DE2641535A1

DE2641535A1 - Spannungsteiler mit steuerbarem teilerverhaeltnis

Info

Publication number: DE2641535A1
Application number: DE19762641535
Authority: DE
Inventors: Johannes Dipl Ing Gies
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-09-15
Filing date: 1976-09-15
Publication date: 1978-03-16

Description

Spannungsteiler mit steuerbarem Teilerverhältnis
Die Erfindung bezieht sich auf einen Spannungsteiler mit steuerbarem Teilerverhältnis, das durch den Widerstandswert eines als Stellglied ausgebildeten, steuerbaren Widerstandes mitbestimmt wird.
Bei den bekannten Spannungsteilern dieser Art, die z.B. unter Verwendung von Dioden oder Heißleitern als steuerbare Widerstände aufgebaut sind, wirken sich Schwankungen der Umgebungstemperatur so stark auf die Schaltungskennwerte aus, daß eine temperaturunabhängige Einstellung des Teilerverhältnisses nicht möglich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spannungsteiler der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sein Teilerverhältnis temperaturunabhängig und temperaturstabil kontrolliert bzw. variiert werden kann. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der eingangsseitig mit einer Gleich- und einer Wechselspannung belegte Spannungsteiler ausgangsseitig mit einer beide Spannungen voneinander trennenden Weichenschaltung versehen ist, daß eine dieser Spannungen die zu teilende Nutzspannung und die andere eine mit konstanter Amplitude zugeführte Kontrollspannung darstellt, daß der für die letztere vorgesehene Ausgang der Wechenschaltung ggf. über einen Gleichrichter an den ersten Eingang eines Differenzverstärkers geführt ist, dessen zweiter Eingang mit einer veränderbaren, eine kleinere Amplitude als die Kontrollspannung aufweisenden Steuerspannung beschaltet ist, daß der steuerbare Widerstand von der Ausgangsspannung des Differenzverstärkers auf einen solchen Widerstandswert eingestellt wird, daß sich die Eingangsspannungen des Differenzverstärkers einander möglichst weitgehend angleichen und daß der steuerbare Widerstand für Gleich- und Wechselstrom wenigstens annähernd gleiche Widerstandswerte aufweist.
Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil liegt insbesondere darin, daß die Temperaturkoeffizienten der als Stellglieder verwendeten steuerbaren Widerstände durch die Eigenschaften der Schaltung kompensiert werden. Die Nichtlinearitäten der Einstellcharakteristiken fallen nicht mehr ins Gewicht, so daß eine lineare Einstellung des Teilerverhältnisses möglich ist.
Weiterhin werden die Exemplarstreuungen der einzelnen Stellglieder automatisch ausgeglichen, so daß die volle Funktionsfähigkeit der Schaltung mit einem Minimum an Abgleichvorgängen erreicht wird. Ein nach der Erfindung ausgebildeter Spannungsteiler kann schließlich mittels einer Modulationsspannung in seinem Teilerverhältnis variiert werden, wobei er eine entsprechend amplitudenmodulierte Wechselspannung abgibt.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand einiger in der Zeichnung dargestellter, bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Dabei zeigt: Fig. 1 ein erstes usführungsbeispiel, das zur steuerbaren Teilung von Wechselspannungen dient, Fig. 2 ein zweites, für die steuerbare Teilung von Gleichspannungen vorgesehen es Ausführungsbeispiel und Fig. 3 eine schaltungstechnische Variante zu den in den Figuren 1 und 2 gezeigten steuerbaren Widerständen.
In Fig. 1 ist der Schaltungseingang 1 über einen Kopplungskondensator Cl an einen ersten ohmschen Teilerwiderstand R1 geführt, der über einen zweiten Kopplungskondensator C2 mit dem Schaltungsausgang 2 verbunden ist. Ein n-Kanal-Feldeffekttransistor FET, der mit seiner ' "source"-drain"-Strecke in eine zwischen Rl und C2 angeschaltete Querableitung eingefügt ist, stellt einen zweiten, parallel zum Schaltungsausgang 2 liegenden, steuerbaren ohmschen Teilerwiderstand dar. An den Verbindungspunkt von R1 und C2 ist ferner ein Tiefpaß TP geschaltet, dessen Ausgang mit dem negativen Eingang eines Differenzverstärkers 3 hoher Verstärkung verbunden ist. Der positive Eingang von 3 ist an den Abgriff 4 eines Potentiometers P1 geführt, das an einer Referenzspannung Ur liegt. Die Referenzspannung Ur ist über eine Leitung L an den Verbindungspunkt von Cl und Rl gelegt.
Der Ausgang des Differenzverstärkers 3 ist über einen ohmschen Widerstand R2 an das "gate" des FET geführt, wobei in Querableitungen jeweils ein Gleichrichter G und ein Kondensator C3 vorgesehen sind.
Eine am Schaltungseingang 1 liegende Wechselspannung Ue wird der Widerstandskombination R1 und FET zugeführt, wobei die an FET abfallende Teilspannung von Ue über 2 als Ausgangsspannung Ua abgegeben wird. Gleichzeitig wird die zwischen Cl und R1 als Kontrollspannung zugeführte Referenzspannung Ur an Rl und FET geteilt, wobei der an FET abfallende Teil von Ur über den Tiefpaß TP an den negativen Eingang des Differenzverstärkers 3 gelangt. Die Ausgangsspannung des letzteren beeinflußt den Widerstandswert des FET dann in der Weise, daß sich der über TP abgetleitete Teil von Ur möglichst weitgehend der über 4 abgegriffenen Teilspannung UF von Ur angleicht. Da Ur konstant ist, gelingt es mittels einer entsprechenden Einstellung des Abgriffes 4 von P1, ein bestimmtes Teilerverhältnis bei der Teilung von Ur zu erzwingen. Setzt man bei dem Feldeffekttransistor FET voraus, daß sein über die Ausgangsspannung von 3 jeweils eingestellter Widerstandswert für Gleich- und Wechselstrom etwa gleich groß ist, so entspricht das Teilerverhältnis für Ur auch dem Teilerverhältnis für Ue. Der Regelkreis R1, FET, TP, 3, 4, P1 und R2 bewirkt dabei, daß das für Gleich- und Wechselstrom gleich große Teilerverhältnis lediglich von der Spannung UF abhängt, die eine dem Regelkreis zugeführte Führungsgröße darstellt. Weitere Schaltungsgegebenheiten, und zwar insbesondere die Nichtlinearitäten der Einstellcharakteristik des FET sowie dessen Temperaturkoeffizienten oder Exemplarstreuungen beeinflussen das an 4 linear eingestellte Teilerverhältnis praktisch nicht. Führt man dem positiven Eingang des Differenzverstärkers 3 über einen weiteren Schaltungseingang 5 eine Modulationsspannung Umzu, so erhält man am Ausgang 2 eine Wechselspannung Ua, die in Abhängigkeit von Um amplitudenmodulirt ist, ohne daß sich die Nichtlinearität der Einstellcharakteristik des FET sowie die Exemplarstreuungen seiner Kennwerte oder Schwankungen der Umgebungstemperatur störend bemerkbar machen.
Der Gleichrichter G hat die Aufgabe, etwaige positive Ausgangsspannungen von 3, die beispielsweise durch Einschaltstromstöße hervorgerufen werden, kurz zu schließen, um eine Zerstörung des Feldeffekttransistors FET zu verhindern. C3 unterbindet Störungen durch höherfrequente Wechselspannungs-oder Rauschanteile, die ebenfalls am Ausgang von 3 auftreten können.
Fig. 2 zeigt eine Abwandlung der Schaltung nach Fig. 1, bei der die am Eingang 6 anliegende, zu teilende Spannung Ue' kein Wechselspannungssignal, sondern ein Gleichspannungssignal darstellt. Gemeinsam mit diesem wird der Widerstandskombination R1, FET eine von einem Generator 7 erzeugte Wechselspannung Uw vorgegebener, konstanter Amplitude zugeführt, die in diesem Fall das Kontrollsignal darstellt. Das geteilte T Gleichspannungssignal wird über einen Tiefpaß TP' an FET abgegriffen und an den Schaltungsausgang 8 übertragen. Das geteilte Wechselspannungssignal wird über einen Kopplungskondensator C5 abgegriffen, in einer Gleichrichtersialtung 9 exakt gleichgerichtet und an den negativen Eingang des Differenzverstärkers 3 gelegt. Die durch die Wirkung des Regelkreises R1, FET, C5, 9, 3, 4, Pl und R2 erfolgende weitgehende Angleichung des von 9 abgegebenen Signals an die Steuerspannung UF erzwingt in diesem Fall ein exaktes an P1 einstellbares Teilerverhältnis für die Wechselspannung Uw, das wegen der gleichen Widerstandswerte von FET für Wechselstrom und Gleichstrom mit dem Teilerverhältnis für das Gleichspannungssignal Uet übtreinstimmt. Die Einstellung des Teilerverhältnisses an 4 erfolgt wieder linear, und zwar unbeschadet der Nichtlinearitäten der Einstellscharakteristik des FET und unabhängig von Temperaturschwankungen oder Exemplarstreuungen dieses Feldeffekttransistors. Eine über den Schaltungseingang 5 dem positiven Eingang des Differenzverstärkers 3 zugeführte Modulationsspannung Um moduliert die Amplitude des geteilten Wechselspannungssignals Uw, das an einem Schaltungsausgang 8' abgegriffen wird. Die Schaltungselemente G und C3 dienen zu demselben Zweck wie in Fig. 1.
Für die Anwendung des Feldeffekttransistors FET in den Figuren 1 und 2 ist es von wesentlicher Bedeutung, daß sich sein Gleich-und Wechselstromwiderstand praktisch nicht voneinander unterscheiden. Daher ist es erforderlich, daß er nicht bis in den Sättigungsbereich seiner Ausgangskennlinie Id/UdS (Id... "drain"-Strom; Uds... "drain"-"source"-Spannung) hinein ausgesteuert wird.
Fig. 3 zeigt ein Stellglied,das an die Stelle des Feldeffekttransistors FET in den Figuren 1 und 2 treten kann und ebenfalls praktisch gleiche Wechselstrom- und Gleichstromwiderstände aufweist. Es handelt sich hierbei um einen lichtabhängigen Widerstand RL, der auch als Fotowiderstand bezeichnet wird. Dieser wird anstelle der "source"-"drain"-Strecke des FET in die Schaltungen nach Fig. 1 oder Fig. 2 eingesetzt. Die Steuerung seines Widerstandswertes erfolgt über eine Leuchtdiode D oder eine andere Lichtquelle, die in den an dem negativen Pol der Betriebsspannungsquelle -UB liegenden Kollektorkreis eines Transistors Tsl eingefügt ist. Der Emitter von Tsl ist über einen Emitterwiderstand R3 an +U3 geführt. Der den Transistor Tsl aussteuernde Basisstrom, der die Intensität der Lichteinwirkung auf RL steuert, wird über einen Widerstand R4 aus dem Differenzverstärker 3 in Fig. 1 bzw. Fig. 2 abgeleitet. Ein Kondensator C6 dient zur Ableitung unerwünschter Wechselstromkomponenten. Das Stellglied nach Fig. 3 ermöglicht eine Anwendung in Schaltungszweigen, die hohe Gleich- bzw. Wechselspannungen führen, da es kein Sättigungsverhalten zeigt.
7 Patentansprüche 3 Figuren

