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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.
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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-
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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.
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Voltage-stabilized DC power supply device The present invention relates to a voltage-stabilized DC power supply device.
It is known, in DC power supply devices, a voltage stabilization with the aid of transistors and reference diodes, for. B. Zener diodes, to keep the consumer voltage constant within wide limits of supply voltage and consumer current changes. A known circuit of this type is shown in FIG. 1 of the drawing.
The transistors of such voltage stabilizers can only be protected against overload and in particular against short circuit with the usual means (fuses, overcurrent releases). In the event of a short circuit, however, this cannot prevent the full supply voltage from appearing as emitter-collector voltage on the series transistor used for voltage stabilization in the time between the occurrence of the short circuit and the response of the overcurrent protection. The transistor must therefore be able to withstand the full supply voltage at the emitter-collector path for a short time, which limits the use of such voltage-stabilizing circuits to relatively low supply voltages.
The invention aims to avoid this disadvantage.
The voltage-stabilized direct current feed device according to the invention, which has several transistors, one of which is connected in series with the emitter-collector path between the supply source and the consumer and is controlled by a transverse transistor in connection with a reference diode for the purpose of stabilizing the consumer voltage, is characterized that one or more further transistors are connected in series with the first-mentioned transistor and that the chain of series transistors is bridged by a voltage divider, which determines the base potentials of the further transistors and thus the emitter-collector voltage of the series transistors,
the whole thing in such a way that in the event of an overload or short circuit this voltage does not exceed the permissible value for any of these transistors.
Exemplary embodiments of the subject matter of the invention are described in more detail below with reference to the drawing.
Fig. 1 shows a known direct current feed device with voltage stabilization.
FIGS. 2 to 4 show exemplary embodiments of the subject matter of the invention, current limiting also being used in the circuits according to FIGS. 3 and 4 in addition to voltage stabilization.
The circuit according to FIG. 1 has a direct current supply source 1, which is shown here as a battery and feeds a load 8 via the emitter-collector path of a transistor 5. In parallel with the battery is a circuit which contains the resistor 2, the emitter-collector path of a transistor 4 and the Zener diode 3 serving as a reference diode. A voltage divider consisting of resistors 6 and 7, the connection point of which is led to the base of transistor 4, is located parallel to consumer 8.
With a suitable dimensioning of the elements, the circuit works in a known manner so that when the supply voltage or the consumer current changes, the consumer voltage remains largely constant over a large range of the change mentioned.
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As mentioned above, such a voltage stabilization circuit can only be used for relatively low supply voltages, that is to say supply voltages which do not exceed the maximum permissible emitter-collector voltage of the transistor so as not to overload the transistor in the event of a short circuit in the consumer terminals .
With reference to FIG. 2, it will now be shown how the above-mentioned restriction can be circumvented. In FIG. 2, the same designations are used for the same parts as in FIG. 1. The circuit in FIG. 2 is protected against overload by a fuse 9. The voltage of the source 1 is now significantly higher than the permissible emitter-collector voltage of the transistor 5. As can be seen, two further transistors 10 and 11 are connected in series with the transistor 5, so that their emitter-collector paths from the consumer current are flowed through.
The number of series transistors must be selected so that in the event of a short circuit in the consumer terminals, the portion of the supply voltage attributable to the individual transistor does not exceed the permissible emitter-collector voltage, since the entire supply voltage before the fuse 9 responds is on the transistor chain.
As can be seen from FIG. 2, the transistor chain is bridged by a voltage divider consisting of resistors 12, 13 and 14. The connection point of the resistors 12 and 13 is connected to the base of the transistor 10 and the connection point of the resistors 13 and 14 is connected to the base of the transistor 11. This voltage divider defines clear base potentials for transistors 10 and 11 in the event of a short circuit in the consumer terminals. Since the current through the transistor chain (apart from the small branching base currents) through each transistor is the same, the definition of the base potentials also enforces the distribution of the emitter-collector voltages to the individual transistors.
Only through this controlled distribution of the supply voltage to the individual transistors is an economical use of several series transistors possible.
Another advantage of the series connection of several transistors results from the fact that the elements 2, 3, 4, 6 and 7 for the control of the transistor 5 do not have to be dimensioned for the maximum occurring supply voltage, which is economically important especially with strongly fluctuating supply voltages.
FIG. 3 shows a further exemplary embodiment similar to that of FIG. 2, however the series transistors 10 and 11 are controlled by the voltage divider 12, 13, 14 via additional transistors 15 and 16. If the voltage stabilization is to be effective down to small load currents, the voltage divider 12, 13, 14 must be made relatively high-resistance so that the load voltage can be kept constant. With a high-resistance voltage divider, however, there is the risk that the voltage division and thus the division of the supply voltage to the transistors is disturbed by the base currents of the transistors 10 and 11.
In order to avoid this, the transistors 15 and 16 are provided so that it is no longer the base currents of the transistors 10 and 11 but rather the much smaller base currents of the transistors 15 and 16 that flow via the voltage divider 12, 13, 14. As can be seen from FIG. 3, the connecting element of the resistors 13 and 14 is connected to the base of the additional transistor 15, the emitter of which is connected to the base of the transistor 10 and the collector of which is connected to the fuse 9. In the same way, the transistor 16 is connected between the connection point of the resistors 13 and 14 and the base of the transistor 11.
Finally, the circuit according to FIG. 3 also has a resistor 17 connected to the emitter of transistor 5 and a reference diode 18 in the base-emitter circuit of transistor 5. The elements 17 and 18 in connection with the transistor 5 effect a current limitation in a known manner, so that in the event of a short circuit in the consumer terminals, the maximum permissible collector current for the series transistors is not exceeded.
4 shows a further exemplary embodiment in which, in addition to voltage stabilization, current stabilization is also used. 4 is based on the assumption that the supply voltage fluctuates greatly and is a multiple of the permissible emitter-collector voltage of a transistor. The supply source 1 is shown here as a generator. Elements 2 to 7 fulfill the same function of voltage stabilization as in the previous examples. With regard to the strongly fluctuating supply voltage, three further transistors 9, 10 and 11 are now connected in series with transistor 5 as an example, again in such a way that the consumer current flows through the emitter-collector paths of all series transistors.
The chain of series transistors is in turn bridged by a voltage divider 12, which is assumed here as a resistor with tap clamps.
The other elements 13 to 21 in the circuit according to FIG. 4 are used to stabilize the current. The arrangement comprising the elements 13 to 16 is known per se. The current or voltage conditions in the base-emitter circuit of the transistor 16 achieve current stabilization. The resistor 13 is dimensioned such that with an emitter current which corresponds to the required collector current which is to be kept constant, the base-emitter voltage occurs at transistor 16 which also corresponds to this collector current.
The base-emitter voltage mentioned results from the difference between the voltage drop across the resistor 13 and the Zener voltage of the Zener
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diode 14. The emitter current can, for example, be less than the setpoint value if the consumer resistance (8) is high, but never greater, because a greater collector or emitter current would result in a greater voltage drop across resistor 13, whereby the base Emitter voltage (and thus the base current) would be smaller, which could not correspond to a state of equilibrium.
In the event of a short circuit in the consumer terminals, the consumer current always remains at the setpoint as a result of the above finding, whereas a larger part of the supply voltage, which exceeds the permissible emitter-collector voltage, now falls on the emitter-collector path of transistor 16. Therefore, depending on the magnitude of the supply voltage, so many transistors 17, 18, 19 and 20 are connected in series with transistor 16 that in the event of a short circuit in consumer 8, if the voltage applied to transistors 16-20 is correctly distributed, none of transistors 16 -20 a voltage occurs at the emitter-collector path that exceeds the permissible value.
In order to ensure the correct distribution of the voltage to the transistors 17-20, a resistor 21 with taps is connected in parallel with the transistor chain 16-20, as is the case with the transistor chain 5, 9, 10, 11, with the taps are led to the bases of the transistors 17-20.
In the case of the current stabilization circuit, the following fact should also be pointed out: With a reasonably dimensioned circuit, for example 1/1 () of the load current can flow through the resistor 21 in normal operation. Since the voltage drop across the resistor 13 is decisive for current stabilization, it can be seen that the current stabilization does not keep the current flowing through the transistor chain 16-20, but the sum of this current and the current flowing through the resistor 21 constant. This applies in every case of load and thus also in the event of a short circuit in the consumer terminals. When the voltage on the consumer 8, z.
B. as a result of a short circuit, the voltage on the transistor chain 16-20 increases, as already mentioned, and thus also the current flowing through the resistor 21. Because of the current stabilization, the current flowing through the transistor chain 16-20 consequently decreases. The resistor 21 can be dimensioned in such a way that in the event of a short circuit in the consumer terminals it carries practically the entire consumer current, so that the transistor current is practically zero.
This leads to extensive thermal relief of the transistors in the event of a short circuit. A faster discharge of the transistors with increasing emitter-collector voltage (with reduced consumer resistance or short circuit of the same) can be achieved by adding a voltage-dependent resistor (e.g. selenium cells) or a temperature-dependent resistor (e.g. Thermistors).
The circuit according to FIG. 4 works in such a way that it stabilizes the load voltage independently of the load current up to the rated current and, with a further reduction in the load resistance, stabilizes the rated current independently of the load voltage. This results in a rectangular voltage current characteristic. A voltage- or temperature-dependent parallel resistor can also be used in conjunction with the voltage stabilization circuit according to FIGS. 2 and 3, with the effect that the fuse 9 responds more quickly as the load current increases.