Zweipol-PNP-NPN-Transistor-Verstärkereinheit mit niederohmigem negativem Wechselstromwiderstand Zweipol-PNTP-NPN-Transistor-Schalteinheiten sind Schaltelemente ohne innere Energiequelle. Sie weisen in ihrer Strom-Spannungs-Charakteristik bekanntlich drei wesentliche Hauptgebiete auf: erstens den soge nannten Aus-Zustand, zweitens das Übergangsgebiet und drittens den Ein-Zustand.
Im Aus-Zustand stellt die Einheit einen sehr hohen positiven Widerstand dar und wirkt wie ein Schalter, wobei unter dem Eiü- fluss einer angelegten Spannung nur ein praktisch vernachlässigbarer Reststrom fliesst. Eine Steigerung der angelegten Spannung über einen - durch ein spannungsabhängiges Element - festgelegten Wert hat ein starkes Anwachsen des Stromes und, infolge eines lawinenartigen Effektes, ein kräftiges Absinken der zur Aufrechterhaltung des Stromes notwendigen Klemmenspannung auf einen Mindestwert zur Folge.
Der zwischen der - durch das genannte spannungs abhängige Element - festgelegten sogenannten Kipp- spannung und diesem Mindestwert liegende Teil der Strom-Spannungs-Charakteristik wird als übergangs- gebiet bezeichnet. In diesem Gebiet stellt die Zweipol einheit einen grossen negativen Wechselstromwider- stand dar.
Ist der oben angeführte Mindestwert der Span nung mit dem zugehörigen Maximalstrom erreicht, so bewirkt eine weitere Steigerung der angelegten Span nung über den erwähnten Mindestwert hinaus wie derum einen mit steigender Spannung zunehmenden Strom. Die Zweipol-Schalteinheit weist jetzt im Ge gensatz zum übergangsgebiet einen sehr kleinen posi tiven Widerstand auf. Dieses Gebiet der Strom-Span- nungs-Charakteristik bildet den sogenannten Ein-Zu- stand und die Zweipol-Schalteinheit entspricht hier einem geschlossenen, stromdurchflossenen Schalter.
Durch Absenken der angelegten Spannung unter den zwischen dem Übergangsgebiet und dem Ein- Zustand auftretenden Mindestwert kehrt die Zweipol- Schalteinheit in den Aus-Zustand zurück.
Eine solche Zweipol-PNP-NPN-Transistor-Ein- heit für Schaltzwecke ist beispielsweise im US-Patent Nr. 2 655 609 vom 13. Oktober 1953 beschrieben. Sie besteht aus einer Anordnung von je einem PNP- und NPN-Transistor, einer Bezugsspannungsdiode und zwei Emitterwiderständen. Zwischen den beiden Anschlussklemmen liegen zwei zueinander parallele Stromzweige,
bestehend einerseits aus der Emitter- Kollektor-Strecke eines PNP-Transistors in Serie mit einem Emitterwiderstand, anderseits aus einem wei teren Emitterwiderstand und der Emitter-Kollektor- Strecke eines NPN-Transistors. Die Basiszuleitung des PNP-Transistors liegt direkt am Kollektor des NPN-, diejenige des NPN-Transistors am Kollektor des PNP-Transistors,
während die Bezugsspannungsdiode mit ihrer Anode am Kollektor des PNP-, mit ihrer Kathode am Kollektor des NPN-Transistors liegt.
Ihre elektrischen Eigenschaften und der Schal tungsaufbau machen diese Zweipol-PNP-NPN-Tran- sistor-Einheit - wie bereits erwähnt - speziell ge eignet zur Verwendung als elektronischen Schalter mit je einem stabilen Arbeitspunkt im Aus- und Ein- Zustand. Der hohe negative Widerstand im über gangsgebiet und seine möglichen Abweichungen vom Nennwert sind für diese Anwendung von untergeord neter Bedeutung.
Im Gegensatz dazu sind für Zweiwegverstärker auf der bekannten Grundlage von negativen Wider ständen zur Kompensation der positiven Leitungs widerstände relativ kleine, aber konstante negative Wechselstromwiderstände wesentlich.
Dies gilt so wohl für die genaue Kompensationsmethode mittels wechselstrommässig gekoppelten negativen Widerstän den in Längs- und Quergliedern, wie auch für die einfachste Methode mit alleiniger Kompensation des positiven Leitungslängswiderstandes. Die für diesen Zweck verwendbaren Zweipol-NPN-PNP-Transistor- Verstärkereinheiten arbeiten dabei in einem Arbeits punkt in der Mitte ihres sogenannten übergangsge- bietes.
