DE1082670B - Schaltungsanordnung zur Begrenzung oder Konstanthaltung eines Gleich- oder Wechselstromes in der Mess-, Regel- und Nachrichtentechnik - Google Patents

Description

Die Erfindung gibt eine einfache Schaltungsanordnung mit Transistor an, die zur Strombegrenzung (ζ. B. statt einer Sicherung) oder Stromkonstanthaltung verwendet werden kann und trotz ihrer Einfachheit eine besonders gute Wirkung hat.

In der Meß-, Regel- und Nachrichtentechnik werden zur Strombegrenzung hauptsächlich Schmelzsicherungen oder Überstromrelais verwendet. Schmelzsicherungen sind nur für einmaligen Gebrauch, haben besonders bei geringem Überströmen lange Ansprechzeit, schalten ziemlich ungenau ab und eignen sich schlecht für schwache Ströme (hoher Innenwiderstand, teuer). Überstromrelais sind teuer, haben eine höhere Ansprechzeit, bei kleinen Strömen einen großen Innenwiderstand. Aus diesen Gründen sind die bekannten Sicherungen z. B. zum Schutz von Meßgeräten insbesondere mit geringem Stromverbrauch nicht gut geeignet. Andere bekannte Strombegrenzerschaltungen mit Transistoren oder Magnetverstärkern haben verschiedene Nachteile, wie großer Aufwand, längere Abschaltzeit, hoher Innenwiderstand, hoher Leistungsverbrauch u. a. m.

Die vielen bekannten Mittel zur Konstanthaltung eines Stromes haben verschiedene Nachteile, wie Regelträgheit, Ungenauigkeit, hoher Leistungsverbrauch oder großer Aufwand.

Erfindungsgemäß ist eine Schaltungsanordnung zur Begrenzung oder Konstanthaltung eines Gleichstromes in der Meß-, Regel- und Nachrichtentechnik folgendermaßen aufgebaut. Zwischen Stromquelle und Verbraucher ist in Sperrichtung die Kollektor-Basis-Strecke eines Transistors geschaltet, an der Emitter-Basis-Strecke dieses Transistors liegt in Reihe mit einem Widerstand eine Hilfsstromquelle, deren konstante Spannung so bemessen ist, daß der gewünschte Wert des Grenz- bzw. Konstantstromes durch den Verbraucher fließt.

Diese Schaltung kann auch für Wechselstrom benutzt werden, wenn zwei derartige Anordnungen gegensinnig parallel oder in Reihe geschaltet werden.

Mit einer bekannten Schaltung, die besonders für Spitzentransistoren geeignet ist, wird im Gegensatz zur erfindungsgemäßen Schaltung eine konstante Spannung zwischen Kollektor und Basis bei verschiedenen Kollektorströmen erzielt. Zwischen der Basis und dem Emitter liegt eine Vorspannungsquelle mit variabler Spannung zur Einstellung des gewünschten Kollektorstromes, und zwischen der Basis und dem Kollektor liegt die Reihenschaltung einer Stromquelle und eines Widerstandes.

Es ist auch bekannt, eine schwankende Spannung der Reihenschaltung eines Widerstandes und der Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors zuzuführen und parallel zur Basis-Kollektor-Strecke eine S chaltungs anordnung
zur Begrenzung oder Konstanthaltung

eines Gleich- oder Wechselstromes
in der Meß-, Regel- und Nachrichtentechnik

Anmelder:

Telefunken G.m.b.H.,
Berlin NW 87, Sickingenstr. 71

Dipl.-Ing. Hans Ph. O. Runge, Karlsruhe-Rüppurr,
ist als Erfinder genannt worden

Zenerdiode zu schalten. Die auch bei großen Lastschwankungen stabilisierte Spannung wird von der Kollektor-Emitter-Strecke entonmmen.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Grundschaltung,

Fig. 2 eine andere praktische Ausführungsform dieser Schaltung,

Fig. 3 die zugehörigen Kennlinien,

Fig. 4 ein Anwendungsbeispiel,

Fig. 5 bis 7 Schaltungen für Wechselstrom,

Fig. 8 bis 11 verbesserte Schaltungen für Strombegrenzung und

Fig. 12 die zugehörigen Kennlinien.

