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Logarithmierschaltung Die Erfindung betrifft eine Logarithmierschaltung
mit eingangsseitigem Differenzierglied, ausgangsseitiger Bewertungsschwelle und
zwischengeschaltetem Verstärker, mit deren Hilfe eine Gleichspannung in einen ihr
entsprechenden Logarithmenwert umgewandelt werden kann. Sie eignet sich beispielsweise
zur Verwendung in Strahlungsmeßgeräten, die einen besonders großen Zählratenbereich
erfassen sollen, so d-aß der Übersichtlichkeit halber eine logarithmische Anzeige
erwünscht ist.
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Dem Differenzierglied können gegebenenfalls noch Einrichtungen vorgeschaltet
sein, die aus der umzuwandelnden Gleichspannung eine Mäanderspannung ableiten, deren
Amplitude dem Gleichspannungswert und damit beispielsweise einer gemessenen Zählrate
proportional ist. Besitzt die Gleichspannung den Wert U, so kann man an dem Widerstand
des Differenziergliedes eine Spannung U' abnehmen, die sich zu U - U. e-cirt
c (1)
errechnet, wenn R und C die Widerstands- bzw. Kapazitätswerte des Differenziergliedes
sind. Ermittelt man nun die Zeit T, während der U' einen festen Schwellenwert
U0 übersteigt und bildet eine dieser Zeit T=R-C-1nU/Uo (2) proportionale Gleichspannung,
wozu man eine ganze Reihe von bekannten Schaltungen, wie beispielsweise einen Schmitt-Trigger
mit äachgeschaltetem RC-Integrierglied, verwenden kann, so erhält man eine dem Logarithmus
der Meßgleichspannung U streng proportionale Ausgangsspannung.
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Will man dieses bekannte Logarithmierprinzip jedoch für einen Skalenumfang
von mehreren Dekaden anwenden, so kommt man zu sehr kleinen Schwellspannungen, die
sich nur schwer in der erforderlichen Genauigkeit realisieren lassen. Für einen
auf das Skalenende bezogenen Fehler von weniger als 1% ergibt sich bei drei Dekaden
bereits eine Genauigkeitsforderung für die Schwelle von 7 0/0. Bei einer maximalen
Meßspannung U = 100.V braucht man also eine auf 7% konstante 100-mV-Schwelle, also
eine auf 7 mV konstante Schwelle, die sich mit Hilfe nichtlinearer, geknickter Kennlinien
von Röhren oder Halbleitern nicht realisieren läßt.
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Zur Abhilfe muß man daher zwischen das Differenzierglied und die Schwellenschaltung
einen Verstärker einfügen. Während aber für Röhrenschaltungen bereits befriedigend
arbeitende Schaltungen entwickelt werden konnten, ist für Transistoren noch keine
Lösung dieser Aufgabe bekanntgeworden; insbesondere lassen sich die bekannten Röhrenschaltungen
infolge der ganz andersartigen Ruhestrom-und Temperatureinflüsse und des anderen
Eingangswiderstandes nicht ohne weiteres für Transistoren abwandeln.
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Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Logarithmierschaltung
mit eingangsseitigem Differenzierglied, ausgangsseitiger Bewertungsschwelle und
zwischengeschaltetem Verstärker zu schaffen, die unter Verwendung von Transistoren
ein Spannungsverhältnis von mehreren Dekaden mit einer Genauigkeit besser als 1%
beherrscht und dabei mit möglichst geringen schaltungstechnischen Mitteln auskommt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Transistorverstärker
mit hoher Stromspannungsumsetzung vorgesehen ist, bei dem der Strom des Differenziergliedes
in den Emitter des Eingangstransistors des Verstärkers eingespeist wird.
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In Weiterbildung der Erfindung hat es, sich ferner als günstig erwiesen,
den Transistorverstärker als Differenzverstärker auszubilden. Am besten schaltet
man zwei komplementäre Transistoren mit den Kollektoren zusammen, so daß jeder von
ihnen wegen der kleinen Rückwirkung der Kollektorspannung seinen Ruhestrom wie ein
Emitterfolger bestimmt. Man erhält dann am Emitter einen niedrigen Eingangswiderstand
und am Kollektor einen hohen Ausgangswiderstand. Verwendet man dann noch Transistoren
mit gleichen Kenndaten und einen auch im übrigen symmetrischen Aufbau des Verstärkers,
dann erhält man zugleich noch eine Kompensation des Temperatureinflusses, da die
Temperatur auf beide Transistoren gleichsinnig wirkt und das Ergebnis nur von der
Stromdifferenz abhängt. Am besten wird der Transistorverstärker als hochübersteuerbarer
Gleichstromverstärker
ausgebildet, dessen Arbeitspunkt durch Gegenkopplung und Differenzbildung stabilisiert
ist. Als Transistoren eignen sich für den erfindungsgemäßen Verstärker am besten
solche mit extrem kleinem Kollektor-Basis-Sperrstrom.
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In der Figur ist eine mögliche Ausführungsform für die erfindungsgemäße
Logarithmierschaltung dargestellt. An Hand dieser Figur sei der Aufbau und die Wirkungsweise
der Schaltung noch etwas näher erläutert.
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Die Meßspannung wird über den Widerstand R1. eingespeist. Zwischen
diesem und dem Differenzierglied aus der Kapazität Cl und dem Widerstand R2 ist
eine Ableitung auf Masse vorgesehen, die durch den der Übersichtlichkeit halber
nur schematisch dargestellten Schalter S geöffnet und geschlossen werden kann. Beim
Schließen dieses Schalters S, für den sich eine ganze Reihe hinreichend schnell
arbeitender Schalter eignen, springt das Potential des Kondensators Cl also um den
Meßspannungswert U.
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Der Transistorverstärker muß folgende Forderungen erfüllen: 1. Seine
Rückwirkung auf den Strom des Differenziergliedes muß so klein sein, daß dieser
Strom tatsächlich einem Exponentialgesetz mit wohldefinierter Zeitkonstante gehorcht.
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2. Er muß gegen alle Störeinflüsse wie Temperaturänderungen, Alterung
und Übersteuerung so unempfindlich sein, daß die auf den Strom des Differenziergliedes
bezogene Schwelle hinreichend konstant ist. Zum Beispiel muß bei einem Eingangsspannungsbereich
300:1 und einem Spitzenstrom von 10 mA die Schwelle bei 30 [,A liegen, und ihre
Inkonstanz muß erheblich kleiner als 30 [,A sein.
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Da man mit Transistoren wohl sehr kleine dynamische Eingangswiderstände,
aber nur sehr schwer große Eingangswiderstände realisieren kann, ist es im Gegensatz
zu den bekannten Röhrenschaltungen zweckmäßig, nicht den Spannungsabfall am Widerstand
des Differenziergliedes (im Ausführungsbeispiel der Figur der Widerstand R2) zur
Steuerung des Verstärkers zu benutzen, sondern den in ihm fließenden Strom und diesen
Strom in den Emitter eines Transistors T1 einzuspeisen. Beispielsweise darf sich
bei einem Spitzenstrom von 10 mA im Differenzierwiderstand und einer zugehörigen
maximalen Eingangsspannung von 10 Volt, also einem differenzierenden Widerstand
R2 von 1 kSL der Eingangswiderstand des Transistors nur um 10 9 ändern, wenn die
Zeitkonstante z = R2C1 auf 1 % ihres Wertes definiert sein soll, während der Eingangsstrom
von seinem Maximalwert (10 mA) auf den Schwellwert (30 [.A) abnimmt. Das läßt sich
bei nicht zu kleinem Ruhestrom des Eingangstransistors tatsächlich erreichen.