Die vorliegende Erfindung betrifft nun eine Zwei- pol-PNP-NPN-Transistor-Verstärkereinheit mit zwei parallelen Zweigen, deren jeder die Serieschaltung der Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors und eines Widerstandes, der den Emitterwiderstand des anderen Transistors bildet, enthält und zeichnet sich dadurch aus, dass in die Basiszuleitung jedes der Transistoren ein Widerstand eingeschaltet ist, und die Basen der Transistoren zur Erzielung eines genau vorgegebenen, niederohmigen, von den Transistoreigenschaften un abhängigen, linearen,
negativen Wechselstromwider- standes durch einen Dosierungswiderstand verbunden sind.
Im folgenden soll anhand der Zeichnung Aufbau und Wirkungsweise eines Ausführungsbeispiels des Erfindungsgegenstandes beschrieben werden.
Dabei zeigt: Fig. 1 ein elektrisches Pringipschema einer bereits bekannten Zweipol-PNP-NPN-Transistor-Schaltein- heit, Fig. 2 als Diagramm die Strom-Spannungs-Cha- rakteristik einer Zweipol-PNP-NPN-Transistor-Schalt- einheit nach Fig. 1,
Fig. 3 ein elektrisches Prinzipschema einer erfin dungsgemäss ausgebildeten Zweipol-PNP-NPN-Tran- sistor-Verstärkereinheit, Fig. 4 als Diagramm die Strom-Spannungs-Cha- rakteristik einer Zweipol-PNP-NPN-Transistor-Ver- stärkereinheit,
Fig. 5 ein elektrisches Prinzipschema einer Kom pensation des positiven Leitungslängswiderstandes durch einen dazu in Serie liegenden negativen Wech- selstromwiderstand.
In Fig. 1 stellen 1 und 7 die beiden Anschluss klemmen einer bereits bekannten Zweipol-PNP-NPN- Transistor-Schalteinheit dar. Zwischen diesen beiden Punkten bilden der PNP-Transistor 2 und der Emit- terwiderstand 6 den einen Parallelzweig, der Emitter- widerstand 3 und der NPN-Transistor 5 den anderen Parallelzweig. Die Diode 4 ist eine Zenerdiode und ihre Zenerspannung stellt eine Bezugsspannung für die Schaltung dar.
Das Verhalten der Schaltung nach Fig. 1 ist folgendes: Der sich unter einer kleinen, an den Klemmen 1 und 7 angelegten positiven, von Null ansteigenden Gleichspannung U einstellende Strom 1 bestimmt sich selbst durch den am Emitterwiderstand 3 auftreten den Spannungsabfall UR im Verhältnis zur Emitter- Basis-Spannung UEss. Bei kleinen Widerstandswerten ist die erzeugte Spannung UR kleiner als die für das Fliessen eines aus der Basis austretenden Steuerstro mes 1P minimal notwendige Emitter-Basis-Spannung UERmi". Die Transistoren arbeiten infolgedessen mit
umgekehrten Basisströmen, und die Kollektorstrom- werte liegen zwischen den Werten für offenen Emit- ter (1c") und offener Basis (1.ö) und sind daher relativ klein. Die Schaltung ist in diesem Zustand hochohmig, ähnlich einer Diode im Sperrzustand, und befindet sich somit im sogenannten Aus-Zustand (Punkt 11 in Fig. 2).
Eine Erhöhung der angelegten Spannung über die Zenerspannung Uz der Zenerdiode 4 hinaus bewirkt ein starkes Anwachsen des Diodenstromes, der von Klemme 1 über den Emitterwiderstand 3, durch die Zenerdiode 4 und den Emitterwiderstand 6 zur Klemme 7 fliesst.
Dieser Strom seinerseits erzeugt am Widerstand 3 einen erhöhten Spannungsabfall UR und verursacht beim weiteren Ansteigen ein Fliessen des Basisstromes in Vorwärtsrichtung, d. h. vom Emitter zur Basis und damit einen proportional grö sseren Kollektorstrom in Transistor 2, welcher als erhöhter Basisstrom in Transistor 5 ebenfalls einen entsprechend vergrösserten Kollektorstrom verursacht. Dieser hat anderseits, da er von Klemme 1 vorwie gend über den Widerstand 3 fliesst, eine weitere Ver grösserung des ursprünglichen, durch den Zener- diodenstrom erzeugten Spannungsabfall UP zur Folge.
Der gesamte Vorgang stellt eine positive Rückkopp lung des Ausgangswertes auf den Eingangswert dar und ergibt dadurch ein Übergangsgebiet der Strom- Spannungs-Kennlinie mit steigendem Strom bei sin kender Spannung, d. h. ein Gebiet mit grossem nega tivem Wechselstromwiderstand, dargestellt in Fig. 2 durch den Kurventeil 12.
