DE1046798B

DE1046798B - Elektrische Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer linearen Entladungscharakteristik eines Kondensators

Info

Publication number: DE1046798B
Application number: DEC14501A
Authority: DE
Inventors: Hermann August Gaehwiler
Original assignee: Oerlikon Contraves AG
Current assignee: Rheinmetall Air Defence AG
Priority date: 1957-03-01
Filing date: 1957-03-08
Publication date: 1958-12-18
Also published as: CH351632A; NL222948A; BE565070A; US2898481A; FR1198984A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltungsanordnung mit einem zeitweise aufgeladenen und sich in den Zwischenphasen über einen Entladestromkreis entladenden Kondensator. Der Kondensator wird vorzugsweise periodisch aufgeladen.

Wenn der Entladestromkreis des Kondensators einen unveränderlichen Widerstand R enthält, so ist der Wert des Entladestromes eine Funktion des Momentanwertes der am Kondensator liegenden Spannung, die ihrerseits entsprechend der bereits abgefiossenen Ladung abnimmt. Demgemäß läßt sich bei der Entladung eines Kondensators über einen festen Widerstand grundsätzlich keine lineare Abnahme der Kondensatorspannung als Funktion der Zeit erzielen. Man hilft sich oft dadurch, daß der Kondensator nicht vollständig, sondern nur um einen Bruchteil seiner Ladespannung entladen und nachher wieder aufgeladen wird.

Es ist bekannt, das Aufladen und Entladen von Kondensatoren, von denen eine bestimmte Spannungscharakteristik abgegriffen werden soll, mittels Röhren vorzunehmen. In einer bekannten Schaltung hängt die sich als Gleichgewichtszustand einstellende Amplitude des Lädungszustandes des Kondensators von den besonderen Betriebskennlinien der Röhren und der veränderbaren Widerstände der bekannten Schaltung ab. Außerdem sind die Kapazitäten der Schaltung von besonderem Einfluß. Alle diese Einflüsse gehen so weit, daß eine exakte Steuerung des zeitlichen Lade- und Entladeverlaufes und insbesondere' eine geradlinige Entladecharakteristik nicht erreicht werden kann.

Mit der Erfindung wird eine Schaltung angegeben, die es gestattet, ein bestimmtes Ladepotential des Kondensators immer genau innerhalb der Stabilitätsgenauigkeit eines Vergleichspotentials zu erreichen, und zwar ohne Rücksicht auf eine Frequenzänderung der Steuerimpulse in weiten Grenzen. Es soll aber nicht nur die Abhängigkeit von der Freuqenz der als Entsperrungsimpuls des Ladestromkreises dienenden Steuerimpulse, sondern auch die Abhängigkeit von bestimmten Bauelementen, die unter Umständen durch äquivalente Bauelemente ersetzt werden müssen, ausgeschaltet werden. Dieses wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß in der Schaltungsanordnung zwischen einer Gleichstromquelle und der einen Kondensatorbelegung ein von einer Quelle für Entsperrungsimpulse aus elektronisch gesteuerter Schalter, vorzugsweise ein Transistor, eingeordnet ist und daß zwischen derselben Kondensatorbelegung und einer zweiten, gleichpolarisierten Gleichstromquelle von vorbestimmtem, stabilisiertem, vorzugsweise einstellbarem Potential ein Stromventil eingeordnet ist, über welches nach erfolgter Aufladung der Kondensator-Elektrische Schaltungsanordnung
zur Erzeugung einer linearen Entladungscharakteristik eines Kondensators

Anmelder:
Contraves A. G., Zürich (Schweiz)

Vertreter: Dipl.-Ing.E. Rathmann, Patentanwalt,
Frankfurt/M., Neue Mainzer Str. 40-42

Beanspruchte Priorität:"
Schweiz vom 1. März 1957

Hermann August Gähwüer, Zürich (Schweiz),
ist als Erfinder genannt worden

kapazität auf das Potential der zweiten Gleichstromquelle der überflüssige Ladestrom über die Kollektorelektrode eines zweiten .Transistors abfließt und der Entladestrom mit Hilfe eines veränderbaren, in die Emitter- oder Basiselektrode des zweiten Transistors geleiteten Steuerstromes auf einen gewünschten konstanten Wert einstellbar ist.

Auf diese Weise wird erreicht, daß die Entladung nicht mehr davon abhängt, ob bestimmte Bauelemente, wie etwa einer der Transistoren, der Kondensator oder ein Stromventil, durch ein gleichwertiges Bauelement ersetzt werden müssen, da die Betriebskennlinien dieser Elemente den zeitlichen Verlauf der Spannung am Kondensator nicht beeinflussen können.

Die Erfindung schafft also die Möglichkeit, eine ideal lineare Entladungscharakteristik von Kondensatoren über den ganzen Bereich der Ladespannung zu erzielen. Dabei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß an Transistoren der Kollektorstrom durch entsprechende Einstellung eines Steuerstromes in die Emitter- bzw. Basiselektrode auf einen von der Größe der wirksamen Quellenspannung praktisch unabhängigen Wert einstellbar ist, der auch praktisch unabhängig von der Temperatur ist, sofern die Entladung über die Kollektor-Basis- (bzw. Kollektor-Emitter-) Strecke des Transistors erfolgt und eine entsprechende Steuerstromquelle an die Emitter- bzw. Basiselektrode angelegt wird.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eignet sich besonders gut zur Erzeugung einer idealen Sägespannung, d. h. einer Spannung, die periodisch auf

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einen Wert U_c springt und dann innerhalb der Periodendauer linear auf den Wert Null absinkt.

Mit der Schaltung nach der Erfindung läßt sich eine Impulsbreiten-Modulationseinrichtung aufbauen, wie sie in Fig. 1 der Zeichnung als Ausführungsbeispiel dargestellt ist.

Fig. 2 zeigt Zeitdiagramme einzelner Spannungsgrößen.

In Fig. 1 sind mit Bl, B 2 und BZ drei Gleichspannungsquellen bezeichnet, die einpolig an den ge- ίο meinsamen Nulleiter LO mit dem Potential Null angeschlossen sind und die Leiter Ll, L2, L3 auf Potentialen + U₁ bzw. + U₂ bzw. — CZ₃ halten, wobei das Potential U₁ höher als das Potential U₂ ist. Mit MV ist ein Multivibrator oder eine ähnliche Quelle für periodisch auftretende, kurzzeitige Spannungsimpulse bezeichnet, welche von diesem bekannten Gerät an die Eingangswicklung eines Übertragers Ue abgegeben werden.

Die eine Belegung eines Kondensators C ist an den Nulleiter LO und seine andere Belegung ist an die Emitterelektrode eines Transistors Tl angeschlossen, dessen Kollektorelektrode an den Leiter Ll mit der Spannung U₁ angeschlossen ist. Die Sekundärwicklung des Übertragers Ue, an welcher periodisch erscheinende (z. B. zehnmal pro Sekunde), kurzzeitig (z. B. 2 bis 4 msec) wirksame Entsperrungsimpulse für den Kollektorkreis des Transistors Tl induziert werden, liegt zwischen der Emitter- und der Basiselektrode des Transistors.

Über die Diode D1 ist die obere Belegung des Kondensators C auch mit der Leitung L2 von Potential U₂ verbunden, welche den überflüssigen Ladestrom aus dem Transistor Tl auf die Leitung L 2 abfließen läßt, sobald die Spannung U_c am Kondensator C das gewünschte Potential U₂ erreicht hat.

Die Entladung des Kondensators C erfolgt über die Kollektorelektrode des Transistors T2, dessen Basis an den Nulleiter LO angeschlossen ist und dessen Emitter elektrisch über einen Festwiderstand Rl und einen veränderbaren Potentiometerwiderstand P1 an die negative Steuerspannungsquelle L3 (Batterie B3) angeschlossen ist. Je nach der Einstellung des Abgriffwiderstandes am veränderbaren Widerstand Pl ergibt sich ein bis zu einem Minimalwert stufenlos veränderbarer Entladestrom für den aufgeladenen Kondensator C. Dabei ist der durch die Größe des Festwiderstandes Rl und den Wert der Spannung U₃ bestimmte Minimalwert des Entladungsstromes so bemessen, daß der auf die Spannung U aufgeladene Kondensator C in der Zeit T (z. B. 100 msec) zwischen zwei Aufladungen vollständig entladen wird (s. Spannungsgerade U_c von Fig. 2 a), während die Entladung rascher erfolgt, wenn der Entladestrom i_c auf einen größeren Wert eingestellt ist (s. gestrichelte Gerade in Fig. 2 a).

In jedem Falle nimmt die Spannung U_c des Kondensators C in streng linearer Charakteristik ab und springt jeweils periodisch wieder auf den vollen Ladungswert U₂.

Der Kondensator C stellt also in dieser Schaltungsanordnung eine Quelle für eine ideale Sägezahnspannung U_c dar. Nun ist die positiv geladene Belegung des Kondensators C weiterhin über eine Diode£>2 und die Emitter-Basis-Strecke eines Transistors T 3 an eine Modulationsspannungsquelle von stufenlos veränderbarem Wert U_m angeschlossen, während die Kollektorelektrode dieses Transistors TZ über einen Festwiderstand R2 an die Leitung Ll mit dem Potential + U₁ angeschlossen ist.

Die Modulationsspannungsquelle wird durch den verschiebbaren Abgriff an einem Potentiometer P 2 und den Nulleiter gebildet, wobei das Potentiometer/⁵2 zwischen die Leiter L2 und LO eingeschaltet ist. Durch Verschieben des Abgriffkontaktes am Potentiometer P 2 kann also die Modulationsspannung U_m zwischen den Werten 0 und + U₂ stufenlos verändert werden.

