DE1150118B

DE1150118B - DC amplifier arrangement

Info

Publication number: DE1150118B
Application number: DEB57590A
Authority: DE
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1959-04-30
Filing date: 1960-04-23
Publication date: 1963-06-12
Also published as: GB890176A

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Gleichstromverstärkeranordnung, vorzugsweise zur Verstärkung niedriger Ausgangsströme von Ionisationskammern, die den Neutronenfluß in Kernreaktoren messen, unter Verwendung einer Impedanzbrücke, deren eine Diagonale mit Wechselstrom erregt und deren Gleichgewicht durch das Gleichstromsignal verschoben wird, so daß sich über der zweiten Diagonalen der Brücke ein Ausgangssignal ergibt, und die vorzugsweise Halbleiterdioden enthält, die unterhalb ihres Schwellwertes arbeiten, so daß durch ihre Kapazitätsänderung die Gleichgewichtsverschiebung bewirkt wird, wonach das Wechselstromausgangssignal weiter verstärkt und demoduliert wird.The invention relates to a direct current amplifier arrangement, preferably for amplification low output currents from ionization chambers that measure the neutron flux in nuclear reactors, using an impedance bridge, one diagonal of which is excited with alternating current and its equilibrium is shifted by the direct current signal, so that the Bridge gives an output signal, and which preferably contains semiconductor diodes below their Threshold work so that the change in capacitance causes the shift in equilibrium after which the AC output signal is further amplified and demodulated.

Es ist bekannt, kleine Gleichströme durch Anordnungen zu verstärken, in denen der Wert einer Impedanz in einem Zweig einer im Gleichgewicht befindlichen Impedanzbrücke durch den zu verstärkenden Strom verändert wird. Wird eine der beiden Diagonalen dieser Brücke mit einem Wechselstrom erregt, so ergibt sich über der anderen Diagonalen eine Wechselspannung, die in Amplitude und Phase der Größe und der Polarität des zu verstärkenden Gleichstroms proportional ist. Die Impedanzen der Brücke können dabei Widerstände, Induktivitäten und/oder Kapazitäten enthalten. Es ist weiterhin bekannt, zur Verstärkung eines geringen Gleichstromsignals eine den Gleichstrom modulierende und verstärkende Brücke mit Halbleitern vorzusehen, deren Kapazität sich in Abhängigkeit vom Gleichstromsignal ändert. Das resultierende Ausgangssignal dieser Anordnung verläuft nach einer Exponentialkurve. Will man eine derartige Brücke für Gleichstromsignale verwenden, die sich z. B. in einem Intervall von 10¹⁰ ändern, sind Umschaltungen nötig. Außerdem ist die Zeitkonstante eines solchen Kreises nicht vernachlässigbar klein.It is known to amplify small direct currents by means of arrangements in which the value of an impedance in a branch of an impedance bridge which is in equilibrium is changed by the current to be amplified. If one of the two diagonals of this bridge is excited with an alternating current, an alternating voltage results across the other diagonal, the amplitude and phase of which is proportional to the magnitude and polarity of the direct current to be amplified. The impedances of the bridge can contain resistances, inductances and / or capacitances. It is also known to provide a direct current modulating and amplifying bridge with semiconductors, the capacitance of which changes as a function of the direct current signal, in order to amplify a low direct current signal. The resulting output signal of this arrangement follows an exponential curve. If you want to use such a bridge for DC signals that z. B. change in an interval of 10 ¹⁰ , switchovers are necessary. In addition, the time constant of such a circle is not negligibly small.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleichstromverstärker zu schaffen, der diese Nachteile nicht aufweist. Erfindungsgemäß wird dies dadurch möglich, daß das demodulierte Ausgangssignal nach Phasenumkehr auf den Eingang der Brücke rückgekoppelt wird, derart, daß eine an sich bekannte Gegenkopplung geschaffen wird, die eine Diode mit logarithmischer Spannungs-Strom-Kennlinie enthält.The invention is based on the object of providing a direct current amplifier which has these disadvantages does not have. According to the invention this is possible in that the demodulated output signal after phase reversal is fed back to the input of the bridge, such that a known per se Negative feedback is created, which contains a diode with a logarithmic voltage-current characteristic.

