Nummer des Transistors und die Buchstaben die Abkürzungen
für die Elektroden, zwischen denen die Kapazität erscheint. So ist z. B.
C 22 be die -Kapazität zwischen der* Basis und dem Emitter des Transistors
22. , .
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Durch Verändern des Kondensators Cl kann die Brücke so abgeglichen
werden, daß eine zwischen den Anschlüssen 25 und 26 entstehende Steuerspannung
nicht zwischen den Klemmen 10 und 11 erscheint. Die Ausgangsspannung
ist somit frei von Steuerspännungseinflüssen.
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Vorzugsweise will man auch zur Einitterm-Kollektor-Strecke des, Transistors
22 einen weiteren Kondensator C2 parallel schalten. Der Kondensator
C2
dient zur Herabsetzung des Einflusses der inneren Kollektor-Emitter-Kapazität
des Transistors 22 und der Streukapazitäten der Transformatorwicklungen sowie der
Verdrahtungskapazitäten. Durch Verwendung eines Kondensators C2 passend bemessenet
Größe kann die Brücke leichter abgeglichen werden.
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Wenn die Brücke im stabilen Gleichgewicht bleiben soll, muß die Unsymmetriekapazität
des Steuertransformators 24 stabilisiert werden. Dies geschieht z. B. durch Verwendung
eines doppelt abgeschirmten Transformators, wie es in Fig. 1 schematisch
angedeutet ist.
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Eine andere Ausführung gemäß der Erfindung ist in F i g. 3
gezeigt. Hier ersetzt ein einziger Transistor mit zwei Emittern 30 und
31 die beiden Transistoren 21 und 22 von F i g. 1. Die miteinander
verbundenen Kollektoren dieser Transistoren können als in einem Kollektor zusammengefaßt
angesehen werden, und die Steuerspannung wird zwischen einer einzigen gemeinsamen
Basiselektrode und dem Kollektor zugeführt.
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Ein veränderbarer Kondensator C 4 hat die gleiche Aufgabe wie
C 1 in F i g. 2 und ein fester Kondensator C5 die gleiche Aufgabe
wie C2. Die Brückenschaltung dieses Zerhackers ist in F i g. 4 gezeigt.
Sie ist eine vereinfachte Version der F i g. 2.
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Die Vorteile eines Doppelemittertransistors sind bessere Kompensation
der Emitter-Kollektor-Spannungsabfälle und besserer Abgleich der Brücke.
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In jeder der beschriebenen Schaltungen kann die veränderbare Steuerspannung,
die den Anschlüssen 25 und 26 oder ähnlichen Anschlüssen zugeführt
werden soll, durch die links an die Anschlüsse 25
und 26 in F i
g. 5 angeschlossene Steuerschaltung zugeführt werden. Die Steuerschaltung
bildet eine Weiterbildung der Erfindung. In F i g. 5 ist sie an eine an sich
bekannte Schaltung angeschlossen.
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In F i g. 5 erzeugt ein Oszillator 34 ein Steuersignal in Form
einer impulsgetasteten sinusförmigen Schwingung mit einer Frequenz von
5 MHz und einer #;fastfrequenz von 5 KI-Iz, d. h. eine sinusförmige
Spannung von 5 MHz, die mit einer Rechteckspannung von 5 KHz moduliert
ist. Dieses Steuersignal wird auf einen Transformator 35 gegeben, der einen
Toroidkern 27 und eine Sekundärwicklung 28
mit Mittelabgriff hat. Die
Schwingungen mit einer Frequenz von 5 MHz werden durch Dioden 36 und
37 gleichgerichtet und durch einen Kondensator 38
geglättet. Somit
steht an dem Kondensator 38 eine Gleichspannung an, wenn der Oszillator 34
Schwingungen abgibt. Diese Spannung wird zwischen Basis und Kollektor der Transistoren
21 und 22 angelegt, wobei noch Basiswiderstände 32 und 33 vorgesehen
sind.
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Bei den angegebenen Frequenzen sind sowohl der Toroid als auch die
Streukapazitäten des Transformators klein. Da das Sperren der Transistoren nicht
durch eine Ausschaltsteuerspannung, sondern lediglich durch das Nichtvorhandensein
einer Steuerspannung erfolgt, werden von der Steuerspannung herrührende Störspannungen
beim Sperren vermindert.