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Gleichstromverstärker zur Verstärkung kleiner Eingangsspannungen In.
der Meß- und Regeltechnik, aber auch auf vielen anderen Gebieten der Elektrotechnik
ist häufig die Aufgabe gestellt, sehr kleine Gleichspannungen in der Größenordnung
von einigen Millivolt oder Mikrovolt zu verstärken. Für Meßzwecke benötigt man Meßverstärker
mit sehr großer Nullpunktkonstanz und einwandfreier Linearität.
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Die bisher bekanntgewordenen einschlägigen Geräte arbeiten mit mechanisch
beweglichen Teilen (Drehspulsysteme, Zerhacker, Schwingkondensatoren u. dgl.) und
Elektronenröhren, unterliegen einem hohen Verschleiß, bedürfen einer sorgfältigen
Wartung und müssen häufig nachgetrimmt werden.
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Es sind bereits Gleichstromverstärker für kleine Eingangsleistungen
bekannt, die aus Magnetverstärkern (Transduktoren) in Gegentaktschaltung aufgebaut
sind. Wird von diesen Verstärkern eine hohe Ausgangsleistung, d. h. ein hoher Verstärkungsgrad
verlangt, so müssen notwendigerweise mehrere Verstärkerstufen hintereinandergeschaltet
werden. Eine solche Schaltungsanordnung ist aber insbesondere dann sehr schwer zu
verwirklichen, wenn zur Linearisierung der Kennlinie und zum Auskoppeln von Störwerten
eine Gegenkopplung angewendet werden muß. Die Zeitkonstanten der einzelnen Magnetverstärker
bewirken sehr leicht ein Schwingen oder Kippen der gesamten Verstärkeranordnung.
Ein Nachteil vielstufiger Magnetverstärker besteht ferner darin, daß sie verhältnismäßig
sehr teuer sind.
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In Verstärkerschaltungen für Wechselstrom kann man auch Transistoren
für die Verstärkung kleiner Eingangsleistungen verwenden. Sie haben jedoch den Nachteil,
in so hohem Maß temperaturabhängig zu sein, daß -die Verwendbarkeit derartiger Verstärker
für Gleichstrom sehr stark eingeschränkt ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen.
Sie bezieht sich auf einen Gleichstromverstärker zur Verstärkung kleiner Eingangsspannungen,
bei denen das Signal mittels Transduktoren in längenmodulierte Impulse umgewandelt
wird, die anschließend einen Transistorverstärker im Schaltbetrieb aussteuern, und
besteht darin, daß zwischen die Ausgänge zweier gegeneinandergeschalteter, mit normaler
sinusförmiger Wechselspannung beaufschlagter, mit Widerständen belasteter, auf den
gleichen Arbeitspunkt eingestellter Transduktoren mit Gleichspannungsausgang der
Eingang eines Transistorschaltverstärkers geschaltet ist, der bei gegensinniger
Steuerung der Transduktoren durch die an den Ausgängen anstehende Differenzspannungszeitlächen
der an den Widerständen anstehenden Lastspannungen durchgeschaltet wird, derart,
daß die Amplituden durch entsprechende Wahl der Betriebswechselspannung der Transduktoren
so groß sind, daß sie auf den Ausgangsstrom des Transistors keinen Einfuß haben,
und der Mittelwert des Ausgangsstromes des Transistors nur von der Transistorbetriebsspannung.
dem Transistorbelastungswiderstand und der Impulsbreite der Transduktorausgangsimpulse
abhängig ist.
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Das Prinzip der Erfindung besteht also mit anderen Worten darin, daß
mittels der Trarisduktoranordnung zunächst die Eingangsspannung in Impulse umgewandelt
wird, deren jeweilige Länge annähernd proportional der Höhe der Eingangsspannung
ist. Dabei sind die Impulse die Differenz der Spannungen an den Ausgängen der Tränsduktoren.
Ihre Höhe reicht aus, um den Transistorverstärker mindestens voll auszusteuern.
Mit diesen Impulsen wird der Transistorverstärker beauftragt, der einen verstärkten,
in entsprechende Impulse zerlegten Ausgangsstrom liefert. Die Länge dieser Impulse
und damit die Größe des mittleren Ausgangsstroms des Verstärkers ist abhängig von
der Länge der Impulse, die die Transduktoranordnung dem Transistorverstärker anbietet,
und damit abhängig von der Höhe der Eingangsspannung. Die Ausgangsamplitude ist
andererseits unabhängig von der Höhe der Ausgangsimpulse der Transduktoranordnung.
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Der Vorteil eines solchen Verstärkers besteht darin, daß er praktisch
völlig temperaturunabhängig ist und eine außerordentlich hohe Empfindlichkeit besitzt.
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Gemäß einem weiteren Erfindungsgedanken ist der Transistorverstärker
einstufig oder zweistufig, wobei er im letzteren Fall als Gegentaktverstärker ausgebildet
sein kann. Auch die Verstärkerdrosseln jedes einzelnen Magnetverstärkers der Transduktoranordnung
können in Gegentakt oder in Mittelpunktschaltung geschaltet sein.
In
der Zeichnung ist die Schaltanordnung eines Meßverstärkers nach der Erfindung beispielhaft
dargestellt.
