DE1441099C - Phasenempfindliche Gleichrichterschaltung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine phasenempfindliche Gleich'richterschaltung unter Verwendung von Übertragern und Transistoren zur Umformung eines Wechselspannungssignals in einen Gleichstrom, der einen Lastwiderstand durchfließt und dessen Richtung durch die Phase* des Wechselspannungssignals im Vergleich zu der Phase einer Bezugsspannung bestimmt ist und dessen Größe proportional zur Amplitude des Wechselspannungssignals ist, insbesondere Tür Steuerung bzw. Regelung.

Es ist bekannt, daß Transistoren symmetrische Eigenschaften besitzen, d. h. Emitter und Kollektor können grundsätzlich ihre Funktionen tauschen. Es sind auch eine Reihe von Schaltungen bekanntgeworden, bei denen von den symmetrischen Eigenschäften der Transistoren vorteilhaft Gebrauch gemacht wird. So sind auch phasenabhängige Gleichrichterschaltungen bekanntgeworden, bei denen ein durch den Lastwiderstand fließender Gleichstrom nach Größe und Richtung durch Größe und Phasenlage einer Steuerspannung verändert werden kann. Derartige phasenabhängige Gleichrichterschaltungen werden beispielsweise in Steuer- und Regelschaltungen verwendet.

F i g. 1 zeigt eine derartige phasenabhängige Gleichrichterschaltung. Die Sekundärwicklungen 3, 4 und 4, 5 des Übertragers U₁ bilden mit den Gleichrichter-Transistoren T₁, T₂ die Elemente einer Brückenschaltung. Die Transistoren sind jeweils vom gleichen Leitfähigkeitstyp, also entweder npn- oder pnp-Transistoren. Die Transistoren werden sowohl normal als auch invers betrieben; dies ist im Schaltsymbol dadurch angedeutet, daß sowohl Kollektor- als auch Emitterelektrode als Pfeilspitze gezeichnet sind. Die Funktion der Schaltung hängt jedoch nicht davon ab, daß symmetrische Transistoren verwendet werden. Es können auch beliebige Transistoren verwendet werden, bei denen α normal nicht gleich u invers ist, wobei α die Stromverstärkung des Transistors in Basisschaltung bedeutet. Die Steuerung der Transistoren erfolgt über die Sekundärwicklungen 11, 1Γ des Übertragers P₂. Ist keine Signalspannung U_1/s vorhanden, so werden beide Transistoren in der einen Halbwelle bei positiver Bezugsspannung U₁₁₂ ausgesteuert. Die Elektrode am Punkt 10 des Transistors T₁ und die Elektrode am Punkt 10' des Transistors T₂ werden hierbei zur Kollektorelektrode; die Basiselektroden der Transistoren T₁ und T₂ erhalten über die Widerstände R₁ bzw. R₂ jeweils ein negatives Steuerpotential. Die Kollektorströme der Transistoren T₁ und T₂ lassen sich mit Hilfe der Widerstände R₁ und R₂ gleich groß machen. In der folgenden Halbwelle der Bezugsspannung (ohne Signalspannung) bei negativer Bezugsspannung U_1/2 werden beide Transistoren T₁ und T₂ gesperrt. Die am Punkt 10 liegende Elektrode des Transistors T₁ und die am Punkt 10' liegende Elektrode des Transistors T₂ werden zu Emitterelektroden; da die Basiselektroden über die Wicklungen 11 und 11' mit den Emitterelektroden verbunden sind, sind beide Transistoren gesperrt. Die Last R_L, die durch Spulen von Relais, magnetische Verstärker, elektromagnetische Kupplungen, Ankeroder Erregerwicklungen von Gleichstrommotoren u.a. dargestellt werden kann, liegt im Nullzweig der Brücke zwischen dem Mittelabgriff 4 der Sekundär- ⁶S wicklung des Übertragers Cf₁ und dem Verbindungspunkt 10 der beiden Transistoren T₁ und T₁. Da die Brücke während beider Halbwellen der Bezugsspannung l/j_/2 abgeglichen ist (während der einen] Halbwelle sind beide Transistoren gesperrt, während I der anderen Halbwelle führen beide Transistoren '. gleichen Kollektorstrom), fließt bei fehlender Signal-!'. spannung kein Laststrom. j ·

