DE1018941B - Schaltungsanordnung zur Stabilisierung und Regelung der Ausgangsspannung eines Transistoroszillators - Google Patents

Description

Transistorgeräte haben gegenüber Röhrengeräten den großen Vorteil, daß sie einen sehr hohen Wirkungsgrad besitzen und daß nur sehr niedrige Betriebsspannungen erforderlich sind, so daß sie meist aus sehr kleinen Batterien gespeist werden können. Bei der praktischen Ausführung von Transistoroszillatoren stößt man jedoch oft auf große Schwierigkeiten, wenn es darauf ankommt, die Ausgangsspannung und die Ausgangsimpedanz des Oszillators unabhängig von Schwankungen der Batteriespannung, der Belastung, der Temperatur oder unabhängig von einer eventuellen Frequenzänderung möglichst konstant zu halten. Für die Ausgangsimpedanz ist außerdem in vielen Fällen ein möglichst niedriger Wert (möglichst Null oder nahezu Null Ohm) erwünscht, denn dann bleibt die Ausgangsspannung bei beliebiger Belastung zwischen Leerlauf und einer Maximallast, die durch die Grenze der Belastbarkeit gegeben ist, vollständig oder wenigstens nahezu vollständig konstant.

Von besonderer Bedeutung sind konstante Ausgangsspannung und kleine Ausgangsimpedanz bei den sogenannten Pegelsendern, das sind Tonfrequenzoder Trägerfrequenz-Meßstromquellen. Solche Pegelsender gibt es sowohl mit fester als auch mit veränderlicher Ausgangsfrequenz. Sie enthalten im allgemeinen einen Oszillator, eventuell mit von außen veränderlicher Frequenz und einen nachfolgenden Leistungsverstärker. Bei derartigen Meßstromquellen kommt es naturgemäß besonders darauf an, daß die Ausgangsspannung und die Ausgangsimpedanz sehr konstant bleiben, unabhängig von der eingestellten Frequenz und der jeweiligen Belastung. Außerdem benötigt man eine hohe zeitliche und thermische Konstanz.

Derartige Pegelsender werden in den Oszillator- und Verstärkerstufen bisher fast ausschließlich mit Röhren bestückt. In Sonderfällen kommen mechanische Vibratoren zur Anwendung. Transistoren werden wegen ihrer bekannt geringeren Stabilität gegenüber Röhren für diese Zwecke bisher kaum verwendet, obwohl sich auch hier die bekannten Vorteile von Transistorgeräten — geringe Größe, kleines Gewicht, minimaler Stromverbrauch — besonders bei Pegelsendern, die häufig transportiert und auch im Außeneinsatz verwendet werden, günstig auswirken würden.

Es liegt an sich nahe, die bekannten Stabilisierungsund Regelschaltungen, wie sie bei Röhrensendern üblich sind, auf Transistoroszillatoren zu übertragen. Man stößt hier jedoch auf mannigfache Schwierigkeiten. Beispielsweise ist bei Röhrensendern, bei denen es auf hohe Konstanz ankommt, eine z. B. elektronische Stabilisierung der Betriebsspannungen üb-Schaltungsanordnung zur Stabilisierung

und Regelung der Ausgangsspannung

eines Transistoroszillators

Anmelder:

Dr. Oskar Vierling,

Ebermannstadt, Pretzfeider Str. 174-175

Dipl.-Ing. Herbert Maier, Ebermannstadt,
ist als Erfinder genannt worden

lieh. Die Stabilisierung der geringen Betriebsspannungen, welche die Transistoren benötigen, ist jedoch kaum in der gleichen Weise durchzuführen, da geeignete Vergleichsnormalien, etwa Stabilisatoren, für .so niedrige Spannungen bis jetzt nicht zur Verfügung stehen. Entsprechende andere Stabilisierungsschaltun-

₂g gen für niedrige Spannungen benötigen einen unverhältnismäßig hohen Aufwand.

