DE2240538A1

DE2240538A1 - Anordnung zur stabilisierung des durch eine stromnutzeinrichtung fliessenden stromes

Info

Publication number: DE2240538A1
Application number: DE2240538A
Authority: DE
Inventors: David R Shuey
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1971-12-06
Filing date: 1972-08-17
Publication date: 1973-07-19
Also published as: DE2240538B2; US3761799A; BR7206464D0; IT971515B; DE2240538C3; NL7213127A; JPS4864456A; GB1395600A; FR2162498B1; FR2162498A1; CA1018251A; BE792285A

Description

XEROX CORPORATION
Rochester, N.Y., V. St. A.

Anordnung zur Stabilisierung des durch eine Stromnutζeinrichtung fließenden Stromes

Die Erfindung bezieht sich auf Stromregulierungs- bzw. Stromstabilisierungseinrichtungen und insbesondere auf TransistorSchaltungen zur Stabilisierung von niedrigen Strömen, die durch Stromverbrauchereinrichtungen fließen, an welche hohe Spannungen angelegt sind.

Viele der in letzter Zeit entwickelten und auf verschiedenen Gebieten der Elektrotechnik eingeführten Einrichtungen müssen mit relativ hohen Arbeitsspannungen versorgt werden. Einige dieser Einrichtungen arbeiten auf den sie durchfließenden Strom hin. Eine derartige, gewissermaßen eine Stromnutzeinrichtung darstellende Einrichtung, die mit Begeisterung Aufnahme gefunden hat, ist der Laser. Die durch einen Laser erzielten einzigartigen und vorteilhaften Eigenschaften haben auf den Gebieten der Nachrichtenübertragung, der Leitbetriebsanlagen, der Meteorologie, der medizinischen Behandlung und dgl. zu verschiedenen Anwendungsfällen des Lasers geführt.

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Bei einer herkömmlichen Anwendung einer Lasereinrichtung auf dem zuvor erwähnten Gebiet der Nachrichtenübertragung werden ein Laserrohr und Einrichtungen zur Modulation des das Laserrohr durchfließenden Stromes verwendet, um eine entsprechende Änderung der Abgabeleistung des Laserrohres zu bewirken. Demgemäß ist eine brauchbare Information durch die Änderung der Abgabeleistung des Laserrohres charakterisiert. Es hat sich jedoch gezeigt, daß in Stromauswerteeinrichtungen bzw. Stromnutzeinrichtungen, wie dem Laserrohr, bei dem hohe zugeführte Arbeitsspannungen zu dem Fließen von relativ niedrigen Strömen führen, die den betreffenden Einrichtungen innewohnenden Betriebsdaten eine vollkommene Stromstabilität erfordern. Halbleitereinrichtungen, die bisher zur Stromstabilisierung in anderen Gebieten benutzt worden sind, vermögen jedoch nicht den zuvor erwähnten hohen Arbeitsspannungen zu widerstehen. Obwohl Hochspannungs-Leistungstransistoren entwickelt worden sind, die hohen Spannungen zu widerstehen imstande sind/ leiden diese Transistoren jedoch an dem Nachteil eines hohen Leck- bzw. Reststromes. Demgemäß wird durch diese Transistoren eine erhebliche Verschlechterung der Stabilisierung der geringen Ströme Verursacht, die durch die Stromnutzeinrichtung fließen.

Demgemäß ist bisher versucht worden, den durch eine Stromnutzeinrichtung, der hohe Spannungen zugeführt werden, fliessenden Strom dadurch zu regeln bzw. zu stabilisieren, daß eine Kaskadenschaltung von Niederspannungs-Transistoren verwendet wurde. Durch die Kaskadenschaltung der betreffenden Transistoren wurde ein solches Spannungsteilernetzwerk gebildet, daß die an die Stromnutzeinrichtung angelegte hohe

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Spannung auf die einzelnen in Kaskade geschalteten Transistoren aufgeteilt "wurde. Dies führte dazu, daß jeder Transistor einer annehmbaren Spannung ausgesetzt "war. Eine typische, bisher benutzte Schaltung aus in Kaskade geschalteten Transistoren enthielt eine Vielzahl von Transistoren, deren Kollektor- und Emitterelektroden miteinander in Reihe geschaltet waren, wobei die Kollektorelektrode des ersten Transistor der in Reihe geschalteten Transistoren mit der Stromnutzeinrichtung verbunden war und wobei die Emitterelektrode des letzten Transistors der in Reihe geschalteten Transistoren mit einem steuerbaren Transistor in Reihe geschaltet war. Die Basen der jeweils in Reihe geschalteten Transistoren sind jeweils mit einem entsprechenden Verbindungspunkt von in Reihe geschalteten Widerständen verbunden. Damit vermag der durch die Stromnutzeinrichtung fließende Strom durch jeden der in Kaskade geschalteten Transistoren zu fließen, und die an die Stromnutzeinrichtung angelegte hohe Spannung wird auf die jeweils in Kaskade geschalteten Transistoren aufgeteilt. Eine der JJasis des steuerbaren Transistors zugeführte Regulierungs- bzw, Stabilisierungsspannung vermag den durch den steuerbaren Transistor fließenden Strom zu stabilisieren, der seinerseits den durch in Kaskade geschalteten Transistoren und durch die Stromnutzeinrichtung fließenden Strom ändert. Es ist daher damit zu rechnen, daß der durch die Stromnutzeinrichtung fließende Strom genau ist und gemäß der dem steuerbaren Transistor zugeführten Stabilisierungsspannung genau stabilisiert wird* ils ist jedoch festzustellen, daß der durch die Stromnutzeinrichtung fließende Strom gleich dem Strom ist, der durch den steuerbaren Transistor fließt, zuzüglich der Summe der Restströme der jeweils in Kaskade