Nachteilig bei dieser Schaltung ist, daß in der einen ι Aussteuerungsphase die Spannung am Lastwiderstand | der notwendigen Sperrung des einen Transistors ent-!! gegenwirkt. Das läßt sich folgendermaßen einsehen.'' Sind die Bezugsspannungen t/_3/4, l/_4/5 positiv und < ist die Steuerspannung U_101n negativ, die Steuer-j| spannung CZ₁₀'/] i' positiv, so ist der durch Tran-: j SiStOrT₁ gesteuerte Brückenkreis stromführend; an;l Widerstand R_L fällt eine Spannung ab, wobei Punkt 10;! positiv gegen Punkt 4 ist. Transistor T₂ wird so be-1 trieben, daß die in Punkt 10 angeschlossene Elektrode der Emitter, die in Punkt 10' angeschlossene Elektrode der Kollektor von Transistor T₂ ist. Die Vorspannung^ des Emitters durch die am Lastwiderstand R_L abfallende Spannung wirkt also tatsächlich der Sperrung j des Transistors T₂ entgegen. Um den Transistor T₂ zu sperren, ist eine Sperrspannung

notwendig. Diese Forderung ist nicht immpr erfüllt. Zum Beweis formt man die Ungleichung um. Bei vernachlässigbarer Streuinduktivität des Übertragers U₁ ist

U₁,

= U₁

10/11

die Spannung U_101n wiederum läßt sich durch denl Basisstrom /_B des Transistors T₁, /_ß = -^ und durch den Widerstand des Steuerkreises (R_E + R₁) ausdrücken:

β ist die Stromverstärkung in Emitterschaltung s und R_E der Eingangswiderstand von Transistor T₁.

ist durch die Gleichung I_L =

gegeben.

Setzt man diese Gleichung in die Ungleichung ein, so erhält man:

(R₁ + R_K)

R ι ρ

Für alle Lastwiderstände, die größer — sind

ist also Transistor T₂ nicht gesperrt.

Ein weiterer Nachteil bei dieser Schaltung ist, daß bei fehlender Steuerspannung während einer Halbwelle der Vergleichsspannung U₁₁₂ beide Transistoren! Strom führen. Neben einer unnötigen Erwärmungt der Transistoren erfolgt auch eine unerwünschte Vormagnetisierung des Eisenkernes von U₁. Um die Transistoren nicht zu überlasten, sind Basiswiderstände R₁, R₂ vorgesehen. Andererseits wird bei einer Aussteuerung der Transistoren unnötig in diesen Widerständen Steuerleistung vernichtet:

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung anzugeben, bei der die genannten Nachteile vermieden i werden. I

Die phasenempfindliche Gleichrichterschaltung wirdc gemäß der Erfindung so ausgebildet, daß die beidenic Enden einer mittelangezapften Sekundärwicklung! eines Bezugsspannungsübertragers, dem primärseitigjs die Bezugsspannung zugeführt ist, mit je einer Tertiär-j wicklung- dieses Übertragers über die Kollektor-v

j-Emitter-Strecke je eines Gleichrichter-Transistors ver-Ij bunden sind, daß der Lastwiderstand zwischen der μ Mittelanzapfung der Sekundärwicklung und der Durchverbindung der freien Anschlüsse der Tertiärwicklungen liegt, daß die Basis eines jeden Gleichrichter-Transistors mit dem Kollektor je eines zu den Gleichrichter-Transistoren komplementären Transistors verbunden ist, daß ferner die Emitter dieser Transistoren miteinander und mit der Mittelanzapfung ler Sekundärwicklung eines Signalübertragers, dem primarseitig das Wechselspannungssignal zugeführt ist, verbunden sind, wobei die Basis eines jeden komplementären Transistors jeweils an ein Ende der !ekundärwicklung des Signalübertragers geführt ist und die Mittelanzapfung dieser Wicklung entweder mit der Durchverbindung der Tertiärwicklungen des Bezugsspannungsübertragers oder mit einer Mittelanzapfung des Last Widerstandes verbunden ist.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltung werden die ;enannten Nachteile dadurch vermieden, daß die Steuerung der Gleichrichter-Transistoren über zu ihnen komplementäre Transistoren erfolgt. Lastkreis und Steuerkreis des jeweils gesperrten Gleichrichter-Transistors werden durch den Kollektorsperrwidertand des ihm vorgeschalteten Transistors entkoppelt; der Spannungsabfall am Lastwiderstand kann deshalb den jeweils gesperrten Gleichrichter-Transistor nicht beeinflussen.

Die Erfindung wird an Hand der in den F i g. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiele näher eräutert.

Im folgenden wird die Schaltung nach F i g. 2 in den beiden möglichen Phasenlagen von Bezugspannung U_l/2 und S.teuerspannung (Wechselspannungssignal) l/_19/20 und bei fehlender Steuerspannung (^19/20 = 0) betrachtet.

1. Sind Ui₁₂ und U₁₉₁₂₀ positiv, so sind die Punkte 3, 5, 7, 9, 15, 17 positiv, und die Elektroden 5 von Transistor 7J und 9 von Transistor T₂ werden als Emitter betrieben; die Transistoren T₃,T₄ erhalten demnach über die Emitter-Basis-Strecke der Transistoren 7i, T₂ eine Kollektorspannung richtiger Polarität. Transistor T₃ ist durch die Spannung t/_15/16 ausgesteuert. Sein Kollektorstrom /_C3 ist gleich dem Basisstrom I_Bl von Transistor T₁. Transistor Ti wird in Kollektor-, schaltung betrieben; er hat eine Stromverstärkung

P- =

= ßi -Hl. Die Stromverstärkung des in Emitter-

'ei

2. Ist l/j/2 positiv und t/_19/20 negativ, so sind die Elektroden 5 und 9 die Emitter der Transistoren T₁, T₂. Die Transistoren T₃, T₄ erhalten über die jsmitterdioden der Transistoren T₁, T₂ eine Kollektorspannung richtiger Polarität; da jedoch die Steuerspannungen Ui₅₁I₆ und Un_/l8 negativ sind, ist Transistor T₃ gesperrt und Transistor T₄ ausgesteuert. Transistor T₂ wird in dieser Phase wie Transistor T₄ in Emitterschaltung betrieben, so daß die Stromverstärkung der beiden direkt gekoppelten und in Kaskade geschalteten Transistoren T₂, T₄ den Wert

■■■■--. ■·■ -■·■■·■■ /,

'C2

hat. Durch den Last widerstand R_L fließt ein Strom von Punkt 6 nach Punkt 16. In der folgenden Halbwelle sind bei gleichbleibender Phasenlage zwischen U₁ 2 und U₁₉₁₂₀ die Transistoren T₄, T₂ gesperrt und die Transistoren TJ, T₁ ausgesteuert, so daß der Strom durch R_L von Punkt 6 nach Punkt 16 fließt.

3. 1st die Steuerspannung U₁₉₁₂₀ = 0 und liegt nur eine Bezugsspannung U_h2 mit abwechselnd positivem und negativem Vorzeichen an den Klemmen 1/2, so sind Basis und Emitter von Transistor T₃ über die Wicklung 15/16 sowie Basis und Emitter von Transistor T₄. über die Wicklung 17/18 miteinander verbunden. Die Transistoren T₃, T₄ sind also in jedem Falle gesperrt; die Basiskreise der Transistoren T₁, T₂ sind dadurch aufgetrennt, so daß auch diese beiden Transistoren beim Fehlen einer Steuerspannung ^i9/2o = 0 gesperrt sind.

In diesem Ausführungsbeispiel werden die Transistoren T₁, T₂ in der einen Phasenlage (U₁₁₂, U₁₉₁₂₀ haben jeweils gleiches Vorzeichen) in Kollektorschaltung, in der anderen Phasenlage (LZ_{1 2}, l/_19/20 haben jeweils ungleiches Vorzeichen) in Emitterschaltung betrieben. Die Spannungsverstärkung in Kollektorschaltung errechnet sich aus

r_h + iHr_e
die Stromverstärkung aus

die Leistungsverstärkung P_k ist das Produkt aus Strom- und Spannungsverstärkung:

schaltung betriebenen Transistors T₃ beträgt 7^ = ^,

und es gilt /_C3 '== J₈₁; die Stromverstärkung der beiden direkt gekoppelten und iri Kaskade geschalteten Transistoren T₁, T₃ hat deshalb den Wert

In Emitterschaltung beträgt die Spannungsverstärküng ₌ (iR_L

55 die Stromverstärkung

Durch den Lastwiderstand R_L fließt deshalb ein Strom /,vom Punkt 16 nach Punkt 6. Transistor T₄ ist durch die Spannung l/_17/18 gesperrt; der Basiskreis von Transistor T₂ ist dadurch aufgetrennt, so daß auch Transistor T₂ gesperrt ist. Es zeigt sich, daß in der folgenden Halbwelle bei gleichbleibender Phasenlage zwischen U_1/2 und U_l9/20 die Transistoren T₂, T₄ Strom führen und die Transistoren T₁, , T₃ gesperrt sind, so daß der Strom durch den Lastwiderstand wieder von Punkt 16 nach Punkt 6 fließt.

-T-) = ß

und die Leistungsverstärkung

in den Gleichungen bedeuten IZ₁, Z₁ Eingangsspannung und -strom, U₂, I₂ Ausgangsspannung und -strom, β die Stromverstärkung in Emitterschaltung, R_L den

Lastwiderstand, r_h den Basiswiderstand und r_e den Emitterwiderstand.

Man entnimmt den Gleichungen, daß Spannungsund Leistungsverstärkung Tür Emitter- und Kollektorschaltung nur für Werte R_L <ε r_e gleich sind. Für Werte R_L » r_e und // · R_L » r_b wird die Leistungsverstärkung in Kollektorschaltung P_K ~ β < P_t:.

