Elektrische Konstantspannungsvorrichtung Die vorliegende Erfindung ,betrifft eine Vorrich tung zur Abgabe konstanter elektrischer Spannung, welche insbesondere, aber nicht ausschliesslich, für die Verwendung in Telephonanlagen.ausgebil;det ist.
Elektrische Schaltungen bedürfen, zur Speisung einer Spannungsquelle, wobei .das Ausgangspotential bezüglich eines Bezugspotentials oder ides Erdpoten- tials genommen wird.
In den meisten Fällen ändert sich das Bezugspotential bei Änderungen in der Schaltung und Änderungen Üer Umgebungsverhält- nisse. Das Ausmass :der Potentialänderung, welche zulässig ist, hängt von der Kompliziertheit der zuge ordneten Schaltung ab. Falls eine .solche Schaltung einfach ist, kann ,das Bezugspotential sich ohne Rege lung ändern.
Anderseits erfordert eine kompliziertere oder ausgeklügeltere Schaltung ein Bezugspotential, welches innerhalb sehr enger Grenzen stabilisiert ist, so dass die Potentialänderungminimal ist.
An dieser Stelle wird kein Versuch unternommen, die zahlrei chen Verwendungen von Vorrichtungen konstanter Spannung oder idie Gründe, wegen welchen die Span nung sich ändern kann, zu erklären. Trotzdem kann es nützlich sein, auf einige Beispiele solcher Verwen dungen und Gründe näher hinzuweisen, so dass die Erfindung besser verständlich wird. Ein erstes Bei spiel ist eine Sprechbatterie, welche Idas Mikrophon eines Telephons speist.
Die .Sprechbatterie .muss aus- serordentlich geräuscharm sein" um zu vermeiden, dass das Biatteriegeräiusch die Gespräche stört. Als zweites Beispiel ist hier eine kürzlich entwickelte Telephonanlage zu .erwähnen, in welcher dauernd ein Strom fliessen muss, um die hergestellten Schaltwege aufrecht zu erhalten.
Falls die Bezugsspannung der Anlage einen scharfen Impuls erzeugt, welcher eine Stromlücke erzeugt, werden ;die Schaltwege unterbro chen. Ein solcher Impuls kann sich z. B. bei einem sehr grossen Leistungsbedarf .ergeben, wie er bei- spielsweise dann eintreten kann, wenn gleichzeitig viele Leute telephonisch einen Brandausbruch mel den wollen.
Weiter könnte so ein Impuls auch ;durch Änderungen der Umgehungstemperatur entstehen. Selbstverständlich könnten zahlreiche weitere Bei spiele aufgeführt werden, um die Notwendigkeit für eine gut stabilisierte Bezugsspannung darzulegen.
Bestehende Schaltungen eignen sich nicht beson ders zur Erzeugung einer Bezugsspannung, welche innerhalb der .engen Grenzen stabilisiert ist, wie es für die oben erwähnten und anderen Verwendungen nötig wäre. Eine derartige bestehende Schaltung .ent hält ein Paar Transistoren, welche zu :einer soge- nannten Darlinigton-Schaltungn zusammengeschaltet sind.
Diese Transistoren sind gleichwertig einem Ein zeltransistor mit einer Stromverstärkung a, welche sehr nahe dem Wert 1 liegt. Während diese Transi- storen gute Ergebnisse liefern, kann sich !die von die ser Darlington-Schaltung gewonnene Bezugsspan nung in grossen Grenzen ändern. Eine weitere be kannte Schaltung ist hinsichtlich der Stabilität von einer oder mehreren Zenerdioden abhängig.
Falls diese Dioden ausfallen, weicht ;die Bezugsspannung plötzlich und stark vom gewünschten Pegel ab, so dass eine empfindliche Ausrüstung ausfallen oder zerstört werden kann. Es liessen sich noch weitere Beispiele aufführen, -um ;den Bedarf nach Schaltungen darzulegen, welche besser sind als die bestehenden bekannten Schaltungen, über die bereits erwähnten Beispiele sollten genügen, um die Richtigkeit der vorliegenden Ausführungsbeispiele zu erhärten.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine neuartige und verbesserte Konstantspannungsvorrichbung mit mindestens zwei Spannungsteilern. Diese Vorrichtung kann als eine weitgehend stabilisierte Bezugsspan:- nungsquelle verwendet werden, welche sich insbeson dere in Telephonschalbungen als nützlich erweist.
