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Mit Zenerdioden als nichtlineare Widerstände arbeitende Brückenschaltungsanordnung
für Regelzwecke Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung einer mit Zenerdioden
als nichtlineare Widerstände arbeitenden Brückenschaltungsanordnung für Regel-zwecke,
der ein ein- oder mehrstufiger Transistorverstärker nachgeschaltet ist.
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Ziel der Erfindung ist, eine weitgehende Konstanz in der Verstärkung
zu erreichen.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe bei einer solchen angegebenen Anordnung,
indem erfindungsgemäß sowohl die die Eingangsspannung messende Brückenanordnung
als auch die ihr nachgeschalteten Verstärker von der gleichen Eingangs- bzw. Ist-Gleichspannung
gespeist werden. Auf diese Weise wird für die gesamte Anordnung, nän-Aich Brückenmeßglied
und Verstärker, nur eine gemeinsame Spannungsquelle, und zwar die Istwertspannung,
benötigt.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann hierbei der Verstärker
vorzugsweise ebenfalls in Form einer Brückenschaltung aufgebaut werden.
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In Verbindung mit der grundsätzlichen Erfindung kann die Anordnung
im Transistorverstärker jeweils derart getroffen werden, daß zwischen dessen Stufen
eine Rückkopplung im Sinne einer Mit- oder einer Gegenkopplung benutzt ist.
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In der die Eingangsspannung der Anordnung messenden Brückenanordnung
kann in diagonal gegenüberliegenden Zweigen mit je einer Zenerdiode als spannungsabhängiger,
nichthnearer Widerstand oder auch nur in einem ihrer Brückenzweige mit einer Zenerdiode
als nichtlinearer, spannungsabhängiger Widerstand gearbeitet werden. Eine solche
Brücke hat zwar gegenüber einer solchen mit Zenerdioden in zwei einander diagonal
gegenüberliegenden Brückenzweigen eine geringere Empfindlichkeit. Eine solche Schaltung
hat aber den technischen Vorzug der leichteren Einstellbarkeit der Brücke auf eine
bestimmte erwünschte Eingangssollspannung, bei der sie also den Ausgangswert Null
liefert. Hinzukommt, abgesehen von diesem technischen Vorzug, daß der für die Brücke
erforderliche Aufwand auf diese Weise herabgesetzt werden kann.
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Im allgemeinen muß nun auch damit gerechnet werden, daß diese Zenerdioden
in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur einen gewissen Temperaturgang aufweisen.
Dieser würde natürlich den Sollwert der Brücke verschieben. Erfindungsgemäß wird
dann in solchen Fällen in der Brücke eine entsprechende Einrichtung zur Temperaturkompensation,
bestehend aus geeigneten, ebenfalls temperaturgängigen Widerständen, vorgesehen.
Liegt eine Brücke mit der zuerst erwähnten Schaltung vor, wonach in zwei einander
diagonal gegenüberliegenden Brückenzweigen je eine Zenerdiode benutzt wird,
so ist es für die Teraperaturkompensation der Brücke dann naturgemäß erforderlich,
in Reihe mit jeder der Dioden je einen Widerstand zur Teraperaturkompensation
vorzusehen. Bei einem solchen Aufbau wird die Empfindlichkeit der Brücke allerdings
etwas herabgesetzt, denn durch den in Reihe zu jeder Zenerdiode geschalteten Widerstand
wird die günstige Kennlinie der Zenerdiode für die Arbeitsweise in der Brückenanordnung
etwas nachteilig beeinflußt. Dieser Mangel einer Brückenanordnung mit zwei Dioden
