NO134352B - - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en gyratorkobling eller en energi-seringskrets som bare inneholder to tilkoblingsklemmer og som tjener følgende funksjoner. The present invention relates to a gyrator coupling or an energizing circuit which only contains two connection terminals and which serves the following functions.

Kretsen virker som en gyrator, det vil si at den transformerer The circuit acts as a gyrator, that is, it transforms

en kapasitans til an virtuell induktans som fremkommer mellom de to tilkoblingsklemmer. a capacitance to a virtual inductance that appears between the two connection terminals.

Koblingen virker som en strømkilde for en ytre belastning som er koblet i serie med den virtuelle induktans. The link acts as a current source for an external load which is connected in series with the virtual inductance.

Koblingen virker også til å gi en strømbegrensning gjennom belastningen. The coupling also acts to provide a current limitation through the load.

Som man forstår vil det være mange anvendelser for en slik krets. Særlig godt er den egnet i forbindelse med kraftforsyning av elektro-niske kretser.Koblingen tillater således f.eks. en realisering av følgende kretser. As can be understood, there would be many applications for such a circuit. It is particularly well suited in connection with the power supply of electronic circuits. The connection thus allows e.g. a realization of the following circuits.

-Filtersystemer med serie-induktans innganger hvor verdien til -Filter systems with series inductance inputs where the value of

den virtuelle induktans kan nå flere Henry selv når det benyttes en kondensator med en relativ liten verdi. the virtual inductance can reach several henries even when a capacitor with a relatively small value is used.

-Kraftforsyningsenheter stabilisert ved hjelp av en zener diode -Power supply units stabilized using a zener diode

hvor motstandene som styrer zener dioden erstattes av nevnte gyrator. where the resistors that control the zener diode are replaced by said gyrator.

I begge disse tilfelle vil en strømbegrenset gyrator gi en bedre filtrering og en beskyttelse mot kortslutninger av belastningen. Man vil merke seg at disse fordeler kan kombineres med en liten verdi på likestrømsmotstanden dersom dette er ønskelig. In both of these cases, a current-limited gyrator will provide better filtering and protection against short circuits of the load. It will be noted that these advantages can be combined with a small value of the direct current resistance if this is desired.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er således å realisere en strømbegrenset gyrator som bare har to tilkoblingsklemmer. The purpose of the present invention is thus to realize a current-limited gyrator which only has two connection terminals.

Dette oppnås ifølge foreliggende oppfinnelse ved å utforme gyratorkoblingen i overensstemmelsen med de nedenfor fremsatte patent-krav. This is achieved according to the present invention by designing the gyrator coupling in accordance with the patent claims set out below.

For å gi en klarere forståelse av oppfinnelsen vises til nedenstående beskrivelse av et utførelses eksempel samt til de ledsagende In order to provide a clearer understanding of the invention, reference is made to the following description of an exemplary embodiment as well as to the accompanying documents

I IN

tegninger hvor: i drawings where: i

- Figur 1 viser et detaljert koblingsskjerna for en gyrator i henhold - Figure 1 shows a detailed connection core for a gyrator according to

til foreliggende oppfinnelse, to the present invention,

- Figur 2 viser karakteristikken Ic = f(VDA), - Figure 2 shows the characteristic Ic = f(VDA),

- Figur 3 viser et ekvivalent diagram for en gyrator i henhold til foreliggende oppfinnelse, - Figure 3 shows an equivalent diagram for a gyrator according to the present invention,

- Figur 4 viser et ekvivalentskjerna for gyratoren tegnet for beregning - Figure 4 shows an equivalent core for the gyrator drawn for calculation

av den ekvivalente induktans, of the equivalent inductance,

- Figur 5 viser et forenklet ekvivalentskjerna utledet fra ekvivalent-sk jemaet i figur 4, - Figur 6 viser et ekvivalentskjerna for gyratoren for beregning av vekselstrømsmotstanden til gyratoren, - Figure 5 shows a simplified equivalent core derived from the equivalent scheme in Figure 4, - Figure 6 shows an equivalent core for the gyrator for calculating the alternating current resistance of the gyrator,

- Figur 7 viser bruken av gyratoren sammen med en Zener diode. - Figure 7 shows the use of the gyrator together with a Zener diode.

