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Modulator mit einer Modulator-Brückenschaltung Die Erfindung betrifft
einen Modulator mit einer Modulator-Brückenschaltung, die in wenigstens einem Brückenzweig
einen gleichspannungsabhängigen Wechselstromwiderstand, insbesondere eine Kapazitätsdiode,
aufweist. Die Modulator-Brückenschaltung enthält in der einen Brückendiagonalen
eine Wechselspannungsquelle, deren Spannung von einer an der anderen Brückendiagonalen
anliegenden Spannung amplitudenmoduliert wird.
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Derartige Modulatoren werden z. B. als Eingangskreise für Gleichspannungsverstärker
verwendet. Von solchen Verstärkern wird neben einem hohen Eingangswiderstand eine
gute Verstärkungs- und Nullpunktkonstanz gefordert. Mit reinen Gleichspannungsverstärkern
sind diese Bedingungen schwer zu erfüllen, so daß hier in der Regel der Umweg über
den Wechselspannungsverstärker beschritten wird. Die Eingangsspannung als langsam
veränderliche Gleichspannung bzw. als Spannung niedriger Frequenz wird einem höherfrequenten
Träger aufmoduliert, dieser verstärkt und zur Zurückgewinnung des verstärkten Eingangssignals
gleichgerichtet. Die Nullpunktkonstanz des Verstärkers hängt dabei im wesentlichen
von der Drift des Modulators ab. Außerdem bestimmt der Modulator weitestgehend den
Eingangswiderstand des Verstärkers.
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Durch den Aufsatz »Gleichspannungsverstärker mit Kapazitätsdioden
für kleine Eingangsleistungen«, Elektronik 1963, H. 9, S. 263 bis 265, ist ein Modulator
sehr niedriger Drift bekanntgeworden. Dieser besteht aus einer als Wheatstonesche
Brücke ausgebildeten Modulator-Brückenschaltung, die in zwei benachbarten Brückenzweigen
je eine Kapazitätsdiode und in den restlichen zwei Brückenzweigen je einen ohmschen
Widerstand aufweist. Der einen Brückendiagonalen wird die Eingangsspannung und der
anderen Brückendiagonalen die zu modulierende Wechselspannung zugeführt. Die Kapazitätsdioden
wirken wie Kondensatoren mit gleichspannungsabhängiger Kapazität, also wie gleichspannungsabhängige
Blindwiderstände. Die Brücke ist so getroffen, daß sie bei spannungsfreiem Eingang
in der die Eingangsspannung aufnehmenden Brückendiagonalen keine Wechselspannung
und bei Anlegen einer Eingangsspannung durch ihre dann erfolgende Verstimmung eine
Wechselspannung abgibt, deren Betrag eine Funktion der zu messenden Eingangsspannung
ist. Die Trennung des Gleichspannungseingangskreises vom Eingang des dem Modulator
nachgeschalteten Wechselspannungsverstärkers wird durch einen Koppelkondensator
vorgenommen. Die nicht völlige Trennung des Gleichspannungseingangskreises vom Eingangskreis
des Wechselspannungsverstärkers stellt in vielen Fällen einen beachtlichen Nachteil
dar. Einerseits muß die Kapazität des Koppelkondensators eine Mindestgröße aufweisen.
um keinen zu hohen Spannungsabfall der modulierten Spannung hinnehmen zu müssen.
Andererseits werden dann aber durch denselben, vor allem wenn der Wechselspannungsverstärker
für niedrige Frequenzen einen niedrigen Eingangswiderstand aufweist, bei schnelleren
Spannungsschwankungen Umladungen verursacht, die den Eingangswiderstand der Gesamtanordnung
herabsetzen und eine Oberlagerung der modulierten Wechselspannung mit der Eingangsgleichspannung
bewirken. Dies wirkt sich dann um so mehr aus, wenn die zu messende Eingangsspannung
keine reine Gleichspannung, sondern eine Wechselspannung ist.
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Ein weiterer, wesentlicher Nachteil des bekannten Modulators besteht
darin, daß die Eingangsspannung den Wechselspannungsverstärker über den Koppelkondensator
hinweg übersteuern kann, so daß die gesamte Verstärkeranordnung vorübergehend falsch
arbeitet.
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Durch die Erfindung werden die genannten Nachteile des zuvor beschriebenen
Modulators behoben. Dies wird dadurch erreicht, daß die Brückenschaltung ein Brückenzweig
einer weiteren Brückenschaltung ist, der die veränderliche Eingangsspannung in der
einen Brückendiagonalen zugeführt und der die modulierte Wechselspannung der anderen
Brückendiagonalen entnommen wird. Somit ist der Wechselspannungsausgangskreis vom
Eingangsspannungskreis des Modulators entkoppelt, und die oben angeführten nachteiligen
Effekte können nicht auftreten.