Die Diode mit logarithmischer Strom-Spannungs-Kennlinie dient dazu, das Ausgangssignal in eine logarithmische Funktion des Stroms zu verwandeln, der von der Ionisationskammer abgegeben wird. Dadurch wird es möglich, das Meßinstrument mit einem verhältnismäßig kleinen Meßbereich auszustatten, der z. B. nur noch 6 Dekaden umfaßt. Hierbei ent-The diode with a logarithmic current-voltage characteristic is used to convert the output signal into a to transform the logarithmic function of the current that is given off by the ionization chamber. Through this it becomes possible to equip the measuring instrument with a relatively small measuring range, the z. B. covers only 6 decades. Here,

GleichstromverstärkeranordnungDC amplifier arrangement

Anmelder:Applicant:

The Bendix Corporation,
New York, N. Y. (V. St. A.)The Bendix Corporation,
New York, NY (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. H. Negendank, Patentanwalt,
Hamburg 36, Neuer Wall 41Representative: Dr.-Ing. H. Negendank, patent attorney,
Hamburg 36, Neuer Wall 41

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 30. April 1959 (Nr. 809 960)Claimed priority:
V. St. v. America April 30, 1959 (No. 809 960)

sprechen die Dekaden den Exponenten zur Basis 10. Die Diode arbeitet dabei nicht unterhalb des Schwellwertes. Da ihre Kennlinie nicht linear ist, ist demnach das Verhältnis der Eingangsgrößen zu der Ausgangsgröße ebenfalls nicht linear. Eine zusätzliche Wirkung der Rückkopplungsschaltung besteht noch darin, daß die Spannung an der Anode der Diode in der Nähe des Massenpotentials gehalten wird, um die Zeitkonstante der Schaltung zu verringern. Das wird dadurch erreicht, daß die Spannung an der Kathode bzw. an der Ausgangsseite der Diode um Beträge herabgesetzt wird, welche dem Spannungsanstieg an der Anode entsprechen.the decades speak the exponent to base 10. The diode does not work below the threshold value. Since its characteristic is not linear, the ratio of the input variables to the output variable is accordingly also not linear. There is still an additional effect of the feedback circuit in that the voltage at the anode of the diode is kept in the vicinity of the ground potential, to the Reduce the time constant of the circuit. This is achieved by applying the voltage to the cathode or on the output side of the diode is reduced by amounts which correspond to the voltage rise correspond to the anode.

Weitere Merkmale der Anordnung nach der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigtFurther features of the arrangement according to the invention are explained in more detail with reference to the drawings. It shows

Fig. 1 das Schaltbild einer Gleichstromverstärkeranordnung nach der Erfindung zur Verstärkung des Ausgangsgleichstroms einer Ionisationskammer und Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 1.Fig. 1 is the circuit diagram of a DC amplifier arrangement according to the invention for amplifying the Output direct current of an ionization chamber and FIG. 2 shows a diagram for explaining the mode of operation the arrangement according to FIG. 1.

Die äußere Elektrode einer in Fig. 1 dargestellten Ionisationskammer 24 ist über ein abgeschirmtes Kabel 22 mit einer Hochspannungsqueüe 20 verbunden. Die innere oder axiale Elektrode 26, z. B. die Kathode, der Kammer ist über ein weiteres, abgeschirmtes Kabel 28, die Leitung 40 und den Widerstand 70 mit dem Eingang der Gleichspannungsver-Stärkeranordnung verbunden. Der Verstärker besteht aus einer Impedanzbrücke, deren dem Punkt, dem der zu verstärkende Gleichstrom zugeführt wird,The outer electrode of an ionization chamber 24 shown in FIG. 1 is shielded via a Cable 22 connected to a high voltage source 20. The inner or axial electrode 26, e.g. B. the Cathode, the chamber is via another, shielded cable 28, the line 40 and the resistor 70 connected to the input of the DC voltage amplifier arrangement. The amplifier is made from an impedance bridge whose point to which the direct current to be amplified is fed

309 600/158309 600/158

benachbarte Zweige aus zwei gleichsinnig geschalteten Dioden 44 und 46 bestehen. Die beiden anderen Zweige der Brücke werden von einem Spannungsteiler gebildet, der aus den beiden festen Widerständen 55 und 56 und dem Potentiometer 54 besteht. Der in Punkt 42 mit Masse verbundene Schleifer dieses Potentiometers bildet den unteren Punkt der Ausgangsdiagonale der Brücke. Die durch die beiden Punkte 60 und 62 gebildete Eingangsdiagonale der Brücke wird durch einen Wechselstrom niedriger Amplitude erregt. Dieser Wechselstrom wird vom Oszillator 67 über den Transformator 66, 65, 64 zugeführt.Adjacent branches consist of two diodes 44 and 46 connected in the same direction. The two others Branches of the bridge are formed by a voltage divider made up of the two fixed ones Resistors 55 and 56 and the potentiometer 54 consists. The one connected to ground in point 42 The wiper of this potentiometer forms the lower point of the output diagonal of the bridge. By the two points 60 and 62 formed entrance diagonal of the bridge is by an alternating current low amplitude excited. This alternating current is generated by the oscillator 67 via the transformer 66, 65, 64 supplied.

Die sich zwischen Masse und dem Verbindungspunkt der beiden Dioden 44, 46 ergebende Ausgangs- spannung der Brücke wird über einen Trennkondensator 74 und eine die Kapazität dieses Kondensators kompensierende Induktionsspule 76 mit variabler Induktivität dem Eingang eines normal aufgebauten Wechselstromverstärkers 34 zugeführt. Die darin ver- ao stärkte Spannung wird dann z. B. einer Einrichtung 36 zugeführt, welche die ihr zugeführte Spannung in der Phase dreht und demoduliert, so daß sich an den Klemmen der Ausgangsimpedanz 80 eine Nutzspannung E₀ ergibt. Gleichzeitig wird der Ausgangsstrom über eine Leitung 37 und die Diode 38 auf den Eingang der Verstärkeranordnung oberhalb des Trennwiderstandes 70 im Sinne einer Gegenkopplung zurückgeführt. The output voltage of the bridge resulting between ground and the connection point of the two diodes 44, 46 is fed to the input of a normally constructed AC amplifier 34 via an isolating capacitor 74 and an induction coil 76 with variable inductance that compensates for the capacitance of this capacitor. The tension increased therein is then z. B. a device 36 which rotates the voltage supplied to it in phase and demodulates, so that a useful voltage E ₀ results at the terminals of the output impedance 80. At the same time, the output current is fed back via a line 37 and the diode 38 to the input of the amplifier arrangement above the isolating resistor 70 in the sense of negative feedback.

Hinsichtlich der Wirkungsweise der eben beschriebenen Verstärkeranordnung sei insbesondere darauf hingewiesen, daß die beiden Dioden 44, 46 nicht ihre Leitfähigkeit, sondern ihre Kapazität verändern. Die Kapazität zwischen den beiden Elektroden einer Halbleiterdiode ändert sich, solange ein bestimmtes Leitfähigkeitsniveau der Diode nicht überschritten wird, exponentiell als Funktion der Polarisationsspannung. In dem Diagramm der Fig. 2 ist diese Kapazitätsänderung durch die beiden Kurven 44 a und 46 a für die beiden Dioden 44 und 46 dargestellt. Da die beiden Dioden vom selben Typ sind, sind ihre Kapazitäten bei einer Polarisationsspannung NuU gleich. Bei einer positiven Polarisationsspannung V₁ ist die Kapazität der Diode 46 größer als die der Diode 44, während bei einer negativen Polarisationsspannung V₂ die Kapazität der Diode 44 größer ist als die der Diode 46. Diese Kapazitätsänderungen sind dank der hohen Steilheit der beiden exponentiellen Kurven schon bei kleinen Änderungen der Polarisationsspannung relativ hoch.With regard to the mode of operation of the amplifier arrangement just described, it should be pointed out in particular that the two diodes 44, 46 do not change their conductivity, but rather their capacitance. As long as a certain conductivity level of the diode is not exceeded, the capacitance between the two electrodes of a semiconductor diode changes exponentially as a function of the polarization voltage. In the diagram of FIG. 2, this change in capacitance is shown by the two curves 44 a and 46 a for the two diodes 44 and 46. Since the two diodes are of the same type, their capacities are the same at a polarization voltage NuU. With a positive polarization voltage V ₁ , the capacitance of diode 46 is greater than that of diode 44, while with a negative polarization voltage V _2, the capacitance of diode 44 is greater than that of diode 46. These changes in capacitance are due to the steepness of the two exponential curves relatively high even with small changes in the polarization voltage.

