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Stromstabilisierungseinrichtung zur Speisung eines Verbrauchers mit
Hilfe eines Transistors Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromstabilisierungseinrichtung
zur Speisung eines Verbrauchers mit Hilfe eines Transistors, in dessen Emitter-Basis-Kreis
eine konstante Vergleichsspannungsquelle angeordnet ist.
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Es ist bereits für Einrichtungen zur Stabilisierung der Spannung an
einer Last, welche von einer Spannungsquelle gespeist wird, bekanntgeworden, in
Reihe mit der Speisespannungsquelle und der Last einen ohmschen Widerstand zu schalten
und einen Querstrom parallel zur Last über einen Transistor zu verändern, in dessen
Steuerkreis eine Zenerdiode vorgesehen ist. Steigt z. B. die Spannung an der Last
an, so wird der Transistor auf größere Durchlässigkeit gesteuert, so daß durch den
zusätzlichen über ihm fließenden Ouerstrom der Spannungsabfall an dem genannten
Reihenwiderstand anwächst und dadurch die Spannung an dem Verbraucher entsprechend
abgesenkt wird. Für solche Anordnungen ist es auch bekanntgeworden, durch den genannten
Transistor einen weiteren Querstrom über eine Kaskadentransistoranordnung zu steuern,
deren Eingangstransistor der genannte Transistor bildet, in dessen Steuerkreis die
Zenerdiode liegt.
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Es ist weiterhin bekanntgeworden, die Speisung einer Last von einer
Stromquelle über einen Transistor als Regelglied vorzunehmen, der seinerseits in
Abhängigkeit von einem Transistor gesteuert wird, in dessen Steuerkreis ein von
der Lastspannung bestimmter Istspannungswert mit dem konstanten Spannungswert an
einer gasgefüllten Röhre verglichen wird.
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Weiterhin ist es bekanntgeworden, für die Speisung eines Verbrauchers
von einer Spannungsquelle über die Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors über
die Emitter-Basis-Strecke des Transistors entweder mittels einer besonderen Vorspannungsquelle
oder unmittelbar mittels der Speisespannungsquelle einen konstanten Basisstrom zu
schicken, wodurch bei dem bekannten Verhalten eines Transistors hinsichtlich seines
Kollektorstromes als Funktion der Kollektorspannung bereits bei einer kleinen Spannung
des Kollektors gegenüber der Emitterelektrode der Kollektorstrom sich mit dem Anwachsen
der Kollektorspannung praktisch nicht mehr verändert.
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In Abweichung von diesen bekannten Lösungen besteht bei einer Stromstabilisierungseinrichtung
zur Speisung eines Verbrauchers mit Hilfe eines Transistors, in dessen Emitter-Basis-Kreis
eine konstante Vergleichsspannungsquelle angeordnet ist, das Wesen der Erfindung
darin, daß zur Bildung der Steuerspannung am Transistor der Vergleichsspannung dem
Spannungsabfall an einem ohmschen Widerstand entgegenwirkt, der in Reihe mit der
Speisespannungsquelle, dem Verbraucher und einer Stromschleife aus der Emitter-Kollektor-Strecke
des Transistors und einem dazu parallel angeordneten ohmschen Widerstand liegt.
Bei einer solchen erfindungsgemäßen Einrichtung wird der wesentliche Anteil des
Stromes, welcher für die Speisung des Verbrauchers benutzt wird, unmittelbar durch
den genannten ohmschen Widerstand der Stromschleife geführt, und der in Reihe mit
der Speisespannungsquelle und dem Verbraucher sowie der Stromschleife liegende Widerstand
liefert mit dem an ihm durch den Verbraucherstrom auftretenden Spannungsabfall unmittelbar
die Istspannung, die mit dem Sollwert verglichen wird, der als Spannungsabbild den
an dem Verbraucher konstant zu haltenden Strom bestimmt.
