-
Gleichspannungsverstärkeranordnung in Brückenschaltung, die in zwei
aneinander angrenzenden Zweigen die Emitterkollektorstrecken zweier Transistoren
enthält und bei der an die eine Brückendiagonale die Speisespannungsquelle und an
die andere der Verbraucher angeschlossen sind Die Erfindung bezieht sich auf eine
Gleichspannungsverstärkeranordnung, die zu einem Verbraucherkreis einen Gleichstrom
liefert, dessen Richtung davon abhängt, ob eine an ihren Eingang angelegte Gleichspannung
größer oder kleiner als ein Bezugswert ist, mit zwei Gleichstromverstärkern, von
denen jeder aus einem einzigen Transistor besteht, wobei die veränderliche Eingangsgleichspannung
der Basiselektrode des einen Transistors zugeführt wird, und mit einer Brückenschaltung,
die in zwei aneinander angrenzenden Zweigen die Emitter-Kollektor-Strekken der beiden
Transistoren enthält, wobei an die eine Brückendiagonale eine Speisegleichspannungsquelle
und an die andere Brückendiagonale der Verbraucherkreis angeschlossen sind.
-
Bei einem in dieser Weise aufgebauten bekannten Gleichspannungsverstärker
ist der Emitter des die Eingangsspannung empfangenden ersten Transistors unmittelbar
mit dem einen Pol der Speisegleichspannungsquelle verbunden, und der Basiskreis
dieses Transistors enthält keinen Widerstand. Der Basis-Kollektor-Strecke jedes
der beiden Transistoren ist ein Widerstand parallel geschaltet, und der Kollektor
des ersten Transistors ist sowohl mit dem Emitter als auch mit der Basis des zweiten
Transistors über je einen Widerstand verbunden. In den beiden anderen Zweigen der
Brückenschaltung liegen Festwiderstände. Bei dieser bekannten Schaltung werden die
Arbeitspunkte der beiden Transistoren durch das Zusammenwirken der verschiedenen
Widerstände mit dem Innenwiderstand der die Eingangsgleichspannung liefernden Quelle
bestimmt. Der dem Kollektorkreis des ersten Transistors parallelgeschaltete Widerstand
ergibt einerseits eine Gegenkopplung innerhalb der Schaltung des ersten Transistors
und andererseits eine Rückkopplung vom zweiten auf den ersten Transistor. Andererseits
wird die Eingangsgleichspannung gleichzeitig mit der Zuführung zu dem ersten Transistor
auch dem zweiten Transistor zugeführt.
-
Auf Grund dieser gegenseitigen Einwirkung der beiden Transistorkreise
aufeinander ist das Betriebsverhalten der ganzen Schaltung kompliziert und wenig
stabil. Die Instabilität wird noch dadurch vergrößert, daß eventuelle Schwankungen
der Speisegleichspannung auf die in den beiden anderen Brükkenzweigen liegenden
Widerstände aufgeteilt werden und sich somit vollständig auf die Transistorkreise
und den Verbraucherkreis auswirken. Damit dennoch ein einigermaßen stabiler Betrieb
möglich ist, muß die Empfindlichkeit der Schaltung entsprechend herabgesetzt werden.
Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Anordnung der eingangs angegebenen
Art, mit welches selbst geringe Abweichungen der Eingangsgleichspannung von dem
Bezugswert mit großer Empfindlichkeit nachgewiesen werden können, die jedoch trotz
eine einfachen Aufbaus eine ausgezeichnete Stabilität aufweist.
-
Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß in den beiden anderen
Brückenzweigen zwei Zenerdioden liegen, daß der Arbeitspunkt des die Eingangsgleichspannung
empfangenden ersten Transistors durch zwei Widerstände, die zwischen der Basis bzw.
dem Emitter und dem einen Pol der Speisegleichspannungsquelle angeschlossen sind,
derart
festgelegt ist, daß der Kollektorstrom des ersten Transistors
im wesentlichen Null ist, wenn die Eingangsgleichspannung Null ist, und daß der
Arbeitspunkt des zweiten Transistors durch drei Widerstände, von denen zwei Widerstände
die Basis bzw. den Emitter des zweiten Transistors mit dem Kollektor des ersten
Transistors und der dritte Widerstand die Basis des zweiten Transistors mit dem
anderen Pol der Speisegleichspannungsquelle verbinden, derart festgelegt ist, daß
durch den Verbraucherkreis ein von Null verschiedener Gleichstrom fließt, wenn die
Eingangsgleichspannung Null ist.
