-
-
Beschreibung
-
"Doppelweggleichrichterschaltung" Die Erfindung betrifft eine Doppelweggleichrichterschaltung
zur präzisen Gleichrichtung von Wechselspannungen.
-
Präzise Gleichrichterschaltungen sind aus der Technik "Elektronischer
Analogrechner" bekannt. Ein Beispiel hierfür zeigt FIG. 1, das aus dem Blatt mit
Anwendungsbeispielen der Fa. Knott Elektronik, München (1965) entnommen ist.
-
Die bekannte Gleichrichterschaltung erfordert neben den beiden Operationsverstärkern
V1 und V2 präzise Hochohmwiderwände. Hochohmige und außerdem genaue Widerstände,
sowie festes Bezugspotential bedeuten für Schaltungen, die monolithisch integriert
werden sollen, erhebliche Schwierigkeiten.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik
zu verbessern. Insbesondere soll eine Doppelweggleichrichterschaltung der eingangs
genannten Art angegeben werden, die sich problemlos und ohne großen Aufwand als
integrierte Schaltung realisieren läßt, deren Umwandlungskennlinie steuerbar ist
und deren Eingangs- und/oder Ausgangspotential weitgehend frei wählbar ist.
-
Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannte Erfindung gelöst.
Differenzverstärker mit hohem Ausgangswiderstand sind einfach als integrierte Schaltung
herstellbar. Gegenüber ihrem hohen Innenwiderstand (Ausgangswiderstand) ist die
Nichtlinearität der an ihrem Ausgang angeschlossenen Gleichrichter praktisch ohne
Einfluß. Die Verstärkung von Differenzverstärkern läßt sich in einfacher Weise steuern,
wie weiter unten näher erläutert wird, so daß sich die Umwandlungskennlinien in
gewünschter Weise einstellen lassen, Eingangs- und Ausgang potentiale der Differenzverstärker
erlauben die Schaltungsanordnung an die jeweiligen Verhältnisse anzupassen.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen angegeben. Gemäß Anspruch 2 werden als Differenzverstärker
mit Vorteil solche mit zwei Gegentakttransistoren vorgesehen, in deren gemeinsamer
Emitterzuleitung eine Stromquelle geschaltet ist und welche als Lastwiderstände
eine Stromspiegelschaltung aufweisen. Ist nur eine der Stromquellen der Differenzverstärker
steuerbar, so lassen sich die Kennlinien beider Differenzverstärker exakt gleich
einstellen. Sind dagegen beide Stromquellen steuerbar, so ist außerdem die Steigung
der Umwandlungskennlinie einstellbar, wie es beispielsweise
bei
sprachgesteuerten Schaltungen (Freisprechanlagen) erforderlich ist.
-
Die Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 3 faßt jeweils zwei
Gegentakttransistoren der Differenzverstärker zu einem Doppelkollektortransistor
zusammen, wodurch sich realisiert als integrierte Schaltung eine vorteilhafte Schaltungsvereinfachung
und Platzeinsparung ergibt.
-
Wird die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 4 weitergebildet,
so sind die Ausgangskennlinien verschiebbar, indem ihnen eine positive oder negative
Gleichstromkomponente überlagert wird.
-
Sollten die Kennlinien bis zur Ausgangsspannung Null aussteuerbar
sein, so ist die Erfindung gemäß Anspruch 5 weiterzubilden. Diese Weiterbildung
ist leicht so abwandelbar, daß die Ausgangskennlinien zusätzlich bei einem bestimmten
maximalen Ausgangswert unabhängig von der Kennlinienverschiebung begrenzt werden.