Figur 1 viser skjemaet for gyratoren P benyttet som en induktans Figure 1 shows the scheme for the gyrator P used as an inductance

i et lavpass filter som dessuten omfatter kondensatoren C2. Kretsen som har to tilkoblingsklemmer A og D frembringer strømmen som for- in a low-pass filter which also includes the capacitor C2. The circuit which has two connecting terminals A and D produces the current which

brukes av belastningen Rc fra en spenningskilde +V. Denne gyratoren omfatter transistorene Tl, T2, motstandene R'l, R"l, R2 og kondensatoren Cl. is used by the load Rc from a voltage source +V. This gyrator comprises transistors T1, T2, resistors R'1, R"1, R2 and capacitor Cl.

Nedenstående tabell gir definisjonene og et sett typiske verdier The table below gives the definitions and a set of typical values

for parameterne "he" som vil bli benyttet under beskrivelsen og også for the parameters "he" which will be used during the description and also

et eksempel på verdier for motstandene.i gyratoren eller topolen an example of values for the resistances.in the gyrator or dipole

Likestrømsdriften, vekselstrømsdriften og en særlig anvendelse for topolen P vil bli undersøkt i det følgende The direct current operation, the alternating current operation and a particular application for the dipole P will be investigated in the following

Likestrømsdrift Direct current operation

Under disse betraktninger tas det ikke hensyn til kondensatoren Cl og til å begynne med vil man dessuten anta at transistoren T2 ikke inngår i kretsen. During these considerations, the capacitor Cl is not taken into account and to begin with it will also be assumed that the transistor T2 is not included in the circuit.

Likestrøm som går gjennom transistoren Tl er da Direct current passing through the transistor Tl is then

- i denne ligningen er r = RI +<R>^<ie> i det RI = R'l + R"l - in this equation r = RI +<R>^<ie> in that RI = R'l + R"l

- det antas at emitter - og kollektor strømmene til transistor Tl - it is assumed that the emitter and collector currents of transistor Tl

er like på grunn av de høye verdier av parameteren hfe (se tabellen). are similar due to the high values of the parameter hfe (see the table).

Ekvivalent kretsen til topolen er derfor representert av en spendingskilde V med en indre motstand r som mater en belastning Rc. The equivalent circuit of the dipole is therefore represented by a voltage source V with an internal resistance r which feeds a load Rc.

Med verdiene som er gitt i tabellen får vi r«=> 200 ohm og med With the values given in the table, we get r«=> 200 ohms and more

v = 20 volt vil kortsluttningsstrømmen til generatoren (når Rc = 0) være 100 mA. v = 20 volts, the short-circuit current of the generator (when Rc = 0) will be 100 mA.

Under disse betingelser vil spenningsfallet over tilkoblingsklemmene til motstanden RI være 10 volt og den forbrukte effekt bli 1 watt i transistoren Tl og 1 watt i motstanden RI. Under these conditions, the voltage drop across the connection terminals of the resistor RI will be 10 volts and the consumed power will be 1 watt in the transistor Tl and 1 watt in the resistor RI.

Dersom transistoren T2 må tilkobles, vil den være blokkert sålenge som R"l.Ic ^ u hvor u er ledningsterskelen til transistoren.Når R"I.Ic .> u vil transistoren T2 slås"på"og endel av strømmen som flyter gjennom motstanden R2 vil avledes gjennom transistoren og således begrense basis-strømmen for transistor Tl.En konstant spennings diffe-ranse u oppstår over tilkoblingsklemmene til R"l slik at strømmen begrenses til til verdien u/R"l = 30 mA som det også fremgår på figur 2 som viser karakteristikken Ic = f(VDA), hvor VDA angir spenningen mellom tilkoblingsklemmene D og A i topolen P. If the transistor T2 must be connected, it will be blocked as long as R"l.Ic ^ u where u is the conduction threshold of the transistor. When R"I.Ic .> u, the transistor T2 will be switched "on" and part of the current flowing through the resistor R2 will be diverted through the transistor and thus limit the base current for transistor Tl. A constant voltage difference u occurs across the connection terminals of R"l so that the current is limited to the value u/R"l = 30 mA as also appears in the figure 2 which shows the characteristic Ic = f(VDA), where VDA indicates the voltage between the connection terminals D and A in the two-pole P.

Under disse forhold vil spenningsfallet over tilkoblingsklemmene Under these conditions, the voltage drop across the connection terminals will

til motstanden RI være 3 volt»og den forbrukte effekt er 0,5 watt i transistoren Tl og 0,1 watt i motstanden RI. Vi ser at den totale kraftutsendelse fra topolen når en kortslutning inntrer, er blitt redusert med et forhold som er høyere enn 3. until the resistance RI is 3 volts» and the consumed power is 0.5 watts in the transistor Tl and 0.1 watts in the resistance RI. We see that the total power output from the two-pole when a short circuit occurs has been reduced by a ratio higher than 3.