läßt sich vermeiden, wenn die Brückenanordnung mit nur einer Diode in einem der
Brückenzweige benutzt wird. In diesem Falle kann der Widerstand zur Temperaturkompensation,
wie erlindungsgemäß erkannt wurde, nämlich in einem anderen der Zweige der Brücke
als dernjenigen angeordnet werden, welcher die Zenerdiode enthält. Es ist zu erkennen,
daß in dem angestrebten Sinne dann durch einen solchen Widerstand keine Verschlechterung
des Arbeitens der Diode mehr eintreten kann. Es kann für die Anordnung eines solchen
Widerstandes zur Temperaturkompensation z. B. ein Brückenzweig benutzt werden, der
demjenigen Brückenzweig diagonal gegenüberliegt, in welchem die Zenerdiode angeordnet
ist. In diesem Falle muß, da die Zenerdiode einen positiven Temperaturbeiwert hat,
in dem diagonal gegenüberliegenden Brückenzweig ein Temperaturkompensationswiderstand
mit negativem Temperaturbeiwert benutzt werden. Solche Widerstände mit negativem
Temperaturbeiwert stehen in vielen Formen, z. B. als
sogenannte
Heißleiter, zur Verfügung. Der Temperaturkompensationswiderstand kann jedoch auch
in einem Brückenzweig angeordnet werden, der an die gleiche Eingangsklemme der Brücke
angeschlossen ist wie derjenige Brückenzweig, der die Zenerdiode als spannungsabhängigen
Widerstand enthält. In diesem Falle ist unter Berücksichtigung des positiven Temperaturbeiwertes
der Zenerdiode ein Widerstand zur Temperaturkompensation von ebenfalls positivem
Temperaturbeiwert zu wählen.
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Einige Ausführungsbeispiele für die Anwendung der Erfindung sollen
nunmehr an Hand der Figuren der Zeichnung näher erläutert werden, wobei sich noch
weitere vorteilhafte Merkmale ergeben werden, die in Verbindung mit der Erfindung
benutzt werden können.
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Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zeigt eine Brückenanordnung,
mit einer Zenerdiode als nichtlinearen, spannungsabhängigen Widerstand in einem
ihrer Brückenzweige mit einer nachgeschalteten Verstärkerstufe, die ebenfalls den
Charakter einer Brückenschaltung hat. Die Speisung beider Brückenanordnungen erfolgt
dabei von der gleichen Gleichspannungsquelle, welche an die Klemmen 1 und
2 angeschlossen ist und die in einer Regeleinrichtung wieder eine Istwertspannung
verkörpern möge. Es bezeichnet 4 die Zenerdiode in dem einen der Brückenzweige und
3, 5 und 7 die in den anderen drei Brückenzweigen angeordneten ohmschen
Widerstände. Diese Brückenanordnung bildet die erste Stufe der benutzten Kaskadenschaltung.
Die zweite Stufe wird gebildet durch eine Brückenanordnung, welche in zwei Zweigen
je einen Transistor 11 bzw. 12 und in den anderen beiden Zweigen
je einen ohnisehen Widerstand 13 bzw. 14 aufweist. Die Speisung .,t
an ihren Eingangsdieser Brückenanordnung erfolg klemmen einmal über die Klemme 2
und andererseits über die Klemme 1 sowie den Widerstand 10. Die Ausgangsspannung
wird in der Anordnung abgenommen an dem Ausgangsdiagonalzweig der Brücke aus den
Gliedern 11 bis 14 an den Klemmen 15 und 16.
Die beiden Transistoren
11 und 12 mögen solche des p-n-p-Typs sein, und lla bzw. 12a mögen jeweils
den Emitter, llb bzw. 12b die Basis und 11c bzw. 12c den Kollektor der Transistoren
bezeichnen. Wie aus der Schaltung zu erkennen ist, ist der Ausgangsdiagonalzweig
der Brückenanordnung aus den Gliedem 3 bis 5 und 7 mit seinen
Klemmen 8 und 9 an die Basis 11 b bzw. 12 b je
eines der beiden Transistoren 8 bzw. 9 angeschlossen.