-
Die Erfindung wird nun anhand von in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigen im einzelnen: FIG. 2: Prinzipschaltung der erfindungsgemäßen
Doppelweggleichrichterschaltung; FIG. 3: Ein erstes Ausführungsbeispiel mit zwei
getrennten Differenzverstärkern; FIG. 4: Kennlinien der in FIG. 3 dargestellten
Schaltung;
FIG. 5: Ein zweites Ausführungsbeispiel mit durch Doppelkollektortransistoren
zusammengefaßten Differensverstärkern und einer ersten Schaltung zur Kennlinienverschiebung;
FIG. 6: Kennlinien der in FIG. 5 dargestellten Schaltung; FIG. 7: Ein drittes Ausführungsbeispiel
mit zusammengefaßten Differenzverstärkern und einer anderen Schaltung zur Kennlinienverschiebung;
FIG. 8: Kennlinien der in FIG. 7 dargestellten Schaltung bei Umschaltung gemäß Beschreibung.
-
In FIG. 2 ist die Prinzipschaltung der erfindungsgemäßen Doppelweggleichrichterschaltung
dargestellt. Sie zeigt zwei Differenzverstärker 1 und 2, die über je einen Gleichrichter
16 bzw. 26 mit dem Ausgang A der Doppelweggleichrichterschaltung verbunden sind.
Am Ausgang A ist gegen Bezugspotential, im Ausführungsbeispiel OV, ein Lastwiderstand
RL geschaltet, an welchem die gleivdgerichtete Spannung abgreifbar ist.
-
Beide Verstärker sollen einen möglichst hohen Ausgangswi derstand
(Innenwiderstand) aufweisen, damitdie Nichtlinearitäten der Gleichrichter 16 und
26, die als Halbleiter-Dioden oder als Diode geschaltete Transistoren realisiert
sein können, ohne Einfluß auf den Ausgangsstrom, und damit bei einem ohmschen Lastwiderstand
RL auf die Ausgangsspannung, bleiben.
-
Der nichtinvertierende Eingang des ersten Differenzverstärkers 1 ist
wie ersichtlich zum einen mit dem invertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers
2 und zum anderen mit einem ersten Eingang El verbunden.
-
Der invertierende Eingang des ersten Differenzverstärkers 1 ist zum
einen mit dem nichtinvertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers 2 und
zum anderen mit einem zweiten Eingang E2 der Doppelweggleichrichterschaltung verbunden.
-
Zur Vereinfachung werden im folgenden die Eingangsklemmen und die
Spannungen an den Eingangsklemmen mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, da
hierdurch keine Verwechslungen eintreten. Ist z.B. die Spannung E2 größer als die
Spannung El,. so steuert der Verstärker 2 den Gleichrichter 26, andernfalls der
Verstärker 1 den Gleichrichter 16 leitend.
-
Durch die bteuerspPnnungen Ueti und U5t2 -in FIG. 2 ist angedeutet,
daß mindestens einer der beiden Differenzverstärker 1 oder 2 in seiner Verstärkung
steuerbar sein soll. Ist nur ein Verstärker steuerbar, so sind zwei völlig gleichartige
Kennlinien einstellbar. Sind dagegen beide Verstärker steuerbar, so ist die Steilheit
der Ausgangskennlinien in gewünschter Weise einstellbar.
-
Diese Steuerung wird ausführlicher im Ausführungsbeispiel der FIG.
3 mit zugehörigen Kennlinien 4 näher erläutert.
-
Wie FIG. 3 zeigt, sind die beiden Differenzverstärker 1 und 2 der
FIG. 2 hier als Transistorverstärker mit zwei Gegentakttransistoren 11 und 12 bzw.
21 und 22 realisiert, in deren gemeinsamer Emitterzuleitung eine Stromquelle 13
bzw. 23 geschaltet ist. Mindestens eine der beiden Strom-
quellen
ist steuerbar. Als Arbeitswiderstand in den Kollektorzuleitungen der beiden Gegentakttransistoren
ii und 12 des ersten Differenzverstärkers ist eine erste Stromspiegelschaltung bestehend
aus den Transistoren 14 und 15 vorgesehen und in den Kollektorzuleitungen der beiden
Gegentakttransistoren 22 und 21 des zweiten Differenzverstärkers eine zweite Stromspiegelschaltung
mit den Transistoren 24 und 25.
