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Vorrichtung zum Umformen einer Wechselspannung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Umformen einer mehr oder weniger sinusförmi- gen Wechselspannung in eine verformte Spannung, insbesondere in eine Impulsreihe. Eine solche Vorrichtung kann z. B. zu Regel-bzw. Synchronisierungszwecken dienen. Es ist an sich bekannt, zu diesem Zweck die Wechselspannung einem nichtlinearen Element, z. B. einer im C-Betrieb eingestellten Verstärkerstufe zuzuführen, durch das bzw. die nur während der Spitzen der Wechselspannung impulsförmige Ströme fliessen. Dabei ist es meist erwünscht, dass die Amplitude der Impulse nur wenig von der Amplitude und der Frequenz der Eingangswechselspannung sowie von der Speisespannung und den verwendeten.
Verstärkerelementen abhängig ist. Insbesondere wenn als Verstärkerelemente Transistoren Verwendung finden, bereitet diese Anforderung Schwierigkeiten.
Die Erfindung bezweckt, eine Vorrichtung zum Umformen einer mehr oder weniger sinusförmigen Wechselspannung in eine verformte Spannung, insbesondere in eine Impulsreihe, in der die Wechselspannung über einen Verstärker der Reihenschaltung eines Kondensators und eines von der Wechselspannung ein-und ausgeschalteten Gleichrichters zugeführt wird, anzugeben, bei der die erwähnten Anforderungen auf einfache Weise erfüllt werden. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass der Reihenschaltung eine Gegenkopplungsspannung für den Verstärker entnommen wird.
Vorzugsweise wird die Wechselspannung der Basis eines ersten Transistors zugeführt, der mit einem zweiten Transistor einen an sich bekannten Zweistufenverstärker bildet, bei dem der Kollektor des ersten Transistors gleichstrommässig mit der Basis des zweiten Transistors und der Emitter des zweiten Transistors gleichstrommässig mit der Basis des ersten Transistors verbunden ist, wobei die erwähnte Reihenschaltung des Kondensators und des von der Wechselspannung ein-und ausgeschalteten Gleichrichters in die Emitterstrecke des zweiten Transistors aufgenommen ist.
Die Erfindung wird nachstehend an-Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Fig. 1 der Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dar. Fig. 2 zeigt Spannungs- und Strom-Zeitdiagramme zur Erläuterung des Ausführungsbeispieles nach Fig. l.
Die Vorrichtung nach Fig. l enthält einen ersten Transistor 1. und einen zweiten Transistor 2, die auf an sich bekannte Weise dadurch zu einem Zweistufenverstärker vereinigt sind, dass der Kollektor des Transistors 1 gleichstrommässig mit der Basis des Transistors 2 verbunden ist, während der Emitter des Transistors 2 gleichstrommässig mit der Basis des Transistors 1 verbunden ist.
Ein solcher Verstärker hat die Eigenschaft, dass er sehr wenig empfindlich gegen Speisespannungs- und Temperaturänderungen ist, weil die Gleichstromgegenkopplung des Emitters des Transistors 2 über den Kopplungswiderstand 3 zur Basis des Transistors 1 die erforderliche Arbeitspunktstabilisierung herbeiführt. Die in den Emitterkreis des Transistors l'auf genommene Zenerdiode 4 dient dabei dazu, den erforderlichen
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über den Basiswiderstandeinstellung des Transistors 2.
Die Diode 4 kann erforderlichenfalls auch durch eine in der Vorwärtsrichtung betriebene Halbleiterdiode mit ausreichend hoher innerer Schwellwertspannung in ihrer StromSpannungskennlinie oder durch gegebenenfalls kapazitiv überbrückte Widerstände zur positiven und negativen Klemme der Speisepsannungsquelle ersetzt werden.
Ein mehr oder weniger sinusförmiger Wechselstrom ii einer Quelle mit verhältnismässig hohem Innenwiderstand wird der Basis des Transistors 1 zugeführt. Dieser Wechselstrom wird z. B. von einem
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Oszillator mit guter Frequenzstabilität erzeugt, wobei dieser Oszillator bzw. die nachgeschalteten Verstärkerstufen selbstverständlich einige Verzerrungen einführen können. Der Gehalt an Verzerrungskom- ponenten ist dabei jedoch gering in bezug auf die Grundwelle der der Klemme 6 zugeführten Wechsel- spannung. In Fig. 2A ist dieser Strom ii in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt.