Es ist auch denkbar, eine Begrenzung der Ausgangsspannung eines Transistoroszillators nach einer aus der Röhrentechnik bekannten Methode durchzuführen, indem die Ausgangsspannung des Oszillators in jedem Fall auf den bei ungünstigsten Bedingungen auftretenden minimalen Wert begrenzt wird. Die bekannten ßegrenzerschaltungen bedingen jedoch entweder einen bei Pegelsendern unzulässig hohen Klirrfaktor oder sind zu kompliziert, um in kleinen, tragbaren Batteriegeräten Verwendung rinden zu können.

Die Anwendung einer Gegenkopplung, wie sie aus der Röhrentechnik ebenfalls bekannt ist und schon seit geraumer Zeit Eingang in die Transistor-Schaltungstechnik gefunden hat, empfiehlt sich natürlich auch für den vorliegenden Anwendungszweck in jedem Falle. Sie bringt jedoch mit erträglichem Aufwand bei Transistorgeräten allein noch kein solches Maß an Stabilität, wie es für Pegelsender erforderlich ist. Die Schwankungen, welche ohne Gegenkopplung auftreten würden, werden durch die Gegenkopplung zwar in bekannter Weise — dem Gegenkopplungsgrad entsprechend — verringert. Doch ist die Stabilität der Transistoren gegenüber Röhren bis jetzt noch wesentlich geringer, so daß bei Anwendung eines bestimmten Gegenkopplungsgrades bei einem Transistorgerät immer noch wesentlich größere Schwankungen auftreten als bei Anwendung derselben

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Gegenkopplung bei einem entsprechenden Röhreugerät.

Bei Röhrenverstärkern sind bereits Stabilisierungsschaltungen bekanntgeworden, bei denen eine automatische Konstanthaltung der Verstärkung dadurch erreicht wird, daß eine Hilfsspannung, deren Frequenz außerhalb des Frequenzbereiches der zu verstärkenden Schwingungen liegt, im Verhältnis der Sollverstärkung geteilt wird, daß der eine (kleinere»

Neben dem großen zusätzlichen Schaltungsaufwand benötigt diese Anordnung auch einen großen zusätzlichen Aufwand für die Stromversorgung. Dies ist gerade bei einem au* Batterien gespeisten Transistorgerät, worauf sich der Gegenstand der Erfindung bezieht, aus wirtschaftlichen Gründen nicht tragbar.

Die Erfindung hat demgegenüber sehr einfache Schaltungsanordnungen zur Stabilisierung und Regelung von Transistoroszillatoren zum Gegenstand,

Teil der Hilfsspannung gemeinsam mit diesen io weiche die oben aufgezeigten Nachteile der aus der Schwingungen verstärkt wird und daß durch Ver- Röhrentechnik bekannten Regel schaltungen zum gleich des verstärkten Teiles der Hilfsspannung mit großen Teil vermeiden und das bekannte Prinzip der dem zweiten (größeren) Teil der Hilfsspannung eine Regelung mit Vorteil auf Transistoroszillatoren anvon der Verstärkung der Schaltungsanordnung ab- zuwenden gestatten. Durch die in der Erfindung auf-■ hängige Regelspannung gewonnen wird, mittels derer 15 gezeigte Stabilisierungsmethode wird mit einfachsten die Verstärkung auf den Sollwert nachgeregelt wird. Mitteln und mit sehr geringem zusätzlichen Strom-

Diese Regelschaltung erfordert jedoch einen verhältnismäßig hohen Aufwand. Denn außer der Hilfsspannungsquelle (Wechselspannungsquelle) benötigt man Mittel zur Herstellung des richtigen Teilungs- so Verhältnisses der Hilfsspannung (bei einer bekanntgewordenen Anordnung z.B. zwei Transformatoren), sowie eigene Übertragungsglieder zur Verstärkung der Hilfsspannung und deren Trennung von der

Nutzspannimg und weiter je eine Gleichrichter- 25 wechseln der Transistoren jedoch in weiten Grenzen anordnung für den über den Verstärker geleiteten unabhängig werden.

Teil und den direkt zugeführten Teil der Hilfs- Die Erfindung bezieht sich auf Stabilisiernngs¹

spannung. Damit die Trennung der Nutzfrequenz und methoden, bei denen durch Vergleich einer dem Ausder Hilfsfrequenz mit erträglichem Aufwand durch- gangskreis entnommenen und der Ausgangsspannung führbar ist,'muß die Hilfsfrequenz möglichst weit 30 proportionalen Spannung mit einer Bezugsspannung vom Nutzfrequenzband entfernt liegen. Der Vi-r- eine Differenzspannung gebildet wird und diese stärker muß deswegen für eine wesentlich größere Differenzspannung zur Regelung benutzt wird. Sie ist Bandbreite ausgelegt werden. Je größer jedoch der dadurch gekennzeichnet, daß der Kreis der Steuer-Abstaud der Hilfsfrequenz vom Nutzfrequenzband elektrode, vorzugsweise der Basiselektrode, auf den ist, um so größer können unter Umständen die Regel- 35 die rückgekoppelte Spannung einwirkt, ein i?C-G!ied

verbrauch erreicht, daß die Konstanz und die Größe der Ausgangsspannung eines Transistoroszillators nur von der Konstanz und der Größe einer Bezugsspannung abhängig sind, von Schwankungen der Betriebsspannung, der Belastung, der Temperatur und ähnlichen Schwankungen sowie von Änderungen der Rückkopplung.«- und Verstärkungsbedingungen bei einer eventuellen Frequenzänderung oder beim Aus

abweichungen werden, da der Verstärker auf konstante Verstärkung für die Hilfsspannung nachgeregelt wird. Die durch äußere Einflüsse bedingten Schwankungen der Verstärkung für die Nutzfrequenz und die Hilfsfrequenz können jedoch unter Umständen durchaus verschieden sein. Wegen der —■ ni? vollkommen vermeidbaren — Nichtlinearitäten der Röhrenkennlinien findet außerdem stets eine gewisse gegenseitige Modulation von Nutz- und HiIf,'--

enthält, an das die Differenzspannung zwischen der gleichgerichteten Ausgangsspannung und der Bezugsspannung geschaltet ist, wobei die Quelle für die Bezugsspannung mit dem gleichen Pol an Masse gelegt ii't wie die Quelle für die Betriebsspannung des Transistors. Damit ergibt sich die überraschende Wirkung, daß man unter gewissen Bedingungen eine eigene Bezug^batterie ganz einsparen und eine gemeinsame Batterie als Versorgungs- und Bezugs

spannung statt, die sich ebenfalls störend bemerkbar 45 batterie verwenden kann. Ein gemäß der Erfindung

stabilisierter Transistoroszillator benötigt im einfachsten Au^führuiigsfall als zusätzliche Elemente nur noch eine Diode und eine zusätzliche Wicklung auf dem sowieso vorhandenen Ausgangstransformator

gebracht wird und dadurch ein eigener Hilfs- 50 bzw. auf der Schwingkreisspule.

machen kanu.

Unter gewissen Umständen kann zwar die Hilfsspannung auch dadurch erzeugt werden, daß die zu regelnde Verstärkerschaltung zum Selbstschwingen

spannungsgenerator entfällt. Doch treten hierdurch
bekanntermaßen weitere Dimensionierungsschwierigkeiten, z.B. bei der Einstellung der Arbeitspunkte auf.
Es sind auch bereits Regelschaltungen für Röhrenoszillatoren mit negativem innerem Widerstand und 55 Rückkopplungsschaltung dargestellt ist. Am Oszileinem nachgeschalteteu Verstärker bekanntgeworden. latorschwingkreis entsteht eine Ausgangsspannung 2. bei denen die Ausgangsspannung dadurch konstant welche Leistung an den Verbraucherwiderstand 3 abgehalten wird, daß diese zur Erzeugung einer Vor- geben kann. Natürlich kann der Verbraucher auch spannung benutzt wird, die dem Oszillator in solchem über eine eigene Wicklung an den Oszillatorschwing-Sinne und in solcher Größe zugeführt wird, daß die 60 kreis angeschlossen werden. Die Betriebsspannung für

Die Wirkungsweise der Anordnung wird an Hand der Oszillatorschaltung nach Fig. 1 näher erläutert, in welcher als Beispiel eine LC-Oszillatorschaltung mit einem pnp-Flächentransistor 1 in induktiver

Wechselspannungsamplitude am Ausgang des Verstärkers selbsttätig konstant bleibt.

Die bekanntgewordenen Regelschaltungen erfordern aber auch verhältnismäßig hohen Aufwand und sind

den Oszillator liefert die Batterie 4. Die Basis erhält über einen Widerstand 5, der mit dem Kondensator 6 überbrückt ist, eine automatische Vorspannung 7. Die Oszillatorspule ist als Transformator mit den drei

deshalb nicht ohne weiteres auf Transistoroszillatoren 65 Wicklungen 8, 9 und 10 ausgebildet. Das Überanwendbar. Denn es ist sowohl ein Wechselspannungsverstärker für die Ausgangsspannung als auch ein
Gleichspannungsverstärker für die Regelspannung sowie der Gleichrichterteil und eine Vorspannungsquelle

Setzungsverhältnis zwischen Wicklung 9 und 10 möge der Einfachheit halber gleich Eins sein. Dann besteht auch an der Wicklung 10 die Ausgangsspannung 2. Diese wird mit einer Diode 11 gleichgerichtet und

::zr Erzeugung der Regelspannung erforderlich. 70 liegt so als Spannung 2' in Reihe mit der Spannung

12 der Bezugsbatterie. Die Diode 11 ist derart gepolt, daß die beiden Spannungen 12 und 2' gegeneinander geschaltet sind. Wenn nun der Basisstrom 13 genügend groß ist, um eine Ausgangsspannung 2 hervorzurufen, deren Scheitelwert größer ist als die Summe der Bezugsspannung 12 und der (relativ niedrigen) Basisvorspannung 7, so erhöht sich der Strom 14 im Stabilisierungskreis, welcher durch die ßezugsspannungsquelle 12, die Wicklung 10, die Diode 11 und den Basiswiderstand 5 gebildet ist. Dadurch wird der Basisstrom 13 herabgesetzt und verringert auf diese Weise die Verstärkung des Transistors 1 so weit, bis die Ausgangsspannung 2' die Summe der Spannungen 12 und 7 kaum mehr übersteigt. Zum richtigen Funktionieren der Anordnung muß die Betriebbspannung 4 etwas höher sein als der Scheitelwert der Ausgangsspannung 2. Sie kann aber nahezu beliebig höher sein, solange nur die maximale Kol'ektorspannung des Transistors nicht überschritten wird. Ein großer Vorteil dieser Schaltung ist, daß der Be:-;ugsbatterie 12 kein Strom entnommen wird, sondern daß sie vielmehr ständig mit dem (zwar sehr kleinen; Strom 14 nachgeladen wird. Die Bezugsbatterie 12 braucht also nur Spannung, aber keine Leistung abzugeben und kann deshalb auch ein passives Spannungsnormal sein. Sorgt man durch einen Parallelwiderstand zur Batterie 12 dafür, daß aus ihr ein Strom entnommen wird, der gerade den mittleren Ladestrom 14 kompensiert, so fließt durch die Batterie 12 überhaupt kein Strom. Ihre Spannung kann damit sehr konstant gehalten werden.