Weiter könnte eine solche Vorrichtung,als ausseror- dentlich geräuscharme Sprechbatterie zur Speisung von Telephonmikrophonendienen, so :dass sich eine geräuschfreie Sprechübertragung ergibt.
Diese Vor richtung kann eine Bezugsspannung liefern, welche frei von Spannungssprüngen ist, wodurch .kurzzeitige Stromabsenkungen vermieden werden können, so dass kein Unterbruch von :durch Strom gehaltenen Vorrichtungen erfolgt.
Eine solche Vorrichtung kann unter Verwendung von Bauteilen hergestellt werden, die hinsichtlich ihrer Werte nicht kritisch, und ausserdem billig und leicht zu beschaffen sind, und handelsübliche Tole ranzen und Qualitätseigenschaften .aufweisen.
Da durch kann die Kompliziertheit von Schaltungen ver mindert werden, und zwar durch .Schaffung zuverläs- siger Schaltungen, welche .andere Schaltungen der Notwendigkeit entheben, bei Rand- oder Grenrz-Be- dingungen zu arbeiten.
Die erfindungsgemässe Konstantspannungsvor- richtung zeichnet sich dadurch aus, dass jedem Span- nungsteiler einzeln Mittel zugeordnet sind, um den durch .diesen fliessenden Strom zu steuern und dass mindestens ein solches Mittel auf Spannungsände- rungen anspricht, welche an einer Potentialstelle eines der Spannungsteiler auftreten,
um den Strom in einem anderen Spannungsteiler zu steuern, und dass Mittel in einem Arm des genannten; arideren Span- nungsteilers vorgesehen sind, um -einen Nutzbela- stungskreis zu ergeben.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgggenstandes unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.
In der Zeichnung zeigt: die Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfin- dungsgemässen Vorrichtung konstanter Spannung; die Fig.2 zwei Spannungswallenformen, welche Erläuterungszwecken dienen, wobei die Wellenform A die ungeregelte Bezugsspannung und @die Wellen form B die gleiche Bezugsspannung nach einer weit gehenden Regelung zeige;
die Fig.3 die gleiche Schaltung wie die Fig. 1, aber mit eingozeichneten Pfeilen für die in -der Schal tung fliessenilen Ströme; und die Fig. 4 die Anwendung ,der erfindungsgemäs- sen Vorrichtung in. einer Telephonanlage.
Die Zeichnung und die Beschreibung geben be sondere Spannungs- und Widerstands-Werte an, wel che vernünftigerweise in einer derartigen Schaltung zu erwarten sind. Selbstverständlich sind diesle Werte nur als Beispiel aufzufassen, und sie können sich ändern,
obwohl die Verhältnisse der Werte :etwas kri tisch sind. Über :die Transistortypen sind keine Anga ben gemacht worden, da die Schaltung mit irgend einem vernünftig gewählten Transistortyp ,arbeitet. Somit lassen sich unkritische,
billige und leicht er hältliche Bauteile handelsüblicher Toleranzen. ver- wenden. Die Fig.1 zeigt einte Vorrichtung konstanter Spannung, welche zwischen die Klemmren einer Spei sequelle geschaltet ist.
Diese Klemmen, sind hier mit -I-18 .und -18 .bezeichnet. Die Vorrichtung konstan ter Spannung enthält ein Paar paralleler Spannungs- teiler, welche so geschaltet sind, dass sich eine selbst geregelte, kompensierte Ausgangsspannung ergibt.
Jeder Spannungsteiler weist zwei Widerstände und eine elektronische Verstärkungsvorrichtung auf. So enthält der linksseitige ,Spannungsteiler der Fig. 1 in Reihe einen Belastungswiderstand RL von 525 Ohm, eine elektronische Verstärkungsvorrichtung Q1, welche hier als NPN-Flächentransistor darge stellt ist, und einen Steuerwiderstand Re von 330. Ohm.
