DE1279735C2 - Stromverstaerkende Abtastschaltung fuer Gleichspannungen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES OTTC PATENTAMT Int. Ο.:

H 03 k

PATENTSCHRIFT Deutsche Kl.: 21 al - 36/18

Nummer: 1279735

Aktenzeichen: P 12 79 735.2-31 (St 25639) Anmeldetag: 14. Juli 1966 Auslegetag: 10. Oktober 1968 Ausgabetag: 29. Mai 1969 Patentschrift stimmt mit der Auslegeschrift überein

Die Erfindung betrifft eine stromverstärkende Abtastschaltung für unsymmetrische oder symmetrische Oleichspannungen für η Hingangsleitungen, die wahlweise an eine Ausgangsleitung anschaltbar sind.

Einer solchen Abtastschaltung entspricht ein mechanischer Drehschalter oder ein Drehwähler. Bei diesen mechanisch bzw. elektromechanisch arbeitenden Anordnungen ist die Ausgangsspannung im allgemeinen gleich der Emgangsspannung, d. h., der ohmsche Widerstand der Schaltstrecke ist sehr klein. Eine elektronische Anordnung, die die gleiche Aufgabe erfüllen soll, wird einen Fehler verursachen, d.h., die Ausgangsspannung wird nicht genau der Eingangsspannung entsprechen. Dieser Fehler tritt unabhängig von der verwendeten Schaltung auf, wenn die schaltenden Elemente Halbleiter sind. Im Einzelfall ist dabei zufällig oder durch Abgleich eine mehr oder weniger gute Kompensation möglich.

Bei der Abtastschaltung handelt es sich demnach um eine Schaltung aus der Analogtechnik, die aber in digitaler Weise gesteuert wird.

Aus dem Stand der Technik sind im wesentlichen zwei Arten zur elektronischen Oleichspannungsein/ausschaltung bekannt. Die erste bekannte Schaltung enthält vier Dioden in Graetzschaltung, bei der an zwei gegenüberliegenden Verbmdungspunkten der Diode Spannungen zugeführt werden und bei der die beiden anderen Verbindungspunkte der Dioden die Schaltstrecke darstellen. Durch Wahl der zugeführten Spannungen kann erreicht werden, daß entweder alle vier Dioden leiten und damit die Schaltstrecke durchgeschaltet ist oder daß alle vier Dioden sperren. Es gibt auch Schaltungen mit nur zwei Dioden, die aber schlechtere Eigenschaften aufweisen.

Die zweite bekannte Art zur Gleichspannungsdurchschaltung ist in der USA--Patentschrift 2 962 603 beschrieben. Sie verwendet zwei invers betriebene Transistoren. Dabei sind die Kollektoren der beiden Transistoren direkt und die Basen über Widerstände miteinander verbunden. Der Emitter des einen Transistors ist die Eingangs- und der Emitter des anderen Transistors die Ausgangsklemme. Zwischen dem Verbindungspunkt der beiden KoUektoren und dem Verbindungspunkt der beiden Widerstände Uegt die Sekundärwicklung eines Übertragers, über den die gesamte Anordnung gesteuert wird. Wenn die beiden Kollektorbasisdioden in DurchlaBrichtung betrieben werden, steuern die Transistoren durch, und es kann Strom von der Eingangs- zur Ausgangsklemme fließen. Die Span-

Stromverstärkende Abtastschaltung für Gleichspannungen

Patentiert für:

Standard Elektrik Lorenz Aktiengesellschaft, 7000 Stuttgart-Zuffenhausen, Hellmuth-Hirth-Str.42

Als Erfinder benannt: DipL-Ing. Ernst Münter, 7015 Korntal

nungsabfälle heben sich im Idealfall auf. Die Ansteuerung über einen Transformator ist erforderlich,

μ weil sonst die Stromsymmetrie gestört würde. Für diese Schaltung sind auch spezielle Transistoren entwickelt worden, bei denen in die Basis zwei Emitter eindiffundiert sind. Alle diese bekannten Schaltungen sind hinsichtlich

•5 der Oenauigkeit der übertragenen Gleichspannung oder des Eingangswiderstandes oder, der Geschwindigkeit oder der Verlustleistung nicht befriedigend.

