DE1803177A1 - Schaltungsanordnung zur Siebung des Versorgungsgleichstroms eines Verbrauchers - Google Patents

Description

SIEMENS AKTIENGESELISCHAPT München 2, 1 5.OK11968

Berlin und München Wittolsbacherplatz 2

68/3021

Schaltungsanordnung zur Siebung des Versorgungsgloichstromes

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Siebung des Versorgungsgloichstroraes eines Verbrauchers, vorzugsweise eines Verstärkers, unter Verwendung eines mit seiner Kolloktor-Emitterstrecke in den Weg do3 Versorgungsgleichstroines längs eingeschalteten Transistors.

Zur Dämpfung von StUrspannungen, die über die Stromversorgung in Verstärker gelangen können, werden häufig Siebwiderstände oder - bei höherem Stromverbrauch - Drosselspulen verv.endet. Bei niedriger Frequenz der Störströme benötigt man Drosselspulen mit entsprechend hoher Induktivität. Derartige Spulen sind jedoch groß und teuer. Außerdem iot es unvorteilhaft, sie mit integrierten Schaltkreisen zu kombinieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur Siebung des Versorgungsgleichstroraes anzugeben, die unter Vermeidung von Spulen in einfacher Weise mit Halbleiterelementon realisierbar i3t.

Diese Aufgabe wird unter Verwendung eines mit seiner Kollektor-Emitterstrecke in den Weg des Versorgungsgleichotromes längs eingeschalteten Transistors erfindungsgeraäß dadurch gelöst, daß ein weiterer Tranaistor vom gleichen leitfähigkeitstyp wie der längsgeschaltete Transistor kollektorseitig mit der Basis und basisseitig mit dem Emitter des längsgeschaltoten Transistors verbunden ist, daß die Emitter-Basicstrecko des weiteren Transistors parallel zu einem in

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den Weg dea Versorgungsgleichstromes längs eingeschalteten Widerstand angeschlossen ist und daß der Kolloktor dea v/eiteren Transistors über einen weiteren Widerstand glcichstromversorgii ist.

Dadurch ergibt sich eine einfache, integrierbare Siebschaltung, die unter Vermeidung von Transistoren verschiedenen Leitfähigkeit3typo eine Einprägung des Versorgungsgleichstromes erzeugt, wobei die Siobwirkung von den Widerstandstoleranzen \-/eitgehend unabhängig ist»

Dabei kann die Gleichstromversorgung des weiteren Transistors dadurch erzielt werden, daß der v/eitere Widerstand mit der Versargungsgleichstromleitung zwischen dem Kollektor des längsgeschalteten Transistors und dem Verbraucher verbunden ist. Dadurch entsteht eine einfache und universell einsetzbare Zweipolschaltung.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Siebeinrichtung ist der weitere Widerstand mit der dem längsgeschalteten Transistor abgewandten Versorgungsgleichstror.ileitung dea Verbrauchers verbunden. Diese Anordnung stellt eine Vierpol-SicbGchaltung mit einem besonders hohen differentiellen Widerstand dar, aus dem eine hohe Siebwirkung resultiert, und weist die weiteren Vorteile auf, daß bei geringem GIeichspannungcabfall am Längszweig der Vierpolschaltung für den Querzweig die gesamte für den Verbraucher notwendige Versorgungs-Gleichspannung ausgenutzt werden, kanne Auch für größere Versorgungsströme bleibt der Verlust an Gleichstromleistung in der Siebeinrichtung gering.

Mit Vorteil kann auch der besondere hohe differentielle Widerstand von Foldeffekt-Strombegrenzerdioden ausgenutzt v/erden, indem eine solche Diode die Stelle des v/eiteren Widerstandes einnimmt.

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Zur Temperaturkompensation der Emitter-Basis-Schleusenspannung doa v/oiteren Transistors kann für den längsgeschalteten Widerstand eine Widerstandokombination mit einen negativen Tenperaturkoeffizienten vorgesehen sein.

Zur Siebung des Versorgungsgleichstronos eines ferngespeisten Leitungsverstärkers kann weiter mit Vorteil die Eingangsspannung der Siebeinrichtung an einer von einem Teil des Fernspeisestromes durchflossenen Zenerdiode abgegriffen werden. Störströme, insbesondere solche, die durch den Fahrstrom von Bahnstrecken in den Fernspoisekreis eingekoppelt werden, können über einen parallel zur Zenerdiodo geschalteten Schutzkondensator geleitet werden. Dadurch wird die Störspannung an den Eingangsklemmen der Ciebeinrichtung so reduziert, daß der längsgeschaltete Transistor auch bei . größeren Störströmen nicht übersteuert v/ird.