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Die beiden im Gegentakt geschalteten Transduktoren sind mit Tul und
Tue bezeichnet, der Transistor des Impulsverstärkers mit Trl. Die Arbeitspunkte
der Magnetverstärker (Transduktoren) werden durch die Vorstromwicklungen Wv auf
gleiche Werte eingestellt. An den Widerständen R1 und R2 treten dann entgegengesetzt
gerichtete Spannungen U1 und U,, auf. Zwischen den Punkten 3 und 5 herrscht die
Spannung 0. Selbstverständlich erfolgt die Einstellung der beiden Transduktoren
so, daß sie im linearen Bereich ihrer Kennlinien arbeiten. Außerdem müssen sie so
abgeglichen werden, daß im ungesteuerten Zustand an den Punkten 3 und 5 keine zeitliche
Differenz der Spannungsflanken auftritt, d. h., die an den Lastwiderständen R1 und
R., anstehenden Spannungsimpulse müssen gleich sein.
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Fließt nun durch die Steuerwicklungen Ws ein Steuergleichstrom, dann
öffnet sich der eine Transduktor mehr, während der andere sich mehr schließt. Es
tritt dann eine Änderung der Spannungen U1 und UZ auf, und in den Punkten 3 und
5 erscheinen die gewünschten Spannungsimpulse. Durch entsprechende Auswahl bzw.
Einstellung des oder der Transduktoren kann man erreichen, daß die Impulsflanken
senkrecht und parallel zueinander stehen und daß die Impulsbreiten mit großer Genauigkeit
dem Steuerstrom in den Wicklungen Ws entsprechen. Die Betriebswechselspannungen
der Transduktoren werden dabei so gewählt, daß der nachfolgende Transistor mit Sicherheit
übersteuert wird. Die Transistorendstufe ist in der Zeichnung als Eintaktverstärker
dargestellt, sie kann aber auch als Gegentaktendstufe ausgeführt werden; dann sind
Eingangs- und Ausgangsspannung in ihrer Richtung umkehrbar.
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Wird der Transistor durch Strom- bzw. Spannungsimpulse mit senkrechten
Flanken (z. B. Rechteckimpulsen) genügender Höhe angesteuert bzw. übersteuert, dann
fließen durch den Transistor bzw. durch den Lastwiderstand R Impulse, die ebenfalls
senkrechte Flanken aufweisen, deren Höhe jedoch von der Höhe der Eingangsimpulse
unabhängig ist. Die Impulsdauer und die Impulsbreite sind am Eingang und am Ausgang
gleich, d. h. unabhängig von der Größe der Amplitude des Eingangsstroms bzw. der
Eingangsspannung, sofern sie überhaupt ausreichen, um den Transistor voll durchzusteuern.
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Wird die zu verstärkende Spannung bzw. der zu verstärkende Strom in
Impulse mit senkrechten Flanken zerlegt, deren Breite von der Höhe der Spannung
bzw. der Stärke des Stromes linear abhängig ist, dann ist eine einwandfreie temperaturunabhängige
Verstärkung gegeben. Dabei ist es natürlich erforderlich, daß die Eingangsspannung
bzw. der Eingangsstrom groß genug ist, um den Transistor voll durchzusteuern.
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Ein sehr wesentlicher Vorteil des neuen Meßverstärkers besteht in
seiner hohen Empfindlichkeit, die ausschließlich durch den Störpegel begrenzt ist.
Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel betrug der Störpegel, bezogen auf den
Eingang, etwa 2 - 10-15W, die Gesamtverstärkung 5 . 1011. Bei 20 Ohm Eingangswiderstand
und 2 [V Steuerspannung, entsprechend einer Steuerleistung von 2-10-13W, beträgt
der Ausgangsstrom 4 mA und die Ausgangsspannung 25 V, d. h. also 10-1 W. Bei etwa
fünfhundertfacher Gegenkopplung betrug die zum Durchsteuern erforderliche Eingangsleistung
10-10 W, und die Zeitkonstante des gesamten Meßverstärkers war kleiner als 0,1 Sekunde.
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Eine etwaige Krümmung der Impulse am unteren Ende ist ohne Einfluß
auf die Meßgenauigkeit, da sie noch im Anlaufgebiet der Transistoren liegt. Zum
Aussteuern des Transistors wird nur ein Teil des Impulses benutzt. Bei Anwendung
eines zweistufigen Transistor-Gegentakt-Verstärkers kann vor der zweiten Stufe mit
Hilfe von Kondensatoren eine Glättung des Basisstromes für die zweite Stufe und
damit für den Ausgangsstrom erfolgen. Die relativ hohe Steuerspannung für die Gegentaktendstufe
gestattet auch die Aussteuerung mit mehr oder weniger geglätteter Gleichspannung,
weil die Temperaturfehler sich in der Gegentaktendstufe zum größten Teil kompensieren
und der Restfehler verhältnismäßig gering ist im Verhältnis zu der relativ hohen
Steuerspannung. Die durch die Glättung bedingte Zeitkonstante wird so festgelegt,
daß sie zusammen mit der Zeitkonstanten der Transduktoren bei Gegenkopplung kein
Pendeln oder Kippen der Anordnung verursacht. Auf diese Weise ist es z. B. möglich,
mit einer Transduktorstufe und zwei Transistorstufen eine Eingangsleistung von 1
- 10-12 W (z. B. 1 Mikroampere und 1 Mikrovolt) auf 1 W zu verstärken, wobei die
durch Netzspannungsschwankungen,Temperaturänderungen od. dgl. hervorgerufenen Fehler
einer Eingangsleistung von etwa 10-15 W entsprechen.
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Mit einer selbstkompensierenden Schaltung und einer Gegenkopplung
1:100 kann man mit dem Verstärker nach der Erfindung von einem Eingang von 100 Mikrovolt
eine Verstärkung erzielen, die auf ± 1 pro Mille genau und linear arbeitet.