DE1229148B - Elektrometer-Differential-Leistungsverstaerker mit nichtlinearen Kondensatoren - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H03f

Deutsche Kl.: 21 a2 -18/08

Nummer: 1229 148

Aktenzeichen: C 35502 VIII a/21 a2

Anmeldetag: 2. April 1965

Auslegetag: 24. November 1966

Die Erfindung betrifft einen Elektrometer-Differential-Leistungsverstärker mit nichtlinearen Kondensatoren in Briickenzweigen.

Bisher bekannte Schaltungen verwenden in den Eingangsstufen entweder Elektrometerröhren, Vibrationsgleichrichter oder nichtlineare Kondensatoren. Das gemeinsame Merkmal aller dieser bisher bekannten Schaltungen ist eine niedrige Leistungsverstärkung der eigentlichen Elektrometerstufen, so daß zwecks Erreichung der notwendigen höheren Leistung weitere Verstärkerstufen verwendet werden müssen, an die gewöhnlich viel strengere Anforderungen gestellt werden. Dies führt zu komplizierten Lösungen, die gewöhnlich eine schlechtere Betriebsverläßlichkeit und oft auch eine schlechtere Stabilität der gesamten elektrometrischen Einrichtung zur Folge haben. Dies gilt bei Geräten mit einer Elektrometerröhre im Eingang, da bloß diese im höheren Maße zu den erwähnten Mängeln beiträgt. Außerdem erfordert die Konstruktion einer solchen Einrichtung höhere finanzielle Kosten.

Die Erfindung bezweckt, die erwähnten Nachteile zu beseitigen.

Der erfindungsgemäße Differential-Leistungsverstärker mit nichtlinearen Kondensatoren ist dadurch gekennzeichnet, daß an eine Speisespannungsquelle parallel zwei Zweige angeschlossen sind, von denen jeder aus der Reihenschaltung einer Kopplungskapazität mit einem nichtlinearen Kondensator und einer Belastungsimpedanz besteht, wobei der erste Eingang des Verstärkers über ein Hochfrequenz-Sperrfilter zwischen den gemeinsamen Punkt der ersten Kopplungskapazität und des ersten nichtlinearen Kondensators und den gemeinsamen Punkt der beiden Zweige, und der zweite Eingang in gleicher Weise über ein Hochfrequenz-Sperrfilter zwischen den gemeinsamen Punkt der zweiten Kopplungskapazität und des zweiten nichtlinearen Kondensators und den gemeinsamen Punkt der beiden Zweige, während die Ausgangsseite des Verstärkers über einen Gleichrichter an die gemeinsamen Punkte zwischen den nichtlinearen Kondensatoren und der Belastungsimpedanz angeschlossen ist.

Die Erfindung soll nun mit Hilfe der Zeichnungen näher erklärt werden, welche Ausführungsbeispiele darstellen.

Fig. 1 zeigt schematisch die Grundschaltung des erfindungsgemäßen Elektrometer-Differential-Leistungsverstärkers ;

Fig. 2 zeigt Spannungs- und Stromverläufe, welche die Funktion des erfindungsgemäßen Verstärkers erklären;

Elektrometer-Differential-Leistungsverstärker
mit nichtlinearen Kondensatoren

Anmelder:

Ceskoslowenskä akademie ved, Prag

Vertreter:

Dipl.-Ing. K. Siebert, Patentanwalt,
Starnberg bei München, Almeidaweg 12

Als Erfinder benannt:
Jiro Novak, Prag

Beanspruchte Priorität:

Tschechoslowakei vom 8. April 1964 (2033)

F i g. 3, 4 und 5 sind Modifikationen der verwendeten Gleichrichterschaltungen und zeigen, wie diese an den Brückenausgang angeschlossen werden können;

F i g. 6 zeigt einen Verstärker mit in einen Eingang eingeführter Rückkopplung;

F i g. 7 zeigt eine Schaltung, bei der außer der in Fig. 6 gezeigten Rückkopplung auch Mitkopplung in den gemeinsamen Punkt der in zwei Kondensatoren aufgeteilten Kopplungskapazität eingeführt wird, wodurch die dynamische Eingangskapazität des zweiten Eingangs vermindert werden kann.

Gemäß F i g. 1 speist ein Wechselspannungsgenerator zwei Brückenzweige, wobei jeder aus der Reihenschaltung einer Kopplungskapazität, eines nichtlinearen Kondensators und einer Belastungsimpedanz besteht. Die unter Spannung stehenden Klemmen der beiden Differentialeingänge sind über ein Hochfrequenz-Sperrfilter an den gemeinsamen Punkt eines Kopplungs- und nichtlinearen Kondensators angeschlossen. Die geerdeten Klemmen der beiden Eingänge sind an den gemeinsamen Punkt der beiden Belastungsimpedanzen angeschlossen. Die Ausgangsseite der Brücke besteht aus den gemeinsamen Punkten der nichtlinearen Kondensatoren mit den Belastungsimpedanzen. An diese Punkte ist ein Gleichrichter angeschlossen, dessen Ausgang den Ausgang des gesamten Verstärkers bildet.

Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Verstärkers beruht auf den nichtlinearen Eigenschaften des KondensatorsC_nv C_{n 2} (s. Fig. 1), durch welche bei Spannungsspeisung, z. B. durch eine sinusförmige

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Spannung gemäß F i g. 2 a, infolge der Nichtlinearitäten impulsförmiger Strom gemäß Fig. 2 b fließt. Die Impulse dieses Stromes können durch Anlegung einer Gleichspannungskomponente an die Speise-Wechselspannung (s. Fig. 2c) in ihrer Position moduliert werden (s. Fig. 2d). Diese Stromformen können an beiden Brückenzweigen (s. F i g. 1) durch den Spannungsabfall an den entsprechenden Belastungswiderständen beobachtet werden. Das Prinzip des Verstärkermechanismus besteht in der Indikation des Unterschieds der beiden Spannungen in den Punkten e,f in Fig. 1. Ist die Gleichspannungskomponente der Speisespannung der beiden nichtlinearen Kondensatoren die gleiche, sind auch die Spannungsformen der beiden Belastungswiderstände die gleichen, und nach gegenseitiger Subtraktion verbleibt am Brückenzweig zwischen den Punkten e, f keine Differenzspannung. Sind aber die Gleichstromkomponenten der Speisespannung der beiden nichtlinearen Kondensatoren derart verschieden, daß die Ströme im ersten und zweiten Zweig die in Fig. 2b und 2d angegebene Form besitzen, tritt ein merklicher Zeitunterschied bei den Impulsen der beiden Ströme auf, wodurch im Brückenausgang eine Wechselspannungsdifferenz entsteht, deren Verlauf in F i g. 2 e angedeutet ist.

Diese Spannung kann Träger einer ziemlich hohen Energie sein, während der Energieverbrauch im Eingang, welcher in der praktischen Ausführung dem nichtlinearen Kondensator eine Gleich-Vorspannung liefert, bloß durch dessen Isolationswiderstand bestimmt wird und deshalb sehr klein sein kann.

Der große Leistüngsgewinn kann z. B. mit Vorteil für die unmittelbare Steuerung eines robusten Relais mit großer Betriebsverläßlichkeit verwendet werden. Weiter kann unter Verwendung dieses Verstärkers ein einfaches Elektrometer konstruiert werden, wo dieser große Leistungsgewinn nicht nur zur unmittelbaren Steuerung des Ablenksystems des Meßgerätes, sondern auch, nach entsprechender Spannungstransformation, zur Einführung einer vorteilhaften Strom-Gegenkopplung verwendet werden kann, welche die Linearität der Skala des Elektrometers sichert und die Eingangsimpedanz vergrößert. Alle praktischen Anwendungen dieser Erfindung können infolge der einfachen Konstruktion kleine Dimensionen besitzen. Die Quelle der Speisewechselspannnung wird vorteilhaft mit Transistoren bestückt.

Die Zeichnungen zeigen sechs verschiedene Varianten des erfindungsgemäßen Elektrometer-Verstärkers.

In F i g. 1 sind die beiden parallelgeschalteten Zweige, welche stets aus der Reihenschaltung einer Kopplungskapazität C_{v x} (C _{v 2}) mit einem nichtlinearen Kondensator C_{n x} (C_{n 2}) und einer Belastungsimpedanz Z₁ (Z₂) bestehen, in den Punkten c, d an den Speisegenerator G angeschlossen. Die Spannungsverläufe an der Belastungsimpedanz Z₁ (Z₂), welche stets die Stromform im entsprechenden Zweig darstellen, werden in den Punkten e, f gegenseitig subtrahiert und die Differenzspannung wird durch den hier angeschlossenen Gleichrichter U gleichgerichtet. Diese Spannungsdifferenz kann jedoch nur dann entstehen, wenn die zwischen die Punkte a, d und b, d zugeführten Gleichspannungskomponenten der Speisespannung nicht gleich sind. Diese Spannungen werden den Punkten a, b aus dem Eingang I, II über Trennfilter F₁, F₂ zugeführt, welche einerseits das Eindringen der Speisespannung aus dem Generator G in die Eingangsklemmen, andererseits einen Kurzschluß der Speisespannung am nichtlinearen Kondensator und der Belastungsimpedanz C_{n ±} Z₁, C_{n 2} Z₂ bei einem zufälligen Kurzschluß der Eingangsklemmen verhindern. Die Wechselspannung in den Punkten e, f, deren Größe zur Spannungsdifferenz in den Eingängen I und II proportional ist, wird dann in irgendeiner bekannten Weise gleichgerichtet bzw.

