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Begrenzerschaltung mit Transistoren Es sind Begrenzerschaltungen bekannt,
bei denen für Eingangsspannungen unterhalb des Begrenzungspegels im wesentlichen
proportionale Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Eingangsspannung besteht,
während bei Überschreiten des Begrenzungspegels die Ausgangsspannung im wesentlichen
unabhängig von der Eingangsspannung ist. Für solche Zwecke hat man bereits Schaltungen
verwendet, die aus zwei Transistoren komplementären Leitungstyps bestehen, deren
direkt miteinander verbundene Emitterelektroden und direkt miteinander verbundene
Kollektorelektroden die Ausgangsklemmen der Schaltung bilden, während die Basiselektroden
mittels einer den Begrenzungspegel bestimmenden Spannungsquelle miteinander verbunden
sind und gleichphasig von den zu begrenzenden Eingangsspannungen gesteuert werden,
wobei die eine Eingangsklemme an die Emitterelektroden und die andere Eingangsklemme
über einen Vorwiderstand an die Kollektorelektroden angeschaltet ist.
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Die Erfindung betrifft eine Begrenzerschaltung dieser Art, die sich
insbesondere zur Begrenzung sehr kleiner Spannungen eignet und bei der die vorgenannte,
zwischen den Basiselektroden der Transistoren vorgesehene Spannungsquelle in Fortfall
kommt. Es wird statt dessen vielmehr der Energiesprung der Quantenzustände in der
Emitter-Basis-Strecke der Transistoren zur Erzielung der Begrenzungsspannung ausgenutzt,
so daß die erfindungsgemäße Transistorschaltung ein passives Netzwerk darstellt
und die Möglichkeit des AL',retens von durch die vorgenannte Spannungsquelle bc
' lgten Kriechströmen vermieden ist.
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Bei einer Begrenzerbcnaltung der vorstehend erörterten Art mit zwei
Transistoren komplementären Leitungstyps, deren zusammengeschaltete Emitter-und
Kollektorelektroden an die Ausgangsklemmen angeschlossen sind, sind erfindungsgemäß
die unmittelbar miteinander verbundenen Basiselektroden über eine Serienimpedanz
an die Eingangsklemme angeschlossen, welche selbst über den Vorwiderstand mit den
Kollektorelektroden verbunden ist.
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Von den Figuren zeigt Fig. 1 eine ideale Begrenzungscharakteristik,
wie sie durch die Erfindung angestrebt wird, Fig. 2 eine Begrenzungscharakteristik,
wie sie üblicherweise erzielt wird, Fig. 3 eine schematische Darstellung einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung.
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Bei der in Fig. 1 dargestellten Begrenzungscharakteristik ändert sich
zunächst vom Nullpunkt ausgehend die Ausgangsspannung V (Ordinate) linear mit der
Eingangsspannung V (Abzisse), bis die Ausgangsspannung einen bestimmten positiven
oder negativen Amplitudenwert annimmt, der durch die Punkte 10 und 11 charakterisiert
ist. Eine weitere Zunahme der Eingangsspannung bewirkt keine Änderung der Ausgangsspannung,
wie sich dies aus den horizontalen Abschnitten 12, 13 ergibt. Die Charakteristik
einer üblichen Schaltung dieser Art besitzt nach Fig.2 Biegungspunkte 14, 15, welche
den Knickpunkten 10, 11 der Fig. 1 entsprechen. Eine weitere Zunahme der Eingangsspannung
über diese Punkte hinaus bewirkt eine weitere Zunahme der Ausgangsspannung, wie
sich dies aus den weiter ansteigenden Abschnitten 16, 17 ergibt.
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Die Erfindung bezweckt die Schaffung einer Schaltung, deren Begrenzungskennlinie
sich der idealen Charakteristik weitgehend annähert, indem die Steilheit der Kennlinie
jenseits der Biegungspunkte viel geringer ist als bei üblichen Schaltungen und bei
der die Eingangsspannung bereits bei einem sehr niedrigen Amplitudenwert begrenzt
wird. Die Schaltung nach der Erfindung eignet sich insbesondere zur Verwendung in
einem Verstärker eines Umformgerätes von Analog- zu Digital-Spannungswerten, wenn
festzustellen ist, ob das Analogsignal größer oder kleiner als ein durch Rückkopplung
gesteuertes Digitalsignal ist. Die Eingangsspannung eines solchen Verstärkers kann
innerhalb eines Bereiches von 1: 8000 in beiden Richtungen schwanken, und der Verstärker
muß in gleicher Weise auf kleine wie auf große Eingangswerte
ansprechen.
Wenn ein solcher Verstärker so dimensioniert wird, daß sich unter keinen Umständen
Übersteuerungen ergeben, können sehr niedrige Widerstandswerte benutzt werden, wodurch
Störgeräusche vermieden und kurze Ansprechzeiten unter Vermeidung von Speicherungsvorgängen
im Verstärker erzielt werden.
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Die Erfindung schafft eine bei niedrigem Eingangsniveau arbeitende
Begrenzerschaltung, welche im Eingangskreis eines Verstärkers der genannten Art
verwendet werden kann und in einem weiteren Bereich der Eingangssignale eine Übersteuerung
vermeidet.
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Die erfindungsgemäße Schaltung ist- eine passive Schaltung und benötigt
keine zusätzlichen Spannungsquellen, abgesehen von .dem Eingangssignal. Wenn Batterien
oder andere Spannungsquellen in Schaltungen der vorstehend erörterten Art benutzt
werden, ergeben sich im allgemeinen nämlich Streuströme, die eine unsymmetrische
Arbeitsweise zur Folge haben. Die erfindungsgemäße Schaltung kennzeichnet sich ferner
dadurch, daß die Entkopplung des Eingangskreises vom Ausgangskreis keine besondere
Rolle spielt, da die einzige vorhandene Spannung die Eingangsspannung ist.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig.3 ist eine übliche Diodenbegrenzerstufe
A mit der erfindungsgemäßen Begrenzerschaltung B in Serie geschaltet, wobei die
Eingangsklemmen mit 20, 21 und die Ausgangsklemmen mit 22, 23 bezeichnet
sind. Ein Verstärker 24 ist an die Ausgangsklemmen angeschlossen und bildet den
Belastungskreis der Schaltung. Es ist indessen darauf hinzuweisen, daß die erfindungsgemäße
Schaltung B auch unabhängig von der vorgeschalteten Diodenbegrenzerstufe A verwendet
werden kann.
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Bei der an sich bekannten Vorstufe A ist ein Widerstand
30 in Serie zwischen die eine Eingangsklemme 20 und die eine Ausgangsklemme
31 geschaltet. Die Dioden 32, 33 sind zwischen die Klemme 31 und die andere Eingangsklemme
21 geschaltet, wobei die beiden Dioden umgekehrt zueinander gepolt sind. Es können
an sich Dioden beliebiger Art Anwendung finden, vorzugsweise werden Silizium-Kristalldioden
verwendet. Eine derartige Begrenzerstufe besitzt die in Fig. 2 dargestellte Charakteristik.
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Bei der erfindungsgemäßen Begrenzerschaltung B ist ein vorzugsweise
ohmscher Vorwiderstand 36 zwischen den als Eingangsklemme wirkenden Punkt 31 und
die Ausgangsklemme 22 eingeschaltet. Die Eingangsklemme 21 ist üblicherweise mit
der Ausgangsklemme 23 direkt leitend verbunden. Ein npn-Transistor 37 ist an die
Ausgangsklemmen angeschaltet, wobei die Kollektorelektrode an die Klemme 22 und
die Emitterelektrode an die Klemme 23 angeschaltet ist. Ein pnp-Transistor 38 ist
in ähnlicher Weise an die Ausgangsklemmen angeschaltet, und zwar seine Kollektorelektrode
an die Klemme 22 und seine Emitterelektrode an die Klemme 23. Die Basiselektroden
sind miteinander verbunden und über eine vorzugsweise ohmsche Serienimpedanz 39
an den Verbindungspunkt 31 angeschlossen, wobei dieser Widerstand ein Begrenzerwiderstand
ist und den schädlichen Einfluß von Übersteuerungen verhütet.
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Die Wirkungsweise der Schaltung unter drei verschiedenen Bedingungen
soll nachstehend erörtert werden, nämlich bei der Eingangsspannung Null, bei niedriger
Eingangsspannung und bei größerer Eingangsspannung. Bei der Eingangsspannung Null
ist auch die Ausgangsspannung Null, da die gesamte Schaltung ein passives Netzwerk
ist und in ihr außer der Eingangsspannung keine Spannungsquelle wirksam ist.
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Bei einer niedrigen Eingangsspannung wird keiner der beiden Transistoren
leitend, und jeder besitzt daher einen hohen Innenwiderstand. Unter diesen Bedingungen
ist die Wirkungsweise der Schaltung derart, als wenn der Eingangskreis an den Ausgangskreis
über den Vorwiderstand 36 angeschlossen wäre. Es besteht daher eine lineare Abhängigkeit
des Ausgangssignals vom Eingangssignal, wenn, was im allgemeinen der Fall ist, der
Widerstand 36 ein linearer Widerstand ist.
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Wenn die Eingangsspannung nach einer Richtung über einen bestimmten
Spannungswert zunimmt, so wird der eine Transistor stromleitend und wirkt als parallel
zu den Ausgangsklemmen liegender Widerstand. Es nimmt dabei die Impedanz des stromführenden
Transistors mit zunehmender Eingangsspannung ab, und er erreicht eine Minimalimpedanz
von 2 bis 6 Ohm bei den jetzt gebräuchlichen Transistoren. Der Ersatzkreis für diese
dritte Bedingung der Eingangsspannung ist die Verbindung der Eingangsklemmen mit
den Ausgangsklemmen über einen Vorwiderstand 36, wobei die Ausgangsklemmen durch
die Transistorimpedanz von ungefähr 6 Ohm überbrückt sind.
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Wenn die Eingangsspannung an der Stelle 31 positiv in bezug auf die
Klemme 21 ist, werden die Basiselektroden beider Transistoren positiv in bezug auf
die Emitterelektroden. Der pnp-Transistor 38 beginnt dann Strom zu führen. Wenn
die Eingangsspannung am Punkt 31 negativ in bezug auf die Klemme 21 ist, wird die
Basiselektrode beider Transistoren negativ in bezug auf die Emitterelektrode, und
der npn-Transistor 37 wird stromführend.
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Die entgegengesetzt gepolte Parallelschaltung verhindert, daß die
Transistoren nichtlineare Ströme oder Spannungen in den Stromkreis einführen, da
die Transistoren Unsymmetrien in gleicher Größe, aber in entgegengesetzter Richtung
erzeugen, so daß sich diese Wirkungen aufheben. Da ferner keine zusätzliche Spannungsquelle
für die Transistoren erforderlich ist, ergibt sich nicht die Möglichkeit, daß Kriechströme
aus dem Eingangskreis übertreten und Verzerrungen bewirken. Die Eingangs-Ausgangs-Charakteristik
der erfindungsgemäßen Schaltung ist im wesentlichen diejenige, die in Fig. 1 dargestellt
ist, und die Linien 12 und 13 sind im wesentlichen horizontal.
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In Fig. 3 wurde die Anwendung von Flächentransistoren vorausgesetzt,
es ist jedoch auch möglich, Spitzentransistoren oder andere nichtlineare Schaltelemente
zu verwenden, welche ähnliche Charakteristiken besitzen. Die Widerstandswerte der
Widerstände 36 und 39 sind nicht allzu kritisch, vorzugsweise gleiche Widerstände
in der Größenordnung von 1000 Ohm geben zufriedenstellende Resultate.