DE2439240A1 - Transistorschaltung zum erzeugen einer abtastprobe - Google Patents

Description

BLUMBACH · WESER · BERGEN & KRAMER PATENTANWÄLTE IN WIESBADEN UND MÜNCHEN DIPL-ING. P. G. BLUMBACH ■ DIPL-PHYS. DR. W. WESER ■ DIPL-ING. DR. JUR. P. BERGEN DIPL-ING. R. KRAMER WIESBADEN · SONNENBERGER STRASSE 43 · TEL (06121) 562943, 561998 MÖNCHEN

WESTERN ELECTRIC COMPANY Peterson I

Incorporated

New York, N.Y.. USA

Transistor schaltung zum Erzeugen einer Abtastprobe

Die Erfindung betrifft eine Schaltung mit einem Transistor, der, wenn er In den leitenden Zustand überführt wird, an zwei Ausgangsanschlüssen eine Abtastprobe von einer Etngangsspanmng erzeugt, welche an zwei Elngangsanschlüssen erscheint.

Bei pulsbreltenmodulterten Glelchspannungswandlern 1st es häufig erforderlich, Eingänge gleichstrommäßig von Ausgängen zu trennen. Um eine solche Trennung vorzunehmen, Ist es nach dem Stande der Technik erforderlich, ausgangsselttg eine zusätzliche Gleichspannungsquelle vorzusehen, damit eine Bezugsspannung zur Verfügung steht und eine Rückkopplungsschaltungsanordnung gespeist wird. Diese zusätzliche Spannungsquelle kann von einer weiteren Sekundärwicklung Im Wandler gebildet werden. Neben einer besonderen für eine Quelle dieses Typs

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erforderlichen Schaltungsanordnung muß sorgfältig sichergestellt werden, daß die Steuerschaltung aktiv wird, ehe der Versorgungsausgangspegel (supply output level) einen unerwünschten Effekt hervorbringt, und muß außerdem sichergestellt werden, daß ein Überlasten der Versorgung (supply) zu keinem Steuerungsabfall führt. Um diese Probleme zu überwinden, kann ein zweiter W-mdler als Zusatzquelle verwendet werden. Doch 1st dee Schaltungeaufwand hier größer als im ersten Falle. In beiden Fällen beeinflußt die zusätzliche Schaltungsanordnung die Kosten, die Zuverlässigkeit und den Wirkungsgrad des Wandlers nachteilig.

Die erf indungsgemäße Aufgabe besteht darin, einen wenig aufwendigen und zuverlässig arbeitenden Gleichspannungswandler mit einem hohen Wirkungsgrad zur Verfügung zu stellen.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von einer Schaltung der eingangs genannten Art aus und ist dadurch gekennzeichnet, daß ein übertrager vorgesehen ist, dessen Primärwicklung zwischen dem Kollektor- und dem Emitteranschluß des' Transistors liegt, und dessen Sekundärwicklung über eine Koppeleinrichtung an die Ausgangsanschlüsse angeschaltet ist, daß die EingangsansohlUsse mit dem Kollektor- und mit dem

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Baslsanschluß des Transistors verbunden sind, derart, daß die Etngangsspaimung den Baeis-Emitterttbergang des Transistors in Sperrichtung vorspannt, daß der Übertrager Taktimpulse empfängt, die eine Spannung in der primären Wicklung induzieren, welche, sofern sie nicht anderweitig begrenzt wird, die Summe der Beträge von Eingangs spannung und Spannung über dem Basis-EmitterUbergang übersteigen würde, wenn der Basis-Emitterübergang in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, wobei die indufcierte Spannung eine Polarität aufweist, daß sie den Transistor in Durchlaßrichtung vorspannt.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen

AusfUhrungebeispieles, und Fig. 2 ein Blockdiagramm eine impulsbreitenmodu-

lierten Glelchspannungswandlere, In dem das in der Flg. 1 dargestellte Ausftthrungsbeispiel günstig anwendbar ist.