Claims

Patentansprüche Spannungsteiler mit steuerbaren Teilerverhältnis, das durch den Widerstandswert eines als Stellglied ausgebildeten, steuerbaren Widerstandes mitbestimmt wird, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der eingangsseitig mit einer Gleich- und einer Wechselspannung (Ur, Ue) belegte Spannungsteiler ausgangsseitig mit einer beide Spannungen (Ur, Ue) voneinander trennenden Weichenschaltung (TP, C2) versehen ist, daß eine dieser Spannungen (Ue) die zu teilende Nutzspannung und die andere (Ur) eine mit konstanter Amplitude zugeführte Kontrollspannung darstellt, daß der für die letztere vorgesehene Ausgang (TP) der Weichenschaltung (TP, C2) ggf. über einen Gleichrichter an den ersten Eingang eines Differenzverstärkers (3) geführt ist, dessen zweiter Eingang mit einer veränderbaren, eine kleinere Amplitude als die Kontrollspannung (Ur) aufweisenden Steuerspannung (UF) beschaltet ist, daß der steuerbare Widerstand von der Ausgangsspannung des Differenzverstärkers (3) auf einen solchen Widerstandswert eingestellt wird, daß sich die Eingangsspannungen des Differenzverstärkers (3) einander möglichst weitgehend angleichen und daß der steuerbare Widerstand für Gleich- und Wechselstrom wenigstens annähernd gleiche Widerstandswerte aufweist.
2. Spannungsteiler nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die veränderbare Steuerspannung (UF) über den einstellbaren Abgriff (4) eines an einer Referenzspannung (Ur) liegenden Potentiometers (Pi) gewonnen wird und daß die Referenzspannung (Ur) dem Spannungsteiler als Kontrollspannung zugeführt wird.
3. Spannungsteiler nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß er als ohmscher Spannungsteiler ausgebildet ist, dessen parallel zum Ausgang (2) liegender Teilerwiderstand aus dem steuerbaren Widerstand besteht.
4. Spannungsteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der steuerbare Widerand aus einem Feldeffekttransistor (FET) besteht.
5. Spannungsteiler nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß dem Ausgang des Differenzverstärkers (3) ein Gleichrichter (G) solcher Polung parallelgeschaltet ist, daß etwaige Ausgangsspannungskomponenten einer den Feldeffekttransistor (FET) zerstörenden Polarität von diesem ferngehalten werden.
6. Spannungsteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der steuerbare Widerstand aus einem lihtabhängigen Widerstand (RL) besteht, der über eine Lichtquelle, z.B. Leuchtdiode (D), beaufschlagt wird, deren Strahlungsleistung in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des Differenzverstärkers (3) gesteuert wird.
7. Spannungsteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine dem Differenzverstärkereingang zugeführte Steuerspannung (Um) nach einer vorgegebenen Zeitfunktion verändert wird und daß an dem der Wechselspannung zugeordneten Ausgang (C2) der Weichenschaltung (C2, TP) eine entsprechend amplitudenmodulierte Wechselspannung (Ua) abgegriffen wird.