DE1296206B - Gleichstrom-Gegentakt-Verstaerker fuer Messzwecke - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichstrom- c) der innere Widerstand des Meßsignalgebers ist

Gegentakt-Verstärker für Meßzwecke, insbesondere so klein mit Bezug auf den Eingangswiderstand

zur Messung von physikalischen Größen, die Tem- der beiden Transistoren, daß die Summe der bei-

peratur, Feuchtigkeit usw., mit zwei Transistoren in den dem Eingang zufließenden Gegenkopplungs-

Emitterschaltung, zwischen deren den Eingang bil- 5 ströme praktisch konstant ist. denden Basiselektroden ein Meßsignalgeber gelegt Bei diesem Aufbau besitzt jeder Transistor wegen

wird, und mit Stromgegenkopplung. der starken Gegenkopplung einen äußerst stabilen

Die Genauigkeit von Meßverstärkern hängt in Arbeitspunkt, wodurch insbesondere alle symmetrisch starkem Maße von ihrer Empfindlichkeit gegenüber auftretenden Einflüsse (Spannungsschwankungen, äußeren Einflüssen ab. Schwankungen der Netzspan- io Temperaturschwankungen) eliminiert werden. Zwar nung oder der Batteriespannung, Änderungen der wird wegen der starken Gegenkopplung auch in die-Umgebungstemperatur oder der im Transistor durch sem Fall kein zwischen Basis und Emitter angelegtes Stromwärme erzeugten Temperatur u. dgl. führen zu Eingangssignal verstärkt. Ein zwischen die Basiselekerheblichen Änderungen des Arbeitspunktes und da- troden der beiden Transistoren gelegtes Eingangsmit zu einer Verfälschung der verstärkten Meßsignale. 15 signal wird aber in normaler Weise verstärkt, indem Es ist ein Verstärker der eingangs beschriebenen es den Arbeitspunkt des einen Transistors anhebt Art bekannt, bei dem im Kollektorkreis der beiden und denjenigen des anderen absenkt. Infolgedessen Transistoren je eine Hälfte der Wicklung eines Meß- ändert sich die Spannung am Kollektor der beiden wertumformers und ein gemeinsamer Kollektorwider- Transistoren gegensinnig. Dies führt zu einer Ändestand liegen. Die Basis jedes Transistors ist über 20 rung des Gegenkopplungsstromes. Da gleichzeitig einen Widerstand mit einem Abgriff am Kollektor- aber ein Ausgleichsstrom über den Meßsignalgeber widerstand bzw. mit einem Punkt zwischen diesem fließt, bleiben die Basisströme, soweit sie von den und dem Meßwertumfonner verbunden. Hiermit läßt Gegenkopplungsströmen abhängen, trotzdem konsich nur eine teilweise Stabilisierung erreichen. stant. Verstärkung und Gegenkopplung beeinflussen

Es ist bei Gleichstromverstärkern auch bekannt, 25 sich daher wechselseitig wenig oder überhaupt nicht, bei zwei in Parallelzweigen liegenden Transistoren Die Summe der zum Eingang fließenden Gegenden Arbeitspunkt dadurch zu stabilisieren, daß zur kopplungsströme kann um so eher als konstant beGegenkopplung jeweils der Kollektor mit der Basis trachtet werden, je kleiner der innere Widerstand des über einen Widerstand verbunden wird. In einem Signalgebers im Verhältnis zu dem Eingangswiderersten Fall ist an die beiden Basiseingänge ein Meß- 30 stand der beiden Eingangstransistoren ist. Besonders Signalgeber hohen Innenwiderstandes angeschlossen, geeignet ist beispielsweise ein Meßsignalgeber in und die Spannung wird an einem Emitterwiderstand Form einer Meßbrücke.

abgenommen. In einem anderen Fall bildet je eine Besonders zweckmäßig ist es, wenn das Ausgangs-

Hälfte des Meßsignalgebers Teil einer Reihenschal- signal unsymmetrisch an einer Emitter-Kollektortung, die außer dem Transistor noch den Kollektor- 35 Strecke oder am zugehörigen Kollektor-Lastwider-Lastwiderstand aufweist. In den beiden Fällen muß stand abgenommen wird.