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geschalteten Transistoren. Der Reststrom jedes der in Kaskade geschalteten Transistoren fließt im übrigen vom Kollektor zur Basis des betreffenden Transistors und dann durch die in Reihe geschalteten Widerstände nach Erde ab. Diese Restströme leisten einen erheblichen Beitrag im Hinblick auf die instabilen Stromcharakteristiken der Stromnutzeinrichtung. Darüber hinaus hat sich die Abgabe einer Regulierungs- bzw. Stabi Us ierungsspannung an den steuerbaren Transistor als unwirksam hinsichtlich einer Abschwächung dieser Instabilität erwiesen. In Anwendungsfällen, in denen eine Stromnutzeinrichtung, wie ein Laser, verwendet wird, der von einem geringen Strom durchflossen wird (in der Größenordnung von 1 mA), welcher innerhalb eines Bereichs von 0,1 mA stabilisiert werden muß, hat somit die zuvor beschriebene bekannte Stromstabilisierungsschaltung weitgehend die in sie gesetzten Erwartungen nicht erfüllt.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zu Grunde, eine Halbleiteranordnung zur genauen Stabilisierung des durch eine Stromnutzeinrichtung fließenden Stromes zu schaffen. Dabei ist im besonderen ein Spannungsteilernetzwerk mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Transistoreinrichtungen zur Stabilisierung des durch eine Stromnutzeinrichtung fließenden Stromes vorzusehen, wobei die Auswirkungen der Restströme der betreffenden Transistoren erheblich zu verringern sind. Die neu zu schaffende Stromstabilisierungsanordnung bzw. -schaltung soll mit einer Stromnutzeinrichtung verwendet werden können, die eine relativ hohe Spannung und einen relativ niedrigen Strom benötigt. Schließlich soll ein stabilisierter Strommodulator geschaffen werden, der in einem Laserrohr verwendbar ist.

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Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Anordnung zur Stabilisierung des durch eine Stromnutzeinriqhtung fließenden Stromes. Diese Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungsteilernetzwerk mit einer Vielzahl von in Kaskade geschalteten Transistoreinrichtungen vorgesehen ist, daß eine Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung zu der letzten der in dem Spannungsteilernetzwerk enthaltenen, in Kaskade geschalteten Transistoreinrichtungen in Reihe geschaltet ist und den durch das Spannungsteilernetzwerk fließenden Strom in Abhängigkeit von einer ihr zugeführten Steuerspannung regelt, und daß Spannungsbegrenzungseinrichtungen vorgesehen sind, die die Restströme der in Kaskade geschalteten Transistoreinrichtungen summieren und die zwischen dem Spannungsteilernetzwerk und der Ausgangsklemme der Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung angeschlossen sind. Mit der Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung kann eine Strommodulationseinrichtung verbunden sein.·

An Hand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Fig. 1 zeigt in einem Schaltplan eine Ausführungsform einer Stabilisierungsschaltung im Zusammenwirken mit einem diskreten Strommodulator.

Fig. 2 zeigt einen Schaltplan einer weiteren Ausführungsform einer Stabilisierungsschaltung im Zusammenwirken mit einem kontinuierlich arbeitenden Strommodulator.

Im Hinblick auf die Zeichnungen sei bemerkt, daß jeweils entsprechende Bauelemente mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet sind. In Fig. 1 sind eine Stromnutzeinrichtung 10, ein Spannungsteilernetzwerk, bestehend aus in Kaskade geschalte-

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ten Transistoreinrichtungen 12, 13 und 14, eineStromstabilisierungs-iransistoreinrichtung 15, eine Spannungsbegrenzungseinrichtung 21 und eine Einrichtung variabler Impedanz, bestehend aus Widerständen 2j> und 24 und einer Transistoreinrichtung 25,dargestellt. Die Stromnutzeinrichtung 10 besteht aus irgendeiner herkömmlichen Einrichtung, die mit relativ hohen Spannungen versorgt werden kann und die einen relativ niedrigen Strom erhält. Zum Zwecke der Erläuterung sei angenommen, daß die Stromnutzeinrichtung 10 ein Laserrohr ist, an das hohe Gleichspannungen in der Größenordnung von 1000 bis 2000 Volt angelegt werden und durch das Ströme in der Größenordnung von 1 bis 10 mA fließen. Ein typisches Laser- . rohr kann ein HeNe-Laser sein, wie er von der Firma Spectra-Physics, Inc., Mountain View, California, hergestellt wird. Eine Eingangsklemme 11 dient dabei dazu, die Stromnutzein- , richtung 10 mit der erforderlichen hohen Arbeitsspannung zu versorgen.

Mit der Ausgangsklemme der Stromnutzeinrichtung 10 ist ein Spannungsteilernetzwerk verbunden, welches aus einer Vielzahl von in Kaskade geschalteten Transistoreinrichtungen besteht. Das Spannungsteilernetzwerk ist als drei Transistoreinrichtungen 12, 13 und 14 enthaltend dargestellt; es dürfte jedoch ohne weiteres einzusehen sein, daß die vorliegende Erfindung nicht allein auf die Verwendung von drei Transistoreinrichtungen beschränkt ist, sondern daß irgendeine geeignete Anzahl von Transistoreinrichtungen verwendet werden kann. Die Transistoreinrichtungen sind ferner als Transistoren des npn-Leitfähigkeitstyps dargestellt, deren Kollektor- und Emitter-Elektroden miteinander in Reihe geschaltet sind.