Nach der Erfindung ist in den Emitterkreis des Transistors 2 die Reihenschaltung eines Gleichrichters 7 und eines Kondensators 8 eingefügt. Diese Schaltungselemente 7 und 8 können erforderlichenfalls vertauscht werden. Der Gleichrichter 7 hat die gleiche Durchlassrichtung wie der Emitter des Transistors 2. Mit Hilfe eines Widerstandes 9 wird er in geringem Masse in Vorwärtsrichtung eingestellt. Dieser Widerstand 9 spielt weiter eine wichtige Rolle beim Lade- und Entladevorgang des Kondensators 8. Die gewünschte Impulsreihe wird über einer Ausgangsinduktivität 10 erzeugt, die gegebenenfalls durch einen Widerstand 11 überbrückt ist.
Die'Erfindung beruht auf der folgenden Wirkung :
Während der positiven Phase des praktisch sinusförmigen Eingangswechselstromes ii ist die Spannung an der Basis der Transistors 2 in der negativen Phase. Die Spannung ve2 am Emitter des Transistors 2 folgt dieser Basisspannung und ist in Fig. 2B in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt.
(Ist der Widerstand 3 gross in bezug auf die Impedanz der Schaltungselemente 7,8, 9 und ist das Produkt aus dem Gegenkopplungsfaktor und dem Verstärkungsfaktor des Verstärkers 1, 2 gross gegen Eins, so ist der den Widerstand 3 durchfliessende Gegenkopplungsstrom nahezu gleich dem Eingangswechselstrom ii und hat somit gleichfalls einen praktisch sinusförmigen Verlauf ; für die Spannung ve2 darf in diesem Falle somit auch ein praktisch sinusförmiger Verlauf angenommen werden.),
Während dieser Phase wird der Gleichrichter 7 leitend, weil die Durchlassrichtung dieses Gleichrichters die gleiche ist wie die des Emitters des Transistors 2.
Infolgedessen nimmt die Gegenkopplung, die die Reihenschaltung 7,8 im Emitterkreis des Transistors 2 bzw. über den Widerstand 3 an der Basis des Transistors 1 herbeiführt, stark ab, so dass der Kollektorstrom in (Fig. 2C) durch den Transistor 2 stark zunimmt, während gleichzeitig dem Kondensator 8 ein Ladestrom zugeführt wird, wodurch die Spannung v über diesem Kondensator den in Fig. 2B angegebenen Verlauf hat. Die Lade- zeitkonstante wird angenähert durch die Grösse des Kondensators 8 und den Innenwiderstand des Gleichrichters 7 bestimmt und ist so gross, dass der Gleichrichter 7 zusammen mit dem Kondensator 8 als ein Spitzenspannungsdetektor mit niedrigem Wirkungsgrad wirkt.
Während der negativen Phase des Eingangsstromes li ist die Spannung ve2 in der positiven Phase, so dass der Gleichrichter 7 gesperrt und der Kollektorstrom ic2 infolge der Gegenkopplungswirkung über den Widerstand 3 auf einen geringen Wert herabgesetzt ist. (Der Transistor 2 wird somit nicht völlig nichtleitend, was seine Schaltgeschwindigkeit bei hohen Frequenzen begünstigt.) Gleichzeitig wird der Kondensator 8 über die Widerstände 3,5 und 9 in einem dem Vorstehenden entgegengesetzten Sinne aus der Speisequelle aufgeladen, wobei die Entladezeitkonstante erheblich grösser ist als die vorstehend erwähnte Ladezeitkonstante. Der Strom, der dabei über den Widerstand 9 zum Kondensator 8 fliesst, ist so gross, dass die Spannung an ihrem Verbindungspunkt positiv wird.
Infolge der plötzlichen Ausschaltung des Gleichrichters 7 durch die Wechselspannung ve2 ändert sich der Kollektorstrom ic2 somit fast sprunghaft, wobei auf eine sehr kurze Ausschaltzeit gerechnet werden darf. Durch Differenzierung dieser Stromänderung mit Hilfe der Induktivität 10 ergeben sich somit. die in Fig. 2D dargestellten Impulsspannungen vn.
