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Endstufe eines Gleichstromtransistorverstärkers. Die Erfindung bezieht
sich allgemein auf die Endstufe eines Gleichstromtransistorverstärkers, der in Abhängigkeit
von der Größe des Eingangssignals ein positives oder negatives Ausgangssignal liefert.
Es besteht dabei die Aufgabe, die Endstufe so aufzubauen, daß sie auch bei höheren
Umgebungstemperaturen von z.B. 50 0 C bis 80 0 C und größeren Temperaturschwankungen
von z.B. 50 0 C sowie bei relativ großen Spannungen und Strömen von z.B.
10 bis 100 V, einschließlich etwaiger induktiv übertragener Spannungsspitzen,
bzw. 0,2 bis 2 A einwandfrei arbeitet, wobei insbesondere die zulässigen
Grenzwerte der Transistoren nicht überschritten werden dürfen. Ist ein Gleichstromverstärker
beispielsweise auf einem Gleichstromwandler geschaltet, der bei beiden Polaritäten
des zu messenden Gleichstromes arbeitet, so ist es zweckmäßig, wenn auch der Verstärker
für beide Richtungen ausgelegt ist. Eine Endstufe für einen Gleichstromverstärker
mit Ausgangsspannungen beider Polaritäten, die im wesentlichen eine Schaltung mit
Komplementärtransistoren enthältg ist z.B. in dem Buch "A Handbook of Selected
Semiconduetor Cireuits" (NObsr 73231,
Navships 93484) in Fig.3-0,27
(A) angegeben worden. Soll ein solcher Leistungsverstärker bei relativ hoher
Umgebungstemperatur zuverlässig arbeiten, so ist es meist erforderlich, Silizium-Transistoren
zu verwenden (vgl. Mende, Leitfaden der Transistortechnik, 3.Aufl., Seite
59). Solche Transistoren sind aber als Komplementärpaar - vor allem
wegen des pnp-Transistors -fUr hohe Ströme und Spannungen, wie sie beispielsweise
im Ausgangskreis eines dem Verstärker vorgeschalteten Stromwandlers
auftreten,
sehr kostspielig oder gar nicht erhältlich.
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Da unter diesen Bedingungen die bekannte Schaltung Fig.3-0.27
(A)
aus dem obengenannten Buch häufig nicht anwendbar ist, kommt ehe-r die
im gleichen Buch beschriebene Schaltung Pig.3-0.28 (B) mit. zwei Endtransistoren
gleicher Polarität in Prage. In dieser Schaltung ist jedoch eine gegenphasige Ansteuerung
der beiden Endtransistoren erforderlich. Bei Wechselstrom und Verwendung eines Ankopplungstransformators
bereitet die gegenphasige Ansteuerung der beiden Endtransistoren keine Schwierigkeiten-(gezeichnet
in Fig.3-0.28 (A». Sollen jedoch Gleichströme verstärkt werden, so kann zum
Beispiel für die Ansteuerung der bei..-den Endtransistoren gleicher Polarität ein
zusätzliches Komplementär-Transistorpaar kleinerer Leistung verwendet werden, wie
das in der genannten Fig.3-0.28 (B) gezeigt ist. Auch diese Schaltung hat bei einem
Leistungsverstärker, der unter den ob2n angegebenen Bedingu ngen (hohe Umgebungstemperatur
und Temperaturänd erungen sowie hohe Spannungen) eingesetzt werden soll, erhebliche
Nachteile. Einerseits ist die Spannungsverstärkung der Schaltung trotz Verwendung
von vier TransistorenZ 1. Eine Endstufe, die mit drei Silizium-ngn-Transistoren
und einem kostspieligen Silizium-pnp-Transistor arbeitet und eine Spannungeverstärkung
4 1 liefert, ist unwirtschaftlich. Andererseits benötigt die Endstufe der
bekannten Schaltung - wie gesagt -
eine Ansteuerspannung beider Polaritäten
gegen den gemeinsamen Mittelpol der beiden gezeichneten Batterie-. Auch dies ist
sehr ungünstig, weil es im allgemeinen anzustreben ist, den zu,-gehörigen Vorverstärker
nur mit der Betriebsspannung der einen der beiden Batterien arbeiten zu lassen,
damit die Verlustleistungen und die benötigten Sperrspannungen der Tranddi-.l#,-oren
niedrig gehalten werden können. Das gleiche gilt in Verbindnngmit einem Gleichstromwandler
mit magnetfeldabhängigen Widerständen auch für di'e Verlustleistung dieser Widerstände.