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Ist in der Stromschleife der Transistor gesperrt, so fließt der Verbraucherstrom
somit nur über den Parallelwiderstand zur Emitter-Kollektor-Strecke. Ist der Transistor
jedoch geöffnet worden durch das Bestehen einer Differenzspannung zwischen der im
Emitter-Basis-Kreis wirksamen Sollspannung und dem Spannungsabfall, welcher durch
den Verbraucherstrom an dem Reihenwiderstand im Emitter-Basis-Kreis als Istwert
entsteht, so fließt ein zusätzlicher Strom zu dem Strom über den Parallelwiderstand
nunmehr über die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors, und beide Stromanteile
sind dann für den über den Verbraucher fließenden Strom derart bestimmend, daß dieser
auf seinem konstanten Wert gehalten wird. Über den Reihenwiderstand, der gleichzeitig
in
dem Emitterkreis und im Verbraucherstromkreis angeordnet ist, fließt an sich die
Summe aus dem Verbraucherstrom und demjenigen Strom, der über die Emitter-Basis-Strecke
des Transistors fließt.
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Der Übergang in der Arbeitsweise des Transistors von seiner Wirkung
als praktisch nicht stromführendes Schaltorgan zu seiner Wirkung als stromführender
Parallelwiderstand in der Stromschleife, über welche der Verbraucherstrom fließt,
beginnt, sobald der Verbraucherstrom über den Widerstand, dessen Spannungsabfall
mit der Sollwertspannungsquelle im Emitterstromkreis verglichen wird, von einem
gewissen Betrag absinkt. Dabei gehören zu diesem Strom ein ganz bestimmter Spannungswert
der Verbraucherspannungsquelle und ein bestimmter niedrigster Spannungsabfall am
Verbraucher bzw. ein niedrigster Widerstand des Verbrauchers. Soll bei Anwendung
der Erfindung allgemein eine Regelung erreicht werden, sowohl wenn die Spannung
der Spannungsquelle nach oben als auch wenn sie nach unten um einen Grundwert schwankt,
und auch sinngemäß, wenn der Widerstand des Verbrauchers nach unten oder nach oben
von einem Grundwert betriebsmäßig abweicht, so wird erfindungsgemäß die Anordnung
derart eingerichtet, daß bereits dauernd bei einem solchen mittleren Spannungswert
der Verbraucherspannungsquelle ein gewisser Emitter-Basis-Strom und damit auch ein
entsprechender Kollektorstrom über die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors
fließen, damit der gesamte zu erwartende Spannungsänderungsbereich für die Ausregelung
des erwünschten konstanten Verbraucherstromes beherrscht werden kann.
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Eine beispielsweise Ausführung für eine Anwendung der Erfindung nach
dem im vorstehenden geschilderten grundsätzlichen Erfindungsgedanken veranschaulicht
die Fig. 1 der Zeichnung. In dieser bezeichnet 1 den Verbraucher, der in diesem
Falle beispielsweise durch das Halbleiterelement eines Hallgenerators gebildet sein
möge, welches dauernd von einem konstanten Speisestrom durchflossen werden soll.
Das magnetische Steuersystem des Haugenerators ist nicht besonders dargestellt.
An diesem Halbleiterelement 1 sind die Elektroden, über welche der konstant zu haltende
Steuerstrom geschickt wird, mit 1 a und 1 b bezeichnet. Die Elektroden, an denen
die Hallspannung abgenommen wird, sind reit 1 c und 1 d bezeichnet. 2 bezeichnet
einen Transistor, z. B. der p-n-p-Tvpe, mit der Emitterelektrode2a, der Kollektorelektrode
2 b und der Basiselektrode 2 c. Parallel zu der Emitter-Kollektor-Strecke 2a-2b
des Transistors ist der Parallelwiderstand 3 geschaltet. In Reihe zu dieser Parallelschaltung
bzw. Stromschleife aus der Emitter-Kollektor-Strecke 2a-2b und dem Parallelwiderstand
3 liegt der Widerstand 4. -Mit 5 ist eine Sollspannungsquelle im Steuerkreis bzw.