Mit der Erfindung wird ein Gleichspannungsabtaster angegeben, der genauer und schneller arbeitet als die bekannten Schaltungen und der außerdem einen höheren Eingangswiderstand und eine geringere Verlustleistung aufweist Unter »genau« wird hierbei bei einer von Eins verschiedenen Verstärkung auch die Konstanz der Veras Stärkung verstanden..

Die Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Transistor-Differenzverstärker, bei dem die erste der beiden Stufen η mal und die zweite der beiden Stufen einmal vorgesehen ist, und dadurch, daß je weils nur eine der η ersten Stufen angeschaltet ist, daß als erste der beiden Stufen die nicht invertierenden Eingänge des Differenzverstärkers verwendet werden, daß — bei Betrachtung nur jeweils einer ersten Stufe des Differenzverstärkers — die Emitter der beiden Stufen über entgegengesetzt gepolte Dioden zusammengeschaltet sind, an deren Verbindungspunkt eine Uretromquelle Uegt, auf deren Eingang die Steuerspannung gegeben wird, und daß der Kollektor der zweiten der beiden Stufen des Differenzverstärkers ebenfalls von einer UrstromqueUe gespeist wird und daß die UrstromqueUen so ausgelegt sind, daß die Ströme das Verhältnis 2:1

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haben und daß bei den η Stufen im Ruhezustand das Steuereingang für diese Urstromquelle ist mit L1 Potential des Verbindungspunktes der Dioden so bezeichnet. Weiter ist in der Kollektorleitung des weit angehoben wird, daß die beiden Dioden sperren. Transistors 71 eine zweite UrstromquelleQO vor-Besonders günstige Eigenschaften der Abtast- gesehen. Die Schaltung ist nun so bemessen, daß die schaltung ergeben sich, wenn der Differenzverstärker 5 Summe der Ströme in den Emittern von Tll und eine Rückkopplung enthält und wenn der Differenz- Tl konstant und gleich dem Strom ist, der durch verstärker mit Urstromquellen betrieben wird. die Stromquelle Q1 fest eingestellt ist. Der Strom Die Erfindung wird nun an Hand der Figuren durch den TransistorTl ist ebenfalls fest gegeben, beispielsweise näher erläutert. Es zeigt und zwar durch die Stromquelle Q O im KollektorFig. 1 die Gesamtschaltung des Abtasters, "> kreis. Der Strom von Ql wird nun so eingestellt, Fig.2 eine Realisierungsmöglichkeit für die Ur- daß er doppelt so groß ist wie der Strom von QO. stromquelleQO, Dadurch wird erreicht, daß die TransistorenTll Fig, 3 eine erste Realisierungsmöglichkeit zum und Tlasowie die DiodenDll und D12 den Abschalten der nicht verwendeten Eingangsstufen, gleichen Strom führen. Bei gleichen Eigenschaften F ig. 4 eine zweite Möglichkeit zum Abschalten 15 der Transistoren untereinander und der Dioden der nicht verwendeten Eingangsstufen. untereinander ist also der Spannungsunterschied Bei der in F i g. 1 gezeigten Abtastschaltung ist es zwischen E1 und C1 gleich dem Spannungsunterzweckmäßig, zunächst nur den Differenzverstärker schied zwischen A und Cl, wenn Rl gleich Null an sich zu betrachten und dann zu erläutern, daß die gemacht wird. Durch Einschalten von R1 kann der eine Stufe des Differenzverstärkers η mal vor- ^M Fehler kompensiert werden, der dadurch entsteht, handen ist. daß der Basisstrom von TU am Innenwiderstand Der Differenzverstärker besteht demnach nach der abgetasteten Spannungsquelle einen Spannungs-Fig. 1 aus einem ersten Transistor, z. B. TU, und abfall hervorruft

einem zweiten Transistor Tl. Dem zweiten Tran- Der Transistor T2 dient dazu, den Basisstrom von

sistor, dessen Ausgang mit B bezeichnet ist, ist ein »5 Tl bereitzustellen sowie d,azu, die Ausgangsklemme

weiterer Transistor T 2 nachgeschaltet An dessen niederohmig zu halten. Er kann auch durch eine

Emitter ist die Ausgangsklemmen angeschlossen. Diode oder durch einen nicht invertierenden Ver-

Außerdem ist ein Rückkopplungsweg von A über stärker ersetzt werden, wobei die Anode der Diode

den Widerstand R1 zur Basis des Transistors T1 bzw. der Eingang des Verstärkers an B, die Kathode

vorgesehen. 30 der Diode bzw. der Ausgang des Verstärkers an A

Bei diesem Differenzverstärker handelt es sich um angeschlossen werden,

die Gegentakt-Eingangsstufe eines Verstärkers, der An Stelle der betrachteten einen Stufe des

zwei Eingänge hat, die auf eine von zwei Ausgangs- Differenzverstärkers ist nun diese Stufe insgesamt

klemmen bezogen gegensinnig wirken. Eine solche η mal vorgesehen, so daß sich die π Eingänge El

Stufe hat die Eigenschaft, die Differenz zwischen 35 bis En ergeben. Gemäß der zu lösenden Aufgabe

zwei Spannungen, die an den Eingängen liegen, zu muß man die Ansteuerung so auslegen, daß immer

verstärken. Im Idealfall ist dabei die Größe der nur eine der ersten Stufen angeschaltet ist Zur

einzelnen Spannungen ohne Einfluß, nur die Steuerung der einzelnen Eingänge bzw. der gesamten

Differenz wirkt Anordnung weisen die Urstromquellen Q1 ...Qn

Werden beide Ausgänge eines derartigen symme- 40 SteuereingängeL1...Lη auf, auf die Signale ge-

trisch aufgebauten Verstärkers benützt, so spricht eigneter Polarität gegeben werden,

man von einem Gegentaktverstärker. Im vorliegen- Fig. 2 zeigt eine Realisierungsmöglichkeit für die

den Falle ist jedoch nur die Eingangsstufe als Urstromquelle Q O mit dem TransistorT} und den

Gegentaktstufe aufgebaut, und es wird nur ein Aus- Widerständen R 3, R 4 und R 5.

gang, nämlich der Punkt ß, verwendet. Von diesem 45 Zum An- bzw. Abschalten der Eingangsstufen

Ausgang wird auf einen Eintaktverstärker über- zeigt Fig.3 eine erste Möglichkeit. Gemäß dieser

gegangen, der in Fig. 1 ein Emitterfolger ist. Die Figur wird beim Anlegen einer positiven Spannung:

gesamte Anordnung stellt also einen Verstärker dar, an Ln der Schaltertransistor Tn 3 gesperrt, so daß

dessen Eingangsteil nach Art eines Gegentakt- der Stromquellentransistor Tn 2 keinen Basisstrom

verstärken aufgebaut ist der jedoch nur einen Aus- 50 mehr erhält und ebenfalls gesperrt ist In diesem

gang hat Eine Spannungsänderung im positiven Sinn Falle wird also die Urstromquelle abgeschaltet

an dem einen Eingang wird also am Ausgang eine Nach Fig.4 wird beim Anlegen einer großen;

Spannungsänderung im negativen Sinn hervorrufen. positiven Spannung an Ln das Potential des Punktes

Dies ist der invertierende Eingang. Dieselbe Span- Cn so weit angehoben, daß die DiodenDnl und

nungsänderung im positiven Sinn am anderen nicht 55 Dn 2 sperren.

invertierten Eingang ruft eine Spannungsänderung In den Anordnungen nach den Fig.3 und 4 ist

am Ausgang ebenfalb im positiven Sinn hervor. Es eine inaktive EingangsklenuneEn nur Uber Sperr?

ist ersichtlich, daß bei der vorliegenden Schaltung schichten von Transistoren und Dioden mit den:

der Ausgang mit dem invertierenden Eingang ver- festen Potentialen verbunden. Verwendet man ge»

bunden ist. Diese Verbindung kann auch über einen 60 eignete Bauelemente, kann ein extrem hoher Sperr-,

Spannungsteiler erfolgen, was eine Spannungs- eingangswiderstand erreicht werden (100 Mfl und

verstärkung von Punkt E zu Punkt A ergibt größer).

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß die Emitter der Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Ab-

beiden Transistoren des Differenzverstärkers nicht tasten ist darin zu sehen, daß durch entsprechende

direkt miteinander, sondern über entgegengesetzt ge- 65 Ausbildung der Urstromquellen Q1... Qn und

polte Dioden D11 und D12 miteinander verbunden deren An- und Abschaltung der Stromverbrauch der

sind. Am Verbindungspunkt C1 der beiden Dioden inaktiven Eingänge (alle, bis auf einen) praktisch

ist eine schaltbare Urstromquelle angeschlossen. Der Null wird und daß dadurch selbst bei einer großen

Claims (4)

1 Anzahl von Eingängen der Gesaratstromverbrauch der Schaltung klein bleibt. Dies ist besonders wichtig bei FernmeSanlagen für Raumfahrzeuge. Die Genauigkeit der bisher beschriebenen Abtastschaltung wird dadurch bestimmt, inwieweit die s Eigenschaften der Transistoren T11 mit den Eigenschaften des Transistorsri übereinstimmen. Eine symmetrische Schaltung entsteht, wenn beide Klemmen der zu übertragenden Eingangsspannungen an je einem Gleichspannungsabtaster gemäß der Erfindung liegen und wobei der Ausgang der Schaltung aus den Ausgangsklemmen der beiden Gleichspannungsabtaster besteht. Bei dieser Art der Schaltungsausführung kann eine hohe Genauigkeit besonders leicht erzielt werden, da die entsprechenden Halbleiterbauelemente der beiden Abtaster nur paarweise übereinstimmen müssen. Mit der symmetrischen Ausführung können auch erdfreie Spannungen übertragen werden. 20 Patentansprüche:

1. Stromverstärkende Abtastschaltung für unsymmetrische oder symmetrische Gleichspannungen für η Eingangsleitungen, die wahlweise an as eine Ausgangsleitung anschaltbar sind, gekennzeichnet durch einen Transistor-Differenzverstärker, bei dem die erste der beiden Stufen η mal (Γ11 bis Tn 1) und die zweite der beiden Stufen einmal (7*1) vorgesehen ist, und dadurch, daß jeweils nur eine der η ersten Stufen ange-

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schaltet ist, daß als erste der beiden Stufen die nicht invertierenden Eingänge des Differenzverstärkers verwendet werden, daß — bei Betrachtung nur jeweils einer ersten Stufe des Differenzverstärkers — die Emitter der beiden Stufen über entgegengesetzt gepolte Dioden (Dil; D12 bis Dn 1; Dn2) zusammengeschaltet sind, an deren Verbindungspunkt eine Urstromquelle (ßl bis Qn) liegt, auf deren Eingang (LI bis Ln) die Steuerspannung gegeben wird und daß der Kollektor der zweiten der beiden Stufen des Differenzverstärkers ebenfalls von einer Urstromquelle (QO) gespeist wird und daß die Urstromquellen (QO und Qn) so ausgelegt sind, daß die Ströme das Verhältnis 2:1 haben und daß bei den η Stufen im Ruhezustand das Potential des Verbindungspunktes der Dioden so weit angehoben wird, daß die beiden Dioden (Dnl; Dn2) sperren.

2. Abtastschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweiten der beiden Stufen (Tl) eine Verstärkerstufe (Γ2) nachgeschaltet ist, von der das Ausgangssignal abnehmbar und die auf die vorgeschaltete Stufe (71) rückgekoppelt ist.

3. Abtastschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschaltung der η Stufen im Ruhezustand durch Abschalten der Urstromquellen (Ql bis Qn) erfolgt (Fig. 3).

4. Abtastschaltung für unsymmetrische Spannungen, gekennzeichnet durch die Verwendung von zwei Abtastschaltungen nach den Ansprüchen 1 bis 3.

Hierzu 1 Blatt Zdchnungen