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Transistor-Schaltverstärker, insbesondere zur Anwendung bei sich selbst
steuernden Uhrenantrieben Die Hauptpatentanmeldung betrifft einen Transistor-Schaltverstärker,
insbesondere zur Anwendung bei sich selbst steuernden Uhrenantrieben, mit einer
im Arbeitskreis des Verstärkers angeordneten, nicht konstanten Gleichspannungquelle,
insbesondere einer Trockenbatterie, als Energiequelle, mit einer Steuerwicklung
zwischen Basis und Emitter und einer Arbeitswicklung zwischen Emitter und Kollektor,
wobei ein mechanisch schwingendes oder rotierendes System periodisch in der Steuerwicklung
Schaltimpulse hervorruft, die über den Transistor und die Arbeitswicklung dem mechanischen
System verstärkt wieder zugeführt werden, und wobei ein nichtlinearer, insbesondere
durch einen Halbleiter gebildeter Widerstand mit expotentiell verlaufender Strom-Spannungs-Charakteristik
zwischen dem Emitter und der Basis des Transistors angeordnet ist, der oberhalb
eines vorgegebenen unteren Grenzwertes für die Gleichspannung einen von der Änderung
dieser Gleichspannung abhängigen veränderlichen, relativ niederohmigen Widerstand
darstellt und ein der Gleichspannungsänderung entgegenwirkendes Potential an die
Basis des Transistors anlegt, nach Patentanmeldung D 39870 VIII a121 a2. Als nichtlinearer
Widerstand ist bei den in der Hauptpatentanmeldung beschriebenen Ausführungsbeispielen
eine Halbleiterdiode vorgesehen, die der Basis des Transistors ein vom Arbeitsstrom
abhängiges Sperrpotential zuführt. Die durch diese Anordnung erzielbare Regelsteilheit,
d. h., das Verhältnis Kollektorstromänderung zu Speisespannungsänderung, ist für
die meisten Anwendungsfälle ausreichend; nur in manchen Fällen ist eine mit einer
Diode nicht erreichbare Regelsteilheit. erforderlich.
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Um einen solchen Fall handelt es sich hier. Zur Erzielung einer hohen
Regelsteilheit soll ein Transistor verwendet werden. Der Ersatz einer Diode durch
einen Regeltransistor ist an sich bereits durch »Funk-Technik«, H. 6, 1961, S.
171, bereits bekannt. In der dort gezeigten Schaltungsanordnung wird der
Regeltransistor in der Emitterzuleitung eines NF-Verstärkers verwendet und stellt
einen von der Größe einer in etwa sinusförmigen Regelspannung abhängigen Widerstand
dar. Diese bekannte Anordnung kann jedoch keine Anregung zur Verwendung eines Transistors
in der erfindungsgemäßen Weise geben, da bei der Erfindung ganz andere Probleme
vorliegen. Insbesondere soll die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung impulsweise
betrieben werden und soll außerdem einen Schwellwert aufweisen, der den unteren
zulässigen Grenzwert der Gleichspannungsquelle darstellt, bis zu dem der Spannungswert
der letzteren absinken darf.
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Aufgabe der Erfindung ist es nun, ausgehend von einem Transistor-Schaltverstärker
nach der Hauptpatentanmeldung, eine Anordnung zu schaffen, welche zusätzlich noch
eine extrem hohe Regelsteilheit aufweist.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter
Weise als nichtlinearer Widerstand ein Regeltransistor verwendet ist, der mit seinem
Kollektor über eine unerwünschte Rückflüsse sperrende Diode an der Basis des Transistors,
mit seinem Emitter an der der Gleichspannungsquelle zugewandten Klemme der Arbeitswicklung
und mit seiner Basis entweder über mindestens eine zweite Diode oder über einen
Abgriff der Arbeitswicklung an dem Emitter des Transistors liegt und von diesem
Transistor impulsweise angesteuert wird.
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Untersuchungen haben gezeigt, daß die Regelsteilheit eines derart
aufgebauten, mit einem Verstärkerelement als Regelglied versehenen Schaltverstärkers
über das Zehnfache eines mit einer Halbleiterdiode stabilisierten Verstärkers beträgt.
Bei einer Vergleichsuntersuchung, der eine Speisespannungsänderung von 1,5 auf 15
V zugrunde lag, betrug die Änderung des Kollektorstromes bei der Diodenstabilisierung
etwa
12,uA, während sie bei der Stabilisierung mit einem Regeltransistor gemäß der vorliegenden
Erfindung unter 1 pA lag.
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Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispieles an Hand der Zeichnung in Verbindung mit den Unteransprüchen.
