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Spannungsregler mit Sicherungseinrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Generatoren, welche eine geregelte Spannung liefern und allgemein als Spannungsregler bezeichnet werden, bei welchen Transistoren verwendet werden und welche eine Schutzeinrichtung für die Spannungsquellen gegenüber Überlast und Kurzschlüsse besitzen.
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sindwird in manchen Fällen durch Parallelschaltung einer Vakuumröhre oder eines Transistors erreicht, dessen bzw. deren Impedanz durch eine Signalspannung gesteuert wird, die vom Unterschied zwischen der Span- nung am Ausgang und einer Vergleichsspannung abhängt, wobei die Vergleichsspannung entweder aus einer Batterie, einer gasgefüllten Röhre oder einer Zenerdiode gewonnen wird ;
im Falle wo der veränderliche Widerstand, der in Serie geschaltet ist. ein Transistor ist, muss man insbesondere auf Überlastungen achten, da die üblichen Einrichtungen. wie z. B. Sicherungen unwirksam bleiben wegen der Tatsache, dass der Transistor bereits einen ständigen Schaden erleidet, bevor die Sicherung Zeit hat zu schmelzen.
Ein Ziel der Erfindung ist es, bei einem Spannungsregler im Falle von. Überlastung schnell die gelieferte Stromstärke zu beschränken.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, Vorkehrungen zu treffen, dass im Falle von Überlastung eine konstante Stromstärke auf einem bestimmten Wert eingehalten wird und dass nach Fortfall der Überlastung sofort die alte Regelung wieder einsetzt.
Der erfindungsgemässe Spann'iagsregler mit einer Sicherheitseinrichtung, bei welcher eine nichtgeregelte Gleichspannungsquelle in Serie mit einem Element geschaltet ist, dessen Impedanz verändert werden kann, wie z. B. mit einer Vakuumröhre oder einem Transistor und Einrichtungen zum Vergleich der Spannung an den Ausgangsklemmen, an welchen die Belastung liegt und einer Bezugsspannung, die z.
B. entweder aus einer Batterie oder aus einer gasgefüllten Röhre oder einer Zenerdiode gewonnen wird, wobei ein Steuersignal an die veränderliche Impedanz gesendet wird, um die Ausgangsspannung konstant zu halten, ist dadurch gekennzeichnet, dass der wirksame Teil der Sicherheitseinrichtung aus einem bistabilen Stromkreis besteht, welcher im ersten stabilen Zustand ist, wenn das an ihn angelegte Steuersignal kleiner als ein vorbestimmter Wert ist und welcher plötzlich in seinen zweiten stabilen Zustand kippt, wenn das an ihn angelegte Steuersignal grösser als der vorbestimmte Wert ist und umgekehrt.
Nach der weiteren Erfindung ist vorgesehen, dass der bistabile Stromkreis ein sogenannter''Schmidt- Stromkreis" ist.
Schliesslich ist der Spannungsregler weiters dadurch gekennzeichnet, dass der bistabile Stromkreis im Regelkreis eingeschaltet ist, u. zw. derart, dass er keine Wirkung im ersten stabilen Zustand ausübt und im zweiten stabilen Zustand das veränderliche Impedanzelemen : sperrt.
Dar Steuerkreis für den bistabilen Stromkreis beinhaltet einerseits eine Anordnung, um den gelieferten Laststrom zu nesssn, welche eine Spannung ergibt, die dem gelieferten Strom proportional ist. Eine sol- che Anordnung ist eine Spannungsquelle mit niedrigem innerem Widerstand. Anderseits beinhaltet dieser Stromkreis eine Schaltung zur Übertragung des genannten Steuersignals an den Eingang des bistabilen Stromkreises und zur Einführung von zwei Zeitkonstanten, von welchen die eine sehr klein ist, wenn das Steu-
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in den ersten Zustand.mentzusammengesetztgedacht werden, welches in Serie zwischen der Ausgangsklemme der Messeinrichtung und dem Eingang des bistabilen Stromkreises liegt.
Ein Kondensator und ein Widerstand welcher bezogen auf den inneren Widerstand der Spannungsquelle, welche durch die Messeinrichtung gebildet wird, gross ist, sind parallelgeschaltet zwischen der Eingangsklemme des bistabilen Stromkreises und der Klemme, welche dem bistabilen Stromkreis und der Messeinrichtung gemeinsam sind. Die Richtung, in welcher das asymmetrische leitende Element geschaltet ist, ist so gewählt, dass es eine niedrige Impedanz aufweist, wenn das Steuersignal der Schwellenspannung für die Umsteuerung des bistabilen Stromkreises in seinen zweiten Bereich gelangt.