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Sofern erwünscht, können jedoch auch Transistoren des prp-Leitfähigkeitstyps verwendet "werden, wobei dann die dargestellten Kollektor- und Emitter»Elektroden vertauscht sind. Im Unterschied dazu können jedoch auch FET-Halbleitereinrichtungen eingesetzt werden. Darüber hinaus kannjede Transistoreinrichtung aus einer zusammengesetzten Darlington-Transistorschaltung bestehen. In jedem Fall sind die Transistoreinrichtungen derart geschaltet, daß ein durchgehender Stromweg von der Kollektorelektrode der ersten Transistoreinrichtung 12 zu der Emitterelektrode der letzten Transistoreinrichtung 14 hin besteht und daß ein Strom von einer Eingangselektrode zu einer Ausgangselektrode der jeweils in Kaskade geschalteten Transistoreinrichtungeh fließt. Die Steuerelektroden, d.h. die Basiselektrode eines herkömmlichen Transistors vom npn-Leitfähigkeitstyp oder vom pnp-Leitfähigkeitstyp oder die Torelektrode eines herkömmlichen FET-Transistors,benachbarter TraBsistoreinrichtungen sind durch Widerstandseinrichtungen 17 und 18 verbunden.· Demgemäß ist die Widerstandseinrichtung 17 zwischen den Steuerelektroden der Transistoreinrichtungen 12 und 13 angeschlossen, und die Widerstandseinrichtung 18 ist zwischen den Steuerelektroden der Transistoreinrichtungen 13 und 14 vorgesehen. Eine Widerstandseinrichtung Ί6 verbindet die Ausgangsklemme der Stromnutzeinrichtung 10 mit der Steuerelektrode der Transistoreinrichtung 12 und dient dazu,· das Spannüngsteilernetzwerk auf einen geeigneten Wert vorzuspannen. Darüber hinaus sind die Spanhungsbegrenzungaejhrichtungen 19 und 20 als mit den Widerstandseinrichtungen 17 und 18 parallelgeschaltet dargestellt, und zwar zum Zwecke der Begrenzung der maximalen Spannung, die der Steuerelektrode der jeweiligen in dem Spannüngsteilernetzwerk enthaltenen Tränsistoreinrichtung zugeführt wird. Die Bereitstellung dieser

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Spannungsbegrenzuqgseinrichtung ist wahlfrei; die betreffende Einrichtung kann ggfs. weggelassen werden. Jede Spannungsbegrenzungseinrichtung kann eine herkömmliche ZENER-Diode oder dgl. enthalten. Für einen auf dem vorliegenden Gebiet tätigen Fachmann dürfte ersichtlich sein, daß durch die Parallelschaltung von Widerstandseinrichtungen und Spannungsbegrenzungseinrichtungen Regel- bzw. Stabilisierungsschaltungen gebildet sind, bei denen die Arbeitsspannungen, denen die jeweils in Kaskade geschalteten Transistoreinrichtungen ausgesetzt sind, unterhalb der maximal zulässigen Grenzen gehalten sind. In typischer Weise können die Spannungsbegrenzungseinrichtungen Jeweils eine Nennspannung von 220 Volt besitzen.

In Reihe zu der letzten Transistoreinrichtung 14 der in Kaskade geschalteten, in dem Spannungsteilernetzwerk enthaltenen Transistoreinrichtungen ist eine Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung 15 geschaltet. Die Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung 15 kann mit der Transistoreinrichtung identisch sein, die in dem SpannungSteilertietzwÄrk enthalten ist; bei der betreffenden Transistoreinrichtung kann es sich um einen Transistor des Typs MJE 340 handeln, wie er von der Firma Semiconductor Division of Motorola,Inc., hergestellt wird und der eine mit einer Klemme 22 verbundene Steuerelektrode aufweist. Die Klemme 22 vermag ein ihr zugeführtes Steuersignal aufzunehmen und das betreffende Steuersignal an die Steuerelektrode der Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung 15 zum Zwecke der Stabilisierung des durch die Kollektorelektrode und die Emitterelektrode der Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung fließenden Stromes abzugeben. Demgemäß kann das Steuersignal eine von dem

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Spannungsteilernetzwerk oder von einer weiteren nicht dargestellten Schaltung gewonnene Spannung sein. Die Ausgangselektrode bzw. der Emitter der Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung 15 ist über eine Spannungsbegrenzungseinrichtung mit der Steuerelektrode der letzten Transistoreinrichtung 14 der in Kaskade geschalteten und in dem Spannungsteilernetzwerk enthaltenen Transistoreinrichtungen verbunden. Die Spannungsbegrenzungseinrichtung 21 kann in entsprechender V/eise wie die Spannungsbegrenzungseinrichtungen·19, 20 eine ZENER-Diode oder dgl. umfassen.

Die Ausgangselektrode bzw. der Emitter der Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung 15 ist über eine veränderbare bzw. variable Impedanzeinrichtung mit einer Bezugspotential, wie Erdpotential, führenden Stelle verbunden. Die Impedanzeinrichtung besteht aus in Reihe geschalteten Widerstandseinrichtungen 23 und 24 und einer Transistoreinrichtung 25. Die effektive Impedanz der in Reihe geschalteten Widerstandseinrichtungen 23 und 24 kann dadurch geändert werden, daß eine Schalteinrichtung im Nebenschluß zu der Widerstandseinrichtung 24 vorgesehen wird. In Fig. 1 ist veranschaulicht, daß die Schalteinrichtung aus einem herkömmlichen Schalttransistor 25 besteht, dessen Basis mit einer Klemme 26 verbunden ist, welcher ein Modulationssignal, wie ein Schaltimpuls begrenzter Dauer, zugeführt werden kann. Wie noch ersichtlich werden wird, bewirkt die Abgabe eines Schaltsignals an die Klemme 26, daß der Schalttransistor 25 aktiviert wird und die Impedanz zwischen der Ausgangselektrode bzw. dem Emitter der Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung 15 und Erdpotential verringert, wodurch der Strom ansteigt, der durch die Stromnutzeinrichtung 10 fließt. Im Unterschied dazu bewirkt die

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Abschaltung des Schalttransistors 25 eine Zunahme der Impedanz zwischen der Ausgangselektrode bzw. dem Emitter der Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung 15 und Erdpotential, wodurch der Strom absinkt, der durch die Stromnutzeinrichtung 10 fließt.