Die Zeitpunkte, zu denen der Gleichrichter 7 ein-bzw. ausgeschaltet wird, sind in Fig. 2B mit a bzw. b bezeichnet ; sie treten dort auf, wo die Kondensatorspannung vg der Emitterspannung v des Transistors'2 gleich ist. Bei zunehmender Frequenz der Eingangsschwingung ii ändert sich die Sachlage, wie dies in Fig. 2E-H angegeben ist. Die Entladezeitkonstante des Kondensators 8 (die der Neigung der Strecke b-a der Spannung VB in Fig. 2F entspricht) ist nahezu die gleiche wie in Fig. 2B geblieben, aber der Aufladevorgang des Kondensators 8 erfolgt jetzt schneller (Strecke a-b der Spannung v-in Fig. 2F), weil für den Aufladevorgang der Gleichrichter 7 zusammen mit dem Kondensator 8 infolge der geringen Ladezeitkonstante immer mehr die Natur eines idealen Spitzenspannungsdetektors annimmt.
Bei richtiger Bemessung schneidet die Kurve v die Sinusspannung v n im Punkte b der Fig. 2F, in dem die Neigung dieser Sinusspannung angenähert die gleiche ist wie beim Punkt b in Fig. 2B. Diese Neigung bestimmt praktisch die Amplitude der Ausgangsspannungsimpulse vc2, so dass bei dieser Bemessung die Ausgangsamplitude sich nahezu nicht mehr mit der Frequenz ändert.
Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel wurden die verwendeten Schaltungselemente wie folgt be-
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<tb>
<tb> Transistoren <SEP> Widerstände <SEP> Kondensator
<tb> 1 <SEP> = <SEP> AFZ12 <SEP> 3 <SEP> = <SEP> 1500 <SEP> Ohm <SEP> 8 <SEP> =0, <SEP> lj <SEP> F
<tb> 2 <SEP> = <SEP> AF118 <SEP> 5 <SEP> = <SEP> 1000 <SEP> Ohm <SEP> Induktivität
<tb> Dioden <SEP> 9 <SEP> = <SEP> 1500 <SEP> Ohm <SEP> 10 <SEP> = <SEP> 1 <SEP> H
<tb> 4 <SEP> = <SEP> OAZ202 <SEP> (6V) <SEP> 11= <SEP> 330 <SEP> Ohm
<tb> 7 <SEP> = <SEP> FD100 <SEP> 12 <SEP> = <SEP> 1000 <SEP> Ohm
<tb> 13 <SEP> = <SEP> 2700 <SEP> Ohm <SEP>
<tb> Speisespannung <SEP> = <SEP> 24 <SEP> V <SEP> ; <SEP> Eingangswechselstrom <SEP> = <SEP> 1 <SEP>
<tb> bis <SEP> 2 <SEP> mA <SEP> ;
<SEP>
<tb> Frequenzbereich <SEP> = <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP> bis <SEP> Amplitude <SEP> der <SEP> Ausgangsim-
<tb> 25 <SEP> MHz <SEP> ; <SEP> pulse <SEP> 6V,
<tb>
deren Änderung über diesen Frequenzbereich kleiner als 2db ist. Selbstverständlich kann das angegebene Prinzip auch bei einem Mehrstufenverstärker mit Gegenkopplung Anwendung finden. Der geschilderte Zweistufenverstärker hat jedoch den wichtigen Vorteil einer guten Arbeitspunktstabilisierung und einer geringen Schwingneigung. Auch können im Prinzip Röhrenverstärker an Stelle von Transistorenverstärkern in Betracht kommen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zum Umformen einer mehr oder weniger sinusförmigen Wechselspannung in eine verformte Spannung, insbesondere in eine Impulsreihe, in der die Wechselspannung über einen Verstärker der Reihenschaltung eines Kondensators und eines von der Wechselspannung ein-und ausgeschalteten Gleichrichters zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Reihenschaltung (7, 8) eine Gegenkopplungsspannung für den Verstärker (1, 2) entnommen wird.