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Verstärkerschaltung mit Transistoren
Bei Verwendung von Transistoren in Messgeräten. z. B. in Messverstärkern od. dgl. ist es notwendig,
Kompensationsschaltungen hinsichtlich der Temperaturabhängigkeit der Transistoren anzuordnen, um einen befriedigenden Betrieb zu gewährleisten. Der Transistor stellt einen von der jeweiligen Tempera- tur abhängigen Bauteil dar. Temperaturänderungen, gleichgültig ob diese durch Änderungen der Umge- bungstemperatur, durch die Eigenerwärmung des Gerätes oder die Eigenerwärmung des Transistors selbst auftreten, verursachen in erster Linie Änderungen des Kollektorreststromes der Stromverstärkung sowie des
Widerstandes des Emitter-Basis-Überganges (Emitterwiderstand) des Transistors.
Zur Verminderung der Abhängigkeit der Transistorgrössen von der Temperatur ist es bekannt, dem
Transistor einen niederohmigen Spannungsteiler vorzuschalten. Mit einem Zweig des Spannungsteilers wird dann z. B. bei Emitterschaltung das Emitterpotential des Transistors festgehalten. Diese Schaltung ist aber nur dann wirksam, wenn über den Spannungsteiler ein wesentlich grösserer Strom als über den
Transistor fliesst. Das heisst, dass der Gesamtwiderstand des Spannungsteilers wesentlich kleiner als der
Widerstand des Transistors ist.
Die Wirkung kann noch dadurch erhöht werden, dass als Spannungsteilerwiderstand ein Heissleiter. also ein Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten verwendet wird. Der Nachteil dieser Schaltung liegt aber in der hohen Stromaufnahme, weswegen sie bei mit Batterien betriebenen Geräten prak- tisch nicht in Frage kommt.
Eine weitere Schaltung zur Verminderung der Abhängigkeit der Transistorgrössen von der Temperatur besteht in der Verwendung von Gegenkopplungswiderständen geeigneter Grösse. Mit dieser Schaltung ist jedoch nur eine grob angenäherte Verbesserung der Verhältnisse erzielbar.
Es ist weiters bekannt, zur Temperaturkompensation eines Transistors einen zusätzlichen Transistor der gleichen Type zu verwenden. Theoretisch ist durch diese Anordnung eine vollständige Kompensation möglich, praktisch ist dies infolge der auftretenden Fabrikationsstreuungen bei der Erzeugung von Transistoren gleicher Type schwierig. Das Auffinden von Transistoren mit gleichen spezifischen Eigenschaften erfordert beträchtliche Zeit, die für Vergleichsmessungen aufgewendet werden muss. Für serienmässig hergestellte Geräte scheidet daher diese Art der Kompensation mittels Transistoren wegen der damit verbundenen hohen Kosten (grosser Zeitaufwand, Transistor relativ teuer) aus.
Bei allen erwähnten Schaltungen, ausser der letztgenannten, ist also eine vollkommene Temperaturkompensation nur dann gewährleistet, wenn der Transistor und der Kompensationswiderstand sowohl völlig gleiche Temperaturabhängigkeit als auch völlig gleiche Erwärmungsverhältnisse aufweisen. Dies ist nur dann möglich, wenn der Transistor und der Kompensationswiderstand gleiche Wärmekapazität besitzen, was jedoch bei listenmässig vorhandenen Bauteilen kaum zu erreichen ist.
Die Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung mit Transistoren, insbesondere einen zweistufigen Gleichstromverstärker für Relais mit temperaturabhängigen Widerständen im Schaltkreis mindestens eines Transistors, die diese Nachteile der ungleichmässigen Erwärmung von Transistor und Kompensationswiderstand weitgehend vermeidet. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltstrecke (Emitter-Kollektor-Strecke) des Transistors eine Zenerdiode parallelgeschaltet ist, deren Zenerspannung zwi sehen den Werten der Spannungen an der Schaltstrecke des Transistors im leitenden Zustand bzw. im Sperrzustand liegt, wobei im Sperrzustand des Transistors die Zenerdiode einen Vorstrom über die temperaturabhängigen Widerstände führt.
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In der Praxis wird die erfindungsgemässe Schaltung mit listenmässig vorhandenen Bauteilen ausgestat- tet. Dadurch ergibt sich eine überaus preisgünstige Ausgestaltung der Kompensationsschaltung, die für serienmässig hergestellte Geräte anwendbar ist. Listenmässig vorhandene Widerstände stehen in der Bela- stung abgestuft z. B. mit den Werten 0, 1, 0, 5, 1, 2, W für praktisch jeden Widerstandswert zur Verfügung.
) Wird für die erfindungsgemässe Schaltung zur praktisch vollständigen Temperaturkompensation z. B. ein
Widerstand gefordert, dessen Belastung 0, 35 W (listenmässig nicht vorhanden) betragen soll, kann ohne
Qualitätseinbusse der Kompensation der Widerstand mit der listenmässig nächst niedrigeren Belastung, also mit 0, 1 W Verwindung finden. Diese Bemessung würde eine gleich rasche Erwärmung von Transistor und
Kompensationswiderstand nicht gewährleisten, so dass sich die geforderte Temperaturkompensation erst ) nach längerer Einschaltzeit. einstellen würde.