Wie aus Fig. 1 weiter hervorgeht, liegen die Versorgungsbatterie 4 und die Bezugsbatterie 12 einpolig auf gleichem Potential, und zwar jeweils mit ihrem Plus-Pol an Masse. Man kann deshalb eine gemeinsame Batterie als Versorgungs- und Bezugsbatterie verwenden, wenn man nur durch geeignete Maßnahmen dafür sorgt, daß die notwendigen Spannungsverhältnisse eingehalten werden. Nach dem oben Gesagten muß die Betriebsspannung 4 etwas größer sein als der Scheitelwert der Ausgangsspannung 2. Sie muß weiter — je nach der Höhe der zu kompensierenden Schwankungen — um mindestens 10 bis 20% größer sein als die Bezugsspannung 12, wenn das Übersetzungsverhältnis zwischen den Wicklungen 9 und 10 gleich eins gewählt wird. Man kann nun die Betriebsspannung 4 und die Bezugsspannung 12 gleich groß machen, d. h. ein und dieselbe Batterie verwenden, wenn man das Übersetzungsverhältnis de;: Ausgangstransformators etwa 1,1 bis 1,2 macht. Auf diese Weise werden zwar die Schwankungen der Batteriespannung (durch Alterung) nicht mehr ausgeglichen, wohl aber bleibt die Ausgangsspannung konstant unabhängig von Schwankungen der Belastung und der Temperatur oder einer eventuellen Frequenzänderung, solange nur die Batteriespannung sich mit diesen Größen nicht ändert. Einen auf diese Weise stabilisierten Transistoroszillator zeigt Fig. 2. Die Bezeichnungen entsprechen denen in Fig. 1.

Man kann die wirksame Bezugsspannung und damit auch die Ausgangsspannung des Oszillators auf bequeme Weise dadurch verringern, daß man sie mit Hilfe eines Spannungsteilers von der Bezugsspannungsquelle bzw. bei einer Anordnung nach Fig. 2 von der Betriebsspannungsquelle abgreift. Verwendet man dazu ein regelbares Potentiometer, so hat man außerdem die Möglichkeit einer sehr wirtschaftlichen Regelung der Ausgangsspannung ohne Vergrößerung der Ausgangsimpedanz und ohne wesentliche Verschlechterung des Wirkungsgrades; denn das Regelpotentiometer kann relativ hochohmig sein, da der Regelstrom 14 um wenigstens eine Größenordnung kleiner ist als der Betriebsstrom für den Transistor. Fig. 3 zeigt eine derartige Schaltung für einen Gegentakttransistoroszillator. Die Bezeichnungen entsprechen wiederum denen der Fig. 1. Die Wirkungsweise ist die gleiche wie bei der Eintaktschaltung, mit dein einen Unterschied, daß beide Halbwellen der Oszillatorschwingung zur Stabilisierung herangezogen werden. Mit den üblichen Mitteln wäre hier eine einfache Regelung der Ausgangsspannung nicht möglich, ohne daß die Ausgangsimpedanz wesentlich vergrößert oder der Wirkungsgrad wesentlich verschlechtert wird. Weil nämlich der Wirkungsgrad eines solchen Gegentaktoszillators sehr hoch ist (bis zu 7S°/o), ist der Betriebsstrom der Schaltung sehr stark von der Größe des Belastungswiderstandes abhängig. Würde man die Ausgangsspannung durch einen regelbaren Vorwiderstand in der Batteriezuleitung regeln und auf diese Weise die Betriebsspannung für den Oszillator und dementsprechend die Amplitude der Schwingung herabsetzen, so wäre die Ausgangsspannung sehr stark belastungsabhängig, da der Betriebsstrom und damit der Spannungsabfall am Vorwiderstand ebenfalls sehr stark von der Belastung abhängen. Das bedeutet aber eine starke Erhöhung der Ausgangsimpedanz bei dem auf diese Weise geregelten Oszillator. Die Verhältnisse werden erst merklich besser, wenn man an Stelle des Vorwiderstandes einen niederohmigen, regelbaren Spannungsteiler verwendet, dessen Querstrom groß ist gegen den Betriebsstrom des Oszillators. Dann fällt aber der andere große Vorteil des Transistorgerätes, sein außerordentlicher hoher Wirkungsgrad, weg. Bei der Anordnung nach der Erfindung braucht jedoch der Querstrom für den Spannungsteiler nur groß zu sein gegen den außerordentlich geringen Regelstrom 14. Bei den heute üblichen Flächentransistoren liegt der Betriebsstrom bei einigen Milliampere, der Regelstrom 14 jedoch nur bei einigen 10 oder 100 Mikroampere, ist also um eine bis zwei Größenordnungen kleiner als der Betriebsstrom. Der Querstrom des Spannungsteilers bei einer praktisch brauchbaren Schaltung nach Fig. 3 braucht daher höchstens in der Größenordnung des Betriebsstromes zu liegen. Der Wirkungsgrad geht damit bei Regelung der Bezugsspannung höchstens auf die Hälfte zurück, während er bei der erwähnten Regelung der Betriebsspannung auf mindestens ein Zehntel zurückgeht.