-
Die Wirkung der Stromspiegelschaltung sei beim ersten Differenzverstärker
näher erläutert. Der Kollektorstrom des Transistors 11 fließt in den als Diode geschalteten
Transistor 14 der Stromspiegelschaltung. Der Spannungsabfall am als Diode geschalteten
Transistor 14 steuert die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 15 der Stromspiegelschaltung.
Wird diese Schaltung integriert und werden auf dem Halbleiterplättchen die Transistoren
gleichartig, also mit gleichen Emitter- und Kollektorflächen auagebildet, so wird
vom Tran sistor 14 der Transistor 15 so gesteuert, daß bei Kollektor spannungen
des Transistors 15 oberhalb seiner Restspannung (> 0,2 V) sein Kollektorstrom
gleich dem Kollektorstrom des Transistors ii ist.
-
Die Eollektor-Emitter-Strecken der Transistoren 12 und 15 sind beide
hochohmig, so daß der am gemeinsamen Kollektor der Transistoren 12 und 15 angeschlossene
Gleichrichter 16 hochohmig ausgesteuert wird.
-
Der zweite Differenzverstärker ist genauso aufgebaut wie der erste.
Lediglich die Eingangsleitungen zu den Transistoren 21 und 22 sind gegenüber dem
ersten Differenzverstärker vertauscht an den Eingangsklemmen E2 bzw. El angeschlossen.
-
Je nach der Polarität der Eingangsspannung (E2 - E1) fließt in den
Ausgang A der Gleichrichterschaltung ein der bingangsspannung proportionaler gleichgerichteter
Strom unabhängig von der Höhe der Ausgangsspannung am Lastwiderstand RL und zwar
solange, wie diese in den Grenzen Min 0,2 V und UMax (Uo U - 0,2 V) bleibt, wobei
UO die Betriebsspannung der Stromquellen 13 und 23, U13 der Spannungsabfall an der
Stromquelle 13, der gleich dem Spannungsabfall an der Stromquelle 26 sein möge,
und 0,2 V die Restspannung der Transistoren 15 bzw. 13 ist.
-
Wird für die Stromquellen 13 und 23 z.B. eine aus gesteuerten PNP-Transistoren
bestehende Stromquelle verwendet (A. Grebene: Analog Integrated Circuit Design (1972),
S. 115, Fig. 4.2), so liegt der minimal zulässige Spannungsabfall ebenfalls bei
etwa 0,2 V, so daß die in FIG. 3 gezeigte Gleichrichterschaltung bereits mit sehr
niedrigen Betriebsspannungen U arbeiten kann. Ein parallel zum Last-0 widerstand
Rt geschalteter Kondensator C beeinflußt den in den Ausgang A fließenden gleichgerichteten
Strom nicht.
-
In einer Stromspiegelschaltung, beispielsweise der aus den Transistoren
14 und 15 bestehenden, ist der Kollektorstrom des Transistors 15 gleich dem des
Transistors 11. Der gleichgerichtete, in den Ausgang A fließende Strom ist folglich
der Differenzstrom der Kollektorströme der Transistoren ii und 12 bzw. 21 und 22.
Wegen der hohen Verstärkung der Differenzverstärker (etwa 55 dB) und deren hohem
Innenwiderstand hat die gekrümmte Kennlinie der Gleichrichter 16 und 26 keinen Einfluß
auf die Stromumwandlungskennlinien.
-
In FIG. 4 ist als otromumwandlungskennlinien die Gleichrichterkennlinie
IA = f (E2 - E1) dargestellt. Bis auf
einen Restfehler von +1 mV
bezogen auf die Eingangsspannung (2 - El) ist die Kennlinie linear. Ihre Steigung
ist durch die Ströme der Stromquellen 13 und 23 (FIG. 3) bestimmt, weil die Steilheit
einer Transistorkennlinie dem Emitterstrom proportional ist. Werden z. B. beide
Stromquellen auf einen niedrigeren Strom 113 g I23 gesteuert, so ändert sich die
Steigung der Kennlinien von Kennlinie a auf Kennlinie b (FIG. 4). Bei gleichen Eingangsspannungen
der Gleichrichterschaltung (E2 - Ei = konst) ist der Ausgangsstrom 1A proportional
I13 bzw. 1230 Die Kennlinien münden bei zunehmender Aussteuerung der Differenzverstärker
oberhalb von +100 mV in einen konstanten Ausgangsstrom, da oberhalb von +100 mV
die Dif.renzverstärker übersteuert werden. Dieser maximale Ausgangsstrom ist gleich
dem Strom der Stromquelle 13 bzw. 23.