-
Der Schaltungsaufwand der erfindungsgemäßen Anordnung unterscheidet
sich nicht wesentlich von demjenigen der zuvor geschilderten bekannten Schaltung.
Durch den andersartigen Aufbau wird aber erreicht, daß die beiden Transistorverstärkerstufen
vollständig ,getrennt arbeiten, wobei die Eingangsspannung ausschließlich dem ersten
Transistor zugeführt wird, der seinerseits den zweiten Transistor aussteuert, ohne
daß dieser auf den ersten Transistor zurückwirkt. Der Arbeitspunkt des ersten Transistors
ist nur durch dessen Schaltungskonstanten und den Augenblickswert der Eingangsgleichspannung
bestimmt, während der Arbeitspunkt des zweiten Transistors nur durch dessen Schaltungskonstanten
und den Kollektorstrom des ersten Transistors bestimmt ist. Dadurch ist ein völlig
stabiler Betrieb auch bei großer Empfindlichkeit gewähr-. leistet. Die Stabilität
wird noch dadurch verbessert, daß die in den anderen Brückenzweigen liegenden Zenerdioden
alle Schwankungen der Speisegleichspannung von den Transistorkreisen und dem Verbraucherkreis
fernhalten.
-
Obgleich sich die Kollektorströme der beiden Transistoren bei Änderungen
der Eingangsgleichspannung gleichsinnig ändern, ergibt sich im Verbraucherkreis
eine Differenzwirkung, so daß bei einem bestimmten Bezugswert der Eingangsgleichspannung
der im Verbraucherkreis fließende Strom den Wert Null hat. Bei Abweichungen der
Eingangsgleichspannung von diesem Bezugswert nach der einen oder anderen Seite fließt
dann im Verbraucherkreis ein Gleichstrom in der einen oder anderen Richtung.
-
Mit der- Anordnung nach der Erfindung können sehr kleine Schwankungen
der Eingangsgleichspannung nachgewiesen werden. Außerdem kann sie an ihren Ausgangsklemmen
eine Spannung liefern, die beispielsweise zur Steuerung eines Elektromagnetrelais
mittlerer Empfindlichkeit ausreicht. Durch die Anordnung wird daher ein sehr empfindlicher
elektronisches Relais geschaffen, das in zahlreichen Anwendungsbereichen wegen seiner
großen Betriebssicherheit vorteilhaft galvanische oder elektromagnetische empfindliche
Relais ersetzen kann, die zerbrechliche und der Abnutzung unterworfene mechanische
Teile wie Aufhängungen, Drehzapfen u. dgl. besitzen und die häufige und schwierige
Justierungen erforderlich machen.
-
Die Anordnung nach der Erfindung eignet sich insbesondere zur Steuerung
von Vorrichtungen, wie etwa Alarm- und Sicherheitsanlagen, automatische Umschaltanordnungen,
die von einem Normalbetriebsgerät auf ein Reservegerät umschalten, Regelschaltungen
u. dgl., die in Anlagen eingebaut sind, die in irgendeiner Form Energie oder Signale
liefern, deren Größe in vorbestimmten Grenzen bleiben muß, wobei diese Einrichtungen
die Eingangsgleichspannung liefern oder irgendein Signal, das in eine Eingangsgleichspannung
umwandelbar ist.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
Darin zeigt F i g. 1 eine Ausführungsform eines Gleichspannungsverstärkers nach
der Erfindung, F i g. 2 eine andere Ausführungsform der Schaltung von F i g. 1,
die einen anderen Steuerspannungsbereich zuläßt, und F i g. 3 eine andere Ausführungsform
der Schaltung von F i g. 2, in der eine feste Hilfsspannung in Serie zur Steuerspannung
U, angelegt ist.
-
Die Schaltung von F i g. 1 besitzt zwei Eingangsklemmen 1 und 2, die
an die äußere Schaltung, die die Steuerspannung U, liefert, angeschlossen sind,
zwei Ausgangsklemmen 3 und 4, die mit der vom Rechteck 10 dargestellten Verbraucherschaltung
verbunden sind, und zwei Klemmen 5 und 6, die mit einer nicht dargestellten Gleichstromversorgungsquelle
verbunden sind.
-
Die Schaltung ist mit einer Brückenschaltung mit den Eckpunkten
A, B, C und D vergleichbar, wobei die Eckpunkte A und C an die Gleichstromversorgungsschaltung
und die zwei Eckpunkte B und D an die Verbraucherschaltung angeschlossen
sind.