Die Messeinrichtung ist in einer solchen Art ausgelegt, dass der bistabile
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welchem Falle die Schutzvorrichtung wie ein Kipposzillator (relaxation oscillator) arbeitet, wobei der Ge- brauchsstromkreis in jeder Periode nur eine ganz kurze Zeit geöffnet ist, so dass die Durchschnittsstrom- stärke niedriger bleibt als die kritische Stromstärke selbst in den Fällen, wo die Ausgangsklemmen kurz- geschlossen werden.
Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung näher beschrieben. Fig. 1 zeigt eine bekannte Ausfüh- rungsform eines Spannungsreglers, bei welcher Transistoren verwendet werden. Fig. 2 zeigt einen Span- nungsreglergleicher Type, wie in Fig. l dargestellt, jedoch mit einer erfindungsgemässen Sicherheitsein- richtung.
Fig. l zeigt einen Spannungsregler üblicher Bauart, welcher aus einer Wechselspannungsquelle gespeist wird, die an der Wicklung Pl des Transformators T liegt. Die Sekundärwicklungen S1 und S2 speisen ihrerseits zwei Gleichrichterbrücken DU-D14 und D21-D24. Die Gleichrichterbrücke, welche durch die Sekundärwicklung S2 gespeist wird, liefert eine gefilterte Spannung über die Impedanz L und die Kondensatoren Cl und C2, die im geringen Masse höher ist wie diejenige, die von der Gleichrichterbrücke geliefert wird, die an der Wicklung S1 liegt. Die Sekundärwicklung S2 wird nur dazu benützt, den Stabili- sierungsverstärkerzu betreiben, welchersich aus dem Transistor Q3 mit den dazugehörigen Elementen zusammensetzt,
aus welchem Grunde sie nur eine kleine Spannung liefert, während die von der Sekundärwicklung SI hergeleitete Spannung bzw. die Ausgangsspannung aus der Gleichrichterbrücke DU und D21 nur eine grobe Filterung durch den Kondensator C3 erhält. Die positive Klemme B2 ist beiden Gleichrichterbrückengemeinsam. Der Transistor Q2 in Serie mit dem Ausgangskreis ist das Element, dessen Impedanz zur Konstanthaltung der Ausgangsspannung gesteuert wird.
Der Transistor Q3 ist inder gewöhnlichen Emitter-Schaltung geschaltet und sein Emitter ist auf einem konstanten Potential in bezug auf die positive Klemme B2 durch die Zenerdiode ZI gehalten, welche in Serie mit dem Widerstand R2 liegt. Der Widerstand R3 ist der Lastwiderstand des Kollektors. Das Eingangssignal, welches an der Basis angelegt wird, entsteht mittels des Potentiometers R5 und R6, welches zwischen den Ausgangsklemmen BI und B2 eingeschaltet ist. Das Ausgangssignal des Transistors Q3 liegt an der Basis des Transistors Ql, dessen Belastung durch den Widerstand R1 in Serie mit dem Emitter dargestellt ist. Das Ausgangssignal des Transistors Q1 wird zur Steuerung der Basis des Leistungstransistors Q2 verwendet.
Es ist offensichtlich, dass Variationen der Spannungsdifferenz zwischen den Klemmen B1 und B2 in bekannter Weise über die Transistoren Q3 und Q1 Anstoss geben zu einer Variation der inneren Impedanz des Transistors Q2, um die Ausgangsspannung auf den vorbestimmten Wert zurückzubringen. Der Widerstand R5 wird gewöhnlich so ausgelegt, dass der Wert der konstant zu haltenden Spannung geändert werden kann.
In einer Schaltungsanordnung dieser Art wird bei Kurzschluss der Klemmen B1 mit B2 der Strom über den vorgesehenen Wert ansteigen und gewöhnlich die Zerstörung des Transistors Q2 herbeiführen, selbst wenn eine Sicherung in Serie mit der Stromversorgung angeordnet ist.