Eine weitere Erhöhung des Stromes 1P durch die Schalteinheit bis zum Haltestromwert IH führt zum Übergangspunkt 13 mit der kleinsten notwendigen Spannung U",i", welcher das Übergangsgebiet vom an schliessenden Ein-Zustand trennt. In letzterem Teil der Kennlinie, dargestellt durch die Gerade 14, sind die beiden Transistoren durch die grossen, an den Emitterwiderständen entwickelten positiven Emitter- Basis-Spannungen bis in das Sättigungsgebiet ausge steuert.
Der Gesamtstrom I fliesst jetzt von Klemme 1 einerseits über den Emitter-Kollektor des Transistors 2 und den Widerstand 6, anderseits über den Wider stand 3 und den Kollektor-Emitter des Transistors 5 zur Klemme 7. Die für die Aufrechterhaltung des Stromes notwendige Klemmenspannung ist infolge der niedrigen Transistor-Kollektor-Emitter-Spannun- gen im Sättigungsgebiet sehr klein und wächst nur wenig mit steigendem Strom.
Die Zweipol-Schaltein- heit verhält sich daher im Ein-Zustand ähnlich einer Diode im Durchlassgebiet und stellt einen kleinen positiven Wechselstromwiderstand dar.
Senkt man endlich die Klemmenspannung 1-7 der Zweipol-Einheit wieder unter den für den Halte stromwert IH in Punkt 13 notwendigen Spannungs- minimalwert 1-7 i" ab, so springt der Strom auf den Ruhestrompunkt 15 der Aus-Zustands-Kurve zurück.
Zur Verkleinerung und Stabilisierung des hohen negativen Wechselstromwiderstandes im Übergangs gebiet wird die Schaltung Fig. 1 durch den Einbau des Basiswiderstandes 8 in Serie zur Basiszuleitung des PNP-Transistors 2 und des Basiswiderstandes 9 in Serie zur Basiszuleitung des NPN-Transistors 5 sowie durch die Verbindung der beiden Basen über den Dosierungswiderstand 10 in die Schaltung als Zweipol-PNP-NPN-Transistor-Verstärker nach Fig. 3 umgewandelt. Die Zenerdiode 4 aus Fig. 1 fällt weg.
Die Funktionsweise dieser Schaltung ist nun folgende: Ausgehend von Spannung Null an den Klemmen 1 bis 7 fliesst bei steigender positiver Spannung U vor erst der Strom 1 durch die Serieschaltung der fünf Widerstände 3, 8, 10, 9 und 6. Die sich über den Serieschaltungen der Widerstände 3 und 8 einerseits und 9 und 6 anderseits ausbildenden Spannungs abfälle Ur, sind vorerst kleiner als die zur Erzeugung eines vom Emitter zur Basis des PNP- bzw.
von der Basis zum Emitter des NPN-Transistors fliessenden Vorwärts-Basisstromes notwendigen Emitter-Basis- bzw. Basis-Emitter-Spannungen. Die Basisströme flie ssen daher in der Rückwärtsrichtung und die unter der angelegten Klemmenspannung U entstehenden Kollektorströme sind klein. Der gesamte in die Zwei pol-Einheit fliessende Strom wächst proportional zur angelegten Spannung U entsprechend der ansteigen den Geraden 21 in Fig. 4.
Die Neigung derselben entspricht dem Wider standswert des Widerstandes 10 (Rp") und ist wesent lich grösser als bei der Schalteinheit ohne Dosierungs widerstand R,",.
Die bei höherer Klemmenspannung U auftretende Krümmung der Kennlinie 21 setzt bei derjenigen Spannung ein, wo die Basisströme der beiden Tran sistoren unter dem Einfluss der steigenden Emitter- Basis-Spannung ihre Richtung wechseln und beim PNP-Transistor aus der Basis heraus-, beim NPN- Transistor in die Basis hineinfliessen. Gleichzeitig setzt auch die positive Rückkopplung mit wachsendem Rückkopplungsgrad ein. Mit weiter zunehmender Spannung U wird die maximale Spannung U,nax in Punkt 22 der Fig. 4 erreicht.
Bei diesem Wert weisen auch die durch die Basiswiderstände 8 und 9 fliessen- den Ströme ihren maximalen Wert auf. Oberhalb Punkt 22 sinken die Ströme durch die Basiswider stände bei gleichzeitigem Anwachsen des Gesamt stromes 1 und fallender Klemmenspannung U ab. Die Strom-Spannungs-Charakteristik der Zweipol- Verstärkereinheit geht in das Übergangsgebiet 23 mit relativ kleinem negativem Wechselstromwiderstand über. Bei weiter steigendem Gesamtstrom wechselt der durch den Emitter- und Basiswiderstand 3 bzw.
