DE2156163A1

DE2156163A1 - Spannungsbegrenzungsschaltung

Info

Publication number: DE2156163A1
Application number: DE19712156163
Authority: DE
Inventors: M C J Cowpland
Original assignee: Microsystems International Ltd
Current assignee: Microsystems International Ltd
Priority date: 1970-12-10
Filing date: 1971-11-12
Publication date: 1972-06-29
Also published as: SE373993B; IT941154B; ES396541A1; CA914764A; GB1364929A; BE772019A; FR2117048A5; US3703647A

Description

Dipl.-Ing.

Rudolf Busselmeier

Dipping. 2156163

Rolf Chanter _{89 Augsburg| den} ^. November 1971

Patentanwälte Augsburg 31 ■ Rehlingtnttra£* 8

Postfach 242 Po*tKheckkonto: Münchtn Nr. 745M

5817/03/Ch/sr

MICROSYSTEMS INTERNATIONAL

LIMITED
MONTREAL,QUEBEC,CANADA

"Spannungsbegrenzungeschaltung"

Die Erfindung betrifft eine Spannungsbegrenzungsschaltung und hat zum Ziel, eine derartige Schaltung so auszulegen, daß sie äußerst stabil ist in Bezug auf Änderungen der Umgebungstemperatur.

In den Fällen, wo gewünscht wird, die Spannungeamplitude eines Signals, das entweder aus einer Wechselspannung oder einem Gleichspannungssignal besteht, zu begrenzen, ist es üblich, zwei Dioden zu verwenden, die parallel geschaltet und entgegengesetzt gepolt sind und die zwischen Masse und einem das Signal übertragenden Leiter liegen, Übersteigt die Signalspannung den Schwellwert einer der Dioden, dann wird diese Diode leitend. Weist das Potential eine entgegengesetzte Polarität auf, dann wird die zweite Diode leitend, wenn deren Schwellwert überschritten wird. Auf diese Weise erfolgt eine Spannungsbegrenzung eines Wechselspannungssignals nach oben und unter infolge der Schwellwertspannungen der beiden Dioden·

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Es ist bekannt, daß wenn sich die Dioden erhitzen oder erwärmen, entweder durch eine innere Erwärmung oder durch Ansteigen der Umgebungstemperatur, ihre ÜbertragungsCharakteristika und ihre Schwellwerte sich ändern. Falls über die Begrenzungsdioden ein hoher Strom fließt oder falls die Umgebungstemperatur schwankt, bewirkt eine Erwärmung oder Erhitzung der Dioden eine Änderung der Begrenzungsspannung infolge der zuvor erwähnten Änderungen der ÜbertragungsCharakteristi-™ ka, so daß eine Veränderung der Amplitude des begrenzten Ausgangssignals auftritt.

In den Fällen, wo ein begrenztes Signal in einem rückgekoppelten Oszillator übertragen wird, bewirken Änderungen der Begrenzungsspannungen eine Veränderung der Oszillatorfrequenz des Systems. In den Fällen, wo die Schwingungsfrequenz dazu verwendet wird, ein Register in einer Fernmeldezentrale zu triggern, ist die Stabilität der Oszillatorfrequenz von großer Bedeutung. Es besteht daher für diesen Anwendungsfall die Forderung, daß die Begrenzerschaltung äußerst stabil ist gegenüber Temperaturänderungen»

Mit einer temperaturstabilen Spannungsbegrenzerschaltung wird das gewünschte Ziel erreicht und diese Schaltung ist daher besonders vorteilhaft anwendbar bei den zuvor erwähnten Oszillatorschaltungen, beispielsweise bei Tongeneratoren in, mittels Knopfdruck betätigten, mit mehreren Frequenzen arbeitenden Telefonanlagen.

Bei der Erfindung soll die Begrenzungsamplitude vorteilhafterweise nicht abhängig sein von den Schwellwerten der verwendeten Dioden, bondern hauptsächlich von einer Spannungsdifferenz, die an der Begrenzer-

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schaltung über eine äußere Referenzschaltung anliegt.

Die Vorteile gemäß der Erfindung werden erzielt bei einer Spannungsbegrenzungsschaltung durch Mittel, die eine stabile Spannnungsdifferenz liefern und einen positiven und einen negativen Anschluß aufweisen, durch Mittel zum Festhalten eines ersten Verbindungspunktes an eine; bestimmte Spannung, die niedriger ist als diejenige des positiven Anschlusses, durch Mittel zum Festhalten eines zweiten Anschlußpunktes an eine bestimmte Spannung, welche höher ist als diejenige des negativen Anschlusses, durch zwei Dioden die in Serie und in einer Richtung wirkend geschaltet sind zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlußpunkt, wobei die Kathode der einen Diode mit dem ersten und die Anode der anderen Diode mit dem zweiten Anschlußpunkt ver-, bunden sind und durch Mittel, die eine Signalspannung zu der Verbindung zwischen den beiden Dioden führen.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung erläutert.

EineKonstantspannungsschaltung 1 erzeugt eine stabile, gleichgerichtete Spannungsdifferenz zwischen dem positiven Anschluß 2 und dem negativen Anschluß 3· Ein erster Verbindungspunkt 4 wird gehalten auf eine bestimmte Spannung, die niedriger ist als die Spannung am positiven Anschluß 2. Das Festhalten dieses Verbindungspunktes 4 auf diese Spannung wird vorzugsweise erreicht durch Verwendung einer Siliziumhalbleiterdiode, deren Anode verbunden ist mit dem positiven Anschluß und deren Kathode am ersten Verbindungspunkt 4 liegt, in Verbindung mit einem ersten Widerstand 6, der ge-

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schaltet ist zwischen dem ersten Verbindungspunkt k und dem negativen Anschluß 3·

Die zwischen dem positiven Anschluß 2 und dem negativen Anschluß 3 liegende Spannung muß höher sein als diejenige, die erforderlich ist, damit ein Strom über dem Siliziumhalbleiter 5 fließt, wobei die Größe des Stromes hauptsächlich bestimmt wird durch die Grösse des ersten Widerstandes 6. Unter diesen Bedingungen fe liegt der erste Verbindungspunkt 4 fest an einer Spannung, die gleich der Spannung am Anschluß 2 ist, vermindert durch .diejenige Spannung, die erforderlich ist, damit die Diode 5 leitend wird (dies entspricht der Schwellwertspannung der Diode 5)·

In ähnlicher Weise ist der zweite Verbindungspunkt 7 verbunden mit dem negativen Anschluß 3. Die Verbindung erfolgt vorzugsweise über eine Siliziumhalbleiterdiode 8, deren Kathode mit dem negativen Anschluß 3 und deren Anode mit dem Verbindungspunkt verbunden ist. Ein zweiter Widerstand 9 vervollständigt die Pegelhaltung, wobei dieser Widerstand 9 ge-W schaltet ist zwischen dem zweiten Verbindungspunkt und dem positiven Anschluß 2.

Hieraus ergibt sich, daß über den zweiten Widerstand 9 und die Siliziumhalbleiterdiode 8 ein Strom fließt, dessen Größe begrenzt wird durch den Widerstand 9* Die Spannung am zweiten Verbindungspunkt 7 wird gehalten auf einen Wert, der gleich der Spannung am Anschluß 3 plus der Spannung ist, die erforderlich ist, damit die Diode 8 leitend wird (dies entspricht ihrem Schwellwert)·

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Zwei Dioden sind in Serie und in gleicher Richtung wirkend zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindung spunkt 7 und 4 geschaltet. Die Kathode der einen Diode ist angeschlossen an den ersten Verbindungspunkt 4, während die Anode der anderen Diode am zweiten Verbindungspunkt 7 liegt. Als die Dioden 10 und 11 werden vorteilhafterweise zwei Siliziumhalbleiterdioden verwendet, entsprechend den Dioden 5 und 8,

Das zu begrenzende Signal liegt am Verbindungspunkt 12 der beiden Dioden 10 und 11.

Als Beispiel soll angenommen werden, daß die Gleichspannungsquelle 1 eine stabile Spannungsdifferenz zwischen den Anschlüssen 2 und 3 von 1,2 Volt erzeugt, wobei der Anschluß 3 ^als Masseanschluß dient. Weiter sei in diesem Ausführungsbeispiel vorausgesetzt, daß die Schwellwertspannung jeder der Halbleiterdioden 5, 8, 10 und 11 den Wert 0,7 Volt aufweist.

Hieraus ergibt sich, daß der erste Verbindungspunkt 4 auf eine Spannung gehalten wird, die 1,2 Volt minus 0,7 Volt =0,5 Volt beträgt. Der zweite Verbindungspunkt 7 wird auf 0,7 Volt gehalten, Dies entspricht der Schwellwertspannung der Diode 8. Die Potentialdifferenz über die Dioden 10 und 11, das ist die Differenz zwischen den Spannungen an den Punkten 4 und 7, beträgt 0,2 Volt, wobei die Spannung am Punkt 7 positiver ist. Der Verbindungspunkt 12 liegtauf einem Potential etwa zwischen denjenigen der Punkte 4 und 7» d. h. auf etwa 0,6 Volt gegenüber Masse.

Am Anschluß 12 liegt nunmehr ein Signal an. Steigt dieses Signal in positiver Richtung an, dann wird die

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Diode 11 vorgespannt in den nicht leitenden Zustand. Die Diode 10 dagegen wird in Richtung auf ihren leitenden Zustand vorgespannt und wird leitend, sobald die Spannung über die Diode 10 den Schwellwert 0,7 Volt überschreitet. Diese Spannungsdifferenz wird erreicht, wenn die Spannung am Anschlußpunkt 12 0,5 Volt plus 0,7 Volt ■ 1,2 Volt beträgt.

Wenn das am Anschlußpunkt 12 anliegende Signal von Spitze zu Spitze eine Amplitude von 1,2 Volt aufweist, wird jeweils die Diode 10 oder die Diode leitend, was dazu führt, daß das anliegende Signalin seinen Spitzenwerten begrenzt wird. Das Signal kann deshalb sich verändern um - 0,6 2VoIt vom Mittelwert.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird vorausgesetzt, daß die zwischen den Anschlüssen 2 und 3 herrschende Spannungsdifferenz 10 Volt beträgt. Die Spannung am ersten Verbindungspunkt k beträgt demnach plus 9i3 und diejenige am Verbindungspunkt 7 plus 0,7 Volt. Der Anschluß 12 liegt zwischen diesen beiden Spannungen, d. h., bei plus 5 Volt*

Damit die Diode 10 leitend wird und damit ihre Begrenzerwirkung ausübt, muß die über ihr liegende Spannung 9,3-5+0,7 Volt=5,0 Volt betragen. In entsprechender Weise wird die Diode 11 leitend, wenn das über ihr liegende Potential 5,0-0,7+0,7=5 Volt beträgt.

Ein Signal mit einer Spannung von 10 Volt von Spitze zu Spitze kann daher am Anschluß 12 anliegen, bevor die Dioden 10 und 11 der Begrenzerschaltung leitend werden. Ein weiteres Anwachsen der Amplitude bewirkt ein Leitendwerden der Dioden 10 und 11 und da-

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mit eine Begrenzung des Signals, so daß das Ausgangssignal sich um - 5 Volt vom Mittelwert verändern kann.

Hieraus ergibt sich, daß die Begrenzerspannung bestimmt wird durch die Referenzspannung, welche an den Anschlüssen 2 und 3 anliegt und nicht durch die Schwellwerte der Dioden 5, 8, 10 und 11.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil wird mit der erfindungsgemäßen Schaltung erzielt; Es ergibt, daß die Begrenzerspannung nicht beeinflußt wird durch Temperaturveränderungen. Wie schon zuvor erwähnt, bewirken Temperaturänderungen normalerweise eine Veränderung der Übertragungscharakteristika und des Schwellwertes von Halbleiterdioden, wobei diese Änderungen bedingt sind durch die Erhöhung der Zahl der Leitungsträger infolge der höheren Temperatur. Bei den bekannten Begrenzerschaltungen bewirken diese Temperaturänderungen eine Änderung der Begrenzerspannung und falls die begrenzte Spannung teilweise die Schwingungsfrequenz eines Oszillators bestimmt, wird diese Oszillatorfrequenz in unerwünschter Weise sich ändern mit den Temperaturänderungen. Dies wird bei der vorliegenden Schaltung vermieden.

Aus der Schaltung ergibt sich, daß die Maximalspannung am Anschlußpunkt 12 sich errechnet aus der Spannung des positiven Anschlusses 2, abzüglich des Spannungsabfalles über Diode 5 (Schwellwert) plus des Spannungsabfalles (Schwellwert) über die Diode 10. Da die Schwellwertspannungen der Dioden 5 und 10 gleich sind, wenn die Dioden selbst gleich sind, und wenn die Begrenzerwirkung auftritt, d h. , wenn die Diode 10 leitend wird, dann sind die Spannungsabfalle über die

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Dioden 5 und 10 identisch. Auf diese Weise gleichen sich die beiden Spannungsabfälle aus und die Maximalspannung am Anschluß 12 (ab welcher eine Begrenzung auftritt) bleibt gleich der Spannung am positiven Anschluß 2.

Die Minimalspannung am Anschluß 12 errechnet sich aus der Spannung des negativen Anschlusses 3» die wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, 0 Volt W beträgt.

Die Spannung am Anschluß 12 kann sich daher nur verändern zwischen 0 und dem positiven Spannungawert am Anschluß 2.

Da die Schwellwertspannungen oder die Spannung über die Diode nicht bei der Berechnung der Begrenzerspannung erscheinen, wirken sich Änderungen in der Schwellwertspannung infolge Temperaturbe^einflussung nicht in einer Veränderung der begrenzten Spannung aus, so daß diese Begrenzerspannung stets konstant bleibt und ^ ausschließlich abhängig ist von der Konstantspannungsquelle 1. Auf diese Weise wird ein äußerst stabiler Begrenzungeschaltkreis erreicht.

Durch Anlegen einer Vorspannung zwischen dem ersten Verbindungspunkt 4 und dem Anschluß 12 kann die Begrenzungsamplitude und die relativen Amplituden des positiven und negativen Teils eines Wechselstromsignals verändert werden. Ein sich veränderndes,in eine Richtung wirkendes Potential, das auf diese Weise am Anschlußpunkt 12 anliegt, kann auf diese Weise eingestellt werden auf eine bestimmte Amplitude.

In der Figur gelangt das Eingangssignal über ei-

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non Kondensator 13 vom Ausgang eines Filters ΐΛ, das angeschlossen ist an einen Oszillatorschaltkreis 15» an den Anschluß 12* Die Vorspannung für das Filter lk wird abgegriffen, beispielsweise vom Spannungsteiler l6, 17.

Bei dem Anwendungsbeispiel, bei welchen zwischen dem positiven und negativen Anschluß 2 und 3 eine Spannungsdifferenz von 1,2 Volt herrscht, sollte jeder der Widerstände 6 und 9 einen Wert von etwa 12 k Ohm aufweisen. Die Dioden 5, 8, 10 und 11 sollten Siliziumhalbleiterdioden sein.

Die stabile Gleichspannungsquelle 1 kann ähnlich aufgebaut sein, wie sie in der Figur gezeigt ist. Ein erster NPN-Traneietor l8 liegt mit seinem Kollektor an der Basis eines zweiten NPN-Tr ans is tois 1.9, dessen Kollektor verbunden ist mit der Basis eines dritten PNP-Transistors 20. Der Kollektor des Transistors 20 ist verbunden mit der Basis eines NPN-Transistors Die Emitter der Transistoren 19 und 21 sind verbunden mit dem negativen Anschluß 3, während der Emitter des ersten Transistors 18 durch einen geeigneten Vorspannungswider staxiid 22, der beispielsweise einen Wert von 1,6 k Ohm aufweisen kann, mit dem Anschluß 3 verbunden ist. Der Kollektor des vierten Transistors 21, der Emitter des dritten Transistors 20 und der Kollektor des ersten Transistors l8 (über einen Widerstand 23 von beispielsweise 20 k 0hm) sind miteinanderverbunden und weisen eine Spannung von. .näherungsweise 1,3 Volt auf, welche temperaturstabil ist.

Ein Widerstand 24 von etwa 2 k 0hm und eine Diode 25 sind in der gezeigten Weise geschaltet zwischen dem positiven SpeiseSpannungsanschluß, der Basis des er-

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sten Transistors l8 und dem negativen Anschluß 3.

Der Widerstand 26 dient dazu, einen Spannungsabfall bei der Referenzspannung zu erzeugen, so daß am Anschlußpunkt 2 genau die erwünschte Begrenzungsspannung entsteht, die für das Eingangssignal bestimmend ist. Falls die beiden Widerstände 16 und 17 zusammen einen Wert von 1,7 k Ohm aufweisen, sollte der Widerstand 26 einen Wert von 0,8 k Ohm haben. Die anliegende Speisespannung liegt mit entsprechender Polarität an der Konstantspannungsschaltung an.

Falls ein zweites Signal begrenzt warden soll auf eine gleiche Amplitude wie ein erstes Signal, ohne daß hierdurch das erste Signal beeinflußt werden soll, kann hierfür die Begrenzerschaltung durch kleine Zusätze verwendet werden. Diese Veränderung ist sehr nützlich in den Fällen, wo zwei Oszillatoren gleichzeitig zwei Schwingungen erzeugen, wie beispielsweise bei den vorbeschriebenen Telefonanlagen.

Hierzu werden zwei weitere Dioden 27 und 28 in Serie und gleichgerichtet zwischen den Verbindungspunkten k und 7 parallel und mit gleicher Leitrichtung zu der Serienschaltung der Dioden 10 und 11 geschaltet. Ein zweites Signal, das eine andere Frequenz und andere Amplitude aufweisen kann, wird an die Verbindung zwischen den beiden Dioden 27 und 28 gelegt. Durch den gezeigten Schaltungsaufbau wird vermieden, daß die beiden begrenzten Signale nicht aufθinanderwirken, so daß die beiden Oszillatoren unabhängig voneinander arbeiten. Zusätzliche Signale können auf die gleiche Amplitude begrenzt werden durch Verwendung weiterer Begrenzungsdioden zwischen den Verbindungspunkten 4

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und 7 in der zuvor beschriebenen Weise und Anlegen der einzelnen Signale an die Verbindungspunkte zwischen jeweils zwei Begrenzerdloden.

ANSPRUCHE.

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Claims

Dipl.-Ing. Dipl.-Ing. Rolf Charrier - 12 - Augsburg, den 10. November Patentanwälte Augiburg 91 · Rehling«rutr»ß· B Postfach 242 Fottsdieddconto: München Nr. 745 3» |8i7/O3/Ch/sr ANSPRÜCHE

1.JSpannungsbegrenzerschaltung mit Mittel zum Er-— zeugen einer stabilen Spannungsdifferenz zwischen einem positiven und einem negativen Anschluß und Mitteln, die einen ersten Verbindungspunkt auf einem Potential halten, welches um eine bestimmte Spannung niedriger ist als das Potential am positiven Anschluß, gekennzeichne t durch Mittel (8, 9.)_f die einen zweiten Verbindungspunkt (7) auf einem Potential halten, welches um eine bestimmte Spannung höher ist als· das am negativen Anschluß (3), durch zwei Dioden (lO, 11), die in Serie und gleichgerichtet geschaltet sind zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungspunkt (4 und 7), wobei die Kathode der einen Diode mit dem ersten und die Anode der anderen Diode mit dem zweiten Verbindungspunkt verbunden sind, und wobei die bestimmten Spannungen jeweils etwa gleich sind dem Schwellwert jeder Diode und durch Mittel zum Anlegen einer Signalspannung an der Verbindung (12) zwischen den beiden Dioden.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Festlegen des

ersten Verbindungspunktes (k) auf ein bestimmtes Potential aus einem Widerstand (6) und einer ersten Diode (5) bestehen, wobei der Widerstand (6) zwischen dem negativen Anschluß (3) und dem ersten Verbindungspunkt (4) und die Diode (5) mit ihrer

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Anode an dem positiven Anschluß (2) und ihrer Kathode an den ersten Verbindungspunkt (4) geschaltet sind und daß die Mittel (8, 9) zum Festlegen des zweiten Verbindungspunktes (7) an ein bestimmtes Potential aus einem Widerstand (9) und einer zweiten Diode (8) bestehen, wobei der Widerstand (9) zwischen dem positiven Anschluß (2) und dem zweiten Verbindungspunkt (7) geschaltet sind und die Diode (8) mit ihrer Anode am zweiten Verbindungspunkt (7) und mit ihrer Kathode am negativen Anschluß (3) liegt.

3. Schaltung nach Anspruch 1,oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die zwischen den beiden Verbindungspunkten (4, 7) geschalteten Dioden aus zwei Halbleiterbegrenzungsdioden (lO, ll) bestehen, wobei eine der Begrenzungsdioden (lO) und die am ersten Verbindungspunkt (4) anliegende Diode (5) die gleiche Übertragungscharakteristik aufweisen und beide den gleichen Temperaturgang aufweisen.

4. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsdioden (lO, ll) und die an den Verbindungspunkten (4, 7) liegenden Dioden (5, 8) die gleiche Übertragungscharakteristik aufweisen und den gleichen Temperaturgang besitzen.

5. Schaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß zwei weitere in Serie und gleichgerichtet geschaltete Halbleiterbegrenzungsdioden (27*28) vorgesehen sind, die parallel und mit gleicher Leitrichtung zu den ersten beiden Dioden (lO, Il) zwischen dem ersten und

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zweiten Verbindungspunkt (4, 7) geschaltet sind und an der Verbindung zwischen den beiden weiteren Dioden (27, 28) ein weiteres Spannungssignal anliegt.

6. Schaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch g e -kennzeichne t , daß der Schwellwert der Dioden (5, 8, 10, 11) etwa die Hälfte der stabilen Spannungsdifferenz zwischen dem positiven und negativen Anschluß - 0,1 Volt ist.

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