Kurz gesagt, wird eine Abtastschaltung erläutert, deren Eingangs- und Ausgangsanschlttsse gleichstrommäßig voneinander getrennt

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sind, und die durch Taktimpulse betätigt wird. Speziell die Ausgangs-Abtastimpulse werden von der Schaltung in der Weise

Auftast-

erzeugt, daß die/faktimpulse für die Energie in den Abtastimpulsen sorgen.

In einem vorgeschlagenen Ausführungsbeispiel wird ein Transistor und ein Übertrager mit einer primären und sekundären Wicklung und einem Windungsverhältnis 1 : 1 erläutert. Der Kollektor und Emitter des Transistors sind jeweils mit den äußeren Enden der primären Wicklung des Übertragers verbunden. Das analoge Eingangssignal wird mit einer Polarität zwischen Kollektor und Basis des Transistors angelegt, die den Transistor nichtleitend macht. Die Taktimpulse werden dem Übertrager mit einer Polarität zugeführt, daß eine Spannung in der primären Wicklung induziert wird, die den Transistor in Durchlaßrichtung vorspannt. Die Abtastproben liegen ausgangsseitig über der sekundären Wicklung des Transformators an. Wenn der Transistor von der durch den Taktimpuls induzierten Spannung in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, dann klammert er die induzierte Spannung bei einem Spannungspegel fest, der gleich der anlogen Spannung plus dem Bais-Emitter- Spannungsabfall des Transistors ist. Aufgrund der Koppelw irkung des Übertragers ist die über der Sekundärwick-

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lung ausgangsseitig abfallende Spannung Im wesentlichen die gleiche.

Bei AusfUhrungsbeispielen liegen sowohl im Abtast- als auch im freien Zustand (off state) relativ hohe Eingangsimpedanzen vor. Insbesondere sieht die Analogspannungsquelle keinen Strom, wenn sich der vorgeschlagene Gegenstand eines Ausführungsheispieles Im Freizustand befindet, während nur ein relativ kleiner Basis-Emmiterstrom gezogen wird, wenn ein Abtastzustand vorliegt. Darüber hinaus wird die Energie, die erforderlich ist, um die Ausgangs impulse über der sekundären Wicklung des Übertragers zu erzeugen, allein von den Taktimpulsen zugeführt, und es sind diese Impulse, die den MagnetIslerungsstrom des Übertragers liefern.

Wie bereits oben erwähnt wurde, ist die Amplitude der Ausgangatmpulse gleich der Amplitude der analogen Spannung plus dem Basle-Emitterspannungsabfall des Transistors. Dieser Basis-Emltter-Spannungsabfall, der als Fehler In den Ausgangsimpulsen auftaucht, kann Im wesentlichen eliminiert werden, wenn man In Serie mit der sekundären Wicklung zusätzlich den Gegenstand eines In einer gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung diskutierten AusfUhrungsbelspleles vorsieht.

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Es soll nun speziell auf die Fig. 1 eingegangen werden. Dort ist der Kollektor eines npn-Transistors 13 mit einem Eingangsanschluß 11 und die Basis des bezeichneten Transistors mit einem Eingangsanschluß 12 verbunden. Der Kollektor und der Emitter des Transistors 13 sind an die Jeweiligen äußeren Enden einer primären Wicklung 14 eines Übertragers 15 angeschaltet. Der Übertrager 15 weist eine sekundäre Wicklung 16 mit derselben Windungszahl wie seine primäre Wicklung auf. Weiterhin sind zwischen zwei Taktimpuls- oder AuftastanschlUssen 19 und 20 eine Hilfswicklung 17 und ein Widerstand 18 in Reihe geschaltet. Die Polarität der drei Wicklungen gegeneinander wird durch einen Punkt angezeigt, der einem Ende jeder Wicklung zugeordnet ist. Die abai tastende Spannung wird mit einer Polarität an die Anschlüsse 11 und 12 angelegt, daß der Anschluß 11 gegenüber dem Anschluß 12 positiv 1st. Wenn keine Taktimpulee auftreten, 1st der Basis-Emltterübergang des Transistors 13 in Sperrichtung vorgespannt und die an den Anschlüssen 11 und 12 auftretende Impedanz sehr groß.