-
Die Zweige A-D und D-C werden von zwei in Serie geschalteten Zenerdioden
D 1 und D 2 gebildet, durch die die Potentiale der Punkte A und
D festgelegt werden. Als Bezugspotential dient dabei das Potential des Punktes
C, der mit dem positiven Pol der Versorgungsquelle verbunden ist. Ein zwischen dem
negativen Pol der Quelle und dem Punkt A eingeschalteter Schutzwiderstand R 6 begrenzt
den durch die Dioden fließenden Strom. Die Zweige A-B und B-C der Schaltung werden
von zwei als Gleichstromverstärker verwendeten Transistoren Trl bzw. Tr2 gebildet.
Der Kollektor des Transistors Trl ist unter Zwischenschaltung des Widerstands R
3 an den Emitter des Transistors TY2 angeschlossen. Beide Transistoren werden in
Emitterschaltung betrieben. An Stelle der in der Zeichnung verwendeten npn-Transistoren
können bei entsprechender Änderung der Schaltung auch pnp-Transistoren verwendet
werden, wenn die Schaltung entsprechend abgeändert wird.
-
Der Widerstand 6 ergibt im Zusammenwirken mit den Zenerdioden
D 1 und D 2 in bekannter Weise eine Stabilisierung der von der Gleichstromversorgungsschaltung
an die Brückenzweige A-D, B-D, C-D gelegten Spannungen gegen eventuelle Schwankungen
der von dieser Schaltung gelieferten Gleichspannung. Die beiden Transistoren haben
den gleichen Leitungstyp.
-
Der Widerstand R 5 kann beispielsweise einen Wert von einigen hundert
Ohm haben, und der Widerstand R 4 kann einen verhältnismäßig niedrigen Wert haben,
beispielsweise in der Größenordnung von einem Fünftel des Produkts aus dem Wert
des Widerstands R 5 und dem Basis-Emitter-Stromverstärkungsfaktor des Transistors
Trl.
-
Die Basis des Transistors Trl liegt direkt an der Eingangsklemme 1
der Schaltung. Sein Emitter ist mit der Eingangsklemme 2 und dem Schaltungspunkt
A der Brücke unter Zwischenschaltung eines Widerstands R 5 verbunden, der eine Gleichstromgegenkopplung
erzeugt, durch die die Verstärkung des Transistors stabilisiert wird und eine höhere
Impedanz
zwischen Basis und Emitter erzielt wird. Zwischen dem
Punkt A und der Basis des Transistors Tr 1 ist ein Widerstand R 4 eingeschaltet,
der einerseits das Basispotential und andererseits die Eingangsimpedanz der Schaltung
festlegt.
-
Der Kollektor des Transistors Tr2 liegt am Schaltungspunkt C. Ein
Spannungsteiler aus zwei in Serie geschalteten Widerständen R 1 und R 2 ist mit
einem Ende an den Kollektor des Transistors Tr2 und mit dem anderen Ende an den
gemeinsamen Schaltungspunkt zwischen dem Widerstand R 3 und dem Kollektor des Transistors
TrI angeschlossen. Die Basis des Transistors Tr2 liegt am gemeinsamen Verbindungspunkt
der Widerstände R 1 und R2. Die Widerstände R 1, R 2 und R 3 bestimmen zusammen
mit dem der Verbraucherschaltung 10 die Vorspannung des Transistors Tr2.
-
Bei der soeben beschriebenen Schaltung ist der Betrieb des von dem
Transistor Trl gebildeten Verstärkers, dem die Steuerspannung zugeführt wird, durch
die Kopplungselemente dieses Transistors Ti- 1, d. h. die Widerstände R 4
und R 5, und durch die Größe der zwischen den Klemmen 1 und 2 erscheinenden Spannung
bestimmt. Der Betrieb des von dem Transistor Tr2 gebildeten Verstärkers wird ausschließlich
durch den Kollektorstrom des Transistors Trl unter Berücksichtigung der Widerstände
R 1, R 2, R 3 und des Widerstands der Verbraucherschaltung 10 bestimmt. Die beiden
Verstärker arbeiten also wie zwei getrennte Stufen, wobei die erste Stufe die zweite
Stufe steuert; sie wirken nacheinander, und ihre Wirkungen addieren sich. Andererseits
sind die von der Stromversorgungsschaltung an die Brückeneckpunkte A, B, C, D
angelegten Spannungen in wirksamer Weise stabilisiert, wie bereits zuvor erläutert
wurde.
-
Wenn die an die Eingangsklemmen 1 und 2 gelegte Steuerspannung U,
negativ oder gleich Null ist, ist der Transistor Tr 1 gesperrt, und sein
Kollektorstrom ist gleich Null. Wenn dagegen die Potentialdifferenz zwischen der
Basis und dem Emitter des Transistors Tr2 positiv ist (wobei der Emitter auf dem
Potential der negativen Klemme 6 der Quelle liegt), ist der Transistor Tr2 leitend.
Durch die Schaltung 10 fließt von B nach D ein Strom i2, der von der von
den Widerständen R 1, R 2 und R 3 bestimmten Vorspannung abhängt und der vom Widerstand
der Schaltung 10 begrenzt wird. Das Potential VD des Punktes D ist
dabei niedriger als das Potential VB des Punktes B:
VD _ VB -
vfl wobei V, negativ ist. Der Wert von VD, der von den Zenerdioden
D 1 und D 2 bestimmt wird, ist praktisch konstant.
-
Wenn man an die Eingangsklemmen 1 und 2 eine positive Steuerspannung
legt, wird der Transistor Trl leitend und führt der Verbraucherschaltung einen Strom
il zu, der mit der Steuerspannung U, ansteigt. Dieser Strom erzeugt am Widerstand
R 3, durch den er fließt, einen Spannungsabfall, dessen Absolutwert mit der Steuerspannung
ansteigt. Außerdem ist der Spannungsabfall der ursprünglich zwischen der Basis und
dem Emitter des Transistors Tr2 erzeugten Vorspannung entgegengesetzt gerichtet.
Daraus ergibt sich, daß sich der Kollektorstrom des Transistors Tr2 im umgekehrten
Sinn- zum Kollektorstrom des Transistors Tr 1, d. h. im umgekehrten Sinn
zur Steuerspannung U, ändert.
-
Wenn die Steuerspannung U, einen solchen Wert UM annimmt, daß
die Potentialdifferenz zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors Tr2 verschwindet,
wird dieser gesperrt, worauf sein Emitterstrom i2 zu Null wird. Ein vom Wert der
Steuerspannung U, abhängiger Strom il, dessen Wert von den Widerständen R 3, R 5
und vom Widerstand der Schaltung 10 begrenzt wird, fließt von D nach
B
durch diese Schaltung. Das feste Potential des Punktes D liegt nun über
dem Potential des Punktes B: VD _' VB - vM, wobei VM positiv ist.
-
Da die Potentialunterschiede V, und VM endlich und von entgegengesetzter
Polarität sind, gibt es einen kritischen Wert U, der Steuerspannung U" der kleiner
als UM ist, für den die Potentialdifferenz an den Klemmen der Verbraucherschaltung
Null wird. Die Schaltung befindet sich nun in einem Abgleichzustand, d. h., daß
die von den zwei Verstärkern gelieferten Ströme il und i2 dem Absolutbetrag nach
gleich, aber entgegengesetzt gerichtet sind, wobei gilt: VD _ VB. Wenn man die Steuerspannung
U, von der kritischen Spannung Uo aus gerechnet vergrößert, hat das gleichzeitig
eine Vergrößerung des Kollektorstroms des Transistors Trl und eine Verkleinerung
des Kollektorstroms des Transistors Tr2 zur Folge. Der in der Verbraucherschaltung
fließende resultierende Strom i1 i2 fließt dann in derselben Richtung wie der Strom
il, und die an den Klemmen dieser Schaltung erzeugte Potentialdifferenz VD-VB ist
positiv und wächst mit der Abweichung der Steuerspannung U, von der kritischen Spannung
U..
-
Eine von der kritischen Spannung U, aus gerechnete Verkleinerung der
Steuerspannung U, hat gleichzeitig eine Verkleinerung des Kollektorstroms des Transistors
Tr 1 und eine Vergrößerung des Kollektorstroms des Transistors Tr2 zur Folge.
Der resultierende Strom fließt nun in derselben Richtung wie der Strom i2 durch
die Verbraucherschaltung. Die an den Klemmen der Verbraucherschaltung erzeugte Potentialdifferenz
ist negativ, und ihr Absolutwert nimmt mit dem Absolutwert der Abweichung zwischen
der Steuerspannung U, und der kritischen Spannung U, zu.
-
Die verschiedenen Schaltungselemente sind so ausgelegt, daß die kritische
Steuerspannung U., bei der die Schaltung abgeglichen ist, gleich der Bezugsspannung
ist, die für das an die Eingangsklemmen gelegte Signal bestimmt ist, und daß bei
einer vorgegebenen Änderung ± kUo dieses Signal in bezug auf den kritischen
Wert U, die an die Verbraucherschaltung zwischen den Ausgangsklemmen angelegte Gleichspannung
VD-VB einen Wert ± VK annimmt, wobei VK von den Eigenschaften der Verbraucherschaltung
bestimmt ist.
-
Man kann zeigen, daß die .an die Verbraucherschaltung angelegte Gleichspannung
genau der Abweichung der Spannung des Eingangssignals von der kritischen Spannung
U, proportional. ist, wenn die
Transistoren Trl und Tr2 im linearen
Bereich ihrer Kennlinien betrieben werden: Der Gleichspannungsdiskriminator nach
F i g. 1 kann in einem Steuerspannungsbereich verwendet werden, der von dem Kleinstwert
und dem Höchstwert zwischen Basis und Emitter des Transistors Trl der anlegbaren
Spannung begrenzt wird, bei welchen Werten dieser im wesentlichen im linearen Abschnitt
seiner Kennlinie arbeitet, wobei die von den Widerständen R 1, R 2 und R 3 bestimmte
Vorspannung des Transistors Tr2 so ausgelegt ist, daß dieser im gleichen Steuerspannungsbereich
unter den gleichen Bedingungen wie der Transistor Tr1 arbeitet.
-
Die Schaltung von F i g. 2 unterscheidet sich von der Schaltung von
F i g. 1 durch die Einschaltung einer Zenerdiode D 3 zwischen die Eingangsklemme
1 und die Basis des Transistors Trl. Diese in Sperrichtung vorgespannte Zenerdiode
ermöglicht es, die wirksame, zwischen Basis und Emitter des Transistors Tr
1 angelegte Spannung in bezug auf die zwischen den Eingangsklemmen 1 und
2 der Schaltung liegende Steuerspannung U, um einen durch ihre Zenerspannung VZ
festgelegten Wert zu verringern. Durch das Einfügen dieser Diode wird es entsprechend
einem bekannten Verfahren gleichzeitig ermöglicht, daß die Schaltung empfindlicher
auf geringe Schwankungen der Steuerspannung U, wirkt, die vollständig auf die an
den Transistor Trl gelegte Spannung übertragen werden.
-
In F i g. 3 ist eine andere Ausführungsform der Schaltung von F i
g. 1 dargestellt. Sie bietet der letzteren gegenüber den Vorteil, daß sie in einem
größeren Steuerspännungsbereich verwendet werden kann. Diese Abänderung besteht
darin, daß entsprechend der Schaltung von F i g. 2 einerseits eine Zenerdiode D
3 zwischen die Eingangsklemme 1 der Schaltung und die Basis des Transistors Trl
angeschlossen ist und daß andererseits eine Ergänzungsschaltung, die eine Zenerdiöde
D 4 und Widerstände R 7, R 8 und R 9 enthält, hinzugefügt ist, die entsprechend
einem in der bereits erwähnten französischen Patentschrift 1387 225 beschriebene
Vorgang eine feste Hilfsspannung liefert, die von der Versorgungsschaltung abgeleitet
wird und in Serie zur Steuerspannung gelegt ist. Diese parallel zur Diode D
1 liegende Ergänzungsschaltung besteht aus einer Diode D 4, die in Serie
zu einem Widerstand R 7 geschaltet ist und aus einem von den in Serie geschalteten
Widerständen R 8 und R 9 gebildeten Spannungsteiler, der parallel zur Zenerdiode
D 4 liegt. Der Verbindungspunkt der Widerstände R 8 und R 9 ist an die Eingangsklemme
2 angeschlossen, und das andere Ende des Widerstands R9 liegt am Verbindungspunkt
der Widerstände R 4 und R5. Die in Serie zur Steuerspannung U, gelegte Hilfsspannung
ist die Spannung an den Klemmen des Widerstands R 9, die sich aus
ergibt, wobei mit V 4 die Zenerspannung der Zenerdiode D 4 bezeichnet ist.
-
Durch die Wahl der Zenerspannung der Zenerdiode D 3 einerseits. und
der Hilfsspannung Va anändererseits wird es bei besserer Ausnutzung der Transistoren
ermöglicht, daß der Betriebsbereich der Schaltung entsprechend den Grenzwerten der
an die Eingangsklemmen gelegten Steuersignalspannung hinsichtlich einer guten Ausnutzung
der Transistoren verbessert wird.