<Desc/Clms Page number 1>
Spannungsstabilisierte Gleichstromspeiseeinrichtang Die vorliegende Erfindung betrifft eine spannungsstabilisierte Gleichstromspeiseeinrichtung.
Es ist bekannt, in Gleichstromspeiseeinrichtungen eine Spannungsstabilisierung mit Hilfe von Transistoren und Referenzdioden, z. B. Zenerdioden, vorzunehmen, um die Verbraucherspannung innerhalb weiter Grenzen von Speisespannungs- und Verbraucherstromänderungen konstant zu halten. Eine bekannte Schaltung dieser Art ist in der Fig. 1 der Zeichnung dargestellt.
Die Transistoren solcher Spannungsstabilisatoren können gegen Überlast und insbesondere gegen Kurzschluss mit den üblichen Mitteln (Sicherungen, Überstromauslöser) nur strommässig geschützt werden. Es kann aber damit nicht verhindert werden, dass im Falle eines Kurzschlusses in der Zeit zwischen dem Eintreten des Kurzschlusses und dem Ansprechen des überstromschutzes die volle Speisespannung an dem für die Spannungsstabilisierung verwendeten Längstransistor als Emitter-Kollektor-Spannung auftritt. Der Transistor muss also kurzzeitig die volle Speisespannung an der Emitter-Kollektor-Strecke aushalten können, was die Anwendung solcher spannungsstabilisierenden Schaltungen auf relativ niedere Speisespannungen beschränkt.
Die Erfindung bezweckt, diesen Nachteil zu vermeiden.
Die erfindungsgemässe, spannungsstabilisierte Gleichstromspeiseeinrichtung, welche mehrere Transistoren aufweist, von denen einer mit der Emitter- Kollektor-Strecke in Serie zwischen die Speisequelle und den Verbraucher geschaltet ist und durch einen Quertransistor in Verbindung mit einer Referenzdiode zwecks Stabilisierung der Verbraucherspannung gesteuert wird, zeichnet sich dadurch aus, dass ein oder mehrere weitere Transistoren mit dem erstgenannten Transistor in Serie geschaltet sind und dass die Kette der Serietransistoren durch einen Spannungsteiler überbrückt ist, welcher die Basispotentiale der weiteren Transistoren und damit die Emitter-Kollektor- Spannung der Serietransistoren festlegt,
das Ganze derart, dass bei Überlastung oder Kurzschluss diese Spannung für keinen dieser Transistoren den zulässigen Wert überschreitet.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.
Die Fig. 1 zeigt eine bekannte Gleichstromspeiseeinrichtung mit Spannungsstabilisierung.
Die Fig. 2 bis 4 zeigen Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes, wobei in den Schaltungen nach Fig. 3 und 4 neben der Spannungsstabilisierung auch eine Strombegrenzung zur Anwendung gelangt.
Die Schaltung nach Fig. 1 weist eine Gleichstromspeisequelle 1 auf, die hier als Batterie dargestellt ist und über die Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors 5 einen Verbraucher 8 speist. Parallel zur Batterie liegt ein Stromkreis, der den Widerstand 2, die Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors 4 und die als Referenzdiode dienende Zenerdiode 3 enthält. Parallel zum Verbraucher 8 liegt ein Spannungs- teiler, der aus den Widerständen 6 und 7 besteht, deren Verbindungspunkt zur Basis des Transistors 4 geführt ist.
Bei geeigneter Bemessung der Elemente arbeitet die Schaltung in bekannter Art so, dass bei Änderungen der Speisespannung oder des Verbraucherstromes die Verbraucherspannung über einen grossen Bereich der genannten Änderung weitgehend konstant bleibt.
<Desc/Clms Page number 2>
Wie eingangs erwähnt, kann eine derartige- Span- nungsstabilisierungsschaltung nur für relativ niedere Speisespannung verwendet werden, das heisst Speisespannungen, welche die höchstzulässige Emitter-Kol- lektor-Spannung des Transistors nicht überschreiten, um im Falle eines Kurzschlusses der Verbraucherklemmen den Transistor nicht zu überlasten.
Anhand der Fig. 2 soll nun dargelegt werden, wie die vorstehend erwähnte Beschränkung umgangen werden kann. In der Fig.2 sind für gleiche Teile die gleiche Bezeichnung verwendet wie in Fig. 1. Die Schaltung der Fig.2 ist gegen Überlast durch eine Sicherung 9 geschützt. Die Spannung der Quelle 1 ist nun also bedeutend höher als die zulässige Emitter-Kollektor-Spannung des Transistors 5. Wie ersichtlich, sind mit dem Transistor 5 zwei weitere Transistoren 10 und 11 in Serie geschaltet, so dass ihre Emitter-Kollektor-Strecken vom Verbraucherstrom durchflossen sind.
Die Anzahl der in Serie geschalteten Längstransistoren ist so zu wählen, dass im Falle eines Kurzschlusses der Verbraucherklemmen der auf den einzelnen Transistor entfallende Anteil der Speisespannung die zulässige Emitter-Kol- lektor-Spannung nicht überschreitet, da vor dem Ansprechen der Sicherung 9 die ganze Speisespannung an der Transistorenkette liegt.
Wie aus der Fig. 2 hervorgeht, ist die Transisto- renkette durch einen Spannungsteiler überbrückt, der aus den Widerständen 12, 13 und 14 besteht. Der Verbindungspunkt der Widerstände 12 und 13 ist mit der Basis des Transistors 10 und der Verbindungspunkt der Widerstände 13 und 14 mit der Basis des Transistors 11 verbunden. Durch diesen Spannungsteiler werden bei einem Kurzschluss der Verbraucherklemmen eindeutige Basispotentiale für die Transistoren 10 und 11 festgelegt. Da der Strom durch die Transistorenkette (abgesehen von den kleinen abzweigenden Basisströmen) durch jeden Transistor gleich gross ist, erzwingt die Festlegung der Basispotentiale auch die Verteilung der Emitter-Kol- lektor-Spannungen auf die einzelnen Transistoren.
Durch diese gesteuerte Aufteilung der Speisespannung auf die einzelnen Transistoren wird erst eine wirtschaftliche Verwendung mehrerer Serietransisto- ren ermöglicht.
Ein weiterer Vorteil der Serieschaltung mehrerer Transistoren ergibt sich dadurch, dass die Elemente 2, 3, 4, 6 und 7 für die Steuerung des Transistors 5 nicht für die maximal auftretende Speisespannung bemessen werden müssen, was besonders bei stark schwankenden Speisespannungen wirtschaftlich ins Gewicht fällt.
Die Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel ähnlich demjenigen der Fig.2, wobei jedoch die Längstransistoren 10 und 11 vom Spannungsteiler 12, 13, 14 über Zusatztransistoren 15 und 16 gesteuert werden. Soll nämlich die Spannungsstabilisierung bis zu kleinen Verbraucherströmen hinunter wirksam sein, so ist der Spannungsteiler 12, 13, 14 verhältnismässig hochohmig zu machen, damit die Verbraucherspannung konstant gehalten werden kann. Bei hochohmigem Spannungsteiler besteht aber die Gefahr, dass durch die Basisströme der Transistoren 10 und 11 die Spannungsteilung und damit die Aufteilung der Speisespannung auf die Transistoren gestört wird.
Um dies zu vermeiden, sind die Transistoren 15 und 16 vorgesehen, so dass nicht mehr die Basiströme der Transistoren 10 und 11, sondern die viel kleineren Basisströme der Transistoren 15 und 16 über den Spannungsteiler 12, 13, 14 fliessen. Wie nämlich aus der Fig. 3 hervorgeht, ist die Ver- bindungss'tel'le der Widerstände 13 und 14 mit der Basis des Zusatztransistors 15 verbunden, dessen Emitter mit der Basis des Transistors 10 und dessen Kollektor mit der Sicherung 9 verbunden ist. In gleicher Weise ist der Transistor 16 zwischen den Verbindungspunkt der Widerstände 13 und 14 und die Basis des Transistors 11 geschaltet.
Schliesslich weist die Schaltung nach Fig. 3 noch einen mit dem Emitter des Transistors 5 verbundenen Widerstand 17 und im Basis-Emitter-Kreis des Transistors 5 eine Referenzdiode 18 auf. Die Elemente 17 und 18 bewirken in Verbindung mit dem Transistor 5 in bekannter Weise eine Strombegrenzung, so dass im Falle eines Kurzschlusses der Verbraucherklemmen der für die Längstransistoren maximal zulässige Kollektorstrom nicht überschritten wird.
Die Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei welchem neben der Spannungsstabilisierung auch eine Stromstabilisierung zur Verwendung gelangt. Der Fig. 4 liegt die Annahme zugrunde, dass die Speisespannung stark schwankt und ein Mehrfaches der zulässigen Emitter-Kollektor-Spannung eines Transistors ist. Die Speisequelle 1 ist hier als Generator dargestellt. Die Elemente 2 bis 7 erfüllen die gleiche Funktion der Spannungsstabilisierung wie in den vorangehenden Beispielen. Mit Rücksicht auf die stark schwankende Speisespannung sind mit dem Transistor 5 nun als Beispiel drei weitere Transistoren 9, 10 und 11 in Serie geschaltet, und zwar wiederum so, dass die Emitter-Kollektor-Strecken sämtlicher Längstransistoren vom Verbraucherstrom durchflossen sind.
Die Kette der Längstransistoren ist wiederum von einem Spannungsteiler 12 überbrückt, der hier als Widerstand mit Abgriffbriden angenommen ist.
Die weiteren Elemente 13 bis 21 in der Schaltung nach Fig. 4 dienen der Stromstabilisierung. Die die Elemente 13 bis 16 umfassende Anordnung ist an sich bekannt. Durch die Strom- bzw. Spannungsverhältnisse im Basis-Emitter-Kreis des Transistors 16 wird eine Stromstabilisierung erreicht. Der Widerstand 13 ist so bemessen, dass bei einem Emitter- strom, der dem verlangten und konstant zu haltenden Kollektorstrom entspricht, gerade die Basis-Emit- ter-Spannung am Transistor 16 auftritt, die ebenfalls diesem Kollektorstrom entspricht.
Die genannte Basis-Emitter-Spannung ergibt sich aus der Differenz zwischen dem Spannungsabfall am Widerstand 13 und der Zenerspannung der Zener-
<Desc/Clms Page number 3>
diode 14. Der Emitterstrom kann also zum Beispiel bei hohem Verbraucherwiderstand (8) wohl kleiner sein als der Sollwert, aber nie grösser, weil ein grö- sserer Kollektor- bzw. Emitterstrom einen grösseren Spannungsabfall am Widerstand 13 zur Folge hätte, wodurch die Basis-Emitter-Spannung (und somit der Basisstrom) kleiner würde, was keinem Gleichgewichtszustand entsprechen könnte.
Bei einem Kurzschluss der Verbraucherklemmen bleibt der Verbraucherstrom als Folge der vorstehenden Feststellung immer auf dem Sollwert, hingegen entfällt nun auf die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 16 ein grösserer Teil der Speisespannung, welcher die zulässige Emi'tter-Kollektor-Spannung übersteigt. Deshalb sind in Abhängigkeit der Grösse der Speisespannung so viele Transistoren 17, 18, 19 und 20 mit dem Transistor 16 in Reihe geschaltet, dass bei einem Kurzschluss des Verbrauchers 8 bei richtiger Verteilung der auf die Transistoren 16-20 entfallenden Spannung an keinem der Transistoren 16-20 an der Emitter-Kollektor-Strecke eine Spannung auftritt, die den zulässigen Wert überschreitet.
Um die richtige Verteilung der Spannung auf die Transistoren 17-20 zu gewährleisten, ist auch zur Transistorenkette 16-20, wie dies bei der Transisto- renkette 5, 9, 10, 11 der Fall ist, ein Widerstand 21 mit Abgriffen parallel geschaltet, wobei die Abgriffe an die Basen der Transistoren 17-20 geführt sind.
Bei der Stromstabilisierungsschaltung ist noch auf die folgende Tatsache hinzuweisen: Bei einer vernünftig bemessenen Schaltung kann im Normalbetrieb zum Beispiel 1/1() des Verbraucherstromes durch den Widerstand 21 fliessen. Da für die Stromstabilisierung der Spannungsabfall am Widerstand 13 massgebend ist, erkennt man, dass durch die Stromstabilisierung nicht der durch die Transistorenkette 16-20 flie- ssende Strom, sondern die Summe dieses Stromes und des durch den Widerstand 21 fliessenden Stromes konstant gehalten wird. Dies gilt in jedem Belastungsfall und somit auch bei einem Kurzschluss der Verbraucherklemmen. Bei abnehmender Spannung am Verbraucher 8, z.
B. infolge von Kurzschluss, nimmt, wie schon erwähnt, die Spannung an der Transisto- renkette 16-20 zu und damit auch der durch den Widerstand 21 fliessende Strom. Wegen der Stromstabilisierung nimmt demzufolge der durch die Transistorenkette 16-20 fliessende Strom ab. Der Widerstand 21 kann so bemessen sein, dass er im Falle eines Kurzschlusses der Verbraucherklemmen praktisch den ganzen Verbraucherstrom führt, so dass der Transistorstrom praktisch Null wird.
Dies führt zu einer weitgehenden thermischen Entlastung der Transistoren im Kurzschlussfall. Eine raschere Entlastung der Transistoren bei zunehmender Emitter- Kollektor-Spannung (bei vermindertem Verbraucherwiderstand oder Kurzschluss desselben) kann dadurch erzielt werden, dass man für den Widerstand 21 einen spannungsabhängigen Widerstand (z. B. Selenzellen) oder einen temperaturabhängigen Widerstand (z. B. Thermistoren) wählt.
Die Schaltung nach Fig. 4 arbeitet in der Weise, dass sie die Verbraucherspannung unabhängig vom Verbraucherstrom bis zum Nennstrom stabilisiert und bei weiterer Verringerung des Verbraucherwiderstandes den Nennstrom unabhängig von der Verbraucherspannung stabilisiert. Es ergibt sich somit eine rechteckförmige Spannungsstromkennlinie. Ein span- nungs- oder temperaturabhängiger Parallelwiderstand lässt sich auch in Verbindung mit der Spannungs- stabilisierungsschaltung nach Fig. 2 und 3 verwenden, mit der Wirkung, dass bei zunehmendem Verbraucherstrom die Sicherung 9 rascher anspricht.