NO165374B - Ettergivende polstring isaer for stoler. - Google Patents

Description

Transistor-1 ikestrømforsterker for bruk ve'd målinger.

Oppfinnelsen vedrører en transistor-likestrømforsterker for bruk ved målinger, 'særlig ved måling av fysikalske størrelser som temperatur, fuktighet osv., med to transistorer i etmitterkobling, mellom hvis basiselektrode, som utgjør inngangene, det er lagt en målesignalgiver, og med strømmotkobling,

hvor serieforbindelsen mellom de to transistorers emitter-kollektorstrekning og kollektor-belastningsmotstanden er parallellkoblet.

Måleforsterkeres nøyaktighet er i sterk grad avhengig av deres følsomhet overfor ytre innflytelse. Svingninger i nettspenningen eller batterispenningen, forandringer av omgivelses-temperaturen eller temperaturen i transistoren på grunn av strømvarme og lignende kan føre til betydelige forandringer av arbeidspunktet

j

og på denne måte til en forfalskning av det forsterkede målesignal.

Det er kjent ved likestrømsforsterkere å

stabilisere arbeidspunkter for to transistorer som ligger i parallell-grenene til en motkobling ved å forbinde hver kollektor med den nega-tive side på en for de to transistorer felles konstant-spenningskilde, mens den positive side av spenningskilden over to motstander av-grenes til hver sin basis.

Det er. likeledes kjent at man kar: stabilisere arbeidspunkt ved at man som motkobling forbinder kollektoren med basis .over en motstand. I den grad man forsterker motkoblingen for å oppnå en best mulig stabilitet, blir forsterkningsgraden mindre, inntil man ved motkobling på ca. li det hele tatt ikke får noen forsterkning mer. Man .var av denne grunn nødt til å inngå et kom-promiss mellom den oppnåelige forsterkning og den oppnåelige stabilitet.

Oppfinnelsen har til hensikt å angi en transistorlikestrømforsterker hvor stabiliteten er vidtgående uavhengig av forsterkningen av inngangssignalet og som er satt sammen

av færrest mulig komponenter.

Hensikten blir oppnådd ved en forsterker med to transistorer i emitter-kobling, mellom hvis basiselektroder • som utgjør inngangene det er lagt en målesignalgiver, og med strøm-motkobling hvor serieforbindelsen mellom de to transistorers emitter-kollektorstrekning og kollektor-belastningsmotstanden er parallellkoblet, og oppfinnelsen er kjennetegnet ved at en motstand mellom hver av de to transistorers kollektor og basis gir en strømmotkob-ing på ca. 1, samt at den indre motstand for målesignalgiveren er så liten i forhold til inngangsimpedansen for de to transistorers at summen av de to mot inngangen løpende motkoblingsstrømmer praktisk talt er konstant. Ifølge et videre trekk ved oppfinnelsen blir en fortrinnsvis innstillbar forspenning tilført symmetrisk til basiselektrodene over en beskyttelsesmotstand.

Det som herved i og for seg er særlig in-teressant er at man har en motkoblingsfaktor som er omtrent lik 1, noe som ikke er normalt. Det er forsåvidt fra forsterkerteknikken kjent å benytte motkoblingsfaktorer på 1 der hvor det ikke skal fore-tas forsterkning. Da det ved differanseforsterkere imidlertid skal opptre en forsterkning, er det ikke nærliggende på dette sted å benytte en strømmotkobling på 1. Overraskende har det vist seg at strømmotkoblingen pål anvendt i den spesielle kobling ifølge oppfinnelsen fører til at totalforsterkningen for differanseforsterkeren ikke blir påvirket. En strømmotkobling påica..1 .støter også på vanskeligheter av den grunn at de over kpblingsgjenstandene flytende motkoblingsstrømmer er forskjellig store, jBare. under hensyntagen til de trekk som kjennetegner oppfinnelsen; altså valget av en til-, svarende liten indre motstand på målesignalgiveren, lykkes det å la en utligningsstrøm flyte over målesignalgiyeren, slik at de hermed forbundede forstyrrelser blir koblet bort.|

Ved oppbyggingen av likestrømsforsterkeren ifølge oppfinnelsen har hver transistor påi grunn av den sterke motkobling et ytterst stabilt arbeidspunkt, som bevirker at spesielt alle symmetrisk opptredende innflytelser (spenningssvingninger, temperatursvingninger) blir eliminert-. Likeledes på grunn av den sterke motkobling forsterkes i dette tilfelle heller ikke et inn-gangssignal som påtrykkes mellom basis op; Remitter. Et inngangssig-nal som legges mellom de to transistorers basiselektroder blir likevel forsterket på normal måte, idet det hever den ene transistors arbeidspunkt og senker arbeidspunktet for Iden andre transistor.