Fig. 2 zeigt einen Spannungsregler der gleichen Type, wie in Fig. 1 dargestellt, zusätzlich mit einer Sicherungseinrichtung, welche im Falle von Überlastungen den Durchschnittsstrom auf einen Wert hält, welcher für den Transistor Q2 zuträglich ist. Alle Schaltungsteile, welche mit denen der Fig. 1 identisch sind und auch deren Funktion ausüben, sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Der Widerstand R7, welcher in Serie in dem Ausgangskreis liegt, wird zur Messung der Ausgangsstromstärke verwendet. Die beiden Transistoren Q4 und Q5 mit den Elementen, welche innerhalb des gestrichelten Rechteckes dargestelltsind, bilden einen Schaltkreis (Triggerkreis) von der sogenannten Schmidt-Type. Die Eingangsklemme desselben wird durch die Basis des Transistors Q4 gebildet.
Wie bekannt ist, besitzt ein solcher Schaltkreis zwei stabile Zustände, welche dem Blockieren und Öffnen des Transistors Q5 entsprechen, u. zw. je nachdem, ob die der Eingangsklemme zugeführte Spannung niedriger oder höher als ein bestimmter Wert
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ist. In der Schaltung nach Fig. 2 sind die positiven Klemmen den beiden Gleichrichterbrücken nicht ge- meinsam. Sie sind jedoch durch die Zenerdiode Z2 miteinander verbunden, welche der Klemme B2 und der positiven Klemme C der Gleichrichterbrücke D11 und D14 eine Spannungsdifferenz von einigen Volt aufrechterhält, wobei der Punkt C in bezug auf die Klemme B2 positiv ist. Wenn die Stromversorgung nor- mal ist, dann ist die Diode CR1 blockiert, wie dies später erläutert wird. Der Basisstrom des Transistors
Q4 fliesst durch den Widerstand R12 solange bis er gesättigt ist.
Die Basisspannung in bezug auf den Punkt
C wird durch die Widerstände R12 und R8 und durch die Transistorverstärkung bestimmt. Das Potentiome- ter, das sich aus den Widerständen R9 und R11 zusammensetzt, ist so ausgelegt, dass in diesen Zuständen der Transistor Q5 blockiert ist, so dass der Stromkreis innerhalb des strichlierten Rechteckes nicht die Wir- kung des Spannungsreglers beeinflusst. Die Blockierung der Diode CR1 wird durch die Tatsache erreicht, dass der Strom, welcher durch den Widerstand R7 fliesst, eine Potentialdifferenz hervorruft, welche ent- gegengesetzt derjenigen, welche an den Klemmen der Zenerdiode Z2 auftritt, ist.
Der Wert des Wider- standes R7 und der Zenerdiode sind in Übereinstimmung mit der Basisspannung des Transistors Q4 gewählt, u. zw. auf eine solche Art, dass die Diode CR1 solange blockiert ist als der Stromfluss geringer ist als der maximale vorhergesehene Stromfluss, welcher auf die Charakteristik des Leistungstransistors Q2 abgestimmt ist.
Sobald der Stromfluss den bestimmten Grenzwert übersteigt, wird der Spannungsunterschied an den
Klemmen des Widerstandes R7 genügend gross, um die Diode CR1 zu öffnen. Der Kondensator C4 wird schnell geladen, der Widerstand R7 und der Widerstand des Arbeitsstromkreises im Falle der Überlast sehr klein in bezug auf den Widerstand R12. Der Transistor Q4 wird blockiert und der Transistor Q5 leitend.
Die Belastung des Kollektors R3 ist den Transistoren Q5 und Q3 gemeinsam. Der Stromkreis ist in der üb- lichen Art ausgelegt, so dass bei diesen Verhältnissen der Transistor Q3 gesättigt wird und das Potential des Kollektors positiv in bezug auf die Klemme B2 wird. Der Emitter des Transistors Q1 ist praktisch auf die gleiche positive Spannung gebracht in bezug auf B2, der Transistor Q2 ist gesperrt. Der Spannungsab- fall über dem Widerstand R7 hört auf und die Diode RC1 wird neuerdings gesperrt. Der Kondensator C4 wird in einem Stromkreis entladen, dessen Zeitkonstante durch den Widerstand R12, dessen Wert hoch ist in be- zug auf den Wert des Widerstandes R7 und des Widerstandes des Arbeitsstromkreises, insbesondere im Fal- le der Überlast.
Der Kondensator C4 wird dann langsam entladen bis die Spannung der Basis des Transistors Q den Wert erreicht, bei welchem der Stromkreis in seine Ausgangslage zurückkehrt. Der Transistor Q5 wird wieder gesperrt und der Transistor Q4 geöffnet.