Der rechte Spannungsteiler der Fig. 1 .enthält in Reihe einen Vorspannwiderstand R1 von 820 Ohrn,eine elektronische Verstärkungsworrichtung Q2, welche hier als PNP Flächentransistor dargestellt ist, und einen zweiten Vorspannwiderstand von 560 Ohm.
Es ist zu erwähnen, idass die Verhältnisse zwi schen :den Widerstandswerten der beiden Arme der Spannungsteiler ungefähr gleich sind, .d. h. 820/560 ist ungefähr gleich 525/330.
Jede elektronische Vorrichtung weist ein Paar I-Iauptelektraden (beispielsweise einen Kollektor und einen Emitter) zur Übertragung eines relativ grossen .Stromes auf. Einte dritte Elektrode (beispielsweise eine Basis) steuert die Verstärkung ,der Vorrichtung.
Bekanntlich erzeugen Änderungen des Potentials der dritten Elektrode oder Basis einte :entsprechende Än derung des Emitter,Kollektor-Stromes. Somit hat die Verstärkung des Transistors Q2 das Bestreben, ziem lich konstant zu bleiben, @da seine dritte Elektrode direkt mit .der Systemserie veribunden ist.
Obwohl dieses Erdpotential nicht geregelt ist, sollte es ver- hältnismässig stabil sein. Anderseits ändert sich die Verstämkung des Transistors Q1 mit irgend einer Spannungsänderung, welche am Kollektor. des Tran sistors Q2 auftritt.
Somit steuern die Spannungsände- rungen am rechtsseitigen Spannungsteiler die Ver stärkung des Transistors Q1. Eine weitgehend gere gelte Bezugsspannung ist somit @an der kompensierten Ausgangsklemnme CP verfügbar.
Die Fig.2 zeigt zwei Wellenformern, welche zu Erläuterungszwecken dienen. Wie aus oder Kurve A hervorgeht, weist die Bezugsspannung (ungeregelte Systemserie) Spannungsspitzen auf.
Während die Ursache für diese Spitzen unbedeutend ist,RTI ID="0002.0225" WI="7" HE="4" LX="1825" LY="2141"> sind sie hier so dargestellt, dass sie in Zeitpunkten von Spit- zen;bed.arif auftreten. Selbstverständlich könnten, auch andere Gründe für diese .Spannungsspitzen vorliegen., wie z. B. Änderungen der Umgebungstemperatur o. dgl.
Auf jeden Fall ist die erste Spitze hier so dar gestellt, dass die Spannung scharf gegen den positi ven Batteriewert ansteigt. Somit ergibt sich ein Abfall des Stromflusses in jeder Vorrichtung, welche zwi schen Erde und die positive Batterieklemme geschal tet ist. Der zweite Impuls hat gleichartige Auswirkung gen auf die negative :Seite oder Batterie.
Bei .einer er- findungsgemässen Vorrichtung ergibt sich eine kom- pensierte Ausgangsspannung, wie sie die Kurve B zeigt, und welche an der Klemme CP auftritt und konstant ist. Somit tritt in der geregelten Bezugsspan nung nur eine kleine oder gar keine Anderung auf.
Die Arbeitsweise der Schaltung wird besser ver ständlich durch eine Betrachtung der, Fig. 3, welche die Ströme zeigt, die :sich durch die Gleichstrom-Vor- spannpotentiale ergeben.
Obwohl irgend eine geeig nete Stromquelle zur Erzeugung dieser Vorspannpo- tentiale verwendet werden kann, ist im vorliegenden Falle .eine Batterie verwendet, welche zwischen die Klemmen geschaltet ist, die den Klemmen + 18 und -18 der Fig. 1 entsprechen.
Der von; der Batterie her (in der konventionellen Richtung von der positiven zur negativen Klemme) fliessende Strom i teilt sich auf und fliesst :
durch die beiden, Spannungsteiler, wie dies durch die Pfeile i" und i" dargestellt ist. (Die Indices cl und e2 bedeuten dien Kollektor und Aden Emitter der Tnansi- storern Q1 und Q2). Im Transistor Q1 ,
fliesst der Strom 41 vom Kollektor über die Basisregionen zum Emitter und liefert 95 0/0 oder mehr des Emitter- stromes 1, ,. Die verbleibenden 5 % oder weniger des Emitterstromes i" rühren vom Basisstrom ibl her, welcher durch den Transistor Q1 vom Potential punkt V" gezogen wird.