Im folgenden wird die Arbeitsweise der schematisch dargestellten Schaltung erläutert. Die der Eingangsklemme 11 zugeführte Spannung möge mit einer solchen Amplitude aufgenommen werden, daß die Spannungsbegrenzungseinrichtungen 19, 20 und 21 in ihren entsprechenden Leitzuständen arbeiten. Venn die Spannungsbegrenzungseinrichtungen als ZENER-Dioden angenommen werden, dürfte einzusehen sein, daß Jede der ZENER-Dioden in diesem Fall in ihrem Durchbruchsbereich arbeitet. Tritt die zugeführte Spannung jedoch mit einer niedrigeren Amplitude auf, so können die Spannungsbegrenzungseinrichtungen 19 und 20 nicht in ihren Leitzuständen arbeiten. Die Steuerelektroden der in dem Spannungsteilernetzwerk enthaltenen, in Kaskade geschalteten Transistoreinrichtungen ΛΖ bis 14 sowie die Steuerelektrode der Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung 15 werden auf einer nahezu konstanten Spannung gehalten, und zwar ungeachtet von Änderungen in der der Eingangsklemme zugeführten oder am Ausgang der Stromnutzeinrichtung 10 auftretenden Spannung. Damit ist jede der in Kaskade geschalteten Transistoreinrichtungen 12 bis 14 im Leitzustand vorgespannt, und die am Ausgang der Stromnutzeinrichtung 10 auftretende Spannung ist in gleicher Weise auf die Kollektor-Emitter-Elektrodenstrecken der Transistoreinrichtungen verteilt. Der Klemme 22 kann eine geeignete Vorspannung zugeführt werden, so daß die Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung 15 ebenfalls im Leitzustand vorgespannt ist. Dabei tritt ein

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angemessener Teil der zuvor erwähnten Ausgangsspannung an der Kollektor-Emitter-Elektrodenstrecke der betreffenden Transistoreinrichtung auf.

Es sei bemerkt, daß die an der jeweiligen Tr ans ist or ein-? richtung 12 bis 15 liegende Spannung das Auftreten eines Reststromes von der Kollektorelektrode zu der Basiselektrode der jeweiligen Transistoreinrichtung hervorruft. Demgemäß ist der durch die Stromnutzeinrichtung 10 fließende Strom I gleich der Summe der Restströme zuzüglich des Emitterstroms der Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung 15. Der Strom I kann somit durch folgende Gleichung angegeben werden:

^{1 = 1}CBO(QI) ^{+ 1}CBO(QZ) ^{+ 1}CBO(Qj) ^{+ 1}CBO(CA)' ^{+ 1}G

Da die Spannungsbegrenzungseinrichtungen 19 bis 21 jeweils ihren Leitzustand einzunehmen vermögen, werden die Restströme der Transistoreinrichtungen 12 bis 14 algebraisch zusammengefaßt und durch die Spannungsbegrenzungseinrichtung 21 in Form des Stromes i^ der Emitterelektrode der Strömstabllisierungs-Transistoreinrichtung 15 zugeführt. Der im Emitterkreis der Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung 15 liegende Strom ±2 kann im übrigen durch folgende Gleichung angegeben werden:

¹Z = ¹I ⁺ *e '

Demgemäß kann der durch die Stromnutzeinrichtung 10 fließende Strom I nunmehr wie folgt angegeben werden:

^{1 =} ¹Z ⁺ ¹CBO(CA)

Da der im Emitterkreis der Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung 15 fließende Strom ip durch das der Klemme 22 zugeführte Signal ohne weiteres geregelt bzw. stabilisiert werden kann, kann festgestellt werden, daß die Stabilität

des in der Stromnutzeinrichtung 10 fließenden Stromes I lediglich von dem Reststrom ^r-un(QL) abhängt, der in der Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung 15 hervorgerufen wird. Es dürfte einzusehen sein, daß der Reststrom der Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung 15 soweit herabgesetzt werden kann, daß er einen vernachlässigbaren Wert erlangt, wenn die Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung ausgewählt wird, um einen niedrigen Reststrom zu liefern. Im Unterschied dazu kann die Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung durch einen herkömmlichen Niederspannungs-Transistor gebildet sein. Hierdurch wird die Arbeitsweise des aus den in Kaskade geschalteten Transistoreinrichtungen 12 bis bestehenden Spannungsteilernetzwerks jedoch nicht beeinflußt, da der größte Teil der Spannung am Ausgang der Stromnutzeinrichtung 10 als an dem Spannungsteilernetzwerk liegend angenommen worden ist. Demgemäß kann jede Transistoreinrichtung der Transistoreinrichtungen 12 bis 14 durch einen Hochapannungs-Transistor gebildet sein, der relativ hohe Spannungen zu widerstehen imstande ist, und zwar insofern, als die Wirkung der auf diese Transistoren zurückgehenden Restströme, die bisher zu der Instabilität des durch die Stromnutzeinrichtung 10 fließenden Stromes I beigetragen haben, ohne weiteres durch das der Klemme 22 zugeführte Steuersignal unterdrückt bzw. aufgehoben werden kann.

Damit dürfte ersichtlich sein, daß durch die vorliegende Erfindung eine einzigartige Anordnung zur Stabilisierung des durch eine bei einer hohen Spannung arbeitenden Stromnutzeinrichtung fließenden Stromes geschaffen worden ist. Darüber hinaus sind die bisher bekannte Halbleitereinrichtungen auszeichnende Instabilitätswirkungen, die auf Restströme zurückzuführen sind, erfolgreich und mit geringem

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finanziellen Aufwand durch die Anordnung gemäß der Erfindung eliminiert worden.