In Fig. 2 a ist als Beispiel ein stetig lineares Ansteigen der Modulationsspannung U_m eingezeichnet. Sobald in einer solchen Schaltungsanordnung die Kondensatorspannung U_c auf einen der Modulationsspannung U_m gleichen Wert abgesunken ist, fließt im Kollektorkreis des Transistors T 3 und dem Widerstand R2 der Durchlaßstrom, so daß dann die Spannung t/_a sprunghaft vom vollen Wert U₁ auf einen tieferen Spannungswert absinkt. Wenn der Kondensator nachher wieder auf die Spannung U₂ aufgeladen worden ist, verschwindet der Durchlaßstroin wieder. Auf diese Weise ergibt sich ein Spannungsverlauf Z7_a gemäß Fig. 2 b.

Die Diode D 2 dient nur zur Verbesserung des Sperrwiderstandes Emitter—Basis, der wegen ihrer relativ kleinen Temperaturempfindlichkeit zur Verwendung gelangenden Silikontransistoren.

Die Spannung C/_a liegt an der Basiselektrode eines Schalttransistors Ti, dessen Emitterelektrode am Leiter Ll angeschlossen ist und dessen Kollektorelektrode über einen Festwiderstand i?3 an den Leiter LO angeschlossen ist.

Am Widerstand R3 entsteht nun eine Spannung U_b, deren Verlauf in Fig. 2 c der Zeichnung eingezeichnet ist.

Sie besteht aus einer Reihe von Rechteckimpulsen (Verstärkung der Flankensteilheit durch den Schalttransistor T4!), die je nach konstanter Periodendauer T (bestimmt durch Wiederholungsfrequenz des Multiplikators MV) endigen und je nach einer Zeit (J₁, t₂, h· */") beginnen, welche in Abhängigkeit vom gewählten Wert des Entladestromes i_c und vom Momentanwert der Modulationsspannung U_m veränderlich ist.

Die Abhängigkeit der Impulsdauer ist durch folgende Gleichung gegeben:

wobei für die Modulationsspannung U_m die Bedingungen

0<U_m<U₂

und für den Entladungsstrom i_c die Bedingungen

eingehalten werden müssen.

Es ergibt sich daraus die Möglichkeit einer Impulsbreitenmodulation in linear-funktioneller Abhängigkeit vom Verhältnis

U_m:i_c.

Es liegt im Ermessen des Fachmannes, Transistoren im variierter Anordnung (Polarisierung) unter Polaritätsänderungen der Steuerspannungsquelle in die beschriebene Schaltungsanordnung einzufügen und die Mittel zur Veränderung der Steuergrößen i_c und U_m, die hier als DrehköpfeKl und K2 von die Abgriffkontakte der Potentiometer Pl und P 2 tragenden Gewindespindeln Sl und S2 dargestellt sind, nach den besonderen Bedürfnissen zu gestalten.

Ebenso ist es möglich, durch Veränderung der Aufladespannung U₂ des Kondensators in Abhängigkeit

von veränderlichen Größen und eventuell der Impulsfrequenz weitere Parameter in der Schaltungsanordnung auszunutzen.

Wesentlich ist die Erzielung eines genau beherrschbaren Entladestromes i_c des Kondensators über die Kollektorelektrode eines Transistors.

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrische Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer linearen Entladungscharakteristik eines zeitweise, vorzugsweise periodisch, aufgeladenen und sich in den Zwischenphasen entladenden Kondensators, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer Gleichstromquelle (U₁) und der einen Kondensatorbelegung ein von einer Quelle (MV) für Entsperrungsimpulse aus elektronisch gesteuerter Schalter, vorzugsweise ein Transistor (Tl), eingeordnet ist und daß zwischen derselben Kondensatorbelegung und einer zweiten, gleichpolarisierten Gleichstromquelle von vorbestimmtem, stabilisiertem, vorzugsweise einstellbarem Potential (U₂) ein Stromventil (DV) eingeordnet ist, über welches nach erfolgter Aufladung der Kondensatorkapazität auf das Potential (U₂) der überflüssige Ladestrom über die Kollektorelektrode eines zweiten Transistors (T 2) abfließt und der Entladestrom mit Hilfe eines veränderbaren in die Emitter- oder

Basiselektrode des zweiten Transistors geleiteten Steuerstromes auf einen gewünschten konstanten Wert einstellbar ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kondensator ein Spannungsvergleicher parallel geschaltet ist, welcher einen Transistor (T 3) umfaßt, der unter Wirkung einer zwischen den Werten U₂ und 0 stufenlos veränderbaren Modulationsspannung (U_m) seinen Kollektorstrom sprunghaft verändert, wenn der Kondensator aufgeladen wird und wenn die linear abnehmende Kondensatorspannung (U_c) auf den Wert der Modulationsspannung abgesunken ist.

3. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Steuerung der Impulsbreiten (t_m) von mit der Periode (T) auftretenden Gleichstromimpulse in Funktion des Verhältnisses U_m: i_Q verwendet ist, wobei U_m die stufenlos veränderbare Steuerspannung 0<CU_m<CU₂ und i₀ der oberhalb des Wertes TJ C

H min ~ ebenfalls stufenlos veränderbare Entladestrom des Kondensators (C) ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 886 500.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 699/463 12.58