Im Transistor Q2 fliessen 95 % oder mehr des Stromes ie, vom Emntter über die Basisregionen zum Kollektor, welcher den Strom i, abgibt.
Die verbleibenden 5 % oder weniger des Stromes fliessen durch .die Basisregionen nach Erde ab in Form des Stromes<B>42.</B> Nachdem der Strom den Transistor Q2 durchflossen hat, teilt er sich in einen ersten Teil 'b1, welcher zur Basis des Transi stors Q1 fliesst, und in einen zweiten Teil 1,1-41 auf, welcher über dien Widerstand R2 fliesst. Hierauf kommen die beiden SpannungsteileTs.tröme wieder zusammen und bilden dein Aus,
ganigsstrom i welcher zurück zur Batterie fliesst.
Nach der Zuführung der Leistung und der Stabi lisierung der elektrischen Werte geht in der besonde ren, hier vorliegenden .Schaltung die Spannung am kompensierten Ausgangspunkt CP auf einen Wert von ungefähr +1,5 Volt. Solange das Potential der Speis-,quelle stabil bleibt, tritt am Punkt CP keine Änderung auf.
Es sind Mittel vorhanden, um die Verstärkungen der Transistoren automatisch zu steuern zwecks Kompensation irgendwelcher Spannungsänderungen, welche auftreten können. Der Zweck der Steuerung besteht darin, an der Stelle Cp eine, sich nicht ändernde, d. h. konstante Spannung (welche im vor liegenden Schaltungsbeispiel +1,5 Volt :beträgt) auf recht zu erhalten.
Zunächst soll angenommen werden, dass das Potential an der oberen Klemme bezüglich Erde von + 18 auf +20 Volt ansteigt. Zur Vereinfachung der Erläuterung soll angenommen werden, dass das Potential an dker unteren Klemme, stabil, :d. h. auf -18 Volt bleibt. Ohne Kompensation würde die Stelle CP ebenfalls positiver.
Mit der dargestellten Schaltung trifft dies jedoch nicht zu, da die Spannung am Widerstand R1 zunimmt und der Strom a" grösser wird. Der Emitter des Transistors Q2 wird bezüglich der Basis positiver, und der Spannungsabfall am Transistor Q2 nimmt ab.
Die Spannung an der Stelle V12 wird positiver. Wenn die Basis dies Transistors Q1 bezüglich seines Emitters positiver wird, nimmt der Spannungsabfall zwischen dem Emitter und dem Kollektor ab. Somit verschiebt sich das Potential an der Stelle Cp in Richtung der -18 Volt der negativen Batterieklemme.
Das Ausmass dieser Verschiebung gegen -18 Volt ist genau gleich dem Betrag, um den die Stelle Cp sonst in positiver Richtung verschoben würde, wenn,das Potential von + 18 Volt erhöht wird. Somit bleibt das Potential .an der Stelle Cp stabil und konstant auf einem Wert von +1,5 Volt.
Nun soll angenommen wenden, dass das Potential an der, unteren Klemme sich von -18 auf -20 Volt verschiebt, während :das Potential an der oberen Klemme auf +18 Volt stehen bleibt. Das Potential an der .Stelle V" wird in negativer Richtung verscho ben, aber die Verstärkung ges Transistors Q2 wird durch diese Änderung der Kol'lektorspannung nicht wesentlich baeinflusst. Somit :bleibt der Strom ie2 konstant.
Die Emnitterspannung des Transistors Q2 an der Stelle Vel wird negativer, aber die Transi storverstärkung nimmt nicht zu, da das Basispotential V, ebenfalls negativer wind. Da die Verstärkung konstant bleibt, bleiben die Ströme i, und i" kon stant. Dies bedeutet, dass der Spannungsabfall ,am Belastungswiderstand RL konstant bleibt, und somit bleibt die kompensierte Spannung an; der Stelle Cp konstant auf +1,5 Volt.