I kretsen i figur 1 avhenger det innstilte punkt for strømverdien av verdien til motstanden RI.Likevel er det mulig å redusere den indre motstand r i topolen ved å erstatte transistoren Tl med en Darlington krets idet r^ RI + R2/(hfe) <2> RI. Og på motsatt måte er det mulig å øke den ved å gjøre RI og/eller R2 større. In the circuit in Figure 1, the set point for the current value depends on the value of the resistance RI. Nevertheless, it is possible to reduce the internal resistance r in the dipole by replacing the transistor Tl with a Darlington circuit, where r^ RI + R2/(hfe) <2> RIDE. And in the opposite way, it is possible to increase it by making RI and/or R2 larger.

Kretsen som er beskrevet ovenfor er fremstilt ved å seriekoble The circuit described above is made by connecting in series

de tre komponentene,nemlig spenningskilden V,topolen P og belastningen R.Rekkefølgen av disse elementer kan byttes om uten at driften av utstyret endres. the three components, namely the voltage source V, the dipole P and the load R. The order of these elements can be changed without changing the operation of the equipment.

Det er også mulig å anvende en negativ spenning ved å benytte It is also possible to apply a negative voltage by using

en NPN- transistor. an NPN transistor.

Vekselstrømsdrift Alternating current operation

For å beskrive vekselstrømsdriften til gyratoren i henhold til foreliggende oppfinnelse vil vi først betrakte det tilfelle at tran-sis toren T2, som er" av" så lenge som Rl.Ic-<:u, ikke inngår i kretsen, og vi benytter et ekvivalentskjerna hvor transistoren Tl blir representert av sine hybridparametre i henhold til en felles emitter-kobling i overensstemmelse med tabellen ovenfor. To describe the alternating current operation of the gyrator according to the present invention, we will first consider the case that the transistor T2, which is "off" as long as R1.Ic-<:u, is not included in the circuit, and we use an equivalent core where the transistor Tl is represented by its hybrid parameters according to a common emitter connection in accordance with the table above.

Under disse forutsetninger skal vi beregne ekvivalent induktansen og ekvivalent resistansen til gyratoren ved midlere frekvenser r>ålt mellom punktene A og D. Under these assumptions, we shall calculate the equivalent inductance and equivalent resistance of the gyrator at medium frequencies between points A and D.

Ekvivalent induktansen Equivalent inductance

Figur 3 viser ekvivalentskjemaet til gyratoren i overensstemmelse med foreliggende oppfinnelse idet det er antatt at hre = hoe = 0. Figur 4 viser et ekvivalentskjerna utledet fra figur 3 og hvor vi har adskilt basis kretsen og kollektor-emitter kretsen i to grener som er gitt indeksene 1 og 2. Dette resulterer i at: - I basis kretsen defineres basis strømmen av serieforbindelsen av impedansen hie og en impedans som har verdien Ri (hfe+1). - I kollektor-emitter kretsen (gren 2) blir motstanden RI erstattet av en motstand Ri (hfe+1) / (hfe) . Figure 3 shows the equivalent diagram of the gyrator in accordance with the present invention, assuming that hre = hoe = 0. Figure 4 shows an equivalent core derived from Figure 3 and where we have separated the base circuit and the collector-emitter circuit into two branches which are given the indices 1 and 2. This results in: - In the base circuit, the base current of the series connection is defined by the impedance hie and an impedance that has the value Ri (hfe+1). - In the collector-emitter circuit (branch 2), the resistance RI is replaced by a resistance Ri (hfe+1) / (hfe) .

Da generatoren G er en strømgenerator, er dens indre motstand svært høy i sammenligning med motstanden RI (hfe+1)/(hfe) . Den sist-nevnte motstand kan derfor neglisjeres og dette fører til ekvivalent-sk jemaet i figur 5. Since the generator G is a current generator, its internal resistance is very high compared to the resistance RI (hfe+1)/(hfe) . The last-mentioned resistance can therefore be neglected and this leads to the equivalent diagram in figure 5.