Der durch die Stromnutzeinrichtung 10 fließende Strom kann demgemäß moduliert werden, ohne daß die Stabilität des betreffenden Stromes beeinflußt wird. Somit hängt die Größe des im Emitterkreis der Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung 15 fließenden stabilisierten Stromes i₂, der in der Größe nahezu gleich dem Strom I ist, welcher in· der Stromnutzeinrichtung 10 fließt, von der wirksamen Impedanz der veränderbaren Impedanzeinrichtung ab, die aus den Widerstandseinrichtungen 23 und 24 und dem Schalttransistor 25 besteht. Bei Fehlen eines Schaltsignals an der Klemme 26 tritt der Strom I mit einem Wert auf, der gleich der folgenden Beziehung genügt:

^V22 " ^vbe(Q4)

^RA ^{+ R}B

Hierin bedeuten Vpo äie &^er Klemme 22 zugeführte Spannung, ^vbe(Q4) ^{die s}P^annunS ^{an der} Basis-Emitter-Strecke der Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung 15, R^ der Widerstand der Widerstandseinrichtung 23 und R_ß der Widerstand der Widerstandseinrichtung 24. Wird der Klemme 26 ein Schaltsignal zugeführt, so wird der Schalttransistor 25 in die Sättigung gesteuert. Dadurch ist ein Kurzschlußkreis über die Widerstandseinrichtung 24 gebildet. In diesem Zustand ist der durch die Stromnutzeinrichtung 10 fließende Strom I nahezu gleich:

^V22 - ^vbe(Q4)

^RA

Obwohl die beschriebene und hier dargestellte Modulationsschaltung als diskreter Modulator angenommen worden ist, der aus einer veränderbaren Impedanzeinrichtung besteht, dürfte

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ohne weiteres einzusehen sein, daß die vorliegende Erfindung in Abhängigkeit von der Jeweiligen besonderen Anwendung auch ohne weiteres mit irgendeiner herkömmlichen Impulsmodulationsschaltung oder Dauermodulationsschaltung verwendet werden kann.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform der Stabilisierungsschaltung gemäß der Erfindung dargestellt, und zwar im Zusammenwirken mit einer kontinuierlich arbeitenden Strommodulationsschaltung. Diese Ausführungsform umfaßt eine Stromnutzeinrichtung 10, ein aus in Kaskade geschalteten Transistoreinrichtungen 12,13 und 14 bestehendes Spannungsteilernetzwerk, eine Stromregulierungs- bzw. Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung 15, eine Spannungsbegrenzungseinrichtung 21 und eine dauerndarbeitende Strommodulationsschaltung, die aus Transistoreinrichtungen 27 und 28 und Spannungsteilerwiderständen 29 und 30 besteht. Die Stromnutzeinrichtung 10, das Spannungsteilernetzwerk, die Stromstabilislerungs-Transistoreinrichtung 15 und die Spannungsbegrenzungseinrichtung 21 können den zuvor beschriebenen und in Fig. dargestellten entsprechenden Bauelementen völlig entsprechen. Demgemäß ist eine weitere Erläuterung hier nicht erforderlich; es dürfte vielmehr einzusehen sein, daß der durch die Stromnutzeinrichtung 10 fließende Strom I wirksam stabilisiert ist. Das im vorliegenden beschriebene Ausführungsbeispiel dient dazu, eine ständige Modulation des stabilisierten Stromes I von einem Maximalwert bis zu einem Minimalwert vorzunehmen. Die Transistoreinrichtung 27, die als Transistor des pnp-Leitfähigkeitstyps dargestellt ist, ist mit einer Steuerelektrode, wie der Basis, mit der Klemme verbunden. Eine Ausgangselektrode, wie der Kollektor, der betreffenden Transistoreinrichtung 27 ist mit einer Bezugs-

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potential, wie Erdpotential, führenden Schaltungsstelle verbunden. Die Eingangselektrode bzw. der Emitter der Transistoreinrichtung 27 ist mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Spannungsteilerwiderstände 29 und 30 verbunden. Die Spannungsteilerwiderstände sind zwischen der Klemme 22 und einer Erdpotential führenden Stelle miteinander in Reihe liegend angeordnet; sie vermögen die der Klemme 22 zugeführte konstante Spannung um einen solchen bestimmten Wert herunterzusetzen, daß der Emitterelektrode der Transistoreinrichtung 27 ein Vorspannungssignal zugeführt wird. Es dürfte ersichtlich sein, daß das Vorspannungssignal dazu dient, die Größe des Modulationssignals festzulegen, welches der Klemme 26 zugeführt werden muß, damit die Transistoreinrichtung 27 in ihrem Leitzustand gesteuert wird. Da die Transistoreinrichtung 27 als Transistor des pnp-Leitfähigkeitstyps dargestellt' ist, erfährt die betreffende Transistoreinrichtung eine Verstärkung ihrer Leitung, wenn die der Klemme 26 zugeführte Spannung in bezug auf die der Emitterelektrode der betreffenden Transistoreinrichtung zugeführte Spannung absinkt, Wenn demgegenüber die Spannungsdifferenz zwischen der Emitterelektrode der Transistoreinrichtung 27 und der Klemme 26 absinkt, d.h. in dem Fall, daß die der Klemme 26 zugeführte Spannung ansteigt, nimmt die Stromleitung der Transistoreinrichtung ab.

Die Emitterelektrode der Transistoreinrichtung 27 ist mit der Steuerelektrode, wie der Basis, der Transistoreinrichtung 28 verbunden. Die zuletzt genannte Transistoreinrichtung kann durch einen Transistor des npn-Leitfähigkeitstyps gebildet sein. Eine Eingangselektrode bzw. der Kollektor dieses Transistors ist mit der Emitterelektrode der Stromstabilisierungs-rTransistoreinrichtung 15 verbunden, und eine Ausgangselektrode bzw. der Emitter des betreffenden Transistors 28 ist

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über eine Widerstandseinrichtung 31 mit Erdpotential verbunden. Es dürfte einzusehen sein, daß die Transistoreinrichtung 28 stärker leitend werden kann, wenn die ihrer Steuerelektrode zugeführte Spannung ansteigt, und daß umgekehrt die Transistoreinrichtung 28 schlechter leitend werden kann, wenn die ihrer Steuerelektrode zugeführte Spannung absinkt. Demgemäß ändert sich die Höhe des durch die Transistoreinrichtung 28 fließenden Stromes proportional mit der der Steuerelektrode dieser Transistoreinrichtung zugeführten Spannung.

Im folgenden wird die Arbeitsweise der in Fig. 2 dargestellten Modulationsschaltung erläutert. Das der Klemme 26 zugeführte maximale Modulationssignal ist als Signal festgelegt, welches ausreicht oder nahezu ausreicht, die Transistoreinrichtung 27 in ihren nicht leitenden Zustand zu steuern. Da die Transistoreinrichtung 27 als Transistor des pnp-Leitfähigkeitstyps dargestellt ist, weist die Basis-Emitter-Spannung dieses Transistors einen geringen negativen Wert auf, wenn der Klemme 26 ein maximales Modulationssignal zugeführt wird. Wenn die der Emitterelektrode der Transistoreinrichtung 27 durch die Spannungsteilerwiderstände 29 und 30 zugeführte Vorspannung +8,7 V beträgt, kann in typischer Weise das maximale Modulationssignal +8,0 V betragen. Wenn die Transistoreinrichtung 27 ihren nichtleitenden Zustand einnimmt, ist die an der betreffenden Transistoreinrichtung liegende Spannung gleich der Vorspannung, die durch den Wideretand 30 geliefert wird. Die positive Vorspannung reicht aus, um die Transietoreinrichtung 28 in ihren leitenden Zustand zu steuern und den durch die betreffende Transistoreinrichtung fließenden Strom mit einem Maximalwert auftreten zu lassen. Es ist festzustellen, daß der durch die Stromnutzeinrichtung 10 fließende Strom I

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nahezu gleich der Summe der Ströme ist, die durch die Transistoreinrichtung 28 und durch die Widerstandseinrichtungen 23 und 24 fließen. Es sei hier darauf hingewiesen, daß der durch die Widerstandseinrichtungen 23 und 24 fließende Strom unabhängig vom Leitzustand der Transistoreinrichtung 28 ist und einen konstanten Wert annimmt. Dies wird erreicht mit Rücksicht darauf, daß die Spannung an den Widerstandseinrichtungen 23 und 24 gleich der der Klemme 22 zugeführten konstanten Spannung abzüglich der Basis-.Emitter-Spannung der Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung 15 ist. Demgemäß ist die Spannung an den Widerstandseinrichtungen 23 und 24 konstant.Folglich ist der durch die Widerstandseinrichtungen 23 und 24 fließende Strom konstant. Somit wird ein maximaler Stromfluß durch die Transistoreinrichtung erzielt, wenn der Klemme 26 ein maximales Modulationssignal zugeführt wird, wodurch ein maximaler Strom I in der Stromnutzeinrichtung 10 fließt.

Wird nunmehr das der Klemme 26 zugeführte Modulationssignal verkleinert, so wird die Basis-Emitter-Spannung der Transistoreinrichtung 27 zunehmend negativ, wodurch die Leiteigenschaft der Transistoreinrichtung 27 verbessert wird. Folglich sinkt die an der Emitterelektrode der Transistoreinrichtung 27 hervorgerufene Spannung ab, wenn die Spannung an der Transistoreinrichtung absinkt. Es "dürfte einzusehen sein, daß in dem Fall, daß die Emitterspannung der Transistoreinrichtung 27 abnimmt, die Stromleitung der Transistoreinrichtung 28 abnimmt. Die Kollektorspannung bleibt unbeeinflußt, und die einzige Auswirkung ist die Stromleitung. Es sei daran erinnert, daß der durch die Widerstandseinrichtungen 23 und 24 fließende Strom einen konstanten Wert annimmt. Somit führt eine Abnahme des durch die Transistoreinrichtung 28 fließenden Stromes zu einer proportionalen Abnahme des in der Stromnutz-

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einrichtung fließenden Stromes I. Es dürfte nunmehr einzusehen sein, daß in dem Fall, daß das der Klemme 26 zugeführte Modulationssignal fortschreitend verkleinert wird, und zwar solange, bis sein Minimalwert erhalten ist, die an der Emitterelektrode der Transistoreinrichtung 27 hervorgerufene Spannung entsprechend verringert wird. Dadurch wird die Transistoreinrichtung 28 in ihren nichtleitenden Zustand gesteuert. Somit wird der in der Stromnutzeinrichtung 10 fließende Strom I auf einen Minimalwert herabgesetzt. Wenn im Unterschied dazu das der Klemme 26 zugeführte Modulationssignal ansteigt, steigt der durch die Stromnutzeinrichtung fließende Strom I an. Damit dürfte ersichtlich sein, daß die in Fig. 2 dargestellte Modulationsschaltung eine kontinuierliche Modulation bzw.eine Dauermodulation des durch eine Stromnutzeinrichtung fließenden Stromes gemäß einem zugeführten Modulationssignal bewirkt. Es zeigt sich, daß in dem Fall, daß das Modulationssignal durch ein Impulssignal gebildet ist, welches abrupte Amplitudenänderungen zwischen einer Maximalamplitude und einer Minimalamplitude ermöglicht, der Strom I diskret in entsprechender Weise moduliert wird wie dies im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert worden ist. Damit ist die in Fig. 2 dargestellte Modulationsschaltung imstande, eine kontinuierliche oder diskrete Modulationsfunktion auszuführen, und zwar gemäß den besonderen Eigenschaften des ihr zugeführten Modulationssignals.