Die zwischen den Anschlüssen 19 und 20 angelegten Taktoder Auftastimpulse sind so gepolt, daß der Anschluß 19 gegenüber dem Anschluß 20 positiv wird. Außerdem induzieren diese Impulse Spannungen In der Wicklung 14, die, wenn sie nicht ander-

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weltig begrenzt werden, die zwischen den Anschlüssen 11 und maximal erwartete Spannung plus dem Basis-Emitterspannungsabfall am Transistor IS₁ wenn er leitet, überschreiten. Unter Betriebsbedingungen wird der Transistor 13 aktiv, wenn die Amplitude der Vorderflanke einee induzierten Impulses gleich der Amplitude der Spannung zwischen den Anschlüssen 11 und 12 plus der Amplitude des Basis-Emitter-Spannungeabfalles beim Transistor 13, wenn er leitet, wird. Für diesen Fall wird die Amplitude des induzierten Impulses auf die Spannung zwischen den Anschlüssen 11 und 12 der Basis-Emitterspannung des Transistors 13 geklammert. Aufgrund der Übertragungewirkung des Übertragers wird ein Impuls mit einer Amplitude , die im wesentlich gleich der Amplitude des von der primären Wicklung 14 übertragenen Impulses ist, in der sekundären Wicklung 16 induziert. Die in der sekundären Wicklung 16 auftretenden Abtastprobenimpulse sind deshalb im wesentlichen gleich der Eingangsspannung plus der Basis-Emitter spannung des Transistors 13.

Wenn die über der Wicklung 14 abfallende Spannung geklammert wird, wird gleichzeitig auch die über der Wicklung 17 abfallende Spannung geklammert, wobei die Differenz zwischen Ihr und dem Taktimpuls über dem Widerstand 18 abfällt. Der Widerstand

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18 1st natürlich nicht erforderlich, wenn die Taktimpulsquelle eine genügend große Innenimpedanz aufweist.

Wenn der Transistor 13 von der in der primären Wicklung induzierten Spannung In Durchlaßrichtung vorgespannt wird, fließt im Transistor 13 ein Basis-Emitterstrom. Dieser Strom ist gleich dem Kollektorstrom geteilt durch den Stromverstärkungsfaktor ß des Transistors. Weil ß In der Größenordnung von 50 bis 100 liegt, ist leicht einzusehen, daß die Schaltung während des Abtastintervalls nur minimal belastet wirkt. Die in den Abtastprobenimpulsen auftretende Basis-Emitter Spannung begründet einen Fehler. Wie in einer gleichzeltig eingereichten Patentanmeldung bereits erläutert wurde, kann eine Koppeleinrichtung in Form eines Netzwerkes mit einem npn-Transistor verwendet werden, um diesen Fehler zu kompensieren. Beispielsweise ist der Kollektor eines Transistors 21 mit einem Anschluß 22, seine Basis mit einem Ende der Sekundärwicklung 16 und sein Emitter über einen Widerstand 23 mit dem anderen Ende der Wicklung 16 verbunden. Das zuletzt erwähnte Wicklungsende Hegt ferner an Erdpotential und einem Ausgangeanschluß 24. Der Anschluß 22 des Transistors 21 wird im Betrieb mit einem gegenüber dem Erdpotential positiven Potenttal belegt. Zwischen dem Emitter des

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Transistors ?.l und dem Widerstand 23 1st ein zweiter Ausgangsanschluß 25 vorgesehen.

Die zur Wicklung 16 übertragenen Abtastprobenimpulse spannen den Basis-Emltterüborgang des Transistors 21 In Durchlafirichtung vor. Deshalb wirken die Abtastprobenimpulse (sample pulses) außer als InformationsUberträger noch als Takt- oder AufprÜflmpulse, die den Transistor 21 betätigen. Die über dem BasIs-Emitterübergang des Transistors 21 abfallende Spannung ist Im wesentlichen gleich der Basis-Emitterspannung des Transistors 13, wenn dieser aktiv Ist, aber ist gegenüber den zur Wicklung 16 übertragenen Abtastprobenimpulsen von umgekehrter Polarität. Deshalb wirkt die BasIs-Emüberspannung des Transistors 21 subtraktiv, was zur Folge hat, daß die an den Ausgängen 24 und 25 erscheinenden Impulse amplituden- bzw. betragsmäßig Im wesentlichen gleich der Spannung über dem Eingängen 11 und 12 sind.

Im Falle einiger Ausführungsbeispiele kann es für notwendig befunden werden, den Kern des Übertragers 15 zurückzusetzen (to reset). Das kann In der Weise geschehen, daß eine richtig gepolte Diode parallel zu Irgend einer Wicklung des Übertragers angeschaltet wird. Eine solche Diode ist die in der Flg. 1 dar-

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gestellte Diode 26 parallel zur Hilfswicklung 17. Die Diode ist entgegengesetzt zu den Taktimpulsen gepolt und läßt also Stromleitung zum Zweck des Rücksetzens zu.

Der Transistor 13 kann ein pnp-Transistor sein, dessen Elektroden in der gleichen Welse wie In Fig. 1 geschaltet sind. Doch muß die Polarität der analogen Spannung, der Taktimpulse und der Diode 26 entgegengesetzt sein. Obwohl es aus Kompensationsgründen wünschenswert ist, daß der Transistor 21 vom selben Typ wie der Transistor 13 ist, kann er vom entgegengesetzten Typ sein. Wenn letzteres der Fall ist, muß die Polarität der sekundären Wicklung, wie sie in der Fig. 1 dargestellt ist, gegenüber der Polarität der primären Wicklung umgekehrt werden.

Falls es gewünscht wird, kann auf die Hilfswicklung 17 verzichtet werden und die Taktimpulse beispielsweise direkt entweder über die primäre Wicklung 14 oder die sekundäre Wicklung 16 angelegt werden. In beiden Fällen Übt die über den Transistor 13 einwirkende analoge Eingangespannung dieselbe begrenzende Wirkung, so daß das Auegangssignal an den Anschlüssen 24 und 25 eine Abtastprobe der analogeh Spannung ist.

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Die vorgeschlagene gleichstrommäßige Trennung des Eingangs vom Ausgang kann beispielsweise bei einem pulsbreitenmodulierten Gleichspannungswandler angewendet werden. Siehe dazu die Fig. 2.

Die Fig. 2 zeigt zwei Ausgangsanschlüsse 27 und 27' , eine Gleichstromquelle 28, einen Taktgeber 29, einen Gleichrichter und Filter 30, einen Übertrager 31, eine Leistungsstufe 32, einen Pulsbreitenmodulator 33 und eine Abtastschaltung 34. Die Gleichstromquelle 28 ist mit dem Taktgeber 29, der Leistungsstufe 32, dem Modulator 33 und der Abtastschaltung verbunden und speist sämtliche der erwähnten Schaltungen.

Der Taktgeber 29 ist mit dem Modulator 33 und der Abtasttastet
schaltung 34 verbunden und / sie durch seine Taktimpulse

auf (are strobed by).

Die Abtastschaltung 34 ist mit den Leitungen 27 und 27' am Ausgang des Wandlers verbunden. Deshalb tastet die Abtastschaltung den Spannungspegel am Wandlerausgang ab. Die von der Abtastschaltung abgegebenen Ausgangs signale in Form von Abtastproben werden zum Modulator 33 übertragen, der Ausgangsimpulse erzeugt, deren Impulsdauer Invers auf die Amplitude der Abtastprobenausgangs Signale bezogen ist. Die

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vom Modulator 33 abgegebenen' Ausgangssignale werden In dor Lelstungs stufe ??. leistungsverstärkt und dann über den Übertrager 31 zum Gleichrichter und Filter SO übertragen. Das Ausgangs signal des letzteren erscheint an den Anschlüssen 27 und 27'.

Bei einem Wandler dieses Typs ist es hHufig erforderlich, die Wandlerausgangsanschltisse 27 und ?7' sowie der Gleichstromquelle 28 gleichstrommäßig voneinander zu trennen. Das wurde bisher erreicht, In dem man zwischen der Abtastschaltung und dem Modulator oder zwischen dem Modulator und der Leistungsstufe eine Übertragerkopplung vorsah. Doch muß bei einer derartigen Anordnung eine zweite Gleichstromquelle eingesetzt werden, die die Abtastschaltung und auch den Modulator speist bzw. mit Energie versorgt, wenn die Übertragerankopplung auf den Modulator folgt.

Wenn der vorgeschlagene Gegenstand des In der Fig. 1 dargestellten Ausftthrungsbeispleles In dem Wandler gemäß Flg. eingesetzt wird, werden Eingang und Ausgang gleichstrommäßig voneinander getrennt, ohne daß ein zusätzlicher Übertrager und eine zusätzliche Gleichstromquelle erforderlich sind. Das wird erreicht, well das bezeichnete Ausführungsbeispiel Eingang

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und Ausgang an einer Stelle innerhalb der ,Abtastschaltung gleichstrom maß ig voneinander trennt. Dadurch können die Abtastschaltung und der Modulator von derselben Quelle wie der Rest der V/ ;ndlerelemente gespeist werden. Das in der Fig. 1 dargestellte AusfUhrungsbeispiel läßt sich auf die in der Fig. 2 gezeigte Schaltung anwenden, wenn die Quelle 28 eine positive Ausgangsspannung und der Taktgeber 29 positive Ausgangs impulse erzeugt. In diesem Falle werden die Ausgangsanschlüsse 27 und 27' so mit den Eingangsanschlüssen 11 und 12 (Fig. 1) verbunden, daß der Ausgangsanschluß mit dem positiveren Potential am Eingangsanschluß 11 liegt. Wenn die Quelle 28 eine negative Ausgangsspannung und der Taktgeber 29 negative Ausgangs Impulse erzeugt, kann das In der Flg. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel auf die in der F ig. 2 gezeigte Schaltung angewendet werden, wenn, wie bereits zuvor erwähnt wurde, die npn-Transistoren unmittelbar durch pnp-Transistoren ersetzt werden.

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Claims (1)

1. BLUMBACH ■ WESER ■ BERGEN & KRAMER

   PATENTANWÄLTE IN WIESBADEN UND MÜNCHEN

   DIPL.-ING. P. G. BLUMBACH · DIPL.-PHYS. DR. W. WESER · DIPL-ING. DR. JUR. P. BERGEN DIPL-ING. R. KRAMER

   WIESBADEN · SONNENBERGER STRASSE 43 ■ TEL. (06121) 562943, 561998 MÖNCHEN

   PATENTANSPRÜCHE

   (I₅^ Schaltung mit einem Transistor, der, wenn er in den leitenden Zustand überführt wird, an zwei Ausgangsanschlüssen eine Abtastprobe von einer Eingangsspannung erzeugt, welche an zwei Eingangsanschlüssen erscheint, dadurch gekennzeichnet,

   daß ein Übertrager (15) vorgesehen ist, dessen Primärwicklung (14) zwischen dem Kollektor- und dem Emitteranschluß des Transistors liegt und dessen Sekundärwicklung (16) über eine Koppeleinrichtung an die Ausgangsanschlüsse angeschaltet ist, daß die Eingangsanschlüsse (11, 12) mit dem Kollektor- und mit dem Basisanschluß des Transistors verbunden sind, derart, daß die Eingangespannung den Basis-Emttterübergang des Transistors in Sperrichtung vorspannt, daß der Übertrager Taktimpulse empfängt, die eine Spannung in der primären Wicklung (14) induzieren, welche, sofern sie nicht anderweitig begrenzt wird, die Summe der Amplituden bzw. Beträge von Eingangstpannung und Spannung über dem Basis-Emitterübergang übersteigen würde, wenn der Basis-

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   Emltterübergang In Durchlaßrichtung vorgespannt 1st, wobei die Induzierte Spannung eine Polarität aufweist, daß sie den Transistor in Durchlaßrichtung vorspannt.

   2. Schaltung nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet,

   daß der Übertrager eine Hilfswicklung (17) aufweist, der die Taktimpulse zugeführt werden.

   8. Schaltung nach Anspruch 2,

   dadurch gekennzeichnet,

   daß eine Diode über einer der Übertragerwindungen vorgesehen und so gepolt Ist, daß der übertrager aus schwingen (reset) kann.

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