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Elektronischer Gleichstromverstärker, insbesondere Gleichstrom-Meßverstärker
Die Erfindung betrifft einen elektronischen Gleichstromverstärker, welcher insbesondere
für Meßzwecke verwendbar ist und die Messung von Gleichspannungen, Gleichströmen
und Widerständen gestattet.
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Es ist ein Gleichstrom-Meßverstärker bekannt, bei welchem die zu messende
Eingangsgröße auf einen mit Wechselstrom gespeisten Modulator geschaltet wird, der
aus zwei in einer Brückenschaltung liegenden Dioden besteht. Dem Modulator ist ein
ein- oder mehrstufiger Verstärker nachgeschaltet, dessen Ausgangsgröße phasenabhängig
gleichgerichtet wird. Der phasenabhängige Gleichrichter wird mit der gleichen Wechselstromgröße
gespeist, welche auch auf den Modulator wirkt. Als Arbeitsstrom des Modulators dient
dabei der Netzwechselstrom. Es ist aber auch bekannt, bei einem Gleichstromverstärker
der genannten Art zur Erzeugung des Arbeitsstromes einen besonderen Oszillator vorzusehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schaltung eines derartigen
bekannten Verstärkers zu vereinfachen und damit sowohl dessen Zuverlässigkeit als
auch dessen Genauigkeit zu erhöhen.
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Die Erfindung geht aus von einem elektronischen Gleichstromverstärker,
insbesondere Gleichstrom-Meßverstärker, mit einem vom Gleichstrom-Eingangssignal
gesteuerten wechselstromgespeisten Modulator, der das Gleichstrom-Eingangssignal
in ein Wechselstromsignal umwandelt, einem dem Modulator nachgeschalteten mehrstufigen
Wechselstromverstärker und einem vom Ausgang des Wechselstromverstärkers gesteuerten
Gleichrichter, der ein dem Gleichstrom-Eingangssignal entsprechendes verstärktes
Gleichstrom-Ausgangssignal liefert.
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Die Erfindung besteht darin, daß eine oder mehrere Verstärkerstufen
des Wechselstromverstärkers durch eine mitkoppelnde Rückführung eine selbstschwingende
Oszillatorstufe bilden, deren Ausgang eine mit der Größe des Eingangssignals sich
ändernde, zur Speisung des Modulators verwendete hochfrequente Ausgangsspannung
liefert.
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Einzelheiten gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor.
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Der in F i g. 1 dargestellte Gleichstrom-Meßverstärker enthält
als Eingangsstufe den Modulator M in Form einer Brückenschaltung. Zwei aneinandergrenzende
Zweige dieser Brückenschaltung werden durch einander möglichst gleichwertige Dioden
D,
und D, gebildet, die mit gleicher Durchgangsrichtung in Reihe liegen.
In den gegenüberliegenden Zweigen der Brücke befinden sich die ohmschen Widerstände
Ri und R2 sowie jeweils ein Widerstandsteil des Potentiometers P,. In der parallel
zu den Dioden Di und D 2 liegenden Brückendiagonale ist eine Wicklung Li
vorgesehen, die eine vom Verstärker gelieferte Hochfrequenzspannung einkoppelt.
Der Verbindungspunkt 2 der Dioden D, D2 ist über einen Entkopplungswiderstand
R" zu Punkt 1 der Schaltung hingeführt, zwischen dem und Masse die zu messende
Gleichspannung U., anliegt. An den Abgriff des Potentiometers P, ist andererseits
ein Bezugspotential angelegt, welches vom Ausgang des dem Modulator nachgeschalteten
Verstärkers geliefert wird.
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Dieser Verstärker besteht aus einer Vorstufe V, die aus einem oder.mehreren
einander nachgeschalteten Wechselspannungsverstärkem gebildet ist, sowie aus zwei
weiteren Verstärkerstufen, nämlich einem Oszillator und einem Gleichrichter. Die
Anschaltung des Modulators über Punkt 2 an die Vorstufe V und die Anschaltung des
Ausgangs dieses Verstärkers an den Eingang der vorletzten Verstärkerstufe ist mittels
je eines Trennkondensators durchgeführt. Die vorletzte und die letzte Verstärkerstufe
enthalten je einen Transistor Ti bzw. T.., von denen der Transistor T, als
Oszillator und der Transistor T, als Gleichrichter geschaltet ist. Beide Transistoren
sind vom pnp-Typ und arbeiten in Emitterschaltung.