die Gegenkopplung klein gehalten werden, weil der Bei einem Versuch wurde der Meßverstärker zur

Verstärkungsgrad abnimmt, bis bei einer Gegen- Temperaturmessung benutzt. Hierbei wurde die kopplung von etwa Eins überhaupt keine Verstär- Außentemperatur von —20 bis +60° C verändert, kung mehr auftritt. Man war daher gezwungen, einen ₄₀ Der größte innerhalb dieses Temperaturbereichs aufKompromiß zwischen der erzielbaren Verstärkung tretende Fehler des Meßverstärkers lag bei 0,02° C, und der erzielbaren Stabilität zu schließen. _was die Stabilität über einen außerordentlich großen

Des weiteren sind Gegentakt-Verstärker bekannt, Temperaturbereich beweist.

bei denen zwei Zweige parallel geschaltet sind, die je Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist

aus einer Emitter-Kollektor-Strecke und einem KoI- 45 dafür gesorgt, daß die Gegentakt-Transistoren zu der lektorwiderstand bestehen, wobei das Ausgangssignal Eingangsstufe des Verstärkers gehören und das unsymmetrisch an einer Strecke oder am zugehörigen unsymmetrische Ausgangssignal einer kippenden Kollektorwiderstand abgenommen wird. Gleichstromverstärkerstufe zugeführt wird, die durch

Es gibt auch kippende Gleichstromverstärkerschal- eine Gleichstrommitkopplung mit der Kollektortungen mit zwei Transistoren, die durch eine Mit- 50 elektrode des zugehörigen Gegentakt-Transistors verkopplung zwischen dem Kollektor des zweiten Tran- bunden ist. Beispielsweise kann die kippende Stufe sistors und der Basis des ersten Transistors in einen durch eine Schmitt-Schaltung gebildet sein. Da die anderen Schaltzustand kippen, wenn das Eingangs- kippende Verstärkerstufe nur zwei Zustände besitzt signal einen bestimmten Wert überschreitet. und ihr Eingang genügend stabilisiert ist, kann durch

Der Erfindung liegt die Aufgaabe zugrunde, einen 55 diese nachgeschaltete Verstärkerstufe kein wesent-Gleichstrom-Gegentakt-Verstärker für Meßzwecke licher Fehler in das Meßergebnis eingeführt werden, anzugeben, der bei einfachem Aufbau sowohl eine Außerdem besitzt ein solcher Verstärker eine gute Verstärkung des Eingangssignals als auch eine Schwelle, also einen Abstand zwischen dem Meßgute Stabilität der Schaltung aufweist. wert, bei dem das Umkippen erfolgt, und dem Mteß-Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch 60 wert, bei dem das Zurückkippen erfolgt, wie sie für die Kombination der Merkmale: ein eindeutiges Regelverhalten erforderlich ist. In-

\ tv τ» ·τ_ ι. ix τ- ·** tr η ι folge der gemeinsamen Verwendung der Mitkopp-

a) Die Reihenscha tungen von Emitter-Kollektor- _]uIf _{im E} *_{pkreis und der G ko} J_{1 im G} *£_

Strecke und Kollektor-Lastwiderstand der beiden _takf_krejs $ _{diese Diffe}renz wesentlich kleiner als Transistoren smd parallel geschaltet; _{65 bd einem normalen Kippverstärker und daher be}_

b) je ein Widerstand zwischen Kollektor und Basis sonders gut für Regel- und Steuerzwecke geeignet, jedes der beiden Transistoren erzeugt eine Strom- Insbesondere kann ein solcher Verstärker zur direkgegenkopplung von etwa Eins; ten Steuerung eines Relais im Ausgang dienen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können die Kollektorelektroden beider Gegentakt-Transistoren über je eine Gleichstromkopplung mit je einer insbesondere kippenden Gleichstrom-Verstärkerstufe verbunden sein. Je nach der Polarität des Eingangssignals wird dann die eine oder die andere nachgeschaltete Verstärkerstufe wirksam. Man kann daher beispielsweise bei einer Klimaanlage mit dem gleichen Meßsignalgeber, ohne eine Umschaltung

Emitter-Kollektor-Strecke nebst je einem Kollektor-Lastwiderstand R₁ und R₂ parallel zueinander an einer Gleichspannung, die über Klemmen 1 und 2 zugeführt wird, wobei die Klemme 1 positiv gegenüber der Klemme 2 ist. Zwischen Kollektor und Basis des Transistors T₁, also zwischen den Punkten 3 und 4, liegt ein Widerstand R_s, der eine Gegenkopplung von etwa Eins bewirkt. Zwischen Kollektor und Basis des Transistors T₂, also zwischen den

vornehmen zu müssen, einerseits ein Zulaufventil für io Punkten 5 und 6, liegt ein Widerstand i?₄, der eben-

das Heizmedium und andererseits ein Zulaufventil falls eine Gegenkopplung von etwa Eins bewirkt,

für das Kühlmedium steuern. Bei Verwendung von Zwischen den Klemmen 7 und 8, die mit je einer

kippenden Verstärkerstufen ergibt sich zwischen den Basis der Transistoren T₁ und T₂ verbunden sind,

Ansprechwerten eine symmetrisch zur Null-Stellung wird der Meßsignalgeber angeschlossen, der eine

des Meßsignals liegende tote Zone, die für derartige 15 Meßsignalspannung E_M abgibt. Deren Polarität sei

Regelvorgänge von Vorteil ist. Bei alledem ändert im vorliegenden Fall so gewählt, daß die Klemme 8

sich nicht die Grundeigenschaft der Eingangsstufe, positiv gegenüber der Klemme 7 ist.

nämlich die Stabilität unabhängig vom Verstärkungs- An den Punkt 3 ist die Basis eines Transistors T₃

grad. angeschlossen, dessen Kollektor mit der Basis eines

Man kann nicht nur den neutralen Wert der toten 20 komplementär geschalteten Transistors T₄ verbunden

Zone, also den Punkt der Polaritätsumkehr des Meß- ist. Im Kollektorkreis des Transistors T₁ liegt ein

signals, durch eine Einstellung am Meßsignalgeber ändern, sondern man kann auch die Breite der toten Zone genau festlegen. Dies kann dadurch geschehen, daß eine vorzugsweise einstellbare Vorspannung über je einen Schutzwiderstand symmetrisch den Basiselektroden zugeführt wird. Hierdurch werden die Arbeitspunkte der beiden Eingangstransistoren, ohne daß die übrige Funktion gestört wird, eingestellt bzw. verändert.

Nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung kann die kippende Gleichstrom-Verstärkerstufe aus einem Gleichstrom-Komplementär-Verstärker bestehen, bei dem der Kollektor des ersten Transistors

Relais S₁. Ein Mitkopplungs-Widerstand R₅ ist zwischen den Punkt 3 und einen Punkt 9 geschaltet, der zwischen dem Transistor T₄ und dem Relais S₁ liegt. Diese Schaltung arbeitet wie folgt: Infolge der Gegenkopplung durch die Widerstände R₃ und A₄ werden die Arbeitspunkte der Transistoren T₁ und T₂, also die Spannungen an den Punkten 3 und 5, unabhängig von äußeren Einflüssen stabil gehalten. Die Meßsignalspannung E_M führt jedoch dazu, daß der Transistor T₁ in einen weniger leitenden Zustand und der Transistor T₂ in einen mehr leitenden Zu-

stand gebracht wird. Dies führt zu einer Spannungserhöhung im Punkt 3 und einer Spannungserniedrimit der Basis des zweiten Transistors verbunden und 35 gung im Punkt 5 mit einem den Transistordaten entzwischen Basis des ersten Transistors und Kollektor sprechenden Verstärkungsverhältnis.

Dieser Vorgang wird nicht durch die Gegenkopplung gestört. Zwar ändert sich der Gegenkopplungsstrom über die Widerstände R_s und i?₄ proportional 40 zur Spannung in den Punkten 3 bzw. 5. Die Spannungsdifferenz zwischen den Punkten 7 und 8 bleibt jedoch — wenn man die Signalspannung E_M festhält — konstant, weil einer Erhöhung des Gegenkopplungsstromes im Bereich des einen Transistors 45 eine gleich große Erniedrigung des Gegenkopplungsstromes im Bereich des anderen Transistors zugeordnet ist. Infolgedessen ist das an dem Punkt 3 abzunehmende Ausgangssignal nur von dem Meßeingangssignal an den Klemmen 7 und 8 abhängig, fließt, an der Basiselektrode des Eingangstransistors 50 nicht dagegen von irgendwelchen anderen, symmeeine Spannungsabsenkung hervorruft und dadurch trisch auf die Eingangsstufe wirkenden Einflüssen,
den Arbeitspunkt dieses Transistors im Sinne einer Der Transistor T₃ sei, genauso wie die Transisto-

geringeren Umschaltdifferenz der kippenden Ver- ren T₁ und T₂, vom npn-Typ, während der Transtärkerstufe beeinflußt. sistor T₄ vom pnp-Typ sei. Infolgedessen wird der

Insbesondere empfiehlt es sich hierbei, daß der 55 Transistor T₃ leitend, wenn die Spannung am Punkt 3 erste Transistor des Komplementär-Verstärkers vom einen vorgegebenen Wert überschritten hat. Sobald gleichen Typ wie die Transistoren der Eingangsstufe der Transistor T₃ leitend wird, wird auch der Tranist, vorzugsweise vom npn-Typ. sistor T₄ durchlässig. Sobald dies geschehen ist, fließt Die Erfindung wird nachstehend an Hand zweier ein Mitkopplungsstrom über den Widerstand R₅, der Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der 60 ein äußerst rasches und sicheres Kippen der zweiten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt Verstärkerstufe verursacht, so daß das Relais S₁

sicher anzieht.

Eine kräftige Mitkopplung gibt normalerweise eine große Differenz, d. h., die Spannung am Punkt 3

des zweiten Transistors ein Mitkopplungswiderstand geschaltet ist, wobei der Kollektor des zweiten Transistors mit einem Lastwiderstand, insbesondere einem Relais, versehen ist.

Durch die Mitkopplung wird der Kippvorgang der Verstärkerstufe noch beschleunigt. Temperatureinflüsse sind von noch geringerer Bedeutung. Deshalb ist ein solcher kippender Verstärker von allgemeinem Interesse.

In Verbindung mit der speziellen Eingangsstufe jedoch ergibt sich ein zusätzlicher Vorteil dadurch, daß ein Teil des Mitkopplungsstromes über den Gegenkopplungswiderstand der Eingangsstufe ab-

Fig. 1 ein Schaltbild für einen Verstärker mit einem Ausgang,

Fig. 2 ein Schaltbild für einen Verstärker mit zwei Ausgängen und

Fig. 3 in einem Diagramm die Funktionsweise des Verstärkers nach F i g. 2.

Zwei Transistoren T₁ und T₂ liegen mit ihrer

müßte sehr stark absinken, ehe der Transistor T₄ in den nichtleitenden Zustand zurückkehrt. In der hier beschriebenen Schaltung wird aber ein Teil des Mitkopplungsstromes vom Punkt 3 über den Widerstand

A₃ als Gegenkopplungsstrom zum Punkt 4 geleitet. Der Mitkopplungsstrom bis zu Punkt 3 veranlaßt eine Steigung des Gegenkopplungsstromes durch R₃ bis zu Punkt 4. Dies ergibt eine Spannungssenkung in Punkt 3, solange der Mitkopplungsstrom vornanden ist. Dies wiederum bewirkt, daß die Differenz des Einganges 7-8 herabgesetzt wird. Da diese künstliche Spannungsabsenkung verschwindet, wenn der Mitkopplungsstrom entfällt, also wenn das Relais abfällt, hat sie keinen Einfluß auf die Regelgenauigkeit.

Bei dem Verstärker nach F i g. 2 sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in F i g. 1 versehen. Demnach ist auch an den Punkt 5 ein kippender Gleichstrom-Verstärker angeschlossen, der dem vom Punkt 3 gesteuerten Verstärker entspricht und einen ersten Transistor T₅, einen zweiten Komplementär-Transistor T₆ und einen zwischen dem Kollektorpunkt 10 und dem Punkt 5 liegenden Mitkopplungswiderstand R₆ aufweist. Dieser Verstärker steuert ein Relais S₂. Ferner sind die Gegenkopplungswiderstände R₅ und A₄ jeweils durch einen Kondensator C₁ bzw. C₂ überbrückt, während Kondensatoren C₃ und C₄ parallel zu den Relais S₁ und S₂ liegen. Mit Hilfe dieser Kondensatoren kann der Schaltung eine passende Zeitkonstante zugeordnet werden.

Ein Spannungsteiler, bestehend aus einer Zener-Diode D₁ und einem Widerstand R₁ hält die Spannung am Verbindungspunkt 11 zwischen diesen EIementen etwa konstant. Zwischen dem Punkt 11 und einem Punkt 12 liegt ein Widerstand R₈ in Reihe mit einem Widerstand R₉ und einem diesen überbrückenden Regelwiderstand R₁₀. Der Punkt 12 ist über einen Schutzwiderstand R₁₁ mit dem Basispunkt 4 des Transistors T₁ und über einen Schutzwiderstand R₁₂ mit dem Basispunkt 6 des Transistors T., verbunden. Infolgedessen kann durch Veränderung des Regelwiderstandes R₁₀ die Spannung an den Punkten 4 und 6 und damit an den Punkten 3 und 5 gleichmäßig angehoben oder abgesenkt werden. Dies bewirkt eine Änderung der Breite der toten Zone.

Der Meßsignalgeber, der an den Klemmen 7 und 8 liegt, besteht hier aus einer Brückenschaltung, die in ihren vier Zweigen zwei feste Widerstände R₁₃ und R₁₄, einen Regelwiderstand U₁₅ zur Einstellung der Bezugsgröße und einen Fühler F in Form eines temperaturabhängigen Widerstandes aufweist. Die Brücke wird durch eine Batterie B gespeist. Der Fühler kann selbstverständlich auch irgendeine andere physikalische Größe messen, beispielsweise die Feuchtigkeit.

Es sei angenommen, daß mit Hilfe der Schaltung der F i g. 2 die Raumtemperatur gemessen und in Abhängigkeit von dieser Temperatur durch das Re-Iais S₁ ein Heizmittel-Zulaufventil und durch das Relais S₂ ein Kühlmittel-Zulauf ventil betätigt wird. Dann ergibt sich das aus F i g. 3 ersichtliche Funktionsschema, bei dem über der Temperatur t die Erregungszustände / (S₁) und / (S₂) der beiden Re-IaIsS₁ und S₂ dargestellt sind.

Mit t₀ sei die Temperatur bezeichnet, in der die Brückenschaltung in Ruhe ist, also keine Spannung ergibt. In dieser Stellung sind beide Relais S₁ und S₂ nicht erregt. Sinkt die Temperatur auf den Wert t_v so kippt die rechte Verstärkerstufe von dem Erregungszustand I in den Erregungszustand II, bei dem das Relais S₁ erregt ist. Entsprechend wird dem überwachten Raum Heizmittel zugeführt. Sobald die Temperatur wieder ansteigt und den Wert t₂ erreicht hat, kehrt die rechte Verstärkerstufe in den Erregungszustand I zurück. Wenn die Temperatur weitersteigt und den Wert t_z erreicht, kippt die linke Verstärkerstufe in den Erregungszustand II, so daß Kühlmittel zugeführt wird. Wenn die Temperatur wieder absinkt und den Wert i₄ erreicht, kehrt die linke Verstärkerstufe in den Erregungszustand I zurück. Zwischen den Temperaturen U und i₄ befindet sich eine tote Zone z, in der die gesamte Anordnung inaktiv ist, so daß sich die Heiztätigkeit und die Kühltätigkeit nicht gegenseitig stören. Die Differenz zwischen den Temperaturen t_t und t₂ bzw. t₃ und i₄ nennt man Differenz d; sie ist notwendig, um einer Regelschaltung ein stabiles Verhalten zu geben.

Bei dem angeführten Ausführungsbeispiel kann man den Wert i₀ durch eine Veränderung des Bezugswiderstandes R₁₅ des Meßsignalgebers ändern. Die Breite der toten Zone ζ kann durch eine Verstellung des Einstellwiderstandes A₁₀ vorgenommen werden. Die Differenz d ist der Verstärkerstufe fest eingegeben; man könnte sie jedoch durch eine Veränderung des Mitkopplungswiderstandes R₅ bzw. R₆ auf einen gewünschten Wert einstellen.

Aus dem Schaltbild ist leicht erkennbar, daß man die Ausgangsspannung an der Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors T₁ bzw. T₂ oder einem zugehörigen Kollektor-Lastwiderstand R₁ bzw. R₂ abnehmen kann.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Gleichstrom-Gegentakt-Verstärker für Meßzwecke, insbesondere zur Messung von physikalischen Größen, die Temperatur, Feuchtigkeit usw., mit zwei Transistoren in Emitterschaltung, zwischen deren den Eingang bildenden Basiselektroden ein Meßsignalgeber gelegt wird, und mit Stromgegenkopplung, gekennzeichnet durch die Kombination der Merkmale:

a) Die Reihenschaltungen von Emitter-Kollektor-Strecke und Kollektor-Lastwiderstand (A₁, -R₂) der beiden Transistoren (T₁, T₂) sind parallel geschaltet;

b) je ein Widerstand (A₃, R_A) zwischen Kollektor und Basis jedes der beiden Transistoren (T₁, T₂) erzeugt eine Stromgegenkopplung von etwa Eins;

c) der innere Widerstand des Meßsignalgebers ist so klein mit Bezug auf den Eingangswiderstand der beiden Transistoren (T₁, T₂), daß die Summe der beiden, dem Eingang zufließenden Gegenkopplungsströme praktisch konstant ist.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal unsymmetrisch an einer Emitter-Kollektor-Strecke oder am zugehörigen Kollektor-Lastwiderstand abgenommen wird.

3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegentakt-Transistoren (T₁, T₂) zu der Eingangsstufe des Verstärkers gehören und das unsymmetrische Ausgangssignal einer kippenden Gleichstromverstärkerstufe (T₃, T₄; T₅, T₆) zugeführt wird, die durch eine Gleichstrommitkopplung (Widerstand R₅, R₆)

mit der Kollektorelektrode des zugehörigen Gegentakt-Transistors verbunden ist.

4. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorelektroden beider Gegentakt-Transistoren (T₁, T₂) über je eine Gleichstrommitkopplung (Widerstand R₅, R₆) mit je einer, insbesondere kippenden Gleichstromverstärkerstufe (T₃, T₄; T₅, T₆) verbunden sind.

5. Verstärker nach Anspruch 4, dadurch ge- ίο kennzeichnet, daß eine vorzugsweise einstellbare Vorspannung über je einen Schutzwiderstand (R_n, R₁₂) symmetrisch den Basiselektroden zugeführt wird.

6. Verstärker nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die kippende Gleichstromverstärkerstufe aus einem Gleich-

strom-Komplementär-Verstärker (T₃, T₄; T₅, T₆) besteht, bei dem der Kollektor des ersten Transistors mit der Basis des zweiten Transistors verbunden und zwischen Basis des ersten Transistors und Kollektor des zweiten Transistors ein Mitkopplungswiderstand (R₅; R₆) geschaltet ist, wobei der Kollektor des zweiten Transistors mit einem Lastwiderstand, insbesondere einem Relais (S₁, S₂) versehen ist.

7. Verstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor (T₃; T₅) des Komplementärverstärkers vom gleichen Typ wie die Gegentakt-Transistoren (T₁, T₂) ist, vorzugsweise vom npn-Typ.

8. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßsignalgeber die Form einer Meßbrücke hat.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 909522/362