In Fig. 1 ist zwischen die Gleichstromquelle Q und den Verbraucher R die Kollektor-Basis-Strecke CB in Sperrichtung eines pnp-Transistors T geschaltet. In Durchlaßrichtung liegt an der Emitter-Basis-Strecke EB eine Hilfsstromquelle Q_H (z. B. eine NiCd-Knopfzelle von 1,25 Volt), die nach Größe des gewünschten maximalen Kollektorstromes I_c zu bemessen ist. Der Widerstand R_E bezweckt, einen konstanten Emitterstrom unabhängig von Schwankungen des Widerstandes der Basis-Emitter-Strecke zu erhalten.

Bei Verwendung eines npn-Transistors müssen die Stromquellen Q und Q_H umgepolt werden. Die drei Stromrichtungspfeile an dem Transistor sind dann umzukehren.

Man kann auch die Schaltung nach Fig. 2 (hauptsächlich für Stromkonstanthaltung) verwenden, in der die HilfsSpannung aus der Stromquelle Q mit mit einem Spannungsstabilisator, z. B. durch eine

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ZenerdiodeZ oder eine NiCd-S tabilisationszelle, gewonnen wird.

Mit Fig. 3 läßt sich die Wirkung dieser Schaltung erklären. Dort ist die Abhängigkeit des Kollektorstromes 1c von der Spannung U_CB zwischen Kollektor und Basis aufgetragen. Der Parameter ist der Emitterstrom I_n. Im rechten Teil des Bildes verlaufen die Kennlinien waagerecht. Der Kollektorstrom ist also bei gleichbleibendem Emitterstrom I_E unabhängig von der Spannung zwischen Kollektor und Basis konstant. Der Kollektorstrom I_c ist nur wenig kleiner als der Emitterstrom I_E (um etwa 2%). Der Unterschied der beiden Ströme ist der Basisstrom I_B, denn nach Fig. 1 verzweigt sich der Emitterstrom I_E in den Kollektorstrom Iq und den Basisstrom I_B. Der Verbraucherstrom (Kollektorstrom) fließt also in dieser Schaltung nicht etwa über die in Sperrichtung liegende Kollektor-Basis-Strecke CB, sondern über die Hilfsstromquelle Q_n und die Emitter-Kollektor-Strecke EC.

Bei konstantem Emitterstrom I_E bleibt auch der Kollektorstrom J_c fast konstant, da der Differenzstrom, d. h. der Basisstrom I_B, sich nur bis zu etwa 30% ändert und klein gegen den Kollektorstrom I_c ist. Da die Spannung an der Emitter-Basis-Strecke mit etwa 0,3 Volt schon klein gegen eine Spannung der Hilfsstromquelle Q_H von etwa 1 Volt ist, bleibt auch bei einer Änderung der Emitter-Basis-Spannung, z. B. infolge Temperaturabhängigkeit, der Emitterstrom durch den Vorwiderstand R_E nahezu konstant. Der Kollektorstrom/_c ist um etwa den Faktor 0,98 geringer als der Emitterstrom I_E.

Im linken Teil der Fig. 3 fallen die Kennlinien nach dem Knick bei etwa der Kollektor-Basis-Spannung O steil nach unten ab. In diesem Bereich der Kollektor-Basis-Spannung mit umgekehrtem Vorzeichen (positiv bei pnp-Transistoren) vermindert sich der Kollektorstrom Iq bei gleichbleibendem Emitterstrom I_E bis auf den Wert Null, während der Basisstrom I_B bis auf den Wert des Emitterstromes I_E ansteigt. Solange kein oder wenig Kