<Desc/Clms Page number 1>
Wenigstens zwei Transistorverstärkerstufen aufweisender
Gleichstromschaltverstärker
Die Erfindung bezieht sich auf einen wenigstens zwei Transistorverstärkerstufen aufweisenden Gleich- stromschaltverstärker, bei dem ein im Eingangskreis der ersten Transistorverstärkerstufe auftretender, einen bestimmten Schwellwert überschreitender Impuls, den während des Betriebes sich lastabhängig ver- ändernden Verbraucherstrom des im Ausgangskreis der letzten Verstärkerstufe liegenden Nutzwiderstandes mit relativ niedriger, beispielsweise weniger als 150u/sec betragender Schaltzeit steuert, und bei dem wenigstens zwei der Transistoren so betrieben werden, dass sie ihre Kennlinien gegensinnig durchlaufen.
Gemäss der Erfindung ist vorgesehen, dass in an sich bekannter Weise, ein Rückkopplungswiderstand zwischen der Ausgangselektrode der letzten Verstärkerstufe und der Eingangselektrode der ersten Verstarkerstufe geschaltet ist, dass neben einem parallel zum Eingang der ersten Verstärkerstufe geschalteten Widerstand ein die Basis des Transistors der ersten Verstärkerstufe mit konstant eingestelltem Basisstrom versorgendes Schaltelement vorgesehen ist, das die Steuerung in den Auszustand automatisch vornimmt, und dass der Rückkopplungswiderstand im Zusammenwirken mit den in der Basiszuleitung liegenden Elementen der ersten Verstärkerstufe den Verbraucherstrom beim Überschreiten eines oberen Grenzwertes abschaltet.
Dabei können entweder zur Erzeugung des Ein- bzw Ausschaltimpulses Tasten vorgesehen sein, oder es kann als Einschaltimpuls ein Stromimpuls bestimmter Polarität beliebiger Länge und als Ausschaltimpuls ein Stromimpuls mit einer dem Eingangsimpuls entgegengesetzten Polarität beliebiger Länge Verwendung finden.
Schnell schaltende Relais, die Transistoren verwenden, sind an sich bekannt. Es handelt sich dabei zum Teil um rückgekoppelte Schaltungen, die aber im Gegensatz zur Erfindung mit Komplementärtransi- storen aufgebaut sind, daher durchlaufen die Transistoren die Kennlinie nicht gegensinnig sondern gleichsinnig.
Der Rückkopplungswiderstand zwischen derAusgangselektrode der letzten Verstärkerstufe und der Eingangselektrode der ersten Verstärkerstufe hat die Aufgabe, die Ein- und Ausschaltzeiten des zugehörigen Relais, das im Ausgangskreis liegt und auf Grund eines Eingangsimpulses in den Ein- oder Auszustand schaltet, zu reduzieren.
Zweck des Rüekkopplungswiderstandes gemäss der Erfindung ist die Begrenzung des Basisstromes für den ersten Transistor, wodurch der maximale I aststrom eingestellt wird.
In Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, dass zum Schutz des in der zweiten Verstärkerstufe angeordneten Transistors, bei Verwendung einer Sprungfunktion als Eingangsimpuls ein RC-Glied im Eingangskreis der ersten Verstärkerstufe Verwendung findet.
Die Erfindung wird an Hand von vier als Ausführungsbeispiele zu wertenden Schaltschemata näher erläutert. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein zwei Verstärkerstufen aufweisender Gleichstromschaltverstärker mit den beiden Transistoren Tri und Tr dargestellt. Legt man die Betriebsspannung an die Klemmen 2 und 3, so wird der Transistor Trz mittels des Kopplungswiderstandes Ra in Durchlassrichtung gesteuert. Es fliesst nun ein grosser Ladestrom zum Kondensator Cl und lädt diesen über die niederohmige Kollektor-Emitterstrecke des Transistors Tr rasch auf. Der'Anfangsladestrom ist so gross, dass der durch den Widerstand R eingestellte Basisstrom nicht mehr ausreicht, um den Transistor voll durchzusteuern.
Dies bewirkt eine impulsartige Vergrösserung der Kollektor-Emitterspannung des End-
<Desc/Clms Page number 2>
transistors Tr , so dass am Spannungsteiler, der aus den Widerständen R und Ra gebildet wird, eine Span- nung liegt, die den Transistor TrI über den Widerstand Rz in Durchlassrichtung steuert. Die Kollektor-
Emitterspannung dieses Transistors wird dadurch verkleinert, das Potential an der Basis des zweiten Tran- sistors positiver und die Sperrung desselben eingeleitet. Der Kondensator Ci entlädt sich nun wieder über den Nutzwiderstand RL bis zu jener Spannung, die dem Restspannungsabfall an RL entspricht. Der durch diesen Widerstand fliessende Gesamtreststrom setzt sich aus dem Basisstrom der ersten Stufe und demKol- lektorreststrom der zweiten Stufe zusammen.