-
Die Begrenzung des Ausgangs stromes ist von großem Vorteil bei der
Verwendung der erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung in sprachgesteuerten Schaltungen,
z. B. in Freisprecheinrichtungen oder Gegensprechanlagen, in denen ein Sprachsignal
gleichgerichtet wird zur S.uerung von Dämpfungsgliedern, die jeweils eine tbertragungsrichtung
bevorsugen. Die dort erforderlichen Regelkreise sollen schnell auf kleine Signalspannungen
ansprechen. Bei dieser Anwendung ist die hohe Linearität der Gleichrichterkenn-,linien
der erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung in Verbindung mit der geringen Welligkeit
der Ausgangsgleichspannung am Kondensator C bei tbersteuerung und der dadurch bedingten
Strombegrenzung von besonderem Vorteil. Durch die Steuerbarkeit der Kennlinien über
die Stromquellen lassen sich die Gleichrichterkennlinien an die Sprechlautstärken
optimal anpassen.
-
Außerdem läßt sich die Strombegrenzung gut zur Reduktion von Uberstellerungseffekten
verwenden. Ein linearer Gleichrichter würde nämlich bei einem vorübergehend sehr
lauten Geräusch und damit einer sehr großen Eingangsspannung am Gleichrichter einen
Ladekondensator, wie z.B. C in FIG. 3, stark aufladen, so daß eine große Erholzeit
verginge, bis die zu regelnde Spannung wieder ihren Sollwert erreicht hat.
-
Die in FIG. 3 gezeigte Schaltung ist in vorteilhafter Weise recht
flexibel. So sind bei Bedarf durch unterschiedliche Steuerung der Stromquellen 13
und 23 für negative Eingangsspannungen (E2 - 31) andere Kennliniensteigerungen erzielbar
als für positive. Ist eine präzise Einweggleichrichterschaltung gewünscht, so kann
der zweite Differenzverstärker inklusive Gleichrichter 26 eingespart werden.
-
In FIG. 5 ist gezeigt, wie in einfacher Weise eine Doppelweggleichrichterschaltung
gemäß FIG. 3 als integrierte Schaltung realisiert werden kann, wenn für beide Kennlinienzweige
gleiche Steigung erwünscht ist. In dieser Weiterbildung sind die Gegentakttransistoren
11 und 12 bzw. 21 und 22 der FIG. 3 jeweils als Doppelkollektortransistoren 111
bzw. 211 ausgebildet. Der erste Kollektor des ersten Doppelkollektortram istors
111 ist mit dem als Diode geschalteten Transistor 14 der ersten Stromspiegelschaltung
verbunden.
-
Der zweite Kollektor des ersten Doppelkollektortransistors 111 ist
mit dem gesteuerten Transistor 25 der zweiten Stromspiegelschaltung verbunden. Der
erste Kollektor des zweiten Doppelkollektortransistors 211 ist mit dem als Diode
geschalteten Transistor 24 der zweiten Stromspiegelschaltung
verbunden.
Der zweite Kollektor des zweiten Doppelkollektortransistors.211 ist an den gesteuerten
Transistor 15 der ersten Stromspiegelschaltung angeschlossen und fernerhin ist der
jeweilige zweite Kollektor eines Doppelkollektortransistors zusätzlich über einen
Gleichrichter 16 bzw. 26 mit dem Ausgang A verbunden.
-
Durch diese Zusammenfassung der beiden Differenzverstärker entfällt
auch die Stromquelle 23 (FIG. 3). Die steuerbare Stromquelle 13 muß dafür einen
doppelt so hohen Strom liefern und ist in FIG. 5 mit 113 bezeichnet.