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Zwar ist eine aus zwei ineinandergesetzten Brükken bestehende Doppelbrücke
im Prinzip schon aus der Hochfrequenzmeßtechnik unter dem Namen Bolometerbrücke
bekannt (Handbuch für Hoch-
Frequenz- und Elektrotechniker, Bd.3,
S.604). In dieser dient jedoch die den einen Brückenzweig bildende Brücke zur Entkopplung
der leistungsmäßig zu erfassenden Hochfrequenzspannung von der übergeordneten Gleichstrombolometerbrücke.
Die untergeordnete Brücke wirkt in dieser lediglich wie ein Bolometer, dessen Widerstand
sich in Abhängigkeit von der Hochfrequenzleistung ändert. Zwischen den Funktionen
der erfindungsgemäßen Brücke und der oben beschriebenen Hochfrequenzbrücke bestehen
also keinerlei Beziehungen.
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Im folgenden wird ein Beispiel zur Erfindung an Hand einer Zeichnung
unter Erläuterung der Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.
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Die Zeichnung zeigt im wesentlichen eine Modulatordoppelbrücke aus
zwei ineinandergesetzten Wheatstoneschen Brücken. Die übergeordnete Brücke, im folgenden
Entkopplungsbrücke genannt, besteht aus Widerständen 1, 2, 3 und 4. Eine zu messende
Eingangsspannung U, durch die eine Wechselspannung U moduliert werden soll, liegt
an Eingangsklemmen 5 und 6 und wird der einen durch Schaltungspunkte 5' und 6' gekennzeichneten
Brückendiagonalen zugeführt. Die Spannung U ist vorzugsweise eine Gleichspannung.
Sie kann aber auch als niederfrequente Spannung auftreten. Die Entkopplungsbrücke
ist gleichspannungsmäßig durch eine geeignete Bemessung der Widerstände l bis 4
abgeglichen, so daß die zwischen Brückenanschlußpunkten 7' und 8' liegende andere
Brückendiagonale zu jedem Zeitpunkt gleichspannungsfrei ist. Den Ausgang des Modulators
bilden Klemmen 7 und B. Er ist mithin von der Eingangsspannung U entkoppelt.
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Der Widerstand 1 der Entkopplungsbrücke besteht aus zwei Kapazitätsdioden
11 und 12 sowie zwei Widerständen 13 und 14. Die Kapazitätsdioden 11 und
12 bilden zusammen mit den Widerständen 13
und 14 eine Wheatstonesche
Brücke, die im folgenden Modulationsbrücke genannt werden wird. Die eine Diagonale
derselben liegt an den Punkten 6' und 8' der Entkopplungsbrücke. An die andere Diagonale
ist über Klemmen 15, 16 die massefreie Wechselspannung a angelegt.
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Kapazitätsdioden sind Dioden mit spannungsabhängiger Sperrschichtkapazität.
Zum Betrieb dieser Dioden als spannungsabhängige Kondensatoren werden diese in der
Sperrichtung vorgespannt. Aber auch die unbeschaltete Kapazitätsdiode ist bereits
durch ihre Diffusionsspannung (z. B. 0,7 Volt) vorgespannt. Sofern keine weitere
Vorspannung vorgenommen wird, darf die Diodensteuerung mithin den Betrag der Diffusionsspannung
nicht überschreiten.
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Die Kapazitätsdioden 11 und 12 der Modulationsbrücke arbeiten im nicht
vorgespannten Zustand. Die zwischen den Punkten 6' und 8' der Entkopplungsbrücke
anstehende aus der Eingangsspannung U abgeleitete Spannung darf somit höchstens
gleich der Diffusionsspannung sein. Bei einem derartigen Arbeitspunkt ist die Änderung
d Cld U der Kapazität in Abhängigkeit von der Diodenvorspannung am größten. Die
Kapazitätsdioden 11 und 12 sind derartig in die Modulationsbrücke eingefügt, daß
sich bei einer Änderung der Spannung U um den Betrag i d U die Vorspannung
der einen Diode (11) um den Wert k - .4 U erhöht und sich die Vorspannung der anderen
Diode (12) um k - d U vermindert. K ist dabei eine Konstante. Bei gleichen
Kapazitätsdioden 11
und 12 sind auch die Widerstände 13, 14 gleich groß bemessen,
so daß sich die Modulationsbrücke für den Fall U = 0 Volt im Gleichgewicht befindet.
Die i Punkte 6' und 8' der Schaltung liegen dann auf gleichem Potential der Wechselspannung
U, so daß der von dieser Spannung auf den Ausgang der Modulationsbrücke ausgekoppelte
Anteil gleich Null ist bzw. nur noch bedingt ist durch einen Abgleichrestfehler.