Som følge derav forandrer kollektorspenningen for de to transistorer seg i motsatt retning. Dette fører til en forandring av motkoblings-strømmen. Men da det samtidig flyter en utligningsstrøm over målesignalgiveren, forblir basisstrømmene, forsåvidt som de avhenger av motkoblingsstrømmene, likevel konstante.. [Forsterkninger og motkob-linger påvirker derfor i liten grad eller overhodet ikké hverandre, slik at de til inngangen flytende motkoblingsstrømmer i stor grad kan betraktes som konstante jo mindre motstanden for signalgiveren er.i forhold til inngangsimpedansen for de to inngangstransistorer. Særlig egnet er f. eks. en målebro som målesignalgiver<.>'

i

Ved et forsøk ble måleforsterkeren benyttet til temperaturmåling. Den ytre temperatur ble under forsøket forandret fra -20°c til +60°C. Forsterkerens maksimale feil i dette temperaturområde var 0,02°C og beviser stabilitet over et over-ordentlig stort temperaturområde.

Ved et eksempeljpå utførelsen tilhører de parallellkoblede transistorer forsterkeréns inngangstrinn, og det usymmetriske utgangssignal blir ført til jet kippende likestrømsfor-sterkertrinn, som er forbundet med en av[kollektorelektrodene gjennom en likestrømkobling. Det kippende trinn kan.f.eks. bli frem-stilt ved en Schmitt-krets. Da det kippende forsterkertrinn bare har to stillinger og dets inngang er tilfredsstillende stabilisert, kan det ikke oppstå noen vesentlige feil i måleresultatet på grunn av dette tilkoblede forsterkertrinn. Dessuten er det i en slik forsterker en differanse, altså en avstand mellom den måleverdi hvor man får enomkipping og den måleverdi hvor man får tilbakekipping, slik det' er nødvendig ved en entydig styringsprosess. En slik forsterker er spesielt godt egnet for direkte styring av et relé i utgangen.

Kollektorelektrodene til begge transistorene i inngangstrinnet kan hensiktsmessig være forbundet over hver sin likestrømkobling, med hvert sitt spesielle kippende likestrømfor-sterkertrinn. Alt etter inngangssignalets polaritet blir det ene eller det andre forsterkertrinn satt i virksomhet. Med den samme målesignalgiver kan man derfor, f.eks. ved klimaanlegg, uten å koble om, på den ene side styre en tilførselsventil for varmemediet og på den annen side styre en tilførselsventil for varmemediet og på den annen side styre en tilførselsventil for kjølemediet. Ved bruk av kippende forsterkertrinn får man mellom de verdier kretsen reagerer på en død sone som ligger symmetrisk til målesignalets null-stilling. Dette er fordelaktig ved slike styringsprosesser. I ethvert tilfelle opprettholdes inngangstrinnets grunnegenskap, nemlig stabilitet uavhengig av forsterkningsgraden.

Ved en innstilling på målesignalgiveren kan man ikke bare forandre den døde sones nøytrale verdi, altså det punkt hvor målesignalets polaritet vender om, men man kan også fastlegge den døde sones bredde helt eksakt. Dette kan skje på den måte at en fortrinnsvis innstillbar forspenning blir tilført basiselektrodene symmetrisk over hver sin beskyttelsesmotstand. På denne måte blir begge inngangstransistorenes arbeidspunkter innstilt eller forandret, uten forstyrrelse av de øvrige funksjoner.

Videre kan det kippende likestrømforsterker-trinn fordelaktig være en likestrømkomplementærforsterker, hvor den første transistors kollektor er forbundet med den annen transistors basis, og det mellom den første transistors basis og den annen transistors kollektor er koblet en medkoblingsmotstand, hvorved annen transistors kollektor er utstyrt med en belastningsmotstand, særlig et relé.

På grunn av medkoblingen blir forsterker-trinnets kippmekanisme ytterligere eksellerert. Temperaturinnflyt-elsen er av enda mindre betydning. Derfor er en slik kippende for-

sterker av almen interesse.

I forbindelse medj det spesielle inngangstrinn fremkommer en ekstra fordel ved at en del av medkoblingsstrøm-men flyter bort over motkoblingsmotstanden' og bevirker en spenningssenkning ved inngangstransistorens basiseléktrode og på denne måte ' influerer på denne transistors arbeidspunkt i form av en mindre omkoblingsdifferanse for det kippende forsterkertrinn.

Det anbefales spesielt at den første transistor i komplementærforsterkeren er av samme type som transistoren i inhgangstrinnet, fortrinnsvis av npn-typen.

Oppfinnelsen, er i det følgende nærmere for-klart ved hjelp av to eksempler på utførelsen under henvisning til tegningen hvor: Fig. 1 viser et koblingsskjerna for en forsterker med én utgang. Fig. 2 viser et Icoblingsskjema for en forsterker med to utganger.. Fig. 3 viser i et diagram forsterkerens virkemåte ifølge fig. 2.

