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Anordnung zur Stabilisierung eines einstufigen Transistor-Gleichstromverstärkers
Die Eigenschaften eines Gleichstromverstärkers sind bekanntlich stark von den Speisespannungen
abhängig, und zwar ändern sich vor allem der Ruhestrom und die Verstärkung. Um diese
Nachteile zu vermeiden, bediente man sich bisher im allgemeinen aufwendiger Stabilisierungsmaßnahmen
der Speisespannungen. Für einfachere Anordnungen begnügte man sich vielfach mit
einer Stabilisierung des Ruhestromes, indem man z. B. zwei Verstärkerstufen in einer
Brückenschaltung verwendet, deren Eigenschaften sich über einen gewissen Bereich
gleichmäßig mit den Speisespannungen verändern, so daß der im Diagonalzweig fließende
Differenzstrom hinreichend konstant bleibt. Hierbei wird aber nur eine Stufe zur
Verstärkung herangezogen, während die andere lediglich der Stabilisierung des Ruhestromes
dient.
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Alle diese Stabilisierungsmaßnahmen benötigen einen beträchtlichen
Anteil der Speiseleistung; daher sind sie für Geräte, die mit einem möglichst kleinen
Speiseleistungsbedarf auskommen sollen, ungeeignet. Ein solcher Fall liegt z.-B.
bei einem Tonfrequenz-Aussteuerungsmesser für leichte, batteriegespeiste Übertragungsgeräte
vor. Hier wird die Modulation durch einen Gleichrichter mit nachgeschaltetem Logarithmierungsnetzwerk
in eine Gleichspannung umgewandelt, die zu klein ist, um unmittelbar ein Anzeigeinstrument
mit guten ballistischen Eigenschaften zu betreiben; es ist also die Zwischenschaltung
eines
Gleichspannungsverstärkers erforderlich, der in der Lage ist, den Strom für ein
kräftiges Meßwerk zu liefern. Aus Gewichtsgründen arbeitet man bei solchen Geräten
mit recht kleinen Batterien, deren Entladungscharakteristik eine starke Spannungsabhängigkeit
aufweist; diese würde man durch eine nennenswerte Batterieleistung erfordernde Stabilisierung
nur noch verschlechtern.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile wird zur Stabilisierung eines einstufigen
Transistor-Gleichstromverstärkers, der mit stark veränderlicher Speisespannung betrieben
wird, erfindungsgemäß vorgeschlagen, einen Transistor in Emitterschaltung vorzusehen,
dessen Basisvorspannung der einen Diagonale einer nichtlinearen Brückenschaltung
entnommen wird, an deren anderer Diagonale die Batteriespannung liegt. Bei geeigneter
Bemessung wird der Basisarbeitspunkt bei Änderung der Speisespannung derart gegenläufig
verschoben, daß die Verstärkung in einem weiten Speisespannungsbereich konstant
bleibt. Der damit bedingten Überkompensation für den Ruhestromwert wird dadurch
entgegengewirkt, daß dem mit der Aussteuerung veränderlichen Emitter-Kollektor-Widerstand
ein linearer Zweig der Brückenschaltung parallel liegt, der bei geeigneter Größe
die Überkompensation für den Ruhestromwert beseitigt.
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Mit dieser Anordnung wird eine gute Stabilisierung eines einstufigen
Transistor-Gleichstromverstärkers erreicht, obgleich der zulässige Aufwand sowohl
für die Größe des Gerätes als auch für die der Batterie zu entnehmende Leistung
klein ist. Eine gesonderte Stabilisierung der Speisespannung -ist hierbei somit
nicht erforderlich. Trotzdem werden der Ruhestrom und die Verstärkung hinreichend
stabilisiert. Mit Hilfe der neuen Schaltung ist es z. B. möglich, bei einer Speisespannungsänderung
von 40 °/o sowohl den Ruhestromwert als auch die Verstärkung auf weniger als 2 °%
Änderung zu stabilisieren.
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Die Zeichnung zeigt das Prinzipschaltbild der neuen Anordnung. Sie
besteht aus einem Transistor x in Emitterschaltung, einem Anzeigeinstrument 2 und
einer Brückenschaltung aus drei linearen Widerständen 3, 4, 5 und einem nichtlinearen
Widerstand 6. Über einen Widerstand 7 wird die Basisvorspannung zugeführt. Der Anschluß
der zu verstärkenden Gleichspannung erfolgt an den Klemmen 8 und g, der der Speisespannungsquelle
an den Klemmen to und zz bzw. an den Brückenpunkten A und C. Diese Brücke bildet
zunächst eine Stromgegenkopplung in der Emitterzuleitung. Hierdurch wird die Abhängigkeit
der Transistorstufe von Streuungen der Transistorparameter verringert. Dies reicht
aber noch nicht aus, um auch die Veränderung der Verstärkereigenschaften infolge
stark schwankender Speisespannung auszugleichen. Erst durch die Einführung der Brückenschaltung
mit einem nichtlinearen Zweig gelingt eine gute Stabilisierung, und zwar sowohl
hinsichtlich des Ruhestromes als auch Bier Verstärkung.
