NO134352B - - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en gyratorkobling eller en energi-seringskrets som bare inneholder to tilkoblingsklemmer og som tjener følgende funksjoner.

Kretsen virker som en gyrator, det vil si at den transformerer

en kapasitans til an virtuell induktans som fremkommer mellom de to tilkoblingsklemmer.

Koblingen virker som en strømkilde for en ytre belastning som er koblet i serie med den virtuelle induktans.

Koblingen virker også til å gi en strømbegrensning gjennom belastningen.

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.

-Filtersystemer med serie-induktans innganger hvor verdien til

den virtuelle induktans kan nå flere Henry selv når det benyttes en kondensator med en relativ liten verdi.

-Kraftforsyningsenheter stabilisert ved hjelp av en zener diode

hvor motstandene som styrer zener dioden erstattes av nevnte 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.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er således å realisere en strømbegrenset gyrator som bare har to tilkoblingsklemmer.

Dette oppnås ifølge foreliggende oppfinnelse ved å utforme gyratorkoblingen i overensstemmelsen med de nedenfor fremsatte patent-krav.

For å gi en klarere forståelse av oppfinnelsen vises til nedenstående beskrivelse av et utførelses eksempel samt til de ledsagende

I

tegninger hvor: i

- Figur 1 viser et detaljert koblingsskjerna for en gyrator i henhold

til foreliggende oppfinnelse,

- Figur 2 viser karakteristikken Ic = f(VDA),

- Figur 3 viser et ekvivalent diagram for en gyrator i henhold til foreliggende oppfinnelse,

- Figur 4 viser et ekvivalentskjerna for gyratoren tegnet for beregning

av den ekvivalente induktans,

- 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,

- Figur 7 viser bruken av gyratoren sammen med en Zener diode.

Figur 1 viser skjemaet for gyratoren P benyttet som en induktans

i et lavpass filter som dessuten omfatter kondensatoren C2. Kretsen som har to tilkoblingsklemmer A og D frembringer strømmen som for-

brukes av belastningen Rc fra en spenningskilde +V. Denne gyratoren omfatter transistorene Tl, T2, motstandene R'l, R"l, R2 og kondensatoren Cl.

Nedenstående tabell gir definisjonene og et sett typiske verdier

for parameterne "he" som vil bli benyttet under beskrivelsen og også

et eksempel på verdier for motstandene.i gyratoren eller topolen

Likestrømsdriften, vekselstrømsdriften og en særlig anvendelse for topolen P vil bli undersøkt i det følgende

Likestrømsdrift

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.

Likestrøm som går gjennom transistoren Tl er da

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

- det antas at emitter - og kollektor strømmene til transistor Tl

er like på grunn av de høye verdier av parameteren hfe (se tabellen).

Ekvivalent kretsen til topolen er derfor representert av en spendingskilde V med en indre motstand r som mater en belastning Rc.

Med verdiene som er gitt i tabellen får vi r«=> 200 ohm og med

v = 20 volt vil kortsluttningsstrømmen til generatoren (når Rc = 0) være 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.

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.

Under disse forhold vil spenningsfallet over tilkoblingsklemmene

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.

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.

Kretsen som er beskrevet ovenfor er fremstilt ved å seriekoble

de tre komponentene,nemlig spenningskilden V,topolen P og belastningen R.Rekkefølgen av disse elementer kan byttes om uten at driften av utstyret endres.

Det er også mulig å anvende en negativ spenning ved å benytte

en NPN- transistor.

Vekselstrømsdrift

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.

Under disse forutsetninger skal vi beregne ekvivalent induktansen og ekvivalent resistansen til gyratoren ved midlere frekvenser r>ålt mellom punktene A og D.

Ekvivalent induktansen

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) .

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.

Man kan da sette:

Hvis vi videre kaller vekselspenningene som opptrer ved kollektoren og basis til transistoren Tl for Vc og Vb får man følgende forhold:

Ved å kombinere ligningene (1) og (2) og ved å kalle Z for den komplekse impedans til gren 2, får man videre:

For å finne verdien av reaktansen X<1> skriver vi:

Vi ser at dette reaktive uttrvkket tilsvarer en induktans med verdien :

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:

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%.

Ekvivalent motstanden ved midlere frekvenser

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:

Hvis vi her setter vekselspenningen ved emitteren til transistoren

Tl = Ve kan vi skrive:

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 ,

- Strømmen som leveres av strømgeneratoren G nemlig:

Ve

- Basis strømmen ib = - r—.— , hie - Strømmen som passerer gjennom emitter motstanden nemlig

Ligningen for strømmene som passerer knutepunktet blir da:

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

Ekvivalent impedansen til,strømgeneratoren G (gren 2, figur 6)

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

Ved innsetting av verdien for ic fra ligning 4 i ligning 5 fås

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:

Ligning (6) gjør det mulig å beregne verdien Z23 som blir:

Hvis vi benytter oss av verdiene for parametrene til transistoren gitt i tabellen og setter RI = 100 ohm fås: Z23^ 105 kiloohm.

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:

Z123<^ 10 kiloohm

Man skal bemerke at når transistor T2 er ledende, så vil topolen fortsatt virke som en induktans.

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:

- Impedansen Z23 (ligning 7) økes betraktelig,

- Ekvivalent impedansen Z12 3 økes også fordi verdien av motstand

R2 multipliseres med et forhold hfe 2.

Spesiell anvendelse

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.

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 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.

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).

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).