Obwohl die Transistoreinrichtungen 27 und 28 als durch Transistoren des pnp-Leitfähigkeitstyps bzw. des npn-Leitfähigkeitstyps dargestellt worden sind, dürfte einzusehen sein, daß die Transistorarten vertauscht werden können. Darüber hinaus kann die durch die Spannungsteilerwider-

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stände 29 und 30 gelieferte Vorspannung von irgendeiner anderen Spannungsquelle gewonnen werden als von dem der Klemme 22 zugeführten Steuersignal. Die betreffende Vorspannung kann dabei positiv oder negativ sein. Überdies können die Transistoreinrichtungen 27 und 28 durch Transistoren des pnp- oder npn-Leitfähigkeitstyps gebildet sein, wenn der durch die Stromnutzeinrichtung 10 fließende Strom bezogen auf das Modulationssignal in umgekehrter Beziehung zu ändern ist. Es dürfte verständlich sein, daß in dem Fall, daß die für das Modulationssignal festgelegten Maximal- und Minimalwerte überschritten werden, die vorstehend beschriebene Arbeitsweise der Modulationsschaltung nicht geändert wird, vorausgesetzt, daß die Transistoreinrichtungen 27 und 28 nicht über ihre Durchbruchskennwerte ausgesteuert werden.

Abschließend sei noch/bemerkt, daß die Erfindung vorstehend zwar im besonderen an Hand von Ausführungsbeispielen erläutert worden ist, daß aber ohne Abweichung vom Erfindungsgedanken noch eine Vielzahl von Modifikationen möglich ist.

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Claims

Patentansprüche

Anordnung zur Stabilisierung des durch eine Stromnutzeinrichtung fließenden Stromes, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Stromnutzeinrichtung (10) ein Spannungsteilernetzwerk verbunden ist, welches aus einer Vielzahl von Transistoreinrichtungen (12,13,14) besteht, die jeweils mit einer ersten Elektrode mit einer zweiten Elektrode einer unmittelbar vorhergehenden Transistoreinrichtung verbunden sind, daß eine Stromstabilisierungs*Transistoreinrichtung (15) vorgesehen ist, die mit einer ersten Elektrode mit der zweiten Elektrode der letzten zu dem Spannungsteilernetzwerk gehörenden Transistoreinrichtung (14) verbunden ist und die in Abhängigkeit von einer ihr zugeführten Steuerspannung den durch das Spannungsteilernetzwerk fließenden Strom zu stabilisieren gestattet, und daß eine Spannungsbegrenzungseinrichtung (21) vorgesehen ist, die mit einem ersten Anschluß mit der Steuerelektrode der letzten in dem Spannungsteilernetzwerk enthaltenen Transistoreinrichtung (14) und mit einem zweiten Anschluß mit der zweiten Elektrode der Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung (15) verbunden ist und welche die der betreffenden Steuerelektrode zugeführte Spannung zu begrenzen gestattet,
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsbegrenzungseinrichtung (21) einen einer Summierung der Restströme der zu dem Spannungsteilernetzwerk gehörenden Transistoreinrichtungen (12,13,14) entsprechenden Strom an die zweite Elektrode der Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung (15) abgibt.

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3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungsteilernetzwerk eine Vielzahl von Spannungsbegrenzungseinrichtungen (19,20) enthält, die mit den Steuerelektroden der zu dem Spannungs-

, teilernetzwerk gehörenden Trans!storeinrichtungen (12,13,14) verbunden sind und die den Maximalwert der den betreffenden Steuerelektroden zugeführten Spannung begrenzen.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsbegrenzungseinrichtungen (19,20) mit der Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung (15) verbunden und durch ZERER-Dioden gebildet sind.
5. Anordnung zur Stabilisierung des durch eine Stromnutzeinrichtung fließenden Stromes, insbesondere nach Anspruch 1, wobei die Stromnutzeinrichtung bei einer relativ hohen Spannung und niedrigem Strom betreibbar ist und wobei mit der Stromnutζeinrichtung ein Spannungsteilernetzwerk verbunden ist, welches eine Vielzahl von Transistoreinrichtungen umfaßt, deren jede ihr zugeführten relativ hohen Spannungen zu widerstehen imstande ist und die mit ihren Kollektor-Emitter-Strecken miteinander in Reihe geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung (15) mit ihrer Kollektor-Emitter-Strecke zu den in Reihe geschalteten Kollektor-Emitter-Strecken der zu dem Spannungsteilernetzwerk gehörenden Transistoreinrichtungen (12,13,14) in Reihe geschaltet ist, daß die Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung (15) auf ein ihrer Basis zugeführtes Steuersignal hin den durch ihre Kollektor-Emitter-Strecke fließenden Strom regelt und daß zwischen der Basis der letzten zu dem Spannungsteilernetzwerk gehörenden Transistoreinrichtung (15) und der Ausgangselektrode