In der erfindungsgemässen Schaltung liegt der besagte Widerstand mit der Zenerdiode in Serie an der ständig eingeschaltetenspeisespannung. Durch den dauernden fliessendenRuhestrom, dessen Grösse von der
Höhe der Speisespannung sowie von der Wahl der Zenerdiode abhängt, erwärmt sich der Widerstand auf eine bestimmte Temperatur. Hiedurch wird der Kompensationswiderstand ständig auf etwa gleichbleibender Temperatur gehalten, so dass durch wechselnde Strombelastungen hervorgerufene Temperaturänderungen und damit verbundeneÄnderungen des wärmeabhängigen Verhaltens des Kompensationswiderstandes vermie- den werden. Zenerdioden werden listenmässig in viel feineren Abstufungen angeboten als die Belastung- werte von Widerständen. Für jeden ganzen Wert der Spannung also z.
B. für 4. 5, 6, 7 V usw. gibt es eine zugehö- rige Zenerdiode, für die bei dieser Spannung der Zenerdurchbruch erfolgt. Man kann daher bei geeigneter Wahl der Zenerdiode und konstanter Speisespannung in gewissen Grenzen jede geforderte Temperatur des Widerstandes erreichen.
Alle andern z. B, in einem Messverstärker verwendeten Bauteile werden die jeweilige Umgebungstem- peratur annehmen, wenn der Verstärker nicht im Betrieb ist. Tritt dagegen eine Eingangsspannung auf und
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Folgeerwärmungen der Bauteile auftreten.
Auch der Transistor in der Eingangsstufe des Verstärkers wird eine merkbare Eigenerwärmung aufweisen. Dabei sinkt im wesentlichen sein Emiterwiderstand, durch dessen Absinken ein weiteres Ansteigendes Stromes erfolgen wird. Fliesst der Strom aber auch über einen mit dem Emitter in Serie geschalteten Kupferwiderstand, so verursacht die auftretende Erwärmung eine Vergrösserung dieses Widerstandes. Praktisch ist jedoch der Absolutwert der Änderung des Emitterwiderstandes nicht gleich dem Absolutwert der Änderung des Kupferwiderstandes, weswegen keine vollständige Kompensation erfolgt.
Der Absolutwert der Änderung des Emitterwiderstandes ist grösser als der des Kupferwiderstandes. Daher sinkt bei steigender Temperatur die Spannung am Transistor und an dem dazu in Serie geschalteten Kupferwiderstand. Parallel dazu liegt die Zenerdiode, die, wenn die Spannung unter die Zen'spannung absinkt, sperrt. Dies ist bei Erreichen einer bestimmten Aussteuerung des Transistors der Fall. Der Ruhestrom über die Zenerdiode und den Widerstand sinkt auf den Sperrstrom der Zenerdiode ab. Der durch den Ruhestrom auf eine bestimmte Temperatur vorgeheizte Widerstand liegt aber auch mit dem Kollektor
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eigneten Zenerdiode so gewählt, dass im Zusammenwirken mit dem Kupferwiderstand ein Spannungsabfall an dem Widerstand auftritt, der nur noch von der Eingangsspannung abhängt.
Die nachfolgende Transistorverstärkerstufe wird mit Hilfe dieses Spannungsabfalles ausgesteuert. Dadurch ist eine praktisch vollkommene Temperaturkompensation der Eingangstransistorverstärkerstufe möglich, wobei in der Kompensationsschaltung nur listenmässig vorhandene Bauteile verwendet sind.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Die Schaltung nach Fig. l stellt einen zweistufigen Messverstärker dar, der mit einem npn-Transisior Tl in der ersten und mit einem pnp-Transistor T2 in der zweiten Verstärkerstufe ausgerüstet ist. Die den Eingangsklemmen 1 und 2 zugeführte Eingangsspannung bewirkt bei Überschreiten eines gewissen Wertes das Ansprechen eines Relais A, welches im Kollektorkreis der zweiten Transistorverstärkerstufe liegt.
Über die Klemmen 3 und 4 wird dem Messverstärker die Speisespannung zugeführt. Die Widerstände R3 und R4 bilden eine Widerstandskombination mit resultierendem negativem Temperaturkoeffizienten und dienen im Zusammenwirken mit dem Kupferwiderstand R2 zur Temperaturkompensation.
Bei nicht ausgesteuertem Verstärker tritt an der Zenerdiode eine Spannung auf, die über der Zenerspannung liegt. Es fliesst daher ein beträchtlicher Strom über die Zenerdiode D sowie im wesentlichen auch über die Widerstände R3 und R4. Dieser Strom bewirkt das Aufheizen der Widerstände R3 und R4 auf eine vorbestimmte Temperatur.
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Bei ausgesteuertem Verstärker sinkt die Spannung an derKollektor-Emitter-Strecke des Transistors Tl und dem in Serie liegenden Kupferwiderstand R2 unter die Zenerspannung. Die dazu parallelgeschaltete Zenerdiode D sperrt und der Strom sinkt auf den Wert des Sperrstromes. Die aufgeheizten Widerstände R3 und R4 führen aber jetzt den Kollektorstrom des Transistors Tl. Der an ihnen auftretende, von der Temperatur unabhängige Spannungsabfall dient zur Aussteuerung der zweiten Transistorverstärkerstufe T2.
Der Widerstand Rl hat negativen Temperaturkoeffizienten und dient zur Konstanthaltung des Eingangswiderstandes des Messverstärkers. Mit R5 ist der Kopplungswiderstand der beiden Verstärkerstufen bezeichnet. Die Grösse des Widerstandes R6 hängt von der Type des Transistors T2 ab. R7 stellt einen weiteren Kupferwiderstand dar, der zur angenäherten Temperaturkompemation des Transistors T2 dient.
Das in Fig. 2 dargestellte weitere Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Schaltung unterscheidet sich gegenüber der aus Fig. l ersichtlichen erfindungsgemässen Schaltung nur durch die Verwendung
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ist dieselbe wie die der Schaltung nach Fig. l.