In Fig. 1 werden diese Kapazitätsänderungen durch die beiden parallel zu den Dioden 44 und 46 geschalteten gestrichelt gezeichneten fiktiven veränderlichen Kondensatoren 48 und 50 angedeutet. Die Brücke wird mit Hilfe des Potentiometers 54 abgestimmt, wenn kein von der Ionisationskammer 24 herrührender Eingangsstrom fließt, so daß an der Ausgangsdiagonalen keine Spannung auftritt. Sobald nun über die Leitung 40 dem Eingang der Brücke eine kleine Gleichspannung zugeführt wird, ändern sich die Kapazitäten der beiden Dioden 44 und 46 in einander entgegengesetztem Sinne, so daß das Gleichgewicht der Brücke gestört wird und am Eingang des Verstärkers 34 eine dem zu verstärkenden Gleichstrom proportionale Wechselspannung auftritt. Diese Wechselspannung kann nach erneuter Verstärkung und Demodulation über der Ausgangsimpedanz 80 abgegriffen werden. Die Ausgangsspannung wird dabei in an sich bekannter Weise über das Gegenkopplungsnetzwerk 37, 38 stabilisiert. In diese Gegenkopplungsleitung ist eine Halbleiterdiode 38 eingeschaltet, um die Gegenkopplungsspannung gemäß der logarithmischen Kennlinie der Diode zu korrigieren.In FIG. 1, these changes in capacitance are caused by the two being connected in parallel with diodes 44 and 46 Fictitious variable capacitors 48 and 50 shown in dashed lines are indicated. The bridge is adjusted with the aid of the potentiometer 54, if none from the ionization chamber 24 Input current flows so that no voltage occurs on the output diagonal. As soon as now over line 40 is supplied with a small DC voltage to the input of the bridge, the changes Capacities of the two diodes 44 and 46 in opposite directions, so that the equilibrium the bridge is disturbed and at the input of the amplifier 34 a direct current to be amplified proportional alternating voltage occurs. This alternating voltage can after renewed amplification and demodulation can be tapped across the output impedance 80. The output voltage is thereby stabilized in a manner known per se via the negative feedback network 37, 38. In this negative feedback line a semiconductor diode 38 is switched on to generate the negative feedback voltage in accordance with FIG correct the logarithmic characteristic of the diode.

Die soeben beschriebene Gleichstromverstärkeranordnung wird vorzugsweise von einer z. B. aus Messing bestehenden Abschirmung 30 eingeschlossen. Die Sekundärwicklung 64 des die Brücke speisenden Transformators liegt ebenfalls in einer Abschirmung 68, die durch die allgemeine Abschirmung 30 hindurchführt und mit ihr verbunden ist.The DC amplifier arrangement just described is preferably used by a z. B. made of brass existing shield 30 included. The secondary winding 64 of the bridge feeding The transformer is also located in a shield 68 which passes through the general shield 30 and is connected to it.

Im folgenden seien die Werte einiger Schaltelemente in einem Ausführungsbeispiel der Verstärkeranordnung gemäß der Erfindung angegeben: die Halbleiterdioden 44 und 46 wurden so ausgewählt, daß sich ihre Kapazität bei einer gegebenen Polarisationsspannung möglichst stark änderte. Weiter soll der Sperrstrom dieser Dioden möglichst gering sein. Er ist in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 durch den gestrichelt eingezeichneten fiktiven Widerstand 72 berücksichtigt, der in der Größenordnung von 10¹⁰ Ohm liegt.The values of some switching elements in an exemplary embodiment of the amplifier arrangement according to the invention are given below: the semiconductor diodes 44 and 46 were selected in such a way that their capacitance changed as much as possible for a given polarization voltage. Furthermore, the reverse current of these diodes should be as low as possible. In the exemplary embodiment according to FIG. 1, it is taken into account by the fictitious resistor 72 shown in dashed lines, which is of the order of magnitude of 10 ¹⁰ ohms.