Werden schließlich in bekannten Schaltungen nur (Silizium-) npn--Transistoren benutzt
(vgl. Mende, Leitfaden der Transistortechnik, 3.Auflage, Seiten 168/169),
so hatte man nicht die Mög-
lichkeit, Ausgangssignale beider Polaritäten zu
erzielen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Endstufe
eines Gleichstromtransistorverstärkers zu schaffen, deren Transistoren vom
Typ npn sind und aus Silizium bestehen. Dabei soll die Schaltung trotzdem
- abhängig von der Größe des Eingangssignals Ausgangssignale beider Polaritäten
abgeben können. Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß die Basis eines ersten,
in Emitterschaltung-betriebenen npn-Transistors auf die Vorstufe des Verstärkers
geschaltet ist, daß die Basis eines zweiten als Emitterfolger (in Kollektorbasisschaltung)
betriebenen npn-Transistors, in dessen Kollektorbasiskreis ein Widerstand gesetzt
ist, auf den Kollektor des ersten Transistors geschaltet ist, daß eine Diode in
Antiparallelschaltung mit der Basisemitterstrecke des zweiten Transistors vorgesehen
ist und daß der Emitter des zweiten Transistors über einen Lastwiderständ an den
Nullpol der Schaltung gelegt ist, gegenüber dem mit je einer Spannungsquelle
der Emitter des ersten Transistors negativ und der Kollektor des zweiten Transistors
positiv gespannt sind. Prinzipiell könnten die Polariatäten der beiden Transistoren
und Spannungsquellen sowie der Diode auch gemeinsam umgekehrt gewählt werden, ohne
daß sich an der Wirkungsweise der Schaltung etwas änderte. Eine solche Auslegung
der erfindungsgemäßen Schaltung hätte jedoch für eine wirtschaftliche Anwendung
zur Voraussetzung, daß - pnp-Transistoren - im Q#gensatz zu den heutigen
Verhältnissen - mit wesentlich günstigeren Eigenschaften für Endstufen herstellbar
sein müßten als npn-Transistoren. Nach dem Vorangehenden werden in der erfindungsgemäßen
Schaltung zweckmäßig Silizium-npn-Transistoren verwendet. Die Schaltung kann mit
besonderem Vorteil in Gleichstromwandlern angewendet werden. Ein schon vorgeschlagener
Gleichstromwandler (Patent . « 0 .; Anmeldung S 110 634 IXd/2le; PLA
67/1335) enthält mindestens einen vormagnetisierten sowie'dem Stauermagnetfeld
des zu mes senden Gleichstroms ausgesetzten, magnetfeldabhängigen Widerstand und
mit auf diesen geschaltetem Gleichstromverstärker. Der Ausgangsstrom des letzteren
erzeugt ein dem Steuermagnetfeld
entgegenwirkendes Gegenkopplungsmagnetfeld
in dem einzigen allen-Magnetflüssen gemeinsamen Magnetkreis des Wandlers. Unter
"Gleich-stromwandler" sind dabei auch "Gleichspannungs-.wandier" verstanden. Anhand
der schematischen Zeichnung werden weitere erfindungsgemäße Einzelheiten erläutert.
Um die erfindungsgemäße Schaltung zu erläutern, sei zunächst die Schaltung gemäß
Fig.1 betrachtet. Diese Schaltung 'enthält - neben dem Festwiderstand R,
dem Lastwiderstand RI,9 dem Transistor Tl und den Batterien Bl und B2
- eine Komplementärendstufe mit den Transistoren T2 und T3, die, wie
auch in der erwähnten Schaltung Fig.3-0.27 (A) (a.a.O.), als Emitterfolger
(auch Kollektorbasisschaltung genannt) arbeitet. Diese Stufe wird von dem Transistor
Tl angesteuert, der in normaler Emitterschaltung angeordnet ist. Ein Nachteil der
Verstärkerschaltung nach Fig.1 besteht darin, wie bereits mehrfach erwähnt, daß
Endstufen-KomplementAtransistoren in Silizium-Ausführung sehr kostspielig sind.
Entfernt man den hiernach in der Schaltung gemäß Fig.1 in erster Linie unerwünschten
pnp-Transistor T3 bei sonst unveränderter Schaltung, dann entspricht die
Anordnung einer normalen Eintaktschaltung mit npn-End transistor als Emitterfolger.
Auch derartige Schaltungen sind allgemein bekannt. Etwa eine solche Verstärkeranordnung
ist in der Druckschrift I'Siemens--Halbleiter-Bauelemente, Schaltbeispiele, Ausgabe
1.4.58" Schaltung 30 beschrieben (Schaltung der rechten beiden Transistoren).