Nun ist die Stromverstärkung eines invers betriebenen Transistors im allgemeinen kleiner als die des normal betriebenen; man kann deshalb einen Ausgleich des Unterschiedes zwischen den Leistungsverstärkungen P_K und P_t· (bei großem R_L) erzielen, indem man die Transistoren T₁, T₂ invers betreibt, wenn sie in Emitterschaltung arbeiten, und normal betreibt, wenn sie in Kollektorschaltung arbeiten. Man braucht zu diesem Zweck nur die Emitterelektroden der Transistoren T₁, T₂ an den Punkten 5 bzw. 8 anzuschließen.

Bei der Schaltung nach F i g. 3 ist der Arbeitswiderstand R₁ halbiert, und die Emitterelektroden der Transistoren T₃, T₄ sowie Punkt 16 der Wicklung 15/18 sind an den Mittelabgriff 21 des Lastwiderstandes geführt. Während bei der Schaltung des ersten Ausführungsbcispiclcs nach F i g. 2 die Transistoren T₁, T₂ in der einen Phasenlage von Bezugs- und Steuerspannung (beide jeweils gleiche Vorzeichen) in Kollektorschaltung und in der anderen Phasenlage" (beide Spannungen haben jeweils ungleiches Vorzeiehen) in Emitterschaltung betrieben werden, ist der Betrieb der Transistoren T₁. T₂ in der Schaltung von F i g. 3 in allen Phasenlagen zwischen Steucr- und Bezugsspannung gleich. Es liegt immer ein Widerstand R₁. _z im Lastkreis und ein Widerstand R, ₂ im Steuerkreis der Transistoren T₁, T₂, so daß man. gleiche Stromverstärkung in beiden Betricbsrichtungen vorausgesetzt, in beiden Aussteuerungsfällen

gleiche Verstärkung erhält. 1st .,' :s» r,.und '-,'· » r_h.

so ergibt sich eine Spannungsverstärkung etwa der Größe 2 und eine Leistungsverstärkung etwa der Größe 2(i. Die Wirkungsweise der Schaltung läßt sich im übrigen mit Hilfe der Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels nach F i g. 2 verstehen.

Claims (1)

1. Patentanspruch: ^;

   Phasenempfindliche Gleichrichterschaltung unter Verwendung von Übertragern und Transistoren zur Umformung eines Wechselspännungssignals in einen Gleichstrom, der einen Last widerstand durchfließt und dessen Richtung durch die Phase des Wechselspannungssignals im Vergleich zu der Phase einer Bezugsspannung bestimmt ist und dessen Größe proportional zur Amplitude des Wechselspannungssignals ist, insbesondere für Steuerung bzw. Regelung, dadurchgekenn- - zeichnet, daß die beiden Enden einer mittelangezapften Sekundärwicklung (5, 6, 7, 8) eines Bezugsspannungsübertragers (V₁), dem primärseitig (1, 2) die Bezugsspannung (U_{1 /2}) zugeführt ist, mit je einer Tertiärwicklung (3/4, 9/10) dieses Übertragers über die Kollektor-Emitter-Strecke je eines Gleichrichter-Transistors (T₁, T₂) verbun den sind, daß der Lastwiderstand (R₁) zwischen der Mittelanzapfung (6, 7) der Sekundärwicklung (5, 6, 7, 8) und der Durchverbindung der freien Anschlüsse (3, 10) der Tertiärwicklungen (3/4 und 9/10) liegt, daß die Basis (11, 12), eines jeden Gleichrichter-Transistors (T,, T₂) mit dem Kollektor je eines zu den Gleichrichter-Transistoren (T₁, T₂) komplementären Transistors (T₃, T₄) verbunden ist, daß ferner die Emitter dieser Transistoren (T₃. T₄) miteinander und mit der Mittclanzapfung (16, 17) der Sekundärwicklung (15, 16. 17, 18) eines Signalübertragers (Uj), dem primärseitig (19, 20) das Wechselspannungssignal (U_{iq 20}) zugeführt ist, verbunden sind, wobei die Basis (13,14) eines jeden komplementären Transistors (T₃, T₄)JeWCiIs an ein Ende der Sekundärwicklung (15, 16, 17, 18) de Signalübertragers (t?i) geführt ist und die Mittelanzapfung (16. 17) dieser Wicklung (15, 16, 17, 18 entweder mit der Durchverbindung der Tertiärwicklungen (3 4 und 9 10) des Bezugsspannungsübertragers (P₂) oder mit einer Mittelanzapfung (21 in Fig. 3) des Lastwiderstandes (R₁) verbunden ist. _v

   Hierzu I Blatt Zeichnungen