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Die Wirkungsweise der Anordnung ist die folgende, wobei vorausgeschickt
werden soll, daß die beiden Transistoren in der Anordnung jeweils durch ein Ansteigen
der Spannung an den Ausgangsklemmen 8
und 9 in der einen oder anderen
Richtung gegenläufig zueinander in ihrer Durchlässigkeit gesteuert werden: Es werde
angenommen, daß das Potential der Klemme 8 als Folge eines Absinkens der
Spannung an den Klemmen 1 und 2 positiv gegenüber demjenigen an der Klemme
9 wird. Eine solche Verminderung der Größe des Istwertes an den Klemmen
1 und 2 ergibt nun an dem Widerstand 5 eine proportionale Verminderung
der Spannung, am Widerstand 3 dagegen eine mehr als proportionale Verminderung
seiner Spannung, da in Reihe mit diesem Widerstand die Zenerdiode geschaltet ist,
deren Spannung annähernd konstant bleibt. Gleichzeitig kann angenommen werden daß
der Strom, der cl 3
Über den Widerstand 10 dem Transistorverstärker
zu-
fließt, sich zunächst proportional mit der Spannungsänderung der Eingangsspannung
an den Klemmen 1
und 2 ändert. Für den Transistor 11 ergibt sich daraus
eine Verkleinerung der Steuerspannung zwisehen den Elektroden lla und llb. Dieser
Transistor wird dadurch in seiner Durchlässigkeit herabgesteuert. Es sinkt damit
der Strom, der über den Widerstand 10, den Transistor 11 und den Widerstand
13 fließt. Die Verkleinerung des Stromes durch den Widerstand 10 vermindert
den am Widerstand 10
auftretenden Spannungsabfall. Dadurch wird aber die Steuerspannung
für den Transistor 12 an seiner Emitter-Basis-Strecke 12a, 12b heraufgesetzt.
Der Transistor 12 wird daher in seiner Emitter-Kollektor-Strecke stärker durchlässig
und somit der Strom über die Reihenschaltung aus Transistor 12 und Widerstand 14
heraufgesetzt. Es entsteht an den Ausgangsklemmen 15 und 16 der Brückenanordnung
11 bis 14 eine entsprechende Spannungsdifferenz in dem Sinne, daß die Klemme
16 positiv gegenüber der Klemme 15
wird.
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Umgekehrt würde bei einem Ansteigen der Spannung an den Klemmen
1 und 2 die Klemme 9 gegenüber der Klemme 8 positiv werden.
Es würden sinngemäß weiterhin der Transistor 12 in seiner Durchlässigkeit herabgesetzt
und der Transistor 11 in seiner Durchlässigkeit gesteigert werden. Es steigt
daher der Strom über die Reihenschaltung aus dem Transistor 11 und dem Widerstand
13 an, während der Strom über die Reihenschaltung aus dem Transistor 12 und
dem Widerstand 14 absinkt. Es wird daher richtungsabhängig in übereinstimmung mit
der Änderung der Spannung an den Klemmen 1 und 2 gegenüber dem Sollwert ein
entsprechender Ausgangswert an den Klemmen 15 und 16 geliefert,
wobei nunmehr die Klemme 15 gegenüber der Klemme 16 positives Potential
hat.
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Die Schaltung hat die Eigenart, daß durch den gemeinsamen Widerstand
10 für die beiden Stromzweige der Brückenanordnung, welche die nachfolgende
Verstärkerstafe bildet, unabhängig von der jeweiligen Aussteuerung der beiden Transistoren
11 bzw. 12 die Stromaufnahme der zweiten Brückenanordnung praktisch konstant
bleibt. Somit ist auch die Stromaufnahme der Gesamtanordnung unabhängig von der
Aussteuerung der beiden Transistoren bei kleinen Abweichungen vom Sollwert der Istgröße
praktisch konstant. Das ergibt den weiteren Vorzug, daß durch Vorschalten eines
Widerstandes zwischen der Spannungsquelle und den Klemmen 1 bzw. 2 die Einrichtung
auch in Verbindung mit Anordnungen benutzt werden kann, die eine höhere Istspannung
aufweisen, als sie eigentlich zur Herstellung des Gleichgewichtes der Brücke an
deren Eingangsklemmen 1 und 2 liegen müßte.