To transistorer T-, og T„ er med sine ;12

emitter-kollektorstrekninger og hver sin kollektorbelastningsmot-stand R^ og R2 koblet parallelt til en likespenning, som blir'til-ført over klemmene 1 og 2. Klemme 1 er positiv overfor klemme 2.

i

Mellom kollektor og basis hos transistor 1^, altså mellom punktene

3 og 4, ligger en motstand R^ som bevirker en motkobling på ca. 1. Mellom kollektor og basis hos transistor T^, altså mellom punktene

5 og 6, ligger en motstand R^ som også bevirker en motkobling på

ca. 1. Målesignalgiveren, som gir en målésignalspenning E^, er koblet mellom klemmene 7 og 8 som er forbundet med henholdsvis transistor T- og T0's basis. Deres polariitet er i dette tilfelle valgt slik at klemme .8 er positiv overfor, klemme 7.

Til punkt' 3 er koblet transistor T^'s basis. T7's kollektor er komplementært koblet til basis hos transistoren T^. I transistoren T^s kollektorkrets ligger et relé S^. En medkoblingsmotstand Rj. er koblet mellqi m p,unkt 3 og punkt 9, sist-nevnte ligger mellom transistoren T^ og releet S^.

Koblingen arbeider på følgende måte:

På grunn av motkoblingen gjennom motstandene R^ og Rjj blir arbeidspunktene til transistorene T^ og T^j altså spenningen ved punktene 3 og 5, holdt stabile uavhengig av ytre innflytelse. Målesignalspenningen EM fører imidlertid til at transistor T blir bragt i en mindre ledende og transistor Tg i en mer ledende tilstand. Dette fører til en spenningsøkning i punkt 3 og til en spenningssenkning i punkt 5 i et forsterkningsforhold som tilsvarer transistordataene.

Disse forhold blir ikke påvirket av motkoblingen. Riktignok forandrer motkoblingsstrømmen over motstandene R^ og Rjj seg proporsjonalt til spenningen i henholdsvis punkt 3 og 5. Spenningsforskjellen mellom punkt 7 og 8 holder seg imidlertid kon-stant, hvis man holder signalspenningen EM konstant, fordi en økning av motkoblingsstrømmen i den ene transistors område er tilordnet en like stor senkning av 'motkoblingsstrømmen i den annen transistors område. Følgelig er utgangssignalet som man får ved punkt 3 bare avhengig av inngangssignalet ved klemmene 7 og 8, og uavhengig av all annen innflytelse som ligger symmetrisk på inngangstrinnet.

Transistoren T^ er av npn-typen akkurat

som transistorene T^ og Tg, mens transistoren T^. er av pnp-typen. Følgelig blir transistoren T^ ledende, når spenningen ved punkt 3 har overskredet en foreskrevet verdi. Så snart transistoren T^ blir ledende, blir også transistoren T^ ledende. Med en gang dette er skjedd, går en medkoblingsstrøm over motstanden R,- og forårsaker en ytterst rask og sikker kipping- av "det annet forsterkertrinn, slik at releet S^ slår inn.

En kraftig medkobling gir normalt en stor differanse, det betyr at. spenningen .ved punkt 3 måtte synke meget sterkt før transistoren T^ går tilbake i den ikke ledende tilstand.

I den her beskrevne kobling blir imidlertid en del av medkoblings-strømmen ledet som motkoblingssfcrøm fra punkt 3 og motstanden R^

til punkt 4. Medkoblingsstrømmen til punkt 3 bevirker en stigning av motkoblingsstrømmen gjennom R^ til punkt 4. Dette fører til en spenningssenkning i punkt 3 for den tid det har en motkoblingsstrøm. Dette igjen bevirker at inngangsdifferansen 7-8 blir mindre. Da denne kunstige spenningssenkning forsvinner når motkoblingsstrømmen faller fra, altså når releet kobler ut, har den ingen innflytelse på reguleringsnøyaktigheten.

Ved forsterkeren som er vist i fig. 2 er det for tilsvarende deler til de i fig. 1 brukt samme betegnelse. Ifølge dette er det også ved punkt 5 tilkoblet en kippende likestrøm-

forsterker, som tilsvarer forsterkeren som er styrt fra punkt 3.

Til denne hører en første transistor T,-, en annen komplementær-transistor Tg og en.medkoblingsmotstand Rg som ligger mellom kollek-torpunktet 10 og punkt 5. Denne forsterker stjyrer et relé Sg..

Dessuten er det over motkoblingsmotstandene Rj og R^ koblet kondensatorer, henholdsvis og Cg, og parallelt med releene S.^ og Sg kohdénsatorene og C^. Ved hjelp av disse kondensatorer kan koblingen tilordnes en passende tidskonstant.'

En spenningsdeler, som består av en Zener-

i

diode D, og en motstand R^, holder spenningen i forbindelsespunktet 11 mellom disse elementer omtrent konstant. jMellom punktet 11 og et punkt 12 ligger en motstand Rg i serie med motstanden R^ og en regulerbar motstand R-^qj som er koblet parallelt over motstanden R^. Punktet 12 er forbundet med transistoren T^'s basispunkt H over en beskyttelsesmotstand R^ og med transistoren Tg's basispunkt 6 over en beskyttelsesmotstand R-^* Følgelig kan man ved å forandre den bevegelige motstand R-^q regelmessig heve eller senke spenningen ved punktene 4 og 6 og derved ved punktene 3 ogj5. Dette fører med seg en forandring av den døde sones bredde.

Målesignalgiveren,'som ligger mellom klem-

mene 7 og 8, er her en brokobling, som i sine fire grener har to faste motstander R.^ og R^j en regulerbar motstand R.. [- til innstilling av en sammenligningsstørrelse og en føler F; i form av en temperaturav-hengig motstand. Broen blir drevet ved hjelp av et batteri B.

Føleren kan naturligvis også måle andre fysiikalske størrelser, f.eks.

fuktighet..

Ved hjelp av koblingen i fig.. 2 blir f.eks.

en romtemperatur målt, og i avhengighet av! denne temperatur reguleres gjennom reléet S^ en oppvarmingsmiddel-tiljførselsventil og gjennom reléet Sg en kjølemiddel-tilførselsventil; Man får da det i fig. 3 fremstilte funksjonsskjema hvor energiseringstilstandene f (S.^) og f (Sg) til de to reléer og Sg er fremspilt over temperaturen t.

tg er temperaturén når brokoblingen er i ro, altså spenningsløs. I denne stilling er begge reléene og Sg ikke energisert. Synker temperaturen til i verdien t, i, så slår det høyre forsterkertrinn over fra energiseringstilstanden I til energiseringstilstanden II, ved hvilken releet S.. er energisert. I tilsvarende grad blir det overvåkede rom ti.lifø<rt> oppvarmingsmiddel.

Når temperaturen igjen stiger og har nådd verdien tg, vender det

I

høyre forsterkertrinn tilbake til energiseringstilstanden I. Hvis temperaturen stiger videre og når verdien t^, slår det venstre forsterkertrinn over i energiseringstilstanden II, slik at kjølemiddel blir tilført. Når temperaturen igjen synker og har nådd verdien t^, vender det venstre forsterkertrinn tilbake til energiseringstilstanden I. Mellom temperaturene tg og t^ befinner det seg en død sone z, hvor hele anordningen er inaktiv, slik at oppvarmingen og avkjølingen ikke forstyrrer hverandre gjensidig. Differansen mellom temperaturene t^ og tg, henholdsvis t^ og t^ kaller man differansen d. Den er nødvendig for å gi reguleringskoblingen en stabil karak-

ter.

Ved det brukte utførelseseksempel kan man forandre verdien tQ ved en forandring av målesignalgiverens sammen-ligningsmotstand R, ,- En forandring av den døde sone z kan bli

lp.

foretatt ved en regulering av ihnstillingsmotstanden R^Q. Diffe-

ransen d er fastlagt i forsterkertrinnet, men man kan imidlertid innstille det på en ønsket verdi ved å forandre medkoblingsmotstanden Rc-, henholdsvis Rg.

På.koblingsskjemaet er det lett å se at man

kan ta ut.' utgangsspenningen fra emitter-kollektorstrekningen til en transistor T^, henholdsvis Tg eller fra én tilhørende kollektorbe-lastningsmotstand R.. , henholdsvis R?.

Claims (1)

1. Transistor-likestrømforsterker for bruk ved målinger, særlig ved måling av fysikalske størrelser som temperatur, fuktighet osv., med to transistorer i emitterkobling, mellom hvis basiselektroder som utgjør inngangene, det er lagt en målesignalgiver, og med strømmotkobling, hvor serieforbindelsene mellom de to transistorers (T-^j Tg) emitter-kollektorstrekning og kollektor-belastningsmotstanden (R^, Rg) er parallellkoblet,. karakterisert ved at en motstand (R^, R^) mellom hver av de to transistorers kollektor og basis gir en strømmotkobling på ca. 1, samt at den indre motstand for målesignalgiveren på i og for seg kjent måte er så liten i forhold til inngangsimpedansen for de to transistorer at summen, av de to mot inngangen løpende motkoblings-strømmer praktisk talt er konstant.

5. Forsterker ifølge krav 1, karakterisert ved at en fortrinnsvis innstillbår forspenning blir tilført symmetrisk til basiselektrodene ovér en beskyttelsesmotstand (ri;l, r12). j