Fig. 4 zeigt noch eine Schaltung, bei der die Stabilisierung und Regelung der Ausgangsspannung in mehreren Stufen gleichzeitig erfolgt. Eine solche Schaltung hat sich in der Praxis als kleiner tragbarer Pegelsender bewährt. Die Ausgangsspannung· ist hierbei stetig \^ron Null an regelbar. Das in Fig. 4 als Beispiel dargestellte Gerät arbeitet mit einem Eintaktoszillator und nachgeschaltetem Gegentaktverstärker. Die Anwendung des Erfindungsgedankens ist natürlich mit diesen beschriebenen Beispielen nicht erschöpft, sondern es gibt viele, die in der Praxis von Bedeutung sind.

Claims (9)

Patentansprüche

1. Schaltungsanordnung zur Stabilisierung und Regelung der Ausgangsspannung eines Transistor oszillators, bei der durch Vergleich einer dem Ausgangskreis entnommenen und der Ausgangsspannung proportionalen Spannung mit einer Bezugsspannung eine Differenzspannung gebildet

wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreis der einen Steuerelektrode, vorzugsweise der Basiselektrode, auf den die rückgekoppelte Spannung einwirkt, ein i?C-Glied enthält, an das die Differenzspannung zwischen der gleichgerichteten Ausgangsspannung und der Bezugsspannung geschaltet ist, wobei die Quelle für die Bezugsspannung mit dem gleichen Pol an Masse gelegt ist wie die Quelle für die Betriebsspannung des Transistors.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Bezugsspannung so gewählt ist, daß im ungünstigsten Betriebs- oder Belastungsfall des Oszillators eben noch eine Begrenzung der Oszillatoramplitude stattfindet.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Bezugsspannungsquelle eine Batterie, vorzugsweise eine Kleinst-AkkumulatO'renbatterie, verwendet wird.

4. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige Batterie gleichzeitig als Bezugs- und Betriebsspannungsquelle dient.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Bezugsspannungsquelle ein passives Spannungsnormal verwendet wird.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannung und damit die Ausgangsspannung des Oszillators in weiten Grenzen regelbar ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannungsquelle entweder ständig geladen, oder ihr überhaupt kein Strom entnommen, oder nur ein Strom entnommen wird, der klein gegen den Betriebsstrom des Oszillators ist oder höchstens in dessen Größenordnung liegt.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und/ oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der stabilisierte und geregelte Oszillator als Gegentaktoszillator ausgeführt ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und/ oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistoroszillator mehrstufig ausgeführt ist, d. h. daß eine oder mehrere Trennverstärkerstufen nachgeschaltet sind, und daß die Stabilisierung und Regelung der Ausgangsamplitude in einer beliebigen bzw. in mehreren Stufen gleichzeitig erfolgen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 628 746, - 818; ir ή t'&f* ftttttifStAr/favfr, ά$Ζ i

»Electronics«, Heft 1/1954, S. 224, 226, 228.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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