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Der in der Zeichnung gezeigte Schaltverstärker weist einen n-p-n-Schalttransistor
1 auf, an dessen Basis-Emitter-Kreis eine Steuerwicklung 2 liegt. Im Kollektorkreis
des Transistors 1 ist eine Arbeitswicklung 4 in Serie mit einer Gleichspannungsquelle
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vorgesehen. Zur Unterdrückung der Selbsterregung ist der Transistor
1 durch einen zwischen seinem Kollektor und seiner Basis eingeschalteten
Kondensator 20 rückgekoppelt. Die Kollektor-Emitter-Strecke eines n-p-n-Regeltransistors
16 liegt zwischen zwei Punkten 6, 7, d. h. zwischen der Basis des Transistors 1
und dem Minuspol der Spannungsquelle 3. Die Basis des Regeltransistors 16 ist an
das nicht mit der Basis des Transistors 1 verbundene Ende 21 der Steuerwicklung
2 angeschlossen. Eine Diode 18 in der Basiszuleitung des Regeltransistors
16 dient zusammen mit der Basis-Emitter-Diode des Transistors 1.6 zur Erzeugung
einer Schwellspannung, die gleich ist der unteren Grenzspannung, der Gleichspannungsquelle,
ab der die Regelung einsetzt. Eine Diode 19
dient zur Verhinderung unerwünschter
Rückflüsse von Transistor 1 zu Transistor 16. In der Steuerwicklung
2 werden in bekannter Weise von dem mechanisch schwingenden oder rotierenden System,
beispielsweise von einem Unruhschwinger oder dem Rotor des stetig umlaufenden Antriebsmotors
einer elektrischen Uhr, periodisch Steuerimpulse induziert, die nach Verstärkung
durch den Transistor 1 die Arbeitswicklung 4 als Arbeitsimpulse durchfließen. Das
Potential des Punktes 21 ist bei durchgeschaltetem Transistor 1 um so positiver,
je größer der Arbeitsstrom, d. h. je höher die Speisespannung ist. Bei einer vorgegebenen
unteren Grenzspannung der Spannung der Speisespannungsquelle 3 erreicht das Potential
des Punktes 21 einen Wert, bei dem der Regeltransistor 16 geöffnet
wird. Über die Emitter-Kollektor-Strecke des Regeltransistors 16 wird daher der
Punkt 6 an Minuspotential gelegt, d. h., die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors
1 wird hochohmiger. Je größer der Arbeitsstrom ist, um so mehr wird der Regeltransistor
16 geöffnet und um so höher ist damit das am Punkt 6 liegende negative Sperrpotential.
Oberhalb dieser vorgegebenen unteren Grenzspannung wird daher der Arbeitsstrom in
einem weiten Bereich der Spannung der Speisespannungsquelle 3 praktisch konstant
gehalten.
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Die Regelsteilheit der beschriebenen Anordnung ist um so größer, je
niederohmiger der Eingang des Regeltransistors 16 ist. Andererseits ist jedoch eine
untere Grenzspannung notwendig, die, entsprechend dem gewählten Einsatzpunkt der
Regelung, nicht unterschritten werden darf. Zu diesem Zweck dient eine geeignet
gewählte, gleichsinnig zur Emitter-Basis-Strecke des Regeltransistors 16 gepolte
Diode, nämlich die Diode 18. Beim Erreichen der unteren Grenzspannung wird die Diode
18 stark leitend, so daß der Regeltransistor 16 geöffnet wird. Da der Widerstand
der Diode 18 im leitenden Zustand sehr klein ist, ist der Eingang des Regeltransistors
16 oberhalb der unteren Grenzspannung sehr niederohmig. Während der Sperrphase des
Transistors 1 liegt an dessen Basis, d. h. am Punkt 6, infolge der in der
Steuerentwicklung 2 induzierten Gegen-EMK ein negatives Potential, während der Punkt
21 positiv ist. Es ist daher gegebenenfalls über die Kollektor-Basis-Diode des Regeltransistors
16 ein unerwünschter Stromfluß möglich. Um diesen Stromfluß zu verhindern, ist in
die Kollektorleitung des Regeltransistors 16 die Diode 19 eingeschaltet.
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Der Anschlußpunkt 21 der Basis des Transistors 16 kann zur Erhöhung
bzw. Erniedrigung des Einsatzpunktes der Regelung, d. h. der unteren Grenzspannung,
an einer Anzapfung der Steuerwicklung 2 bzw. der Arbeitswicklung 4 liegen. Weiterhin
kann bei geeigneter Bemessung der Schaltung der Punkt 7 an eine Anzapfung der Arbeitswicklung
4 gelegt werden. In allen Fällen ergeben sich bei der Verwendung von Siliziumtransistoren
und gegebenenfalls Siliziumdioden besonders günstige Regeleigenschaften. Selbstverständlich
können bei geeigneter Polung der Speisespannungsquelle auch p-n-p-Transistoren Verwendung
finden.
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Anstatt die Basis des Regeltransistors 16 galvanisch an den Transistor
1 anzukuppeln, kann zwischen dem nicht mit der Basis des Regeltransistors
16
verbundenen Ende des Vorwiderstandes 17 bzw. der Diode 18 und dem
Punkt 7 auch eine dritte Wicklung vorgesehen sein, die mit der Arbeitswicklung
4 induktiv gekuppelt ist. Die Ansteuerung des Regeltransistors 16 erfolgt
in diesem Fall transformatorisch.