Man kan da sette: You can then set:

Hvis vi videre kaller vekselspenningene som opptrer ved kollektoren og basis til transistoren Tl for Vc og Vb får man følgende forhold: If we further call the alternating voltages that appear at the collector and base of the transistor Tl as Vc and Vb, we get the following relationship:

Ved å kombinere ligningene (1) og (2) og ved å kalle Z for den komplekse impedans til gren 2, får man videre: By combining equations (1) and (2) and by calling Z the complex impedance of branch 2, one further obtains:

For å finne verdien av reaktansen X<1> skriver vi: To find the value of the reactance X<1> we write:

Vi ser at dette reaktive uttrvkket tilsvarer en induktans med verdien : We see that this reactive power corresponds to an inductance with the value:

Refererer man nå til de typiske verdier som er gitt i ovenstående tabell ser vi at verdien til den første brøken i parantesen blir omtrent lik 1, vi kan derfor forenkle uttrykket til: If one now refers to the typical values given in the above table, we see that the value of the first fraction in the parenthesis is approximately equal to 1, we can therefore simplify the expression to:

Vi ser nå at den ekvivalente induktansen til gyratoren er praktisk talt uavhengig av transistor-parametrene. Hvis man.f.eks. har satt RI = 100 ohm og dessuten har satt forholdet (hie)/(hfe) ^ 7 ohm (se de typiske verdier i tabellen), gir beregningen at en variasjon på 10% av forholdet mellom hie og hfe vil gi en variasjon i induktansen på mindre enn 1%. We now see that the equivalent inductance of the gyrator is practically independent of the transistor parameters. If one.e.g. have set RI = 100 ohms and have also set the ratio (hie)/(hfe) ^ 7 ohms (see the typical values in the table), the calculation gives that a variation of 10% of the ratio between hie and hfe will give a variation in the inductance of less than 1%.

Ekvivalent motstanden ved midlere frekvenser Equivalent resistance at medium frequencies

Ved midlere frekvenser menes her fra 1 til 100 kHz. I figur 6 vises et ekvivalent diagram for gyratoren i henhold til foreliggende oppfinnelse hvor vi har gjort følgende antagelser: By medium frequencies is meant here from 1 to 100 kHz. Figure 6 shows an equivalent diagram for the gyrator according to the present invention where we have made the following assumptions:

Hvis vi her setter vekselspenningen ved emitteren til transistoren If here we set the alternating voltage at the emitter of the transistor

Tl = Ve kan vi skrive: Tl = Ve we can write:

De forskjellige strømmene som flyter gjennom knutepunktet ved emitteren til transistoren Tl er nå: - Strømmen som flyter gjennom utgangs-admittansen hoe hvis verdi er io = (Vc-Ve).hoe , The various currents flowing through the junction at the emitter of the transistor Tl are now: - The current flowing through the output admittance hoe whose value is io = (Vc-Ve).hoe ,

- Strømmen som leveres av strømgeneratoren G nemlig: - The power supplied by the power generator G namely:

Ve Alas

- Basis strømmen ib = - r—.— , hie - Strømmen som passerer gjennom emitter motstanden nemlig - The base current ib = - r—.— , hie - The current that passes through the emitter resistor namely

Ligningen for strømmene som passerer knutepunktet blir da: The equation for the currents that pass the node then becomes:

io + ic + ib - ie = 0, eller: io + ic + ib - ie = 0, or:

Ekvivalent impedansen til,strømgeneratoren G (gren 2, figur 6) Equivalent impedance of the current generator G (branch 2, figure 6)

er: Zg = (Vc-Ve)/ic (5). is: Zg = (Vc-Ve)/ic (5).

Ved innsetting av verdien for ic fra ligning 4 i ligning 5 fås By inserting the value for ic from equation 4 into equation 5 is obtained

Vi ser at Zg er en negativ impedans i parallel med utgangsjjmpe-dansen Zoe = l/hoe til transistoren (gren 3, figur 6). Ekvivalent motstanden Z23 til kretsen som består av parallellkoblingen av grenene 2 og 3 er: We see that Zg is a negative impedance in parallel with the output jmpe dance Zoe = l/hoe to the transistor (branch 3, figure 6). The equivalent resistance Z23 of the circuit consisting of the parallel connection of branches 2 and 3 is:

Ligning (6) gjør det mulig å beregne verdien Z23 som blir: Equation (6) makes it possible to calculate the value Z23 which becomes:

Hvis vi benytter oss av verdiene for parametrene til transistoren gitt i tabellen og setter RI = 100 ohm fås: Z23^ 105 kiloohm. If we use the values for the parameters of the transistor given in the table and set RI = 100 ohms we get: Z23^ 105 kiloohms.

i Ekvivalentmotstanden Z123 til gyratoren består av parallellkoblingen mellom motstand R2 (gren 1 i kretsen på figur 6) og impedansen Z23 slik at for R2 = 12 kiloohm: i The equivalent resistance Z123 of the gyrator consists of the parallel connection between resistance R2 (branch 1 in the circuit in Figure 6) and the impedance Z23 so that for R2 = 12 kiloohms:

Z123<^ 10 kiloohm Z123<^ 10 kilohms

Man skal bemerke at når transistor T2 er ledende, så vil topolen fortsatt virke som en induktans. It should be noted that when transistor T2 is conducting, the dipole will still act as an inductance.