Als Gleichstromverstärker kann diese Schaltung nur eine Ausgangsspannung einer Polarität
abgeben, auch wenn zwei verschieden gepolte Batterien mit gemeinsamem Mittelpol
vorhanden sind (vgl. Fig.1 ohne Transistor T3).
Läßt man in der Schaltung
gemäß Fig.1 sowohl den Transistor T3
als auch den Transistor T2 weg, so können
zwar Äusgangssignale beider Polaritäten erzeugt werden, es mÜssen jedoch unverhältnismäßig
hohe elektrische Verlustleistungen in Kauf genommen
werden. Es werden
beispielsweise der Spannungsquelle B2 maximal das gfache und der Spannungsque Ue
B 1 maximal das 10fache des Nennstromes entnommen. Demgegenüber verlangt
die erfindungsgemäße Endstufe (gemäß Fig.2) von der Stromversorgung . mmer
nur wenig mehr, z.B. maximal ca. 10% mehr als dem je-
weiligen Ausgangestrom
entspricht. Das liegt daran, daß dort der Widerstand R etwa um den Faktor
100 hochohmiger-sein kann als in der Schaltung gemäß Pig.1 für den Fall,
daß dort die beiden Transistoren T2 und T3 weggelassen sind. Die erfindungsgemäße
Ausführung der Endstufe ist in Fig.2, in der gleiche Teile wie in Fig.1 bezeichnet
sindg dargestellt. Der wesentliche Grundgedanke istl durch Einfügung der Diode D
zu erreichen, daß der Transistor T2 das Ausgangssignal der einen Polarität liefert-9
wobei die Diode D gesperrt ist, während umgekehrt das Ausgangssignal der
anderen Polarität über die dann leitende Diode D von dem Transistor Tl erzeugt
wird, während der Transistor T2 gesperrt ist. Wegen der Antiparallelschaltung der
Basis-Emitterstrecke des Transistors T2 mit der Diode D ist nämlich
je nach Stromflußrichtung immer nur der Transistor T2 oder die Diode
D leitend. An dem jeweils nicht leitenden der beiden Bauelemente liegt in
Sperrichtung die Durchlaßspannung (ca. 0,5 V) des anderen Bauelementes. Für
den Transistor T2 bedeutet dies eine Verbesserung der Sperreigenschaften. Im einzelnen
hat die erfindungsgemäße Transistor-Diodenkombination folgende Wirkungsweise: Solange
der'Transistor T2 leitend und die Diode Dl gesperrt istg teilt sich der Strom
IR (vergl.Fig.2) des Widerstandes R in den Basisstrom IB des Transistors T2 und
den Kollektorstrom I C des Transistors Tl auf. Nach dem Kirchhoffschen Gesetz ist
IR = IB+I 0 .# Die Schaltung wird durch Veränderung der Eingangsspannung
Ul an der Basis-Emitterstrecke bzw. des Eingangsstromes 1 1 an der Basis
des Transistors Tl gesteuert.
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Die Grenze der Aussteuerung bei Veränderung des steuernden
Stromes
Il in der einen Richtung wird erreicht, wenn der Strom il gleich Null ist. Dann
ist I(, nur-gleich dem Sperrstrom des Transistors Tl. also sehr niedrig. Aus I C
-,10 folgt I B leI Rg deh. praktisch der volle durch den Widerstand R fließende
Strom wird in die Basis des Transistors T2 geleitet. Dieser Transistor T2 erzeugt
dann am Lastwiderstand R L die in dieser Richtung maximal mögliche Ausgangsspannung
U.,0 Die Ausgangsklemme A hat in diesem Fall'positives Potential U., gegen
den gemeinsamen Mittelpol M (Nullpol) der beiden Batterien Bl und B2. Wird beispielsweise
R = 297 k A gewählt, so ist die maximale Ausgangsspannung U A
z.B.
etwa 5 V niedriger als die Spannung der Batterie B2. Von dieser Aussteuergrenze
ausgehend wird die Ausgangsspannung U A kleiner, wenn die Basis des Transistors
Tl mit einem Strom Il> 0 angesteuert wird. Entsprechend der Stromverstärkung
des Transistors Tl steigt dann auch I CI Mit größer werdendem I C wird der Strom
I B kleiner,.deshalb sinkt die Ausgangsspannung U A* Diese Veränderung der Aussteuerung
kann in der beschriebenen Weise solange weitergeführt werden, bis die Ausgangsspannung
U, und der Emitterstrom des Transistors T2, abgesehen'vom Sperrstrom, gleich Null
geworden sind. Der Emitter des Transistors T2 hat dann das Potential Null, und sein
Basisstrom I B istebenfalls gleich Null (die Sperrströme sollen wieder nicht betrachtet
werden). läßt man Il und I C weiter ansteigen, so wird die Spannung am Widerstand
R noch größer,und das Potential der Basis des Transis4tors T2 nimmt negative Werte
gegen den gemeinsamen Pol X der beiden Batterien an. Der Transisotor T 2
bleibt dadurch gesperrt, d.h. der Emitterstrom behält, abgesehen vom Sperrstrom,
den Wert Null.-Sobald die negative Spannung an der Basis des Transistors T2 jedo-ch
die Schwellepannung der Diode D
überschreitet, wird diese leitend, und der
Strom 1 0 setzt sich dann aus dem Strom I und dem Diodenstrom I zusammen.