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Es sei zuerst der Einfluß dieser Schaltung auf die Verstärkung betrachtet.
Bekanntlich steigt die Stromverstärkung a praktisch linear mit steigender Kollektorspannung
UC in dem in Frage kommenden Speisespannungsbereich bei festgehaltener Basisvorspannung
UB und konstantem Kollektorstrom jc. Bezeichnet man mit UB, die gewählte
Basisvorspannung und mit Ui die maximal zulässige Aussteuerungsamplitude, so ist
der Kollektorstrom JC = f (UB. + Ui' UBttr) -
Eine Änderung der Speisespannung
UBtt, ruft nun ohne Kompensation eine Änderung von jc hervor, d.. h., es ist bei
Vollaussteuerung
Die Kompensation muß nun bewirken, daß
wird, d. h., es muß, da die Verstärkung mit steigender Basisvorspannung wächst,
eine zusätzliche negativ( Basisvorspannung 4 U8 hinzugefügt werden, so daß bei Vollaussteuerung
gilt
Es ist also eine prozentuale Änderung der Basisvorspannung um
zur Kompensation erforderlich.
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Dieses wird durch den Spannungsteiler 5, 6 der Brücke erreicht, wenn
der nichtlineare Widerstand 6 mit sinkender Spannung einen exponentiell wachsenden
Widerstand besitzt. Dadurch steigt nämlich die am Punkt D abgenommene Basisvorspannung,
bezogen auf den Punkt B, mit sinkender Speisespannung. Dieses bewirkt bei geeigneter
Dimensionierung ein Konstanthalten des Kollektorstromes ,jC und somit der resultierenden
Stromverstärkung trotz sinkender Speisespannung.
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Beim Fehlen einer Eingangsgleichspannung (U,= 0)
gilt
dann für den Ruhestromwert des Gleichstromverstärkers
d. h., es liegt eine Überkompensation vor, wenn die Kompensationsbedingung bei Vollaussteuerung
erfüllt ist. Es ist deshalb in der Schaltung eine weitere Kompensationsmöglichkeit
vorgesehen, um die Bedingung
auch für Ui = 0 zu erfüllen.
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Dies bewirkt die Parallelschaltung des Brückenwiderstandes 4 zur Emitter-Kollektor-Strecke
des Transistors. Das Instrument z ist niederohmig gegenüber dem Widerstand 4 und
dem Emitter-Kollektor-Widerstand, so daß es vernachlässigt werden kann. Bei fehlender
Eingangsgleichspannung ist die Strecke Emitter-Kollektor entsprechend dem gewählten
Ruhestrom für das Instrument sehr hochohmig und fällt etwa linear mit wachsender
Eingangsgleichspannung.
Dadurch ist bei fehlendem Eingangssignal
der Strom durch den Widerstand 4 noch von wesentlichem Einfluß auf die Basisvorspannung
UB., die ja gleich der Differenz der zwischen den Punkten B und
D herrschenden Spannung ist. Diese ist aber von dem Strom durch den Gegenkopplungswiderstand
3 mitbestimmt.
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Bei voller Aussteuerung dagegen ist der Widerstand 4 groß gegen den
Widerstand der Emitter-Kollektor-Strecke und den Widerstand des Instrumentes 2.
Dadurch ist die Basisvorspannung bei Vollaussteuerung praktisch allein durch den
Emitterstrom gegeben, der durch den Widerstand 3 fließt, abzüglich der Spannung,
die über den nichtlinearen Spannungsteiler 5, 6 der Basis zugeführt wird. Die Ruhestromkompensation
kann also mittels des Widerstandes 4 auf den erforderlichen Wert verringert und
damit die sonst auftretende Überkompensation beseitigt werden.
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Hinsichtlich der - größenmäßigen Bemessung der Brückenelemente läßt
sich keine einheitliche Regel aufstellen, da die Eigenschaften der derzeitigen Flächentransistoren
sehr unterschiedlich sind. Die Bemessung der Brückenglieder erfolgt nach den Eigenschaften
der jeweils verwendeten Transistoren und dem zulässigen Verstärkungsverlust, der
auf Grund der durch die Brückenschaltung bewirkten Stromgegenkopplung eintritt.
Wenn die Eigenschaften der Transistoren bekannt sind, ist dem Fachmann die Bemessung
der Brückenglieder ohne Schwierigkeiten möglich. Jedenfalls wird man den nichtlinearen
Widerstand zweckmäßigerweise so wählen, daß die durch ihn bewirkte Regelung stärker
als erforderlich ist. Seine Kennlinie wird man durch lineare Parallel-und Reihenwiderstände
so abflachen, daß in dem gewählten Speisespannungsbereich die erwünschte Kompensation
eintritt. Ebenso kann man durch Wahl eines geeigneten Wertes für den Widerstand
4 die Überkompensation für den Ruhestrom in jedem Falle beseitigen.