Emitter-Basis-Kreis des Transistors bezeichnet, welche in ihrem Spannungswert einstellbar
sein kann, mit 6 die Spannungsquelle für den Verbraucherstromkreis. Bei gesperrtem
Transistor 2 fließt somit der Verbraucherstrom von der Plusklemme der Spannungsquelle
6 über den Widerstand 4, den Widerstand 3, das Halbleiterelement 1 des Hallgenerators
zurück zur Minusklemme der Spannungsquelle 6. In diesem Zustand ist sinngemäß der
Spannungsabfall, der an dem Widerstand 4 durch .-den, Verbraucherstrom entsteht,
mindestens gleich der Sollwertspannung, welche die Spannungsquelle 5 liefert. Wird
nun unterstellt, daß die Spannung der Spannungsquelle 6 absinkt, so' sinkt naturgemäß
der über den Widerstand 4 fließende Verbraucherstrom. Es überwiegt nunmehr die von
der Spannungsquelle 5 gelieferte Spannung den Wert des Spannungsabfalls am Widerstand
4, so daß ein Strom im Steuerkreis des Transistors 2 über die Emitter-Basis-Strecke
2a-2c fließt. Hierdurch wird die Emitter-Kollektor-Strecke 2 a-2
b geöffnet bzw. durchlässig, so daß ein entsprechender Strom über die Emitter-Kollektor-Strecke
2 a-2 b fließt, und zwar zusätzlich zu dem Strom, der über den Widerstand
3 fließt, so daß nunmehr beide Stromanteile denjenigen Strom bestimmen, der über
das Hallspannungs-Halbleiterelement fließt und somit wieder auf den erwünschten
konstanten Wert bis auf einen verbleibenden statischen Fehler ausgeregelt wird.
Es ist zrr übersehen, daß die sinngemäß gleiche Wirkung auftritt, wenn der Widerstand
des Halbleiterelementes des Hallspannungsgenerators sich betriebsmäßig durch den
Einfluß des magnetischen Steuerfeldes im Sinne einer Widerstandserhöhung ändert.
Diese Widerstandserhöhung zusammen mit dem über das Halbleiterelement fließenden
Steuerstrom bestimmt dann einen gewissen Spannungsabfall im Verbraucherstromkreis,
der gleichartig wirkt wie eine Spannungsabsenkung an der Spannungsquelle 6 bezüglich
der Spannung, die an der Reihenschaltung aus dem Widerstand 4 und aus der Parallelschaltung
der Emitter-Kollektor-Strecke 2a-2b des Transistors 2 und des Parallelwiderstandes
3 liegt. Bei dieser Erläuterung ist der Einfachheit halber angenommen worden, daß
von einem oberen Grenzwert der Spannungsquelle 6 ausgegangen worden ist, bei welchem
gerade der Transistor 2 an seiner Emitter-Kollektor-Strecke gesperrt ist. Für die
praktische Anwendung wird man jedoch zweckmäßig, damit in beiden Richtungen von
einem Grundwert aus eine Regelung für den Strom stattfindet, wie bereits oben angeführt,
die Arbeitsweise der Anordnung derart einrichten, da.ß bei dem Normalwert der Spannungsquelle
6 bereits ein gewisser Strom über die Emitter-Kollektor-Strecke 2a-2b des Transistors
2 als Widerstandszweig fließt, entsprechend einer bestimmten Differenzspannung zwischen
der Sollwertspannung und dem Spannungsabfall, der an dem Widerstand 4 auftritt.
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Eine solche grundsätzliche Anordnung läßt sich erfindungsgemäß dahingehend
weiterbilden, daß sie in Form einer mehrstufigen Kaskadenanordnung, z. B. zweier
Systeme, benutzt wird. Eine mehrstufige erfindungsgemäße Anordnung weist praktisch
in ihren Stufen jeweils den gleichen schaltungsmäßigen Aufbau auf. Es liegt sinngemäß
in der letzten Stufe der Verbraucher. Die-Speisespannung jeder nachfolgenden Stufe
wird jeweils geliefert abhängig von dem Spannungsabfall, welcher an einem im Verbraucherstrom
der vorausgehenden Stufe liegenden Widerstand durch den Verbraucherstrom dieses
Stromkreises entsteht. Dieser Widerstand kann ein besonderer Verbraucherwiderstand
sein. Eine solche Scbaltungsanordnung läßt sich jedoch, da derjenige Widerstand,
an welchem der verbraucherstromabhängige Spannungsabfall gebildet wird, welcher
mit der Sollwertspannung im Emitter-Basis-Stromkreis verglichen wird, bereits ebenfalls
vom Verbraucherstrom durchflossen wird, vereinfachen, indem ein besonderer Verbraucherwiderstand
fortgelassen wird und unmittelbar, der Spannungsabfall an diesem gleichzeitig im
Etnitter-Basis-Steuerkreis und im Verbraucherstromkreis liegenden Widerstand als
Speisespannung' für die nachfolgende Stufe benutzt wird. Eine .solche beispielsweise
Schaltung für einen zweistufigen kaskadenförmigen Aufbau veranschaulicht die Fig.
2 der Zeichnung. Soweit in dieser Figur jeweils in den Stufen
wieder
die gleichen sinngemäßen Schaltelemente vorhanden sind wie in Fig. 1, sind für diese
unmittelbar die gleichen Bezugszeichen gewählt worden, wobei jedoch die Elemente,
welche der ersten Stufe angehören, das Zusatzzeichen A und die sinngemäßen Elemente
in der Stufe II das Zusatzzeichen B erhalten haben. Wie nach den gewählten Bezeichnungen
abzulesen ist, bildet 6A die Speisespannungsquelle für die erste Stufe. Diese schickt
einen Strom über den Widerstand 4A und den Widerstand 3A, der parallel zur Emitter-Kollektor-Strecke
des Transistors 2A liegt, sowie bei geöffnetem bzw. durchlässigem Transistor über
diese Emitter-Kollektor-Strecke. Die Öffnung des Transistors 2A für seinen Durchlaß
ist bestimmt durch die Spannungsdifferenz aus dem Spannungsabfall an dem Widerstand
4A und der Spannung, welche die Sollwertspannungsquelle 5A liefert. Der an dem Widerstand
4A gebildete Spannungsabfall bildet die Speisespannung für die zweite Stufe der
Kaskadenanordnung. Diese zweite Stufe umfaßt den Verbraucherwiderstand 1 B, die
Parallelschaltung aus der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 2 B und dem
Widerstand 3B sowie den Widerstand 4B und die Sollwertspannungsquelle 5 B im Emitter-Basis-Kreis
bzw. dem Steuerkreis des Transistors 2B. Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist
bereits nach der Erläuterung, welche zu der Fig. 1 gegeben worden ist, zu übersehen.
Eine solche erfindungsgemäß weitergebildete Anordnung liefert den fortschrittlichen
technischen Effekt, daß die Genauigkeit in der Ausregelung des Stromes über den
Verbraucher 1 B etwa um eine Größenordnung bzw. eine Zehnerpotenz größer wird als
bei einer einstufigen Anordnung.
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Eine solche grundsätzliche Schaltungsanordnung, wie sie in Fig. 2
dargestellt ist, läßt sich noch weiterbilden, indem die Teile der zweiten Stufe,
welche dem Widerstand 4<4 parallel geschaltet sind, unmittelbar als alleiniger
Widerstand, also unter Fortfall von 4A, in den Stromkreis des Emitter-Basis-Kreises
der ersten Stufe als Reihenwiderstand eingeschaltet werden, dessen Spannungsabfall
mit dem Wert der Sollwertspannungsquelle im Steuerkreis des Transistors der ersten
Stufe verglichen wird. Eine beispielsweise Anordnung für eine solche Anwendung der
Erfindung veranschaulicht die Fig. 3 der Zeichnung. Soweit in dieser Schaltung wieder
die gleichartigen Teile vorhanden sind wie in den Fig. 1 und 2, sind für diese Teile
die sinngemäßen Bezugszeichen beibehalten worden. Es ist zu erkennen, daß nunmehr
das System aus den Teilen mit dem Zusatzzeichen B, welches in Fig. 2 in die gestrichelte
Umrahmung eingeschlossen ist, allein zwischen den Punkten a und b der Schaltung
liegt.
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Die Erfindung ist in den Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit
einem Halbleiterelement eines Hallspannungsgenerators erläutert worden. Sie kann
aber sinngemäß auch in allen solchen Fällen zur Anwendung gelangen, wo ein Verbraucher,
insbesondere vom Charakter eines solchen Halbleiterelementes, zur Anwendung gelangt
oder auch ein anderer Verbraucher, der betriebsmäßig z. B. konstant bleibt und mit
einem konstanten Strom gespeist werden soll.