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In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Dieses
weist einen großen Teil der Schaltungselemente auf, welche indem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1 vorhanden waren. Für diese gleichartigen Schaltelemente sind
daher die gleichen Bezugszeichen beibehalten worden. Zusätzlich ist in dieser Schaltungsanordnung
zunächst in demjenigen Zweig der die Eingangsspannung messendenBrückenanordnung,
welcher den Widerstand 5 enthält, zur Kompensation des Temperaturganges der
Zenerdiode 4 in Reihe mit diesem Widerstand 5 ein Widerstand 6 eingeschaltet.
Wenn die Zenerdiode 4 mit positivem Temperaturbeiwert
angenommen
wird, ist dieser Widerstand 6
als ein solcher mit einem entsprechenden negativen
Temperaturbeiwert ausgewählt. Erhöht sich. die Umgebungstemperatur der Zenerdiode,
so daß der Wert der Zenerdurchbruchsspannung der Diode 4 ansteigt, so ändert sich
gleichzeitig der entsprechend bemessene Spannungsabfall an dem thennisch negativen
Widerstand 6, so daß das Brückengleichgewicht bestehenbleibt. Die Brückenanordnung
arbeitet dadurch als Meßeinrichtung unabhängig von der jeweiligen Umgebungstemperatur
der Zenerdiode. Durch die Einfügung des Widerstandes 6 für die Temperaturkompensation
wird die günstige Arbeitsweise der Zenerdiode nicht beeinflußt, so daß die Empfindlichkeit
der Brücke trotz dieser zusätzlichen Einrichtung zur Temperaturkompensation erhalten
bleibt.
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An Stelle eines einzigen solchen Widerstandes 6
zur Erzielung
der Temperaturkompensation kann auch, wie in der Fig. 2 gestrichelt eingetragen
ist, die Parallelschaltung zweier Widerstände 6 a und 6 b benutzt
werden. Eine solche Parallelschaltung hat den Vorzug, daß die gesamte Widerstandsänderung
einer solchen Parallelschaltung dem Temperaturgang der Zenerdiode besser angepaßt
werden kann.
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Nach diesem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist ferner in dem einen
Widerstandszweig der die Eingangsspannung messenden Brückenanordnung statt eines
einzigen Widerstandes 7, wie er gemäß Fig. 1
benutzt ist, eine Unterteilung
dieses Widerstandes in die beiden zueinander in Reihe liegenden Widerstände
7 a und 7 b vorgenommen. Die Verbindungsleitung der beiden Teilwiderstände
führt zur Klemme 17. Zwischen dieser Klemme 17 und z. B. der Ausgangsklemme
15 bzw. 16 der zweiten Brücke bzw. zweiten Stufe der Kaskadenanordnung
kann eine Widerstandsverbindung 18 eingeschaltet werden. Diese Verbindung
ergibt zwischen den beiden Stufen der Kaskadenanordnung eine Rückkopplungswirkung
im Sinne einer Mitkopplung oder einer Gegenkopplung, je nachdem, ob eine
Verbindung zwischen der Klemme 17 und der Klemme 15 bzw. zwischen
der Klemme 17 und der Klemme 16 hergestellt wird. Die Anwendung dieser
Rückkopplung kann vorteilhaft sein, wenn die Notwendigkeit besteht, die Empfindlichkeit
bzw. Regelgenauigkeit den jeweiligen Bedürfnissen anzupassen. An Stelle eines Ohmschen
Widerstandes 18 kann in einer solchen Rückkopplungsschaltung auch eine Kapazität,
eventuell in Verbindung mit einem Ohmschen Widerstand, Verwendung finden, um der
Rückkopplung dynamische Eigenschaften zur Stabilisierung des gesamten Regelkreises
zu verleihen.
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Fig. 3 zeigt eine beispielsweise Ausführung, wobei der ersten
Brücke zwei Verstärkerstufen nachgeschaltet sind. Jede der nachfolgenden Verstärkerstufen
hat dabei wieder den Aufbau einer Brückenanordnung. Soweit in dieser Figur gleichartige
Schaltungselemente an gleichartiger Stelle vorhanden sind wie in Fig.
1,
sind für diese Schaltungselemente unmittelbar im Interesse der Einfachheit
und besseren Übersicht die gleichen Bezugszeichen beibehalten worden.
