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Transistor-Zerhleker-Modulator Die Erfindung bezieht sich auf einen
Transistor-Zerhacker-Modulator zur Umwandlung einer Eingangsgleichspannung in eine
Ausgangswechselspannung. Derartige Schaltungen, die auch unter dem Namen Chopper
bekannt sind, dienen der Gleichspannungsverstärkung, wobei die erzielte Wechselspannung
verstärkt und anschließend wieder gleichgerichtet wird. In der Anfangszeit verwendete
man für solche Modulatoren Relais, die periodisch einen galvanischen Kontakt zwischen
dem Verbraucher und der Gleichspannungsquelle herstellen. Inzwischen ist man wegen
des begrenzten Frequenzbereiches und der Kontaktabnutzung der Relais auf kontaktlose
Schaltelemente wie Flächentransistoren oder Feldeffekttransistoren übergegangen.
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Diese werden als Schalter betrieben, d.h. mit nur zwei Arbeitspunkten,
einem extrem hochohmigen und einem extrem niederohmigen. Sie liegen in Serie oder
parallel zum Verbraucher und unterbrechen periodisch die Quelle oder schließen sie
periodisch kurz. Derartige Schaltungen werden für Signale beider Polaritäten symmetrisch
aufgebaut; sie besitzen zwei oder auch
vier Transistoren und häufig
einen Transformator mit Mittelabgriff.
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Die Steuerspannung für die im Schalterbetrieb arbeitenden Transistoren
hat nach herkömmlicher Weise Rechteckform, wobei abwechselnd je ein Transistor leitend
und der andere gesperrt ist. Es hat sich nun gezeigt, daß bei einer solchen rechteckförmigen
Umschaltung der Transistoren am Ausgang des Zerhackers Schaltspitzen auftreten,
die dadurch entstehen, daß die im Basisraum gespeicherten Ladungen der zu schaltenden
Transistoren nicht schnell genug abfließen können. Man ist daher bestrebt, solche
Einschwingspitzen durch zusätzlich eingefügte Ausgleichsschaltungen mit Kondensatoren
oder Widerständen zu unterdrücken.
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So ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift 1.488.oo4 ein Verfahren
zur Unterdrückung von Einschwingspitzen in einem Halbleiterzerhacker bekannt, bei
dem die Einschwingspitzen dadurch unterdrückt werden, daß an die Ausgangsklemmen
des Zerhackerverstärkers ein zusätzliches Signal angelegt wird, das in inverser
Phasenbeziehung zum Zerhackersignal steht. Hierbei wird das Unterdrückungssignal
in geeigneter Weise vom rechteckförmigen Zerhackungssignal abgeleitet und über die
Parallelschaltung eines Kondensators mit einem Widerstand dem Ausgang des Verstärkers
zugeführt.
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Mit handelstiblichen Feldeffekttransistoren lassen sich gegenüber
Flächentransistoren wesentlich geringere Spannungs- und Stromdrifte erreichen. Feldeffekttransistoren
werden daher auch wegen ihrer besonders guten Schalteigenschaften bevorzugt für
Zerhacker-Modulatoren verwendet.
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So ist aus der Offenlegungsschrift 1-.487.357 ein Modulator unter
Verwendung von Feldeffekttransistoren bekannt geworden, bei dem ein mit Rechteckspannung
gesteuerter Feldeffekttransistor mit seiner Kanalstrecke parallel zu einem Transfcrmator
mit Mittelabgriff geschaltet ist. Auch bei diesem bekannten Transistor-Modulator
werden zusätzliche Schæltungsmittel benötigt, um die unerwünschten Schaltspitzen
zu unterdrücken.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zerhacker-Modulator
mit Feldeffekttransistoren zu schaffen, bei dem durch geeignete Wahl der Ansteuermittel
für die Transistoren die als Störsignale wirkenden Schaltspitzen erst gar nicht
auftreten, so daß auf die bisher benötigten Anpassungsmittel zur Beseitigung der
unerwünschten Störspitzen verzichtet werden kann.
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Bei dem Eingangs genannten Transistor-Zerhacker-Modulator wird die
.rufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Kombination
folgender
Merkmale: a) Zwei im Gegentakt arbeitende Feldeffekttransistoren sind mit jeweils
einem der beiden äußeren Anschlüsse der Primärwicklung eines mittelangezapften Ausgangstransformators
verbunden.
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b) Die Steuerung der Transistoren erfolgt durch die beiden um 180°
phasenverschobenen Komponenten einer Spannung mit einer solchen Flankensteilheit
beim Nulldurchgang, daß sich eine ausreichende Kurzschlußzeit rür den Ausgleich
der Schaltspitzen beim Nulldurchgang ergibt.