Wenn sowohl das positive als auch das negative Potential sich gleichzeitig ändern, dann vereinigen sich die oben beschriebenen Effekte und halten die Spannung an der Stelle CP ebenfalls auf einem stabi len Wert.
Man erkennt, dass das kompensierte Potential :an der Stelle CP zahlreiche Bedürfnisse erfüllen kann. Daher ist,die Schaltung ganz allgemen von Nutzen.
Ausserdem können irgendwelche Schaltungen, wel che die hier erzeugte, .ausserordentlich stabile Be zugsspannung, benötigen, weitgehend vereinfacht werden, @da die bisher verwendeten Komplikationen zur Kompens ienung von Spannungsschwankungen in solchen Schaltungen in Wegfall kommen.
Obwohl die hier beschriebene Schaltung allge mein, Anwendung findet, erweist sie sich in gewissen Telephonschaltungen als besonders nützlich. Einte solche Schaltung liegt vor in Telephonanlagen, in welchen Sprechbatterien, welche ,die Teleph@on@mikro- phone speisen, sehr geräuscharm sein müssen.
Wäh rend verschiedene Arten von Telephonandagen aus einer solchen geräuscharmen Sprechbatterie Nutzen ziehen, wurde in einer von. der Anmelderin entwik- kelten Telepho nanlage mit Hilfe der hier @darge:legte.n Schaltung eine Verbesserung :des Geräuschabstandes (Signal-Rausch-Verhältnis) um mehr als 50:1 erzielt.
Ein weiterer Vorteil, der sich durch Verwendung erfindungsgemäss ausgebildeter Schaltungen in der vorerwähnten ,Anlage ergab, besteht darin, idass da durch stromgehaltene Schaltwege mit .einer bedeu tend grösiseren Zuverlässigkeit gehalten wenden.
Wie beispielsweise in der Fig.4 dargestellt ist, tritt ider Schaltweg Ri anstelle :
des Belastungswider standes RL. Dieser Schaltweg Ri enthält eine Anzahl Bauteile, welche insgesamt einen Widerstand von 525 Ohm aufweisen (d. h. den gleichen Widerstandswert, wie ihn der Widerstand RL in edier Fng. 1 aufweist). Der Widerstand von 470 Ohm in der Widerstands kette stellt den Quellenwiderstand einer positiven Halte-Batterie* dar.
Der Widerstand von 15 Ohm entspricht einer Wicklung einer übertragerspule. Die Sprechströme werden dem Schaltweg über diese Wicklung induktiv zugeführt. Die Sprechströme wer den der Stelle CP über einen Kopplungskondensator entnommen.
Der Schaltweg ist .durch elektronische Schaltmittel vervollständigt, welche hier durch zwei PNPN Diodengebildet sind, idie im leitenden Zu stand je einen Widerstand von 20 Ohm. aufweisen. Bekanntlich bleiben PNPN-Dioden nur solange im leitenden (oder Ein-Zustand), als Strom durch diese fliesst.
Falls Spannungsschwankungen, gemäss Kurve A der Fig. 2 im Schaltweg Ri auftreten, ergibt sich eine Stromlücke, so dass die Dioden in den gesperrten Zustand (Aus-Zustand) übergehen.. Mit der stabili sierten Spannung gemäss Kurve B treten jedoch keine solchen Stromlücken auf, so dass der Schalt weg nicht aufgelöst, d. h. unterbrochen wird.
Die kleinen Spannungsänderungen, die gegebenenfalls an der Klemme mit einem Potential von +l8 Volt auftreten, sind bedeutungslos, insbesondere auch darum, die der grösste Teil einer solchen Änderung vom Widerstand von 470 Ohm aufgenommen wird.
Falls irgendwelche kleine Spannungsänderungen an der kompensierten Ausgangsstelle CP .auftreten sollten, ist es lediglich nötig, einen variablen Steuer widerstand RC :entsprechend :einzustellen. In einer praktischen Ausführung hat :es sich gezeigt, dass, nachdem der Steuerwiderstand einmal richtig einge stellt ist, keine weiteren Einstellungen mehr nötig sind.