ίο vervielfacht bzw. wird hier ein Differentialdetektor (s. F i g. 3) angeschlossen, der unter gewissen Bedingungen, die mit der Auswahl geeigneter Typen der beiden nichtlinearen Kondensatoren zusammenhängen, die Polarität der Spannung .am Eingang I, auf die Spannung des Eingangs II bezogen, direkt verfolgen kann, oder diese Polarität umkehrt. Dies ist deshalb möglich, weil das Verhältnis des Mittelwertes zum Maximalwert einer Polarität des Spannungsverlaufs zwischen den Punkten e, f von der gegenseitigen Polarität der Eingangsklemmen eines bzw. beider Eingänge abhängig sein kann.

Alle diese Gleichrichterarten können durch einen Transformator T (s. F i g. 4) an die Punkte e, f angeschlossen werden. Weiter können zwecks Steigerung der Verstärkerleistung die Belastungsimpedanzen Z₁, Z₂ durch zwei Hälften der symmetrischen Primärwicklung des Transformators P (s. Fi g. 5) ersetzt werden. In den Verstärkern können prinzipiell zwei Arten von Spannungs-Mitkopplungen verwendet werden, und zwar einerseits in einen der Eingänge I, II (s. Fig. 6), wodurch die Eingangsempfindlichkeitdes zweiten Eingangs gesteigert und in manchen Fällen auch die Stabilität der Verstärkung verbessert werden kann, andererseits in den gemeinsamen Punkt g von zwei Kondensatoren Cl₁, C"₂ der aufgeteilten Kopplungskapazität C_{v x} (s. Fig. 7), wodurch die dynamische Eingangskapazität, in diesem Falle des Eingangs I, herabgesetzt werden kann. Die Rückkopplungsspannung wird dem Punkt g wieder über ein Hochfrequenz-Sperrfilter F₃ zugeführt. Zwecks Erzielung größerer Verstärkungslinearität kann gleichzeitig auch Strom-Gegenkopplung eingeführt werden. F i g. 7 würde dieser Alternative nach Verlegung der Eingangsklemmen H aus dem Punkte d in den Punkt h entsprechen.

Als nichtlineare Kondensatoren können zwei nichtlineare dielektrische Elemente, sogenannte Tandels, mit selbsttätiger Wärmestabilisierung verwendet werden.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Elektrometer-Differential-Leistungsverstärker mit nichtlinearen Kondensatoren, dadurch gekennzeichnet, daß an eine Speisespannungsquelle (G) parallel zwei Zweige angeschlossen sind, von denen jeder aus der Reihenschaltung einer Kopplungskapazität (C_{v 1;} C_{v 2}) mit einem nichtlinearen Kondensator (C_{n v} C_{n 2}) und einer Belastungsimpedanz (Z₁, Z₂) besteht, wobei der

erste Eingang (I) des Verstärkers über ein Hochfrequenz-Sperrfilter (F₁) zwischen den gemeinsamen Punkt (d) der ersten Kopplungskapazität (C_vl) und des ersten nichtlinearen Kondensators (C_{n t}) und den gemeinsamen Punkt der bei-

den Zweige (d), und der zweite Eingang (Π) in gleicher Weise über ein Hochfrequenz-Sperrfilter (F₂) zwischen den gemeinsamen Punkt (b) der zweiten Kopplungskapazität (C_{v 2}) und des

zweiten nichtlinearen Kondensators (C_{n 2}) und den gemeinsamen Punkt (d) der beiden Zweige, während die Ausgangsseite des Verstärkers über einen Gleichrichter (U) an die gemeinsamen Punkte (e, f) zwischen den nichtlinearen Kondensatoren (C_{n v} C_{n 2}) und der Belastungsimpedanz (Z₁, Z₂) angeschlossen ist.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seine Ausgangsseite an die gemeinsamen Punkte (e, f) durch einen Transfermator (T) angeschlossen ist.

3. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seine Belastungsimpedanzen (Z₁, Z₂) durch die beiden Hälften der symme-

irischen Primärwicklung eines Transformators (P) gebildet werden.

4. Verstärker nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus seiner Ausgangsseite Rückkopplung in einen der beiden Eingänge (I, II) eingeführt wird.

5. Verstärker nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Kopplungskapazität (C_V1, C_V2) aus zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren (Cv₁, Cy₂) besteht und daß die Rückkopplung in den gemeinsamen Punkt (g) dieser beiden Kondensatoren über einen Hochfrequenz-Sperrfilter (F_s) eingeführt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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