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der Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung (15) eine Spannungsbegrenzungseinrichtung (21) vorgesehen ist, welche die an das Spannungsteilernetzwerk abgegebene Spannung begrenzt und an die genannte Ausgangselektrode eine Summe der Restströme abgibt, die in den zu dem Spannungsteilernetzwerk gehörenden Transistoreinrichtungen (12,13,14) auf die Zuführung der relativ hohen Spannungen hin auftreten.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsbegrenzungseinrichtung (21) eine ZENER-Diode ist.
7. Anordnung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, zur Modulation des durch ein Laserrohr fließenden Stromes, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Laserrohr (10) ein Spannungsteilernetzwerk (12,13,14) verbunden ist, daß in Reihe zu dem Spannungsteilernetzwerk (12,13,14) eine Eingangs- und Ausgangselektroden aufweisende Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung (15) angeordnet ist, die durch eine einer Steuerelektrode zugeführte Steuerspannung gesteuert den durch die Eingangs- und Ausgangselektroden fließenden Strom regelt, daß eine Spannungsbegrenzungseinrichtung (21) mit einem ersten Anschluß mit dem Spannungsteilernetzwerk (12,13,14) und mit einem zweiten Anschluß mit der genannten Ausgangselektrode verbunden ist und die dem Spannungsteilernetzwerk (12,13,14) zugeführte Spannung begrenzt, und daß in Reihe zu der Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung (15) eine veränderbare Impedanzeinrichtung (24,25) angeordnet ist, die durch ein ihr zugeführtes Modulationssignal gesteuert ihre Impedanz und in entsprechender Weise den durch das Laserrohr (15) fließenden Strom ändert.

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8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler eine Vielzahl von Transistoreinrichtungen (12,13,14) enthält, deren jede relativ hohen, ihr zugeführten Spännungen zu widerstehen vermag und die mit entsprechenden Eingangs- und Ausgangselektrodeh in Reihe geschaltet sind.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsbegrenzungseinrichtung (21) durch eine ZENER-Diode gebildet ist, die zwischen der Steuerelektrode der letzten zu dem Spannungsteilernetzwerk ge-

. hörenden Transistoreinrichtung (14) und der genannten Ausgangselektrode der Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung (15) angeordnet ist und die an die betreffende Ausgangselektrode der Strömstabilisierungs-Transistoreinrichtung (15) eine Summe von Restströmen abgibt, die in den zu dem Spannungsteilernetzwerk gehörenden Transistöreinrichtungen (12,13,14) auf die Zuführung der relativ hohen Spannungen hin auftreten.
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die veränderbare Impedanzeinrichtung (24,25) eine Widerstandseinrichtüng (24) und eine mit dieser Widerstandseinrichtung (24) verbundene Schalteinrichtung (25) enthält, welche auf ihre Aktivierung durch das Modulationssignal hin den Wert der Widerstandseinrichtung (24) zu ändern gestattet.
11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (25) durch eine Schalttransistoreinrichtung gebildet ist, die zu der Widerstandseinrichtung (24) parallelgeschaltet ist und die auf die Zuführung des Modulationssignals zu ihrer Steuerelektrode einen

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Kurzschluß für die Widerstandseinrichtung (24) bildet.
12. Anordnung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, zur Modulation des durch ein Laserrohr zu leitenden Stromes, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Laserrohr (10) ein Spannungsteilernetzwerk (12,13,14) verbunden ist, daß in Reihe zu dem Spannungsteilernetzwerk eine Eingangs- und Ausgangselektroden aufweisende Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung (15) geschaltet ist, die durch eine einer Steuerelektrode zugeführte Steuerspannung gesteuert den durch die Eingangs- und Ausgangselektroden fließenden Strom stabilisiert, daß eine Spannungsbegrenzungseinrichtung (21) mit einem ersten Anschluß mit dem Spannungsteilernetzwerk (12,13,14) und mit einem zweiten Anschluß mit der genannten Ausgangselektrode verbunden ist und die dem Spannungsteilernetzwerk (12,13,14) zugeführte Spannung begrenzt, daß mit der StromstablIisierungs-Transistoreinrichtung (15) eine Impedanzeinrichtung (23,24) in Reihe geschaltet ist, durch die ein konstanter Strom fließt, und daß parallel zu der Impedanzeinrichtung (23,24) eine veränderbare Leiteinrichtung (27,28) geschaltet ist, die durch ein ihr zugeführtes Modulationssignal gesteuert ihre Stromleiteigenschaften ändert und damit in entsprechender Weise den durch das Laserrohr (10) fließenden Strom.
13* Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungsteilernetzwerk eine Vielzahl von Transistoreinrichtungen (12,13,14) enthält, die jeweils relativ hohen zugeführten Spannungen zu widerstehen vermögen und die jeweils mit Eingangs- und Ausgangselektroden in Reihe geschaltet sind.

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14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsbegrenzungseinrichtung (21) durch eine ZENER-Diode gebildet ist, die zwischen der Steuerelektrode der letzten zu dem Spannungsteilernetzwerk gehörenden Transistoreinrichtung (14) und der Ausgangselektrode der Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung (15) geschaltet ist und die an die genannte Ausgangselektrode der Stromstabilisierungs-Transistoreinrichtung (15) eine Summe der Restströme abgibt, die in den zu dem Spannungsteilernetzwerk gehörenden Transistoreinrichtungen (12,13,14) bei Anlegen der relativ hohen Spannungen auftreten.
15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die veränderbare Leiteinrichtung (27,28) komplementäre Transistoreinrichtungen (27,28) umfaßt, von denen die erste Transistoreinrichtung (27) eine Leiteigenschaft aufweist, die sich in umgekehrter Beziehung zu dem Modulationssignal ändert, und von denen die zweite Transistoreinrichtung (28), die mit der ersten Transistoreinrichtung (27) verbunden ist, eine Leiteigenschaft aufweist, die sich in direkter Beziehung mit dem Modulatipnssignal ändert.
16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Transistoreinrichtung (27) das Modulationssignal aufnimmt und daß die zweite Transistoreinrichtung (28) durch die erste Transistoreinrichtung (27) gesteuert und zu der Impedanzeinrichtung (23,24) parallelgeschaltet ist.

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