Das Kollektorpotential des zweiten Transistors wird nun so weit negativ, dass der erste Transistor über den Widerstand R ; voll durchgesteuert wird und in diesem Zu- stand bleibt. Dieser beschriebene Vorgang geht bei entsprechender Dimensionierung des Kondensators Cl sehr rasch vor sich, so dass praktisch während dieser Zeit der Verbraucherwiderstand RL stromlos bleibt.
Verwendet man als Nutzwiderstand RL einen Kaltleiter, z. B. ein Lämpchen, so kann der Kondensator Cl entfallen, da der Ladestrom des Kondensators durch den niederohmigen Anschaltzustand des Kaltleiters nachgeahmt wird. Der Kondensator C. kann ebenfalls entfallen, wenn es nicht erforderlich ist, dass der zweite Transistor bei Anlegen der Betriebsspannung gesperrt wird.
Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung ist nunmehr betriebsbereit. Schon bei kurzzeitiger
Betätigung der Taste T. oder bei Auftreten eines Steuerstromes, der unter Anwendung der bei Vierpolen üblichen technischen Vorzeichenregel von Klemme 1 nach Klemme 2 fliesst, wird das Potential des Poten- tialpunktes 6 positiver. Dadurch wird der Kollektorstrom des Transistors Tr, verkleinert und sein Kollek- torpotential negativer. Da dieses Potential - am Potentialpunkt 5 - mit dem Basispotential der zweiten
Stufe identisch ist, wird der Kollektorstrom der zweiten Stufe vergrössert.
Das Kollektorpotential der zweiten Stufe-Potentialpunkt 4-wird nun positiver und bewirkt über den Widerstand R eine wei- tere Verschiebung des Basispotentials der ersten Stufe zum Positiven, so dass die zweite Stufe rasch voll durchgeschaltet wird. Die Steuerimpulslänge muss gleich oder grösser der Ladezeit des Konden- sators Cl sein, um den Durchlasswiderstand der zweiten Stufe stabil zu halten. Die Aufladung des Kon- densators erfolgt sehr rasch, grössenordnungsmässig etwa in 100 /sec. Der Nutzwiderstand RL liegt nun- mehr an Spannung.
Bei kurzzeitigem Schliessen der Taste T, oder bei Auftreten eines Steuerstroms in der Richtung von Klemme 2 nach Klemme 1 wird das Basispotential der ersten Stufe wieder negativer und der Vorgang er- folgt nunmehr in umgekehrter Weise. Der Endtransistor Tr wird dann in den Sperrzustand gesteuert. Das Durchschalten der Stufe erfolgt in jedem Falle nach einer Sprungfunktion.
Wird der Verbraucherpfad im Durchlasszustand unterbrochen, so ändert sich der Schaltzustand nicht.
Die Kollektor-Emitterspannung der Endstufe wird gleich Null und damit auch die Basis-Emitterspannung der ersten Stufe. Die Basis des zweiten Transistors bleibt jedoch über den Widerstand Rg vorgespannt. Der Kondensator C, liegt über die Widerstände R, und R an der Betriebsspannung und behält seine Ladung. Bei Wiederherstellung der Verbindung befindet sich die Endstufe weiterhin im Durchlasszustand.
Steigt der Laststrom über den Wert, der bei der Dimensionierung der Schaltung zugrunde gelegt worden ist, oder wird der Nutzwiderstand RL kurzgeschlossen, so wird zunächst das Kollektorpotential des zweiten Transistors negativer. Durch den gemäss der Erfindung vorgesehenen Widerstand R wird auch das Potential des Potentialpunktes 6 negativer, so dass der Transistor Tri schliesslich in Durchlassrichtung gesteuert wird. Die Laststufe wird dadurch gesperrt und bleibt in diesem Zustand, auch wenn der Lastwiderstand seinen Nennwert wieder erreicht hat. Der Abschaltpunkt ist abhängig von der Stromverstärkung des Lasttransistors. Bei zu kleinem oder kurzgeschlossenem Lastwiderstand darf die Taste T nur sehr kurzzeitig betätigt werden.
Ebenso sind lange Einschaltsteuerimpulse zu vermeiden, da sonst die Verlustleistung am Transistor Trz zu gross und dieser zerstört werden kann. Wird vor der Basis des Eingangstransistors ein Kondensator C2 gelegt, wie dies in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 strichliert dargestellt, so dass nur mit Impulsen angesteuert werden kann, so ist diese Gefahr beseitigt ; parallel zu diesem Kondensator C muss dann noch ein Entladewiderstand Rider in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ebenfalls strichliert eingetragen worden ist, gelegt werden, der jedoch so gross gewählt werden kann, dass er die Funktion der Schaltung nicht stört.