Das Po-R D
tential an der Klemme A des lastwiderstandes R
1 nimmt dabei negative Werte an. Da der Widerstand R im Verhältnis
zum Lastwiderstand R L sehr hoch gewählt werden kann (in einem Ausführungsbeispiel
27 mal so hoch), arbeitet der Endstufentransistor Tl für negative Ausgangespannung
U A mit gutem Wirkungsgrad auf den lastwiderstand Hierdurch ergibt sich eine
gute Wirkungaweise der Schaltung auch für negative Ausgangsspannungen.
Die
Tatsache,. daß,bei negativer Aussteuerung der Ausgangsstrom der erfindungsgemäßen
Endstufe nur aus der Stromquelle Bl (Fig.2) gespeist wird, hat zur Folge, daß bei
gleichem Eingangssignal an der Basis des Transistors Tl negative Ausgangssignale
eine verhältnismäßig kleinere Amplitude haben als positive Ausgangssignale. Diese
Inkonstanz der Verstärkung kann in üblicher Weise durch Gegenkopplung ausgeglichen
werden. Bei sehr starker Gegenkopplung-(z..B. beim Wandler, vgl. Fig.3) spielt diese
Nichtlinearität keine Rolle. Es kommt dann nur auf den für die Durchs-teuerung von
maximaler negativer Ausgangsspannung bis maximalerpositiver Ausgangsspannung erforderlichen
Signalhub am Eingang an. Dieser Wert liegt für die beschriebene Endstufe im Verhältnis
zum Aufwand sehr günstig. In Fig.3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Gleichstrom-Transistorverstärkers
mit der erfindungsgemäßen Endstufe dargestellt. In Fig.3 sind gleiche Teile vor
allem in der Endstufe (rechte Seite der Fig.3), die mit dem zusätzlichen Meßgerät
6 versehen sein kann, ebenso wie in Fig.2 bezeichnet. Der Gleichspannungsverstärker
gemäß Fig.3 ist auf einen Gleichstrom- bzw. Gleichspannungswandler geschaltet. Die
zu messende Gleichspannung Uo bzw. der zu messende Gleichstrom Io ist auf die Anschlüsse
1 ' und 2 der Steuerwicklung 3, die einen Kern 4 mit (konstanter)
Vormagnetisierung (nicht gezeichnet) besitzen kann, gegeben. Im Kern 4 kann außerdem
das Magnetfeld der Gegenkopplungsspule 5
wirksam werden, die in den Ausgang
der Endstufe (rechts in-Fig.3) eingeschaltet ist. In Luftspalte des Kerns sind die
beiden magnetfeldabhängigen Widerstände RF1.und RF2 eingesetzt. Die drei Anschlüsse
7,8 und 9 des Spannungsteilers mit den Widerständen RF1 und RF2 sind
auf entsprechende Anschlüsse des Vorverstärkers geschaltet. Letzterer enthält außer
den mit den üblichen Symbolen (in kll) angegebenen Widerständen drei Transistoren
T'4" T5-und T6. Die npn-Transistoren T4 und T5 sind in ihren Eigenschaften
weitgehend gleich, beispielsweise sind Siemens-Transistoren vom Norm-Typ SST
117 geeignet. Als pnp-Transistor T6
kann der Siemens-Transistor des
Typs SST 250 A verwendet werden. Der Vorstufe angepaßte Widerstandswerte
für R und R L der Endstufe sind.ebenfalls inS1 bzw. k£L in der ZeichnuRg angegeben.
Die
npn-Transistoren Tl und T2 können vom Siemens-Normtyp SST 127 oder SST
312 und die Diode vom Typ SSD 80 sein. Die Pole P und N sind
z.B. 20 bis 30 V positiv bzw. negativ gegen M gespannt. Die Gegenkopplungsspule
5 ist z.B. so ausgelegt, daß bei 140 mA an ihr +5 V oder
-5 V abfallen.