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Die Aussteuerung des Transistors T, durch ein von der Vorstufe geliefertes
Wechselspannungssignal erfolgt an der Transistorbasis. Als Arbeitswiderstand für
den Transistor Ti wirkt der aus der Kapazität C, und der Spule L, gebildete
Schwingkreis, der zwischen Kollektor und negativem Pol einer Gleichspannungsquelle,
z. B. einer Batterie, angeschlossen ist. Auf dem Kern der Wicklung L2 sitzt die
den Modulator mit Hochfrequenzspannung
versorgende Wicklung L, sowie
je eine weitere Wicklung L, und L4. Die Wicklung L3 eizeugt
die Rückkopplung für den Oszillator, während die Wicklung L4 zur Ankopplung des
Gleichrichters an den Oszillator dient. Zur Einstellung des Arbeitspunktes des Transistors
T, dient der aus der Gleichspannungsquelle gespeiste, aus den Wi&rständen R,
und R, gebildete Spannungsteiler, dessen Abgriffspunkt mit der Basis des Transistors
Ti verbunden ist, sowie der Einitterwiderstand R4 dieses Transistors, der zur Linearisierung
ein Gleichspannungs-Gegenkopplungssignal an die Basis des Transistors T, legt. Parallel
zum Widerstand R4 liegt ein vom Hochfrequenzstrom des Oszillators durchflossener
Stromzweig, der aus der Reihenschaltung des Koppelkondensators C., des einstellbaren
oder festen Widerstandes RV der Rückkopplungswicklung L., und eines Widerstandes
R7 gebildet ist, der zugleich als Emitterwiderstand für den Transistor T, wirkt.
Die Aussteuerung des Transistors Ti durch die von L2 auf L3 gekoppelte Schwingenergie
erfolgt durch Beeinllussung des Emitterpotentials von Tj.
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Der Transistor T, arbeitet als C-Verstärker, d. h., er liefert
unter Einwirkung der von der Wicklung L4 gelieferten Hochfrequenzspannung nur nach
einer Richtung verlaufende Strompulse, deren Gleichstromanteil an den Ausgang des
Verstärkers gelangt. Der Wechselstromanteil dieser Strompulse wird andererseits
über den Emitterwiderstand R7 in gegenkoppelndem Sinne auf den Eingang des Transistors
Ti zur weiteren Verbesserung der Linearität gegeben. Infolge der Kopplung der Wicklung
L4 mit der Wicklung L, des Schwingkreises wird dieser Mit dem Eingangswiderstand
des Transistors T, belastet und nichtlinear gedämpft. Dies hat ebenso wie die Wirkung
der Gegenkopplung über den Widerstand R, eine Verbesserung der Stabilität der Oszillationsamplitude
zur Folge. Als Lastwiderstand für den Transistor T, wirkt der zwischen dessen
Kollektor und dem negativen Pol der Speisespannungsquelle liegende Widerstand R,
und das in einem parallelen Stromzweig liegende Galvanometer G, dessen eine
Klemme über den Widerstand R, an Masse liegt. Mit Hilfe des Widerstandes R, können
die einzelnen Meßbereichsdekaden eingestellt werden. Zur Unterteilung jeder einzelnen
Meßbereichsdekade in zwischenliegende Meßbereiche ist parallel zum Galvanometer
ein ein- und ausschaltbarer Shunt Rio vorgesehen. Der Kollektor des Transistors
T2 ist andererseits mit Masse über einen Kondensator und die dem Kollektor des Transistors
T, abgewandte Klemme des GalvanometersD mit dem Abgriff des Potentiometers Pl des
Modulators M verbunden. Der Arbeitswiderstand R, des Transistors T, ist so gewählt,
daß unter dem Einfluß des Transistor-Ruhestroms der Kollektor Massepotential annimmt.
In diesem Fall sind das Galvanometer G und der Widerstand R9 stromlos. Wird
dagegen unter der Einwirkung seiner Aussteuerung der Transistor T2 gesperrt oder
geöffnet, so nimmt der Kollektor gegenüber Masse negatives oder positives Potential
an, so daß das Galvanometer G und der 'Widerstand R, von Gleichströmen wechselnder
Richtung durchflossen werden. Auf diese Weise wird erreicht, daß je nach
der Polarität der Eingangsspannung U" vom Widerstand R, ein Gleichspannungssignal
geliefert wird, welches immer im gegenkoppelnden Sinne am Modulator M wirksam wird.