Nimmt hingegen die Spannung U einen von Null verschiedenen Wert an, so wird die
Modulationsbrücke in gewissen Grenzen proportional zum Betrag der Eingangsspannung
U verstimmt. Die jeweils zwischen den Punkten 6' und 8' herrschende Brückenwechselspannung
stellt also das Modulationsprodukt der Spannungen U und 77 dar. Diese modulierte
Spannung wird über die nun als Spannungsteiler dienenden Widerstände 2, 3 und 4
der Entkopplungsbrücke auf den gleichspannungsfreien Ausgang 7, 8 des Modulators
übertragen. Da in diese Spannungsteilung auch der Innenwiderstand der Quelle der
Spannung U mit eingeht, ist im Bedarfsfall entweder in die Leitung 5-5' oder 6-6'
ein Tiefpaß z. B. in Form einer Drossel einzusetzen. Die Entkopplung der Quelle
der Spannung U von der Wechselspannung 'U kann aber durch das Vorschalten einer
weiteren Brücke vor die Entkopplungsbrücke vorgenommen werden. Diese vorzuschaltende
Brücke ist dann derart angeordnet, daß die Spannung U in ihrer einen Brückendiagonale
und die Eingangspunkte 5 und 6 in der anderen Brückendiagonalen liegen. Diese Brücke
kann dann so abgeglichen werden, daß die Quelle der Spannung U keinen Anteil der
Wechselspannung U mehr enthält.
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Die Kapazitätsdioden 11 und 12 weisen gleiche Temperaturgradienten
d Cld t auf. Die temperaturabhängigen Kapazitätsänderungen beider
Kapazitätsdioden beeinflussen somit die jeweiligen Brückenzustände nicht. Die Hauptursache
für die Drift von Modulatoren ist somit ausgeschaltet. Wird darüber hinaus für einen
guten Wärmeübergang zwischen beiden Dioden gesorgt, z. B. durch gemeinsame Einbettung
in einen Stoff großer Wärmeleitfähigkeit, so kann die Driftspannung auf Beträge
gebracht werden, die unter 10 RV/1 C liegen.
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Der die Modulationsbrücke bildende Widerstand 1 der Entkopplungsbrücke
stellt einen kapazitiven Scheinwiderstand dar. Um nun die Entkopplungsbrücke sowohl
betragsmäßig als auch phasenmäßig richtig abgleichen zu können, ist der Widerstand
2 aus einem ohmschen Widerstand 21 und einem Kondensator 22 aufgebaut, die in ihren
elektrischen Werten so gewählt sind, daß der Widerstand 2 eine Nachbildung des Widerstandes
1 darstellt, also betrags-und phasenmäßig den gleichen Widerstand hat wie dieser.
Zur Erzielung eines möglichst hohen Gleichstromeingangswiderstandes zwischen den
Klemmen 5 und 6 wird aber ohnehin der Widerstand 2 immer einen Serienkondensator
enthalten. Dann bestimmen den Gleichstromeingangswiderstand nur noch der Isolationsstrom
des Kondensators 22 und die Sperrwiderstände der Kapazitätsdioden 11 und
12. In diesem Fall wird die früher eingeführte Konstante k zu 1.
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Solange die Eingangsspannung U eine reine Gleichspannung ist, hat
selbst eine Verstimmung der Entkopplungsbrücke keinen Einfluß auf den Eingangswiderstand
des Modulators. Ist die Eingangsspannung
U hingegen eine niederfrequente
Spannung (Verhältnis der Frequenzen der SpannungU zu Spannung U z. B. 500), so muß
die Entkopplungsbrücke nach Betrag und Phase genau abgeglichen sein.
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Der im vorhergehenden beschriebene Modulator eignet sich besonders
gut als sehr hochohmiger Eingangskreis für Gleichspannungsdifferenzverstärker. Zu
diesem Zweck ist an den Ausgang 7, 8 desselben die Primärwicklung eines Übertragers
9 geschaltet, dessen Sekundärwicklung mit ihrem einen Wicklungsende an Masse und
mit ihrem anderen Wicklungsende an den Eingang eines Wechselspannungsverstärkers
91 angeschaltet ist. Der Betrag der von diesem Wechselspannungsverstärker 91 abgegebenen
Wechselspannung ist dann unmittelbar proportional der zwischen den Eingangsklemmen
5 und 6 liegenden Spannung U und kann zu einer entsprechenden Gleichspannung wieder
umgeformt werden. Die zwischen den Eingangsklemmen 5 und 6 liegende Spannung U kann
sich z. B. als Differenz zweier gegen Masse liegender Spannungen ergeben.
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Die Anwendung des Modulators ist jedoch nicht auf den eben angegebenen
Anwendungsfall 1-tschränkt. Der Modulator ist vielmehr überall dort einsetzbar,
wo die Umsetzung einer Spannung der einen Frequenz (einschließlich f = 0 Hz) in
eine zu ihr proportionale Spannung einer anderen Frequenz notwendig ist.