-
In FIG. 5 ist ferner eine erste Möglichkeit gezeigt, um die Gleichrichterkennlinien
der erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung parallel zu verschieben, indem dem
Ausgangsstrom ein konstanter Gleichstrombetrag hinzugefügt oder abgezogen wird.
Hierzu ist ein weiterer Differenzverstärker mit einer Stromspiegelschaltung am Ausgang
A angeschlossen, dessen Eingänge E3 und E4 mit einer'in FIG. 5 nicht gezeigten Steuerspannungsquelle
verbunden sind.
-
Je nach Vorzeichen der Steuerspannung (E - E3) fließt ein Zusatzgleichstrom
in positiver oder negativer Richtung in den Ausgang A der Gleichrichterschaltung,
der die in FIG. 6 gezeigten Gleichrichterkennlinien der in FIG. 5 gezeigten Schaltung
nach oben bzw. unten verschiebt.
-
In FIG. 6 sind die Kennlinien UA = f (E2 - El) dargestellt, für den
Fall, daß die Gleichrichterschaltung der FIG. 5 rein ohmisch belastet ist (C - 0).
Für die Kennlinie a ist E3 . B4. Die Steigung und der Wert der Spannungsbegrenzung
der
Kennlinien werden durch die Größe des Stromes der Stromquelle 113 bestimmt. Wird
z.B. E3 negativer als E4, so wird der Transistor 31 stärker aus gesteuert und die
Kennlinie a verschiebt sich in Richtung der Kennlinie d.
-
Wird dagegen E3 positiver als E4 gesteuert, so verschiebt sich die
Kennlinie a in Richtung der Kennlinie c.
-
Wie ersichtlich, hat diese Art der Kennlinienverschiebung den Nachteil,
daß für kleine Gleichspannungen am Ausgang a die Restspannung URest des Transistors
34 der dritten Stromspiegelschaltung störend ist, wodurch die Kennlinien nicht bis
zur Ausgangsspannung UA = 0 durchgesteuert werden können.
-
In FIG. 7 ist eine vorteilhafte Weiterbildung gezeigt, bei der dieser
Nachteil vermieden ist. Die linke Hälfte der in FIG. 7 gezeigten Schaltung ist identisch
mit der linken Hälfte der in FIG. 5 gezeigten. Der weitere Differenzverstärker ist
jedoch nicht am Ausgang A angeschlossen, sondern speist zwei Zusatzgleichströme
in die zusammengefaßten Differenzverstärker ein.
-
Die Eingänge E3 und E4 des weiteren Differenzverstärkers sind wiederum
mit einer in der FIG. 7 nicht dargestellten Steuerspannungsquelle verbunden. Bei
diesem weiteren Differenzverstärker ist ein Gegentakttransistor als ein dritter
,Doppelkollektortransistor 311 ausgebildet. Der andere Gegentakttransistor 32 ist
mit dem als Diode geschalteten Transistor 35 einer dritten Stromspiegelschaltung
verbunden. Dieser als Diode. geschalteter Transistor 35 steuert jedoch diesmal zwei
Transistoren 341 und 342 der Stromspiegelschaltung. Die Kollektoren der Transistoren
341
und 342 sind an Je einem Kollektor des dritten Dopppelkollektortransistors
311 angeschlossen. Je ein Kollektor des dritten Doppelkollektortransistors 311 ist
ferner über einen Gleichrichter 16 bzw. 26 mit dem Ausgang A der Doppelweggleichrichterschaltung
verbunden.
-
Die als Gleichrichter verwendeten Dioden oder Transistoren 16 und
26 sollen eine Schleusenspannung haben, die etwa gleich der Restspannung der Transistoren
341 bzw. 342 ist.
-
Die erzielbaren Gleichrichterkennlinien verlaufen nun wie in FIG.