Die Wirkungsweise des Modulators sei an Hand der Kennlinien der F i g. 3
kurz erläutert. Diese Figur zeigt die Abhängigkeit des Diodenwiderstandes R und
der Diodenreaktanz X als Funktion der Steuergleichspannung E. Nicht nur der
ohmsche Diodenwiderstand R, sondern auch die Diodenkapazität und damit die Wechselspannungsreaktanz
X
sind spannungsabhängig, so daß auch diese ebenso wie der Widerstand R zur
Modulation herangezogen werden kann. Dabei ist es von Vorteil, daß die kapazitive
Diodenreaktanz X umgekehrt proportional der Frequenz ist, während der ohmsche Diodenwiderstand
R frequenzunabhängig ist. Durch Verdoppelung der Frequenz kann also die Reaktanz
X, gemäß F i g. 3 in die halb so große Reaktanz X, geändert werden. Durch
die Wahl einer entsprechend hohen Frequenz kann demnach der Wechselstromwiderstand
der Dioden, d. h. die Diodenreaktanz X, kleingemacht werden, so daß also
das Gleichstrom-Ausgangssignal des Modulators eine größere Energie besitzt als das
Gleichstrom-Eingangssignal, d. h., es findet eine Verstärkung statt. Der
niedrige Ausgangswiderstand des Modulators gestattet ohne weiteres die Ankopplung
eines Transistorverstärkers mit normalerweise geringem Eingangswiderstand. Außerdem
ist die Diodenkapazität und damit die Reaktanz nur in geringem Maß temperaturabhängig,
und auch die Streuung dieses Wertes ist von Diode zu Diode nur sehr klein und in
jedem Falle kleiner als die Streuung des ohnischen Diodenwiderstandes R.
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Ist die zu messende Gleichspannung zwischen Punkt 1 und Masse
gleich Null, so hat auch die in die Brücke über die Spule L, eingespeiste Hochfrequenzspannung
im Punkt 2 den Wert Null. In diesem Falle wird also in den im Punkt 2 angeschlossenen
Wechselstromverstärker keine Spannung eingespeist. Liegt dagegen zwischen Punkt
2 und Masse eine Meßspannung U" der einen oder anderen Polarität an, so erhöht sich
ihrer Größe entsprechend wechselweise die Kapazität der Diode D, oder der Diode
D2, während sich die Kapazität der je-
weils anderen Diode in entsprechendem
Maß vermindert. Infolgedessen tritt im Punkt 2 gegenüber dem Bezugspotential P,
eine in der Phase um 180'
schwenkbare Wechselspannung auf. Während der Aussteuerung
des Modulators verhindert der zwischen den Punkten 1 und 2 vorgesehene Widerstand
R, einen Kurzschluß des Wechselstromausgangs des Modulators über die Meßspannungsquelle.
Dieser Widerstand wird deshalb groß gegenüber dem Wechselstrom-Ausgangswiderstand
des Modulators und klein gegenüber dem Gleichstrom-Eingangswiderstand des Modulators
gewählt. Er hat zweckmäßigerweise die Größe von einigen 100 Kiloohm. Eine
im Punkt 1 angelegte Meßgleichspannung U,
tritt infolgedessen praktisch
unverändert auch im Punkt 2 auf. Damit bei geringen Abweichungen der beiden Dioden
Dl. D, im Punkt 2 auch dann keine Wechselspannung auftritt, wenn am Modulator keine
Gleichspannung U" liegt, ist zum Abgleich der Diodenkapazitäten ein Trimmkondensator
Ci vorgesehen.
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Unter der Einwirkung eines vom Modulator M über die Vorstufe V der
Basis des Transistors Ti zugeführten Signals beginnt der Oszillator zu schwingen,
wobei entsprechend der Phasenlage dieses Signals die Schwingungsamplitude des Oszillators
vergrößert
oder vermindert wird. Auf diese Weise wird eine hohe Verstärkung des Signals erzielt.
Die Linearität zwischen dem Eingang und Ausgang des Transistors T, wird durch die
örtliche Gegenkopplung mit Hilfe des Widerstandes R7 gewährleistet.
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Für die Arbeitsweise des Transistors T2 wirkt es sich günstig aus,
daß gemäß F i g. 4 die Spannung UBE zwischen der Basis und dem Emitter des
Transistors in weiten Grenzen unabhängig ist vom Basisstrom LB. Infolgedessen ist
auch die Spannung an der Ankopplungswicklung L4 des Transistors T2 'M gesamten Arbeitsbereich
weitgehend konstant und damit auch die Schwingungsamplitude des Oszillators. Diese
wird als Speisespannung für den Modulator über die Wicklung Li zugeführt, so daß
auch der Modulator mit einer weitgehend konstanten Hochfrequenzspannung betrieben
wird. Weiterhin garantiert die gleichbleibende Basisspannung UBE einen stabilen
Arbeitspunkt des durch den Transistor 7#, gebildeten C-Verstärkers.
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Der Laststrom des Transistors T, teilt sich am Kollektor. Ein Teilstrom
fließt durch den Arbeitswiderstand R, zum negativen Pol der Speisespannungsquelle,
während ein anderer Teil durch das Galvanometer G und den Widerstand R, nach
Masse fließt. Zugleich fließt von Masse zum Kollektor ein zweiter Strom, dessen
Richtung am Galvanometer und dem Widerstand R 9 entgegengesetzt ist der Richtung
des vom Kollektor herrührenden Teils des Laststromes. Die Aussteuerung des Transistors
T., erfolgt mittels des Widerstandes R, so, daß bei fehlendem Eingangssignal der
Kollektor des Transistors T2 Massepotential annimmt und infolgedessen über das Galvanometer
G und dem Widerstand R, kein Strom fließt. Der bei fehlendem Eingangssignal
den Arbeitswiderstand R 8 durchfließende Strom ist der Ruhestrom des Transistors
T2. Liefert dagegen der Modulator M eine Signalwechselspannung, so wird der Transistor
gegenüber seiner vorher betrachteten Aussteuerung mehr oder weniger geöffnet, wobei
sich der Strom im Arbeitswiderstand entsprechend der Phasenlage der Signalwechselspannung
erhöht oder vermindert. Als Folge davon ändert sich die vorher betrachtete Stromverteilung
derart, daß der Kollektor des Transistors T2 positives oder negatives Potential
gegenüber Masse annimmt und ein von der Größe des Signals abhängiger Strom über
den Widerstand R, fließt, der vom Galvanometer G angezeigt wird. Dieser Strom
ist somit ein Maß für die angelegte Meßspannung U". Seine Richtung ist durch die
Polarität der Spannung U" bestimmt.
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Die am Widerstand R 9 auftretende Spannung hat die gleiche
Polarität wie der Eingang und wird als Bezugspotential an den Abgriff des Potentiometers
Pl des Modulators angelegt. Durch diese Gegenkopplung über den ganzen Verstärker
hinweg werden Nichtlinearitäten und Änderungen des Verstärkers, Änderung des HF-Trägers
sowie etwaige gleichstromseitige Änderungen des Ausgangstransistors nach Maßgabe
der Gegenkopplung stabilisiert.
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Der parallel zu den Widerständen R, und RN liegende Kondensator ist
so groß, daß eine unerwünschte Trägerfrequenzrückkopplung über den Widerstand R,
zum Potentiometerabgriff Pl des Modulators M vernachlässigbar wird, so daß also
der Abgriff P, trägerfrequenzmäßig auf Masse liegt. Mittels des Potentiometerabgriffs
Pl kann die Brücke in gleicher Weise wie mittels der Kapazität C, für die
Meßspannung U" = 0 auf Null abgeglichen werden. Durch geeignete Einstellung
von C, und P, kann außerdem erreicht werden, daß sich der über die Dioden
Di und D, gleichgerichtete Strom genau aufhebt, denn die Gleichrichtung ändert sich
exponentiell mit der Wechselspannungsamplitude an Di oder D.. Die Wechselspannungsamplitude
kann mit P, geändert werden.
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Während bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 der Modulator
und der diesem nachgeschaltete Verstärker als Spannungsmesser geschaltet sind, zeigt
F i g. 2 die Schaltung des Modulators und des Verstärkers als Strommesser.
Der Modulator M, die Vorverstärkerstufe V sowie die beiden den Oszillator und den
Gleichrichter bildenden Verstärkerstufen Vi sind rein schematisch dargestellt. Bei
der Schaltung als Strommesser wird als Bezugspotential für den Modulator M das Massenpotential
benutzt. Die durch den Widerstand R, erzeugte Stromgegenkopplung wird über den Widerstand
R" dem Eingang des Modulators zugeführt. Der Widerstand R" dient zusammen mit dem
Widerstand R , als Strompfad für den zu messenden Strom. Die Kompensationsbedingung
ist erfüllt für Meßgleichstrom I#, < Ic, (wobei Ic, der Galvanometerstrom
ist) und Verstärkungsgrad V gegen co: Ic, - Rg # Ix * RII.
Ähnlich wie bei dem Spannungsmesser der Innenwiderstand des Gleichspannungsverstärkers
durch die Gegenkopplung erhöht wird, wird hier der Innenwiderstand des Strommessers
durch die Gegenkopplung vermindert.
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Im Gegensatz zum Spannungsmesser hat der Verstärker hier im Ausgang
die entgegengesetzte Polarität wie im Eingang. Bei einem modulierten Verstärker
bereitet jedoch ein Umpolen der Polarität keinerlei Schwierigkeit. Der Meßbereich
wird hier durch Verändern von Ril eingestellt, während eine weitere Unterteilung
des Meßbereiches zweckmäßigerweise mit dem Widerstand R 9 vorgenommen wird.
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Zur Messung von Widerständen wird das Meßizerät entweder als Spannungsmesser
oder als Strominesser geschaltet, je nachdem, ob die zu messenden Widerstände
einen hohen oder einen niederen Wert haben. Bei kleinen Widerständen wird der Spannungsabfall
am Widerstand bei gegebenem Strom und bei großen Widerständen der den Widerstand
durchfließende Strom bei gegebener Spannung gemessen.