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Bei einem derartigen Aufbau des Zerhacker-Modulators und der vorgeschlagenen
gegephasigen Ansteuerung der Feldeffekttransistoren durch eine Spannung mit endlicher
Flanlcensteilheit heben sich die durch kapazitive Einflüsse entstehenden Störsignale
in der Primärwicklung des Ausgangstransformators gegenseitig auf. Weist nämlich
die Steuerspannung beim Nulldurchgang eine; im Vergleich zu einer Rechteckspaimung,
geringere Flankensteilheit auf, so entstehen Uberlappungszeiten, bei denen sich
beide Transistoren zeitweilig gleichzeitig im leitenden Zustand befinden. Dieser
Sachverhalt wird bei der erfindungsgemßen Schaltungsanordnung ausgenutzt, um eventuell
vorhandene durch parasitäre Kapazitäten verursachte Störspannungsspitzen und die
EMK der Selbstinduktion des Ausgangstransformators während dieser Kurzschlußzeit
abzubauen. Bei
entsprechender Dimensionierung der Amplitude der
Gate-Spannung in Verbindung mit der vom Hersteller vorgegebenen Abschnür-(inch off"-)
spannung der Feldeffekttransistoren lassen sich die Kurzschlußzeiten so wählen,
daß eine optimale Unterdrükkung der kapazitiven Störspannungen erreicht wird.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Feldeffekttransistoren
mit sinusförmiger Netzwechselspannung angesteuert.
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Das hat weiter den Vorteil, daß die an der Primärwicklung des Steuertransformators
anliegende Steuerwechselspannung direkt aus dem Netzteil, das für die Betriebsspannungsversorgung
des gesamten Modulatorverstärkers benötigt wird, entnommen werden kann. Es wird
bei der vorgeschlagenen Schaltung also kein zusätzlicher Generator zur Erzeugung
der Steuerspannungen für die Transistoren verwendet, wie das bei den bekannten Modulatoren
mit Rechteckansteuerung der Fall ist.
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An der Sekundärwicklung des Ausgangstransformators entsteht die zerhackte
Gleichspannung, also eine Wechselspannung, die sich in ihrer Amplitude entsprechend
der Größe der zu messenden Eingangsgleichspannung äridert. Diese Wechselspannung
wird in bekannter Weise mit einem Wechselspannungsverstärker auf das gewünschte
Maß verstärkt. Sie kann dan direkt zur Anstazung eines Meß- oder Schreibgerates
verwendet werden oder, wie das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt,
zur Steuerung eines Zweiphasen-Servo-Motors dienen. Ferner besteht die Möglichkeit,
die
so erhaltene Wechselspannung mit einem gesteuerten Gleichrichter (Demodulator) phasenrichtig
gleichzurichten> so daß eine der zu messenden Spannung entsprechende verstärkte
Gleichspannung entsteht. Hierbei kann die gleiche erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
auch als Demodulator verwendet werden.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren 1 bis 3
dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Die Figur 1 zeigt die Modulatorstufe eines Transistor-Zerhacker-Verstärkers
mit zwei n-Kanal Feldeffekttransistoren 6 und 7, einem Ausgangstransformator 12
und einem Steuertransformator 20, der die Steuerspannung für die gegenphasig im
Schalterbetrieb arbeitenden Transistoren liefert. An den Eingangsklemmen 1 und 2
der Modulatorstufe liegt die zu messende Gleichspannung UE. Die zerhackte Gleichspannung
UA wird an den Klemmen lo und 11 der Sekundärwicklung 9 des Ausgangstransformators
12 abgenommen.
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Die Source-Elektroden der beiden Feldeffekttransistoren 6 und 7 liegen
an der einen Eingangsklemme 2, während ihre Draine-Elelctrode Je an einem der beiden
äußeren Anschlüsse 3 und 4 der mittelangezapften Primärwicklung 8 des Ausgangstransformators
12 angeschlossen ist. Die andere Eingangsklemme 1 ist mit-der Mittelanzapfung 5
des Ausgangstransformators verbunden.
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Die n-Kanal Feldeffekttransistoren 6 und 7 werden über ihre Gate-Elektroden
mit einer um 1800 phasenverschobenen sinusförmigen Wechselspannung angesteuert.
Die Feldeffekttransistoren arbeiten als Schalter, weil mit ihren Gate-Elektroden
je eine Diode 15, 16 in Reihe geschaltet ist, die einen Stromfluß durch die Diodenstrecke
der Feldeffekttransistoren verhindern.
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Wird eine negative Spannung über die Diode an die Gate-Elektrode des
zugehörigen Feldeffekttransistors gelegt, so sperrt dieser.
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Wird hingegen versucht, der Gate-Elektrode eine positive Spannung
zuzuführen, so verhindert dies die entsprechende Diode, weil diese dann in Sperrichtungirksam
ist. Sobald die mit der Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors in Reihe geschaltet
Diode ihren Sperrzustand annimmt, überführt der zwischen die Gate-und Source-Elektrode
eingeschaltete Widerstand 15 bzw. 14 den Feldeffekttransistor schnell in den Leitzustand,
in dem er die Gate-Source-Spannung auf Null absenkt. Die abwechselnd in den Leitzustand
gesteuerten Feldeffekttransistoren 6 bzw. 7 schaiten das Eingangssignal UE im Takte
der steuernden Wechselspannung jeweils auf eine der beiden symmetrischen Teilwicklungen
des Ausgangstransformators 12, so daß an der Sekundärwicklung 9 ein Wechselspannungssignal
entsteht.
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Dem Steuertransformator 20 wird auf der Primärseite 22 die sinusförmige
Wechselspannung U ~ zugeführt. Seine Sekundärwicklung 21 besitzt zwei symmetrisch
aufgebaute, miteinander verbundene Teilwicklungen, die die um 1800 phasenverschobenen
Steuerwechselspannungen
für die Gate-Elektroden liefern, wobei
der Mittelabgriff 19 mit den Source-Elektroden und die beiden äußeren Spulenanschlüsse
17 und 18 über die Diode 15 bzw. 16 mit jeweils einer Gate-Elektrode der Transistoren
6 und 7 verbunden ist.
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Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel kann die an den
Anschlüssen 23 und 24 der Primärwicklung 22 angelegten sinusförmigen Wechselspannung
beispielsweise eine aus dem 50 Hz Wechselstromnetz abgeleitet Spannung sein. In
diesem Fall hat es sich als günstig erwiesen, den Steuertransformator 20 kapazitätsarm
aufzubauen, um die aus dem Netz einstreuenden Störspannungen möglichst klein zu
halten. Zu diesem Zweck werden Primär- und Sekundärwicklung nebeneinander auf dem
Transformatorkern gewickelt, wobei der Kern und eine zwischen den beiden Wicklungen
angebrachte Abschirmung zusätzlich geerdet werden.
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Die Figur 2 zeigt für den in Figur 1 dargestellten Zerhacker-Modulator
ein bevorzugtes Anwendungsheispiel, bei dem der Modulator mit einem nachgeschalteten
Wechselspannungsverstärker 25 zur hnsteuerung eines Zweiphasen-Servo-otors 26 mit
der Steuerwicklung 27 und der Erregerwicklung 28 dient. Beide Motorwicklungen werden
mit Wechselspannung betrieben, und zwar liegt die Erregerwicklung 28 direkt an der
Netzspannung Unetz> während die Steuerwicklung 27 mit der vom Wechselspannungsverstärker
25
angebotenen Wechselspannung Ust versorgt wird. Der Motor kann
beispielsweise in einem Kompensationschreiber eingesetzt sein, wo er den Schleifer
eines Meßpotentiometers verstellt und damit automatisch eine Meßbrücke abgleicht,
deren Brückenspannung dem Eingang des Modulatorverstärkers zugeführt wird.
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Für den Betrieb eines Zweiphasen-Servo-Motors ist es notwendig, daß
die an seiner Steuerwicklung anliegende Spannung um 900 phasenverschoben ist gegenüber
der an seiner Erregerwicklung anliegenden Netzspannung. Diese Bedingung läßt sich
mit dem hier verwendeten Zerhackerverstärker in vorteilhafter Weise dadurch erreichen,
daß die sinusförmige Steuerspannung Um für die Feldeffekttransistoren 6, 7 aus der
Netzspannung Netz, die auch die Erregerwicklung des Motors speist, entnommen wird
und um 900 in der Phase gedreht wird. Zu diesem Zweck ist der Primärwicklung 22
des Steuertransformators 20 ein aus zwei hintereinandergeschalteten RC-Gliedern
29, 51 und 30, 32 bestehendes Phasenschiebernetzwerk vorgeschaltet. Zweckmäßigerweise
ist einer der beiden Widerstände einstellbar, damit die 900 Phasenverschiebung zwischen
der Netzspannung und der Steuerspannung Ust genau einjustiert werden kann.
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In Abhängigkeit von der Polarität der Eingangsgleichspannung UE ändert
sich die Phase der Ausgangsspannung UA des Ausgangstransformators 12 um 1800 und
damit auch die verstärkte Wechselspannung Ust, die ihrerseits die Drehrichtung des
Zweiphasen-Motors 26 ändert.
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Die Figur 3 zeigt den Steuertransformator 20 mit einer anderen Anordnung
der als Phasenschieber wirkenden RC-Glieder. Die hier gewählte Schaltung unterscheidet
sich von der des Ausflihrullgsbeispieles nach Figur 2 dadurch, daß die RC-Glieder
nicht vor die Primärwicklung geschaltet sondern der Sekundärwicklung des Steuertransformators
nachgeschaltet sind. Und zwar sind an der Teilwicklung mit den Anschlüssen 17 und
19 die beiden RC-Glieder 35, 37 und 59> 41 sowie an der Teilwicklung mit den
Anschlüssen 28 und 19 die RC-Glieder D6, 38 und 40, 42 angeschlossen. Dieses Ausführungsbeispiel
benötigt zwar die doppelte Anzahl von Widerständen und Kondensatoren; es bietet
jedoch den Vorteil, daß hiermit auch Phasenverschiebungen, die durch eine oder beide
der Teilwicklungen verursacht werden können, ausgleichbar sind.
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Zu diesem Zweck sind beispielsweise die Widerstände 59 und 40 einstellbar.