6 strichliert angegeben, also bis zur Ausgangsspannung UA S OV. Da in FIG. 7 identische
Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind wie in FIG. 5, entspricht die Beschreibung
der Kennlinien a, c und d der FIG. 6 der Beschreibung der Kennlinien zu FIG. 5,
nur daß statt der Einspeisung des Zusatzstromes nach den Gleichrichtern 16 und 26
(FIG. 5) in FIG. 7 zwei > iche Zusatzströme vor den Gleichrichtern 16 und 26
eingespeist werden.
-
Aus FIG. 6 ist entnehmbar, daß die Einspeisung des Zusatzgleichstromes
auch die obersteuerungßgrenzen verschiebt.
-
Stellt dieses einen Nachteil dar, so ka:n gemäß einer Schaltungsvariante
der FIG. 7 dieser Nachteil vermieden werden. Hierzu ist in FIG. 7 der erste Kollektor
37 des dritten Doppelkollektortransistors 311 nicht mit Punkt 17 sondern mit dem
ersten Kollektor 27 des zweiten Doppel-.kollektortransistors 211 und der zweite
Kollektor 38 des dritten Doppelkollektortransistors 311 nicht mit Punkt 28 sondern
mit dem ersten Kollektor des ersten Doppelkollektortransistors 111 zu verbinden.
-
Durch diese Schaltungsmaßnahmen kann der Zusatzgleichstrom
lediglich
die als Diode geschalteten Transistoren 14 bzw.
-
24 beeinflussen Der maximale Ausgangsgleichstrom und die Steigung
der Gleichrichterkennlinien ist durch den Strom der Stromquelle 113 gegeben. Dies
ist in FIG. 8 dargestellt.
-
In FIG. 8 sind die Gleichrichterkennlinien UA = f (E2 - E1) für die
abgewandelte Schaltung der FIG. 7 für den Fall C -0 gezeigt. Die Kennlinie a entsteht
bei der Steuerspannung (E4 - E3) = O. Für E3 negativer als E4 wird der Transistor
311 stärker ausgesteuert. Seine höheren Kollektorströme fließen durch die als Diode
geschalteten Transistoren 14 und 24, so daß die von diesen Transistoren gesteuerten
Transistoren 15 bzw. 25 höhere Ströme ziehen, welche die Ausgangsströme.durch die
Schaltungspunkte 17 und 28 reduzieren, wodurch die Kennlinie a sich in Richtung
auf die Kennlinie c verschiebt. Die Strombegrenzung bzw. Spannungsbegrenzung tritt
bei der Kennlinie c durch Ubersteuerung des Differenzverstärkers durch Eingangsspannungen
(E2 - El) > 100 mV auf.
-
Ist E3 positiver als E4, so werden die Transistoren 15 und 25 weniger
stark ausgesteuert. Dadurch verschiebt sich die Kennlinie a zur Kennlinie f. Die
Strombegrenzung bzw. Spannungsbegrenzung wird durch den konstanten Strom der steuerbaren
Stromquelle 113 bewirkt.
-
Bs sei nochmals darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäße Gleichrichterschaltung
eine Stromquelle für gleichgerichtete Eingangsspannungen darstellt. Daher spielt
das Ausgangspotential des. Ausgangs A im Rahmen der Aussteuerungsgrenzen der Gleichrichterschaltung
keine Rolle. Der Ausgang A kann daher auch an einen vorgespannten Verstärkereingang
angeschlossen werden.
-
Die erfindungsgemäße DoppelweggleichrichterschaMung wurde lediglich
an Ausführungsbeispielen erläutert. Die Erfindung umfaßt selbstverständlich auch
entsprechende Schaltungen mit komplementären Transistoren.
-
Ein zusätzlicher Vorteil der in den Figuren 3, 5 und 7 gezeigten Ausführungsbeispiele
ist es, daß sie auch bei Aussteuerung der Gleichrichterschaltung keinen pulsierenden
Gleichstrom sondern einen konstanten Gleichstrom aus der Betriebsspannungsquelle
UO aufnehmen, so daß keine zusätzlichen Siebmittel erforderlich sind.