Det fremgår at dersom transistoren Tl erstattes av et par transistorer som kobles i en Darlington krets med en strømfor-sterkning lik hfe 2, så fås: It appears that if the transistor Tl is replaced by a pair of transistors which are connected in a Darlington circuit with a current gain equal to hfe 2, then we get:

- Impedansen Z23 (ligning 7) økes betraktelig, - The impedance Z23 (equation 7) is increased considerably,

- Ekvivalent impedansen Z12 3 økes også fordi verdien av motstand - Equivalent impedance Z12 3 is also increased because the value of resistance

R2 multipliseres med et forhold hfe 2. R2 is multiplied by a ratio hfe 2.

Spesiell anvendelse Special application

Figur 7 viser bruken av topolen som er blitt beskrevet som til-førsels motstand for en zener diode som frembringer spenningsstabili-sering over tilkoblingsklemmene for en belastningsmotstand Rc. Figure 7 shows the use of the dipole which has been described as supply resistance for a zener diode which produces voltage stabilization across the connection terminals for a load resistance Rc.

For likestrømsdrift velges motstanden til topolen slik at den frembringer en korrekt drift innen hele det strømområde som kan til-lates i belastningsmotstanden Rc. Dersom denne strømmen blir større enn den forut bestemt verdi,vil ikke zener dioden være ledende lengere og topolen frembringer en konstant strøm som kan utsendes fullstendig ubeskåret selv om Rc = 0. For direct current operation, the resistance of the dipole is chosen so that it produces correct operation within the entire current range that can be permitted in the load resistance Rc. If this current becomes greater than the previously determined value, the zener diode will no longer be conductive and the dipole produces a constant current that can be emitted completely uncut even if Rc = 0.

For vekselstrømsdrift gir denne kretsen de samme fordeler som inngangsfilteret med serie-induktans som er beskrevet i forbindelse med figur 1 og som gir en meget bedre filtrering enn den man får med en konvensjonell krets bestående av en zener diode med en styre motstand. For alternating current operation, this circuit offers the same advantages as the input filter with series inductance which is described in connection with figure 1 and which provides a much better filtering than that obtained with a conventional circuit consisting of a zener diode with a control resistor.

Claims (2)

1. Gyratorkobling i form av en topol for omforming av en ka-pasitet til en virksom induktivitet, karakterisert ved at det mellom gyratorens to poler (A,D) er koblet en se-riekobling som omfatter en første motstand (R 1) og kollektor/ emitter kretsen til en første transistor (T 1), hvis kollektor er koblet direkte til gyratorens ene pol (A) og hvis basis-elektrode på den ene side er koblet til den samme pol over den andre motstand (R 2) og på den annen side er koblet til den andre polen (D) over en kondensator (C 1), slik at en spenning som gjør transistoren ledende , tilføres polene (A, D).1. Gyrator connection in the form of a two-pole for converting a capacitance into an effective inductance, characterized in that a series connection comprising a first resistance (R 1) and collector is connected between the gyrator's two poles (A, D) / emits the circuit of a first transistor (T 1), whose collector is connected directly to one pole (A) of the gyrator and whose base electrode is connected on one side to the same pole across the other resistance (R 2) and on the other side is connected to the other pole (D) via a capacitor (C 1), so that a voltage that makes the transistor conductive is supplied to the poles (A, D). 2. Gyratorkobling ifølge krav 1,karakterisert ved at en andre transistor (T 2), av samme ledningstype som den første transistor (T 1), er koblet med sin kollektor til basis til den før-ste transistor (T 1); med sin emitter til den andre polen (D) og med sin basis til et uttak på den første motstanden (R'1,R'' 1).2. Gyrator coupling according to claim 1, characterized in that a second transistor (T 2 ), of the same wire type as the first transistor (T 1 ), is connected with its collector to the base of the first transistor (T 1 ); with its emitter to the second pole (D) and with its base to a tap on the first resistor (R'1,R'' 1).