Wenn die Ursachen der Überlast im äusseren Stromkreis noch fortdauern, dann wird der oben beschrie- bene Vorgang wiederholt solange bis der Widerstand, welcher an den Klemmen B1 und B2 des Arbeitsstromkreises herrscht, zu einem höheren Wert zurückkehrt als es dem eingestellten Maximalstrom entspricht.
Das Verhältnis zwischen der Zeit, während welcher der "Schmidt"-Stromkreis inseine ! l1ormalen Lage ist, und der Zeit, während welcher er den Transistor Q2 sperrt, d. i., das Verhältnis zwischen der konstanten Ladezeit und der konstanten Entladezeit des Kondensators Cl, ist so gewählt, dass der Durchschnittsstrom, welcher durch den Transistor Q2 fliesst, im wesentlichen geringerist wie der Maxi. malstrom, welcher durch den Transistor Q2 fliessen kann. Diese Bedingung ist normalerweise erfüllt durch die Tatsache, dass das Verhältnis der Zeitkonstanten in der gleichen Grössenordnung ist wie das Verhältnis der Widerstände R12 und R7, deren Werte etwa bei einigen zehntausenden Ohm und einigen Ohm liegen.
In einem Ausführungsbeispiel wurde der Spannungsregler ausgelegt, um 24 V an seinen Ausgangsklemmen bei einer Last von 24 Ohm zu liefern, wobei der Strom 1A war. Wenn die Last auf 23 Ohm reduziert wurde, dann wirkte die Sicherheitseinrichtung und reduzierte den Durchschnittsstrom auf 50 mA.
Wenn die Klemmen B1 und B2 kurzgeschlossen wurden, dann reduzierte die Sicherheitseinrichtung den Durchschnittsstrom auf 20 mA. Es konnte beobachtet werden, dass je kleiner die angelegte Last war, desto kleiner der Durchschnittsstrom war. Das kann durch die Tatsache erklärt werden, dass die Potentialdifferenz an den Klemmendes Widerstandes R7 sich vergrössert, wenn der Lastwiderstand abnimmt, so dass die Spannungsdifferenz, durch die der Kondensator C4 geladen wird, grösser ist. Das Zeitintervall, welches notwendig ist, um die Basis des Transistors Q4 auf eine Spannung zu bringen, bei welcher der"Schmidt"Schaltkreis auf seine zweite Lage umschaltet, nimmt ab, und da die Entladezeit des Kondensators C4 konstant bleibt vermindert sich der Darchschnittsstrom.
Im beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Widerstände der Transistoren Q2, Q4 und Q5 mit dem Leiter C verbunden, welcher an einer positiven Spannung liegt in bezug auf die Klemme B2, u. zw. wegen der Anwesenheit der Zenerdiode Z2. Aus diesem Grunde kann man während der Wirkung der Sicherheitseinrichtung an die Basis des Transistors Q2 eine positive Spannung in bezug auf die Spannung des Emitters anlegen, welche im Falle eines Kurzschlusses auf der Spannung der Klemme B2 liegt. Es ist selbst-
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nerdiode Z2 zu vermeiden, wobei dann der Punkt C mit dem Punkt A verbunden ist, wie dies in Fig. 1 der Fall ist.
Unter diesen Verhältnissen wird der Transistor Q2 bei offenem Transistor Q5 nicht vollständig gesperrt, was sich in einer Vergrösserung des Durchschnittsstromes bei Wirksamwerden der Sicherheitseinrichtung auswirkt.
PATENTANSPRUCHES , l. Spannungsregler mit einer Sicherheitseinrichtung, bei welcher eine nichtgeregelte Gleichspannungsquelle in Serie mit einem Element geschaltet ist, dessen Impedanz verändert werden kann, wie z. B. mit einer Vakuumröhre odereinem Transistorund Einrichtungen zum Vergleich der Spannung an den Ausgangsklemmen, an welchen die Belastung liegt und einer Bezugsspannung, die z.
B. entweder aus einer Batterie oder aus einer gasgefüllten Röhre odereiner Zenerdiode gewonnen wird, wobei ein Steuersignal an die ver- änderliche Impedanz gesendet wird, um die Ausgangsspannung konstant zu halten, dadurch gekennzeichnet, dass der wirksame Teil der Sicherheitseinrichtung aus einem bistabilen Stromkreis besteht, welcher im ersten stabilen Zustand ist, wenn das an ihn angelegte Steuersignal kleiner als ein vorbestimmter Wert ist und welcher plötzlich in seinen zweiten stabilen Zustand kippt, wenn das an ihn angelegte Steuersignal grösser als der vorbestimmte Wert ist und umgekehrt.
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