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Von den Eingangsklemmen 1 und 2 wird zunächst die erste Brückenanordnung
gespeist, welche aus den Brückengliedem 3 bis 5 und 7 besteht.
Die zweite Brückenanordnung der nachfolgenden Stufe besteht aus den Brückengliedern
11 bis 14. Diese Brückenanordnung ist in Übereinstimmung mit Fig. 2 wieder
über den Widerstand 10 von der an den Klemmen 1
und 2 liegenden Spannungsquelle
gespeist. Von den Ausgangsklemmen 15 und 16 dieser Brücke wird nunmehr
die Brückenanordnung gesteuert, welche in ihren Brückenzweigen die Transistoren
20 bzw. 21 und die Ohmschen Widerstände 22 bzw. 23 aufweist. Zu diesem Zwecke
ist die Ausgangsklemme 15 mit der Basis 20b des Transistors 20 und
die Klemme 16
mit der Basis 21 b des Transistors 21 verbunden.
Die Speisung der dritten Brückenanordnung, welche die zweite nachgeschaltete Verstärkerstufe
bildet, erfolgt wieder sinngemäß über einen Ohmschen Widerstand 19 an der
einen ihrer Eingangsklemmen, welcher die beiden Transistoren 20 bzw. 21 als Schaltungselemente
nachfolgen. Steigt die Spannung an den Eingangsklemmen 1 und 2 gegenüber
dem Sollwert an, so entsteht an der Klemme 15 ein positives Potential gegenüber
demjenigen an der Ausgangsklemme 16. Hierdurch wird der Transistor 21 im
Sinne einer größeren Durchlässigkeit weiter geöffnet und der Transistor 20 gleichzeitig
im Sinne einer Sperrung in seiner Durchlässigkeit herabgesteuert. Auf diese Weise
wird die Ausgangsspannung an der Klemme 25 positiv gegenüber ihrem Wert an der Klemme
24. Es ist einleuchtend, daß die Empfindlichkeit einer solchen Anordnung mit einem
zweistufigen Verstärker größer ist als eine solche mit einem einstufigen Verstärker.
Versuche haben gezeigt, daß sich die zweite nachfolgende Verstärkerstufe, bei einer
Änderung des Eingangswertes an den Klemmen 1 und 2 um etwa 1%o gegenüber
dem Sollwert bereits mit ihrem vollen größtmöglichen Wert aussteuern läßt.
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Während bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3
eine sinngemäße
Rückkopplung, wie sie nach Fig. 2 benutzt worden ist, nicht möglich ist, läßt sich
eine solche wieder verwirklichen bei einer Ausbildung der Anordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 4. Dieses Ausführungsbeispiel weist im wesentlichen zunächst die gleichen
Schaltungselemente wie das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 auf. Diese Schaltungselemente
sind für eine leichtere übersieht über den Zusammenhang der Schaltungen in Fig.
4 wieder mit dem gleichen Bezugszeichen versehen worden wie in Fig. 3. Zusätzlich
sind in diesem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 die Widerstände 26 bis
29 vorhanden. Wie zu erkennen ist, bilden die Widerstände 26
und
27 einen Spannungsteiler, welcher zwischen der Klemme 1 und der Ausgangsklemnie
15 der ersten Verstärkerstufe angeordnet ist. Die beiden Widerstände
28 und 29 bilden entsprechend einen Spannungsteiler, welcher zwischen
der Klemme 1 und der Ausgangsklemme 16 der ersten Verstärkerstufe
angeordnet ist. Der Verbindungspunkt 30 zwischen den Widerständen
26 und 27- ist an die Basiselektrode des Transistors 21, der Verbindungspunkt
31 zwischen den beiden Widerständen 28 und 29 an die Basiselektrode
des Transistors 20 angeschlossen. Nunmehr kann durch Anbringung einer Widerstandsverbindung,
wie sie bereits im Zusammenhang mit der Fig. 3 erläutert wurde, zwischen
der Klemme 24 bzw. 25 und der Klemme 9 eine Rückkopplung im Sinne
einer Mit- oder Gegenkopplung vorgesehen werden.