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Der Verstärker muß eine so hohe Übersetzung zwischen Eingangsstrom
und Ausgangsspannung haben, daß das Durchlaufen des Schwellwertes des Eingangsstromes
(30 pA) eine so große Ausgangsspannung bewirkt, daß ein Transistorschalter mit genügender
Genauigkeit beim Schwellwert des Eingangsstromes geschaltet werden kann. Einer Änderung
des Eingangsstromes um wenige g,A muß also eine Änderung der Ausgangsspannung von
etwa 1 V entsprechen. Da aber bei dem großen Eingangs-Spannungsbereich (300:1) einer
Logarithmierschaltung auch sehr viel größere Ströme (10 mA) auftreten können, muß
der Verstärker extrem übersteuerungsfest sein. Es empfiehlt sich daher, den Verstärker
als Gleichstromverstärker auszuführen, da Gleichstromverstärker ohne zusätzliche
Zeitkonstanten, also bei hoher Übersteuerung ohne langdauernde Nachwirkungen gebaut
werden können. Dann. hat man auch keine Schwierigkeiten mit Arbeitspunktverschiebungen
des angeschlossenen Schalters, die bei verschieden starker Übersteuerung und unsymmetrischer
Ausgangsspannung des Verstärkers durch die Unterdrückung der Gleichstromkomponente
entstehen könnten. Man muß jedoch den Arbeitspunkt des Verstärkers durch Gegenkopplung
und Differenzbildung sorgfältig stabilisieren.
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Alle diese Forderungen lassen sich vereinen, wenn man in die Kollektorleitung
des Eingangstransistors einen komplementären Transistor T2 in Stromkonstantschaltung
legt. Der Widerstand R5 ist dabei der Emitterwiderstand des Transistors T." und
die Widerstände R3 und R4 bilden den gemeinsamen Basisspannungsteiler für die Transistoren
Tl und T.,. Damit lassen sich z. B. Eingangs- zu Ausgangsübersetzungen von 3 g,A
auf 1 V herstellen. Die Ruheströme des Eingangstransistors T1 und des komplementären
Transistors T2 werden nach Art der Emitterfolger durch Gegenkopplung stabilisiert
und so abgeglichen, daß bei Einsteuerung des Schwellstromes (30 @A) in den Eingangstransistor
beide Kollektorströme bei nicht übersteuerten Transistoren gleich groß werden. Die
Ausgangsspannung ändert sich dann nur proportional zur Differenz der beiden Emitterströme,
bis einer der beiden Transistoren übersteuert wird. Da Temperaturänderungen die
Ruheströme der beiden Transistoren bei angenähert symmetrischer Ausführung der Schaltungen
gleich stark erhöhen bzw. erniedrigen, ist die Ausgangsspannung temperaturkompensiert.
Erfahrungsgemäß ändert sich bei Ruheströmen von einigen gA der Schwellwert, bezogen
auf den Eingangsstrom, um weniger als 5 [,A, wenn die Temperatur sich um 30° C ändert.
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Wegen der hohen Verstärkung des beschriebenen Verstärkers kann der
von der Ausgangsspannung des Verstärkers zu steuernde Schalter sehr einfach ausgeführt
werden, beispielsweise als Differenzverstärker T4 und T5, bei dem während der Schwellüberschreitung
ein Transistor T4 gesperrt und zugleich der andere T5 entsperrt wird und dann einen
durch seinen Emitterwiderstand R7 und seinen Basisspannun,-steiler R$ und R11 definierten
Strom führt. Zur Entkopplung des Schalters vom Differenzverstärker dient ein weiterer
Transistor T3 mit einem Emitterwiderstand R6 und einem Kollektorwiderstand Rio,
dessen entkoppelnde Wirkung auf seiner niedrigen Kollektorrückwirkung beruht.
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Um zu verhindern, daß bei Sperrung des Eingangstransistors T1 durch
einen stark übersteuernden Eingangsstrom die Rückladung des Kondensators C1 des
Differenziergliedes über den Emitterwiderstand R, dieses Transistors und daher langsam
erfolgt, wird eine Diode D in passender Polung zwecks Übernahme des Eingangsstromes
bei gesperrtem Transistor T1 eingeführt.
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Die zeitliche Mitteilung des Ausgangsgleichstromes durch die Trägheit
des Anzeigeinstrumentes M kann durch einen Kondensator C2 verbessert werden.