Der Einfluss von Temperaturschwankungen wird durch die Steuerung beider Stufen weitgehend ausgeschaltet. Die Übersteuerung soll in der ersten Stufe mindestens 5rP/o, in der zweiten Stufe mindestens 20ge, bei der laut Datenblatt kleinsten Schaltstromverstärkung B des jeweiligen Transistors betragen. Dadurch wird die Schaltung weitgehend unabhängig von Temperaturschwankungen und Streuungen der Transistordaten. Bei induktiver Last ist es, wie allgemein bekannt, zusätzlich erforderlich, einen Gleichrichter Gr in Sperrichtung parallel zum Nutzwiderstand RL zu legen, um die Transistoren vor hohen Abschaltspannungsspitzen zu schützen.
Das gleiche ist auch durch einen zirka 10 mal grösseren Wert des Kondensators C, zu erreichen, nur werden dadurch die Schaltzeiten wesentlich verlängert. Dssr Gleich-
<Desc/Clms Page number 3>
richter ist entsprechend der in der Induktivität gespeicherten Energie zu dimensionieren. Der Vorwiderstand Rv dient zur Steuerstrombegrenzung.
Die maximale Steuerimpulsfolgefrequenz einer solchen Schaltung ist im wesentlichen nur von der Frequenzgrenze des verwendeten Transistors abhängig.
Eine Abwandlung der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung ist in Fig. 2 dargestellt. Hiebei wird die Steuerung in den"Aus"-Zustand automatisch durch einen konstant eingestellten Basisstrom der ersten
Verstärkerstufè vorgenommen. Der Widerstand Rz'liegt direkt an dem Potentialpunkt 6. Dadurch wird im Ruhezustand die erste Stufe in Durchlassrichtung gesteuert und die Endstufe gesperrt. Sinngemäss kann hier der Kondensator Cl entfallen. Wird die Taste Tl gedrückt oder fliesst ein Steuerstrom von Klemme 1 nach
Klemme 2, so wird die Endstufe, wie bereits in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 beschrieben, in
Durchlassrichtung gesteuert und bleibt in diesem Zustand, solange die Ansteuerung erfolgt. Im ungesteuer- ten Zustand wird durch den Widerstand R 'die Abschaltung wieder eingeleitet.
Die in den Fig. 3-5 dargestellten Schaltungsanordnungen zeigen Anwendungsmöglichkeiten der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Grundschaltungen.
Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel veranschaulicht die Verwendung der gemäss der Erfin- dung angegebenen Schaltung als"flinke Sicherung"und kann für Ströme bis zu einigen Ampere je nach verwendetem Transistor angewendet werden. Der Abschaltpunkt ist in gewissen Grenzen mit den Widerständen R, und R, einstellbar. Bei Verwendung von Transistoren mit grösserer Stromverstärkung liegt auch der Abschaltpunkt bei höheren Strömen. Entsprechend den zu Fig. 1 gemachten Ausführungen ist hier das Eingangskondensatorglied R4 C2 unbedingt vorzusehen, um eine Zerstörung des Lasttransistors im Kurzschlussfall auszuschliessen. Der Lastwiderstand RL ist zwischen den Klemmen 3'und 4 angeschlossen.
Die Schaltungsanordnung nach Fig. 4 zeigt die Möglichkeit, die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung durch lichtempfindliche Elemente zu steuern. Hiefür sind die beiden Photodioden D1 und D vorgesehen, die in einer Brückenschaltung liegen. Die Verdunkelung der einen Photodiode bewirkt das Einund die Verdunkelung der andern das Ausschalten.
Die Schaltungsanordnung nach Fig. 5 ist eine Weiterentwicklung der Schaltungsanordnung nach Fig. 2, bei der drei Transistoren Tr Tr und Tr3 vorgesehen sind und bei der der Transistor der Eingangsstufe in Kollektorschaltung betrieben ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Wenigstens zwei Transistorverstärkerstufen aufweisender Gleichstromschaltverstärker, bei dem ein im Eingangskreis der ersten Transistorverstärkerstufe auftretender, einen bestimmten Schwellwert tiber- schreitender Impuls, den während des Betriebes sich lastabhängig verändernden Verbraucherstrom des im Ausgangskreis der letzten Verstärkerstufe liegenden Nutzwiderstandes mit relativ niedriger, beispielsweise weniger als 150J.
L/sec betragender Schaltzeit steuert, und bei dem wenigstens zwei der Transistoren so betrieben werden, dass sie ihre Kennlinien gegensinnig durchlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass in an sich bekannter Weise ein Rückkopplungswiderstand zwischen der Ausgangselektrode der letzten Verstärkerstufe und der Eingangselektrode der ersten Verstärkerstufe geschaltet ist, dass neben einem parallel zum Eingang der ersten Verstärkerstufe geschalteten Widerstand ein die Basis des Transistors der ersten Verstärkerstufe mit konstant eingestelltem Basisstrom versorgendes Schaltelement vorgesehen ist, das die Steuerung in den Auszustand automatisch vornimmt, und dass der Rückkopplungswiderstand im Zusammenwirken mit den in der Basiszuleitung liegenden Elementen der ersten Verstärkerstufe den Verbraucherstrom beim Überschreiten eines oberen Grenzwertes abschaltet.