Die Werte der die Brücke vervollständigenden Widerstände 52, 54, 56 betragen 300, 100 und 300 Ohm.The values of the resistors 52, 54, 56 completing the bridge are 300, 100 and 300 ohms.

Die vom Oszillator 67 erzeugte Erregerspannung für die Brücke, die sinusförmig oder rechteckig sein kann oder sonst eine beliebige Kurvenform haben kann, hatte in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Frequenz von etwa 10 kHz. Die Amplitude lag zwischen 100 und 20OmV, im Mittel etwa bei 150 mV. Diese Amplitude muß auf jeden Fall so gewählt werden, daß sie unterhalb des Schwellwertes der beiden Dioden 44 und 46 liegt.The excitation voltage generated by the oscillator 67 for the bridge, which can be sinusoidal or rectangular can or otherwise can have any curve shape, had in the embodiment described a frequency of about 10 kHz. The amplitude was between 100 and 20OmV, with an average of about 150 mV. In any case, this amplitude must be chosen so that it is below the threshold value of the two diodes 44 and 46 is located.

Der Wert des Widerstandes 70, durch den die Ausgangsspannung von der Eingangsspannung isoliert wird, lag bei dem beschriebenen Beispiel bei etwa 750 000 Ohm.The value of resistor 70 that isolates the output voltage from the input voltage was about 750,000 ohms in the example described.

Bei diesen Werten der verwendeten Schaltelemente ergab sich bei zu verstärkenden Gleichströmen im Eingang in der Größenordnung von etwa ΙΟ"¹⁰ Α an den Klemmen der Ausgangsimpedanz 80 eine Spannung E₀, die ausreichte, um verschiedene Regeleinrichtungen und Sicherheitsvorrichtungen auszusteuern. With these values of the switching elements used, the direct currents to be amplified in the input in the order of magnitude of approximately ΙΟ " ¹⁰ Α at the terminals of the output impedance 80 resulted in a voltage E ₀ that was sufficient to control various control devices and safety devices.

Claims

PATENT CLAIMS:

1. DC amplifier arrangement, preferably for amplifying low output currents from ionization chambers, which measure the neutron flux in nuclear reactors, using an impedance bridge, one diagonal of which is excited with alternating current and the balance of which is shifted by the direct current signal, so that an output signal is across the second diagonal of the bridge and which preferably contains semiconductor diodes which operate below their threshold value, so that the change in capacitance causes the equilibrium shift, after which the alternating current output signal is further amplified and demodulated, characterized in that the demodulated output signal, after phase reversal, is applied to the input of the bridge (44, 46, 52, 54, 56) is fed back in such a way that a known negative feedback (37) is created, which is a diode

(38) with a logarithmic voltage-current characteristic.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the diode (38) containing Negative coupling with the input of the bridge with the interposition of an isolating resistor (70) is connected.

3. Arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that the output signal via an isolating capacitor (74) and an induction coil compensating for this capacitor (76) is removed.

4. Arrangement according to claim 1 to 3, characterized in that the bridge has two diodes (44, 46), which are complementary to each other in a row in two adjacent branches, while the the other two branches have an ohmic voltage divider (52, 54, 56) with an adjustable center tap included, via which the exciting alternating voltage is supplied, the current to be amplified together with the logarithmic Feedback between the connection point of the two diodes and the center tap and the output signal is also between this point and the center tap is removed.

Considered publications:

German Patent No. 925 179;

Swiss Patent No. 213 131;

British Patent No. 511095;

"Funkschau" magazine, 1959 / H.

5, p. 107;

»Electrotechnical Journal«, 1941 / H. 22
Pp. 493 to 497; Edition A, 1953 / H. 18, p. 538;

Electronics magazine, 1957/1. January, pp. 178 and 179.

A priority document was displayed when the registration was announced.

1 sheet of drawings