8 fliessende Strom durch den Dosierungswiderstand 10 auf die Emitter-Basis-Strecke des PNP-Transistors 2 über. Dasselbe gilt in entsprechender Weise für den Transistor 5. Beide Transistoren werden durch die wachsenden Basisströme bis zum Sättigungswert ihrer Kollektorströme ausgesteuert. Die Kennlinie durchläuft in der Folge Punkt 24 mit der niedrigsten Spannung U";", um anschliessend mit steigendem Strom wieder kleine positive Wechselstromwider- standswerte im Ein-Zustand entsprechend dem Kenn- linienteil 25 aufzuweisen.
Der Gesamtstrom 1 fliesst in diesen Teil der Kennlinie praktisch nur noch durch die Serieschaltung der Emitter-Kollektor-Strecke des PNP-Transistors 2 mit dem Emitterwiderstand 6 einerseits, und durch die Serieschaltung des Emitter- widerstandes 3 mit der Kollektor-Emitter-Strecke des NPN-Transistors 5 anderseits.
Von wesentlicher Bedeutung für die vorgeschla gene Verwendung dieser Zweipol-PNP-NPN-Transi- stor-Einheit als Zweiwegverstärker ist, dass - abge sehen von einem nachstehend definierten Korrektur faktor - der Dosierungswiderstand 10 (Rp") im wesentlichen die Grösse des negativen Wechselstrom widerstandes R gemäss folgender allgemeinen Nähe rungsgleichung bestimmt:
EMI0003.0062
_1 <SEP> <U>qp <SEP> ' <SEP> qbn <SEP> + <SEP> qn <SEP> ' <SEP> qbp <SEP> 1</U> <SEP> (1)
<tb> R <SEP> - <SEP> - <SEP> RPn
<tb> wobei
EMI0003.0063
bp und b" sind die Basis-Kollektor-Gleichstromver- stärkungsfaktoren des PNP- bzw. NPN-Transistors bei mittleren Kollektorspannungen.
Für den Sonderfall mit rnp > RF,n > REp und Y"" > Rpn i RE., wobei r,p und Y,n die Kollektor-Wechselstromwider- stände der verwendeten PNP- und NPN-Transistoren bedeuten, gilt bei b, > q, und<I>b" ></I> q.
EMI0003.0087
Wird weiter qp <I>= q" = 1</I> gewählt,
so ergibt sich noch als weitere Vereinfachung
EMI0003.0089
Aus Gleichung 3 geht hervor, dass der negative Wechselstromwiderstand der nach Fig. 3 ausgebilde ten Zweipol-PNP-NPN-Transisto;r-Verstärkereinheit direkt proportional dem Wert des Dosierungswider standes Rpn ist, sofern die Gleichstromverstärkungs- faktoren wesentlich grösser als die sogenannten Güte- faktoren q, und q" gewählt werden.
Der negative Wechselstromwiderstand ist damit gleichzeitig voll kommen unabhängig von Fabrikationstoleranzen und Betriebstemperaturen der verwendeten Transistoren.
Fig. 5 zeigt beispielsweise eine einfache Schalt anordnung zur Kompensation des durch den positiven Gleichstromlängswiderstand 33 (+R) verursachten Wechselspannungsabfalles mit Hilfe eines gleich gro ssen dazu in Serie geschalteten negativen Wechsel stromwiderstandes 34 (-R).
Die von der Wechselspannungsquelle 31 über ihren Innenwiderstand 32 an den Klemmen 38 und 39 erzeugte Klemmenspannung U12 erfährt durch den resultierenden Längswiderstand +R + (-R) = 0 keine Schwächung und tritt an den Klemmen 40 und 41 der für diesen Fall ohne elektromotorische Kraft ausgerüsteten Abschlussimpedanz 35 in gleicher Grösse U21 auf.
Eine Vergrösserung des negativen Wechselstrom widerstandes 34 ergibt sinngemäss eine Verstärkung der Klemmenspannung U21 an den Klemmen 40 und 41. Das Ausmass dieser Verstärkung wird begrenzt durch die Konstanz der Schaltelemente, da bei einem resultierenden negativen Gesamtwiderstand Schwin gungen auftreten, welche die ganze Verstärkereinrich- tung in ihrer Funktion stören.
Die Schaltung arbeitet nur mit unterlagertem Gleichstrom I" und die Amplituden der Wechsel ströme dürfen das lineare Gebiet des negativen Wech- selstromwiderstandsbereiches beidseits der Arbeits punkte 27 auf den Kennlinien 23 und 26 der Fig. 4 nicht überschreiten. Dagegen ist die Kompensation oder eine allfällige Verstärkung richtungsunabhängig, d. h. die Schaltung arbeitet - wie beabsichtigt - als Zweiwegverstärker.