Ferner kann zur Einstellung des für den Verbraucher notwendige Versorgungsgleichstromes der längsgeschaltete Widerstand abgleichbar gemacht sein. Mit großem Vorteil können die Bauelemente der Siebeinrichtung gemeinsam mit denen des Verbrauchers, vorzugsweise Verstärkers, in integrierter Technik aufgebaut werden, wobei der eventuell veränderliche Teil des langsgeschaltoten Widerstandos getrennt einlötbar 3cin soll.

Weitere Einzelheiten der Erfindung v/erden nachstehend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles naher erläutert. Die Zeichnung zeigt dabei in

Fig. 1 die Schaltungsanordnung zur Siebung des Fernspeisestroraes eines Trägerfrequenz-leitungsverstärkers und in

Fig. 2 die Schaltungsanordnung einer Widerstandskombination

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für den längsgeschalteton Widerstand zur Temperaturkompensation der Emitter-Basis-Schleusenspannung des v/eiteren Transistors.

Fig. 1 zeigt "ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel= Die an den Klemmen a (+) und b (-) anstehende Batteriespannung Ut, wird durch die Siebschaltung S gesiebt, wobei an ihr die Gleichspannung U_D abfällt, so daß am Stromversorgungsoingang des Verstärkers V die Versorgungsgleichspannung U = U-n-U-n entsteht. Dabei speist die Siebschaltung den Stromversorgungseingang des Verstärkern V mit dem Versorgungsgleichstrom I_y. ^ Die der Batteriespannung U-n überlagerte Störwechsolspannung ist mit Ug. und er daraus resultierende dem Versorgungsgleichstrom I_v überlagerte Wechselstrom ist i bezeichnet.

Der Pluspol des Stromversorgungseinganges des Verstärkers V₉ der Siebschaltung S und der Batteriespannung U_B (Klemme a) ist jeweils geerdet. Die Siebschaltung besteht dabei aus den beiden Transistoren T1 und T2 und den beiden Widerständen Ri und 112. So ist der Minuspol des Stronversorgungseinganges des Verstärkers V an den Kollektor des längsgeschalteten Transistors T2 angeschlossen, dessen Emitter über den längsgeschaltcten Widerstand R1 mit der Klemme b verbunden ist. Weiterhin ist an den Emitter des längsgeschalteten Transistors T2 die Easis des weiteren Transistors T1 und an die Basis de3 längsgeschalteten Transistors T2 der Kollektor des weiteren Transistors TI angeschlossen. Die Emitter-Basisstrecke des weiteren Transistors T1 liegt dem längsgeschalteten Widerstand parallel, und schließlich erhält der Kollektor des weiteren Transistors TI seinen Kollektorstrom über den weiteren Widerstand R2 von der Klemme a, dem geerdeten Pluspol der Eatteriespannung TJ-g. In diesem v/eiteren Widerstand R2 fließt der Quergleichstrcm I der Siebschaltung S, dem der Wechselstrom i überlagert ist.

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Der Gleichstrom I im Verstärker V wird "bestimmt durch die Basis-Emitter-Schleusenspannung des v/eiteren Transistors TI und den lUngsgeschalteten Widerstand Rl. Kommt in dem Widerstand R1 ein Wechselstrom zum Fließen, so ergibt sich eine Wechselspannung zwischen Basis und Emitter des Transistors TI. Diese Wechselspannung erscheint erheblich verstärkt und mit umgekehrter Phasenlage an der Basis des Transistors T2 und steuert diesen Transistor so, daß der Wechselstrom in dem Widerstand R1 klein bleibt. Entsprechend ergibt sich ein sehr kleiner Wechselstrom i_y am Kollektor des Transistors T2.

Zur Berechnung der Anordnung kann man für niedrige Frequenzen der auftretenden Störspannungen annehmen, daß die Transistoren ' T1 und T2 nur durch ihren Eingangswiderstand W™ Tdz\t. W^ in Emitterschaltung und durch ihren Stromverstärkungsfaktor ■ ß.j bz\7. ßp gekennzeichnet sind. Weiterhin v/ird angenommen, daß

ß₁ p 1, ß₂^ 1 und R₂ ²¹Wj₁₂. ;

Tür den Wechselstrom im Verstärker erhält man

ß₂ (W_E1 R₁)

^ust ·. Ti^n^^TfT^^ir^yi^L^ +"^¥^ '

Für den Querstrom im Widerstand R2'ergibt sich

Oder weiter vereinfacht

¹V «* ^uSt R₁ R₂ B₁

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— ο —

■111 " I /1 1

C.

Um Leistungsverluste zu vermeiden, v/ird man bestrebt «ein, den Gleichstrom I klein zu halten gegen den Gleichstrom I.

Pur den Wechselstromwiderstand W_E1 gilt näherungsweise U_m

Tri ·

(5)

Hierin ist U_m die Temperaturspannung der Emitter-Basisstrecke und beträgt bei Raumtemperatur Um«26»10 V.

Der Widerstand R1 v/ird durch den geforderten Versorgungsgleichstrom bestimmt.

U₃
^R1 * i; (6)

Hierin ist Ug die Emitter-Basis-Schleusenspannung des weiteren Transistors Ts1. Es wird V/g, $> R1 und damit aus (3)

^ust

oder mit (5)

Die Siebwirkung ist um so besser, je größer das Verhältnis

Der längsgeschaltete Widerstand R1 ist durch den erforderli chen Versorgungsstrom I_y festgelegt. Eine große Siebwirkung

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wird also durch einen möglichst großen Gleichspannungsabfall I · R2 erreicht.

Wird für die Siebeinrichtung die nicht dargestellte Zweipolschaltung gewählt, bei der der v/eitere Widerstand R2 nicht mit Masse sondern mit dem Kollektor des längsgeschalteten Transistors T2 verbunden ist, so entsteht ein großer differentieller Widerstand r_ nur dann, wenn ein großer Gleich-Stromverlust in Kauf genommen v/ird. Die Spannung I · R2 liegt nämlich für die Zweipolschaltung zwischen Basis und Kollektor des längsgeschalteten Transistors T2, so daß dort mit dem Versorgungsstrom I eine große leistung umgesetzt v/ird.

Bei Wahl einer Vierpol-Anordnung gemäß Fig. 1 v/ird jedoch der Spannungsabfall an dem weiteren Widerstand R2 nahezu so groß wie die gesamte -für den Verstärker V notwendige Versorgungsspannung ü_y. Dabei tritt im Längsweg des Vierpols die Verlustleistung U₇, · I auf, im Querweg die Verlustleistung

η XJ V

I · R2. Wird einerseits der Gleichspannungsabfall U^ an der Siebschaltung S klein gehalten und zudem der Querstrom I bei einem großen Wert des Querwiderstandes R2, so ergibt sich ein kleiner Leistungsverlust bei guter Siebwirkung.

Als weiterer Widerstand R2 kann z.B. auch eine Feldeffekt-Strombegrenzerdiode eingesetzt werden. In der Formel (8) wäre dann für R2 der differentielle Widerstand dieser Diode einzusetzen, der sehr groß ist. Der Gleichspannungsabfall an der Diode ist hingegen gering (kleiner als 2 Volt). Man erhält auf diese Weise eine gute Siebwirkung auch bei niedriger Spannung an R2.

Zv/eckmäßigerv/eise wird der Wert des weiteren Widerstandes R2 so groß gewählt, daß er sich noch einigermaßen leich integrieren läßt, bzw. so, daß der Gleichstrom in diesem Widerstand R2 genügend groß ist gegenüber dem Basis-Gleichstrom

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des längsgeschalteten Transistors T2. Der längsgeschaltete Widerstand R1 ist abgleichbar, und sein Wert ist so gewählt, daß sich der für den Verstärker benötigte Gleichstrom einstollt.

Die für die Siebschaltung benötigte Gleichspannung U* hängt ab von der zu erwartenden. Störspannungsamplitude.

Ist Ug, der Effektivwert der zu erwartenden Störwechselspannung und Ug die Emitter-Basis-Schleusenspannung eines Transistors, so ist die für die Siebschaltung aufzuwendende Gleichspannung

^UD = ² * ^U

Die Spannung Up - 2 U steht dabei zwischen Basis und Kollektor des Transistors T2. Die Batteriespannung ist dann

u_B = u_D + u_v do)

Bei der Anordnung nach Fig. 1 ist weiterhin angenommen, daß es sich bei dem Verstärker V um einen ferngespeisten Trägerfrequenz-Leitungsverstärker handelt, der an seinem Stromversorgungseingang einen sehr kleinen differentiellen Widerstand R^f-f aufweist und daß an den Klemmen a-b ein konstanter Fernspeisegleichstrom eingeprägt ist. Um auf eine konstante Spannung U^ zu kommen, ist über die Klemmen a-b eine Zenerdiode Z geschaltet, deren Zenerspannung mindestens so groß ist wie die nach Gleichung (10) bestimmte Spannung U^. Temperaturbedingte Änderungen des Versorgungsstromos I_v haben in diesem Fall keinen Einfluß auf die Siebwirkung, da die Gleichspannungen Ug und U_v und somit U^ konstant bleiben.

Der eingeprägte Fernspeisegleichstrora muß mindestens so groß

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sein v;ie der größtmögliche durch die Siebschaltung aufgenommene Gleichstrom. Bei geringerer Stromaufnahme durch die Siebschaltung fließt dann der Differenzstrom über die Zenerdiode Z ab. Die Siebwirkung der Schaltung ist damit für alle vorkommenden Fälle gesichert. Da die Stromaufnahme der Siebschaltung sich nicht stark ändert, kann der durchschnittlich in der Zenerdiode abfließende Gleichstrom klein sein.

Durch Einschalten einer Widerstandskombination mit einem Heißleiter nach Pig. 2 an Stelle des längsgeschalteten Widerstandes R1 kann die Temperaturabhängigkeit der Spannung U_D und zugleich die Stromaufnahme der Siebschaltung in einem weiten Temperaturbereich nahezu konstant eingestellt werden.

Tür die Dimensionierung der Schaltung ist auch die zu erwartende Störspannung nach Amplitude und Frequenz mitbestimmend«,

Der in den Fernspeisekreis einer Trägerfrequenzleitung z.B. durch den Fahrstrom einer Bahnstrecke induzierte Störstrom ist näherungsweise eingeprägt. Um an den Klemmen a-b eine nicht zu große Wechselspannungsamplitude zu erhalten, ist der Zenerdiode Z ein Schutzkondensator C parallelgeschaltet ο

Die notwendige Kapazität dieses Kondensators O ist abhängig von dem zu erwartenden in die Fernspeiseleitung eingeprägten Wechselstrom und der an der Siebschaltung aufgewendeten Spannung Ujj. Je größer diese Spannung U^ ist, desto kleiner kann die Kapazität des Schutzkondensators 0 sein und umgekehrt.

Trägerfrequenzleitungsverstärker, die aus integrierten Bausteinen aufgebaut sind, können zur Vermeidung von Stroraver~ sorgungsweichen über die Außenleiter der Koaxialtuben ferngespeist werden. Dabei treten jedoch wesentlich höhere.Störströme auf alB wenn die Tubenaußenloiter auf Schwebepotentialen sind und der Fernspeisegleichstrom über die Innenleiter j

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geführt v/ird. Diesen Schwierigkeiten kann jedoch durch die erfindungsgemäße Siebeinrichtung mit einem ausreichend großen Kondensator C begegnet werden.

Zum Schutz gegen Blitzschlag ist es zweckmäßig, v/eitere Mittel einzusetzen, wie z.B. Überspannungsableiter, kleine Widerstände und eventuell eine Leistungszenerdiodo an Stelle der Zenderdiode Z.

10 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims (10)

- 11 Patentansprüche

1. Schaltungsanordnung zur Siebung des Versorgungsgleichstromes eines Verbrauchers, vorzugsweise eines Verstärkers, unter Verwendung eines mit seiner Kollektor-limitterstrecke in den Weg des Versorgungsgleichstromes längo eingeschalteten Transistors, dadurch gekennzeichnet , daß ein weiterer Transistor (T1) vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie der längsgeochaltete Transistor (T2) kollektorseitig mit der Basis und baoissoitig mit dem Emitter des längsgeschalteten Transistors (T2) verbunden ist, daß die Emitter-Basisstreckc des weiteren Transistors (T1) parallel zu einem in den Weg Cl'qg Versorgungsgleichstromes längs eingeschalteten Widerstand (R1) angeschlossen ist und daß der Kollektor des weiteren Transistors (T1) über einen weiteren Widerstand (R2) gleichstromversorgt ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der weitere Widerstand (R2) mit der Versorgungsgleichstromleitung zwischen dem Kollektor des längsgeschalteten Transistors (T2) und dem Verbraucher (V) verbunden ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der weitere Widerstand (R2) mit der dem längsgeschaltoten Transistor (TP.) abgewandten Versorgungsgleichstromleitung des Verbrauchers (V) verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Widerstand (R2) als eine Feldeffekt-Strombegrenzerdiode ausgeführt ist.

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5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für den längsgeschalteten Widerstand (R1) eine Widerstandskombination mit einem negativen Temperaturkoeffizient en vorgesehen ist.

■ 6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Siebung des Versorgungsgleichstromes eines ferngespeisten Leitungsverstärkers, dadurch gekennzeichnet , daß die Eingangsspannung . der Siebeinrichtung an einer von einem Teil dec Fernspeisestromes durchflossene Zenerdiode (Z) abgegriffen ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Zenerdiode (Z) ein Schutzkondensator (G) parallelgeschaltet ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der längsgeschaltete Widerstand (R1) abgleichbar ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7> gi.Q. Ic c η η 3 ο i c h η e t- durch den gemeinsamen

) Aufbau in integrierter Technik einschließlich der Bauelemente des Verbrauchers, vorzugsweise Verstärkers.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8 und 9> dadurch gekennzeichnet , daß ein veränderbarer Teil des längsgeschalteten Widerstandes getrennt einlötbar ist.

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