DE1513339C - Transistor Leistungs Endstufe zur Steuerung der Große und Richtung eines Stromes durch eine Last - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Transistor-Leistungs-Endstufe zur Steuerung der Größe und Richtung eines Stromes durch eine Last, deren eines Ende an eine Mittelanzapfung einer Spannungsquelle angeschlossen ist, mit einem ersten Transistor, dessen Basis mit Steuerspannung beaufschlagbar ist und dessen Kollektor einmal über einen Widerstand mit dem positiven bzw. negativen Pol der Spannungsquelle und zum anderen über eine Diode mit dem Emitter eines zweiten, den gleichen Leitfähigkeitstyp aufweisenden Transistors verbunden ist, dessen Emitter an das andere Ende der Last angeschlossen ist.

Eine bekannte Anordnung zur Steuerung der Größe und Richtung eines Stromes durch eine Last ist in F i g. 1 der Zeichnung dargestellt. Bei dieser bekannten Schaltung werden die Basen zweier komplementärer Transistoren gemeinsam mittels einer Steuerspannung U_E angesteuert. Die Emitter der beiden Transistoren sind miteinander verbunden und über die zu speisende Last an Nullpotential angeschlossen. Die Kollektoren der Transistoren stehen jeweils mit einer positiven bzw. negativen Betriebsspannung in Verbindung.

Die Anordnung zweier zueinander komplementärer Transistoren bei der bekannten Schaltung stellt einen Nachteil dar. Geht man davon aus, daß bei den heutigen industriellen Anwendungen fast durchweg nur noch Transistoren auf Silizium-Basis zur Anwendung kommen, so ist festzustellen, daß pnp-Transistoren auf Silizium-Basis weit mehr kosten als ein npn-Transistor auf Siliziumbasis und zudem eine gegenüber dem npn-Typ weitaus geringere Spannungsfestigkeit besitzen.

Eine weitere bekannte Anordnung zur Steuerung der Größe und Richtung eines Stromes durch eine Last enthält als wesentliche Bestandteile zwei pnp-Transistoren. Der erste Transistor ist in Reihe mit einem Kollektorwiderstand an einer Spannungsquelle angeschlossen. Zwischen Basis und Emitter dieses Transistors liegt die Steuerspannung an. Der Kollektor dieses Transistors ist einmal über eine Diode mit dem Emitter und zum anderen unmittelbar mit der Basis des zweiten Transistors verbunden, dessen Emitter an die Last und dessen Kollektor über einen Widerstand an die Spannungsquelle angeschlossen ist. Ein zweiter Anschluß der Last liegt an einer Mittelanzapfung der Spannungsquelle an (deutsche Auslegeschrift 1182 303). Bei Abwesenheit eines Steuersignals an der Basis des ersten Transistors wird sein Kollektorwiderstand von einem so großen Strom durchflossen, daß an seinem Kollektor und an der Mittelanzapfung gleiche Potentiale herrschen. Die Diode und der zweite Transistor sind in diesem Fall nichtleitend. Je nach der Amplitude des Steuersignals wird entweder der erste Transistor stärker leitend, so daß über die Reihenschaltung des ersten Transistors die Diode und die Last ein Strom zur Mittelanzapfung der Spannungsquelle fließt, oder stärker nichtleitend, so daß der Strom im ersten Transistor abnimmt, während der zweite Transistor leitend wird und ein Strom von der Mittelanzapfung über den zweiten Transistor und seinen Kollektorwiderstand zum negativen Pol der Spannungsquelle fließt.

Die Kennlinien der bekannten Schaltungen, in denen die Spannung an der Last als Funktion der Steuerspannung dargestellt sind, weisen eine tote Zone in einem Bereich auf, der sich auf die Umkehr der Stromrichtung in der Last bezieht. Diese tote Zone ist durch die Schwellwertspannung der Diode und der Basis-Emitter-Strecke des zweiten Transistors bedingt. Die tote Zone entsteht dadurch, daß bei einer Änderung des Potentials am Emitter des zweiten Transistors gegenüber dem Potential der Mittelanzapfung der Spannungsquelle der zweite Transistor sperrt, bevor die Diode leitend wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

ίο Transistor-Leistungs-Endstufe der eingangs erwähnten Art derart weiterzuentwickeln, daß auch bei Ausgangsspannungen im Bereich, der sich auf die Umkehrung der Stromrichtung in der Last bezieht, eine lineare oder nahezu lineare Beziehung zwischen Ausgangsspannung und Eingangsspannung besteht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kollektor des zweiten Transistors mit einem positiven bzw. negativen Pol der Spannungsquelle verbunden ist und daß zwischen die Basis des zweiten und den Kollektor des ersten Transistors ein Widerstand parallel mit einem dritten Transistor geschaltet ist, dessen Basis von einem Verstärker an- ·> steuerbar ist, dessen Eingangssignal von einem zwi- ti sehen den Emitter des ersten und den negativen bzw. positiven Pol der Spannungsquelle geschalteten Widerstand abgreifbar ist.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung fließt bei gleichen Potentialen an beiden Anschlüssen der Last ein Strom (Nullstrom) über beide Transistoren. Zur Umkehr der Stromricntung in der Last müssen keine Schwellwertspannungen am zweiten Transistor oder an der Diode überwunden werden. Die Schaltung läßt sich demnach in vorteilhafter Weise in Regelkreisen mit hohen Genauigkeitsforderungen an die Regelung verwenden. Insbesondere kann die Anordnung zur Speisung von Stellgliedern, beispielsweise Motoren, dienen. Die Winkellagen der Rotore dieser Motore lassen sich mit großer Genauigkeit einstellen. Ein weiterer Vorteil der Anordnung gegenüber bekannten Schaltungen besteht in einer Erhöhung des Wirkungsgrades.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Emitter des zweiten Transistors über einen Widerstand mit dem Emitter eines vierten Transistors eines einstufigen Verstärkers, dessen Ausgang die Basis des ersten Transistors speist, und über einen weiteren Widerstand mit dem Emitter eines fünften Transistors eines einstufigen Verstärkers verbunden ist, ^dessen Ausgang die Basis des dritten Transistors speist, und daß zwischen die Basis des fünften Transistors und den Kollektor des ersten Transistors eine Diode geschaltet ist.

Dieses Ausführungsform bewirkt mit einfachen Mitteln eine weitgehend gleichmäßige Verstärkung des Eingangssignal, unabhängig von der Richtung des Stromes in der Last. '

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an Hand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine bekannte Schaltung zur Steuerung des Stromes nach Größe und Richtung durch eine Last, ;

Fig. 2 eine Schaltung zur Speisung von Gleichstrommotoren,

F i g. 3 die Kennlinie des durch beide Transistoren zur Speisung der Last gemäß der Schaltung nach F i g. 2 fließenden Stromes in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung.

Der Aufbau und die Wirkungsweise der Schaltung

Claims (2)

1. 3 4

   gemäß F i g. 1 wurde oben bereits im Zusammenhang Die Funktion der Regelstufe ist nun folgende:

   mit der Schilderung des Standes der Technik er- Wird die Leistungs-Endstufe an der Basis des Tran-

   läutert. sistors 1 vom maximal-negativen Wert — U_B nach

   In der F i g. 2 sind zwei npn-Transistoren 2 und 3 0 Volt und weiter nach + U_B durchgesteuert,' so dargestellt. Der Transistor 2 wird in Emitterschaltung 5 kommt dieser Transistor immer mehr in den sper- und der Transistor 3 in Kollektorschaltung betrieben. renden Zustand. Zugleich wird das Basispotential des Der Kollektor des Transistors ist über eine Diode 7 Transistors 2 zunehmend negativer, so daß auch mit dem Emitter des Transistors 3 verbunden, wobei dieser Transistor immer mehr zugesteuert wird.' Im die Kathode der Diode 7 am Kollektor des Tran- gleichen Maße wird auch die Basis des Transistors 3 sistors 3 liegt. Der Transistor 3 liegt mit seinem KoI- io positiver. Erreicht die Spannung CZ₁₃ am Widerstand lektor an der positiven Betriebsspannung + U_B. Eine 13 die Basis-Emitterspannung U_be des Transistors 3, Last 8 ist zwischen den Emitter des Transistors 3 und so wird dieser Transistor leitend, und es fließt zudie Spannungsnullschiene O geschaltet. Die Basis des sätzlich zu dem von O über die Last 8, Diode 7, Tran-Transistors 2 ist einerseits über einen Widerstand 6 sistor 2 und Widerstand 11 nach —U_B fließenden mit der positiven Betriebsspannung + U₈, anderer- 15 Strom ein Querstrom /₀ (Nullstrom) von + U_B, über seits über einen Widerstand 13, zu dem ein Tran- Transistor 3, Diode 7, Transistor 2 und Widerstand sistor 16 parallel geschaltet ist, mit dem Kollektor des 11 nach — U_B. Der Widerstand 13 ist dabei so di-Transistors 2 verbunden. Der Emitter des Tran- mensioniert, daß dieser Nullstrom noch vor Erreisistors 2 steht über einen Widerstand 11 mit der chen des Nullpunktes von U₁-. zustande kommt,
   negativen Betriebsspannung —U_B in Verbindung. 20 Da beim Durchsteuern des Transistors 2 über Die Basis des Transistors 16 ist an den Kollektor O Volt hinaus nach negativen Werten — U_B das Beeines Transistors 15 angeschlossen. Zwischen den zugspotential für den Transistor 3 immer positiver Kollektor des Transistors 15 und den positiven Pol wird, wird auch der Nullstrom I₀ ansteigen. Die Beder Betriebsspannung + U_B ist weiterhin ein Wider- grenzung des Nullstromes erfolgt nunmehr durch den stand 14 geschaltet. Die Basis des Transistors 15 ist 25 Regelkreis nach der Erfindung. Hierzu ist im Emittereinerseits über eine Diode 17 mit dem Kollektor des kreis des Transistors 2 ein Widerstand 11 vorge-Transistors 2 und andererseits über einen Widerstand sehen, der den Nullstrom /₀ als Spannung abbildet 12 mit der Spannungsnullschiene O verbunden. Der und somit als Istwertgeber für die nachgeschaltete Emitter des Transistors 15 liegt über einen Wider- Regelstufe dient. Der Widerstand 9 im Emitterkreis stand O am negativen Pol der Betriebsspannung 30 des Transistors 15 gibt den Sollwert für den NuIl-— U_B. Die Basis des Transistors 2 wird von der ge- strom I₀ vor. Soll- und Istwert für den Nullstrom meinsamen Verbindungsstelle zweier in Reihe ge- werden über die Basis-Emitter-Strecke des Transchalteter Transistoren 4 und 5 gespeist. Der Wider- sistors 15 verglichen. Bei erhöhtem Nullstrom wird stand 4 ist mit dem Kollektor eines Transistors 1 ver- der Transistor 15 und damit auch der Transistor 16 bunden, an dessen Basis das Steuersignal U_E anliegt. 35 zunehmend leitend, so daß der Widerstand 13 zuneh-Der Widerstand 5 steht mit der negativen Betriebs- mend kurzgeschlossen und somit der Nullstrom zuspanmmg — U_B in Verbindung. Zwischen den Emitter rückgeregelt wird. Bei Überschreitung eines bestimmdes Transistors 1 und die Spannungsnullschiene O ist ten negativen Wertes der Steuerspannung am Tranein Widerstand 19 geschaltet. Der Emitter des Tran- sistor 2 wird dieser völlig gesperrt, und die Stromsistors 3 ist einmal über einen Widerstand 10 mit dem 40 führung für die Last 8 wird allein von dem Tran-Emitter des Transistors 15 und zum anderen über sistor 3 übernommen. Eine Regelung des Nullstromes einen Widerstand 18 mit dem Emitter des Tran- gegen 0 wird in diesem Fall zusätzlich durch die Versistors 1 verbunden. bindung des Emitters von Transistor 15 über den

   Die Wirkungsweise der Schaltung ist folgende: Ein Widerstand 10 mit dem Ausgang A und einer damit

   negatives Eingangssignal U_E an der Basis der Vor- 45 verbundenen Beeinflussung der Sollwertspannung be-

   stufe bringt diese in den stromführenden Zustand. Da- wirkt. Die Widerstände 18 und 19 bewirken eine

   mit wird die Basis des Transistors 2 aber positiv Gegenkopplung des Endstufen-Ausganges auf die

   gegenüber dem Emitter, und der Transistor 2 wird Transistor-Vorstufe 1.

   ebenfall aufgesteuert. Dadurch erhält die Basis des Der Verlauf des Nullstromes in Abhängigkeit von Transistors 3 negative Vorspannung gegenüber dem 50 der Ausgangsspannung zeigt die F i g. 4 der anliegen-Emitter, so daß dieser Transistor gesperrt ist. Es den Zeichnung. Man kann dieser Figur entnehmen, fließt somit ein Strom von der Schaltungsnullschiene daß der Nullstrom nur um den Nullpunkt der Ausüber die Last 8, in der F i g. 2 als Motor eingezeich- gangsspannung (Stromrichtungsumkehr) merkliche net, die Diode 7 und den Transistor 2 nach — U_B. Werte annimmt; dagegen verschwindet er für große

   Verringert sich die Ansteuerung des Transistors 2, 55 negative bzw. positive Ausgangsspannungen,
   indem die Eingangsspannung U_E der Vorstufe positiver wird, so wird auch das Basispotential des Tran- Patentansprüche:
   sistors 3 zunehmend positiver werden. Bei einer bestimmten Eingangsspannung U_E wird die Basis des 1. Transistor-Leistungs-Endstufe zur Steuerung Transistors 3 positiv gegen die Nullschiene. Da Tran- 60 der Größe und Richtung eines Stromes durch eine sistor 3 in Kollektorschaltung arbeitet, wird er lei- Last, deren eines Ende an eine Mittelanzapfung tend, und es fließt nunmehr ein Strom von + U_B über einer Spannungsquelle angeschlossen ist, mit den Transistor 3 und den Verbraucher 8 zur Schal- einem ersten Transistor, dessen Basis mit Steuertungsnullschiene. spannung beaufschlagbar ist und dessen Kollektor

   Die Schaltung nach der Erfindung kann grundsätz- 65 einmal über einen Widerstand mit dem positiven

   lieh auch aus zwei pnp-Transistoren aufgebaut sein. bzw. negativen Pol der Spannungsquelle und zum

   In diesem Fall wäre die Polarität der Betriebsspan- anderen über eine Diode mit dem Emitter eines

   nung und der Diode allerdings umzukehren. zweiten, den gleichen Leitfähigkeitstyp auf-

   weisenden Transistors verbunden ist, dessen Emitter an das andere Ende der Last angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des zweiten Transistors (3) mit dem positiven {+U_B) bzw. negativen Pol der Spannungsquelle verbunden ist und daß zwischen die Basis des zweiten und den Kollektor des ersten Transistors (2) ein Widerstand (13) parallel mit einem dritten Transistor (16) geschaltet ist, dessen Basis von einem Verstärker ansteuerbar ist, dessen Eingangssignal von einem zwischen den Emitter des ersten und den negativen (—U_B) bzw. positiven Pol der Spannungsquelle geschalteten Widerstand (11) abgreifbar ist.
2. 2. Transistor-Leistungs-Endstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des zweiten Transistors (3) über einen Widerstand (18) mit dem Emitter eines vierten Transistors (1) eines einstufigen Verstärkers, dessen Ausgang die Basis des ersten Transistors (2) speist, und über einen weiteren Widerstand (10) mit dem Emitter eines fünften Transistors

   (15) eines einstufigen Verstärkers verbunden ist, dessen Ausgang die Basis des dritten Transistors

   (16) speist, und daß zwischen die Basis des fünften Transistors (15) und den Kollektor des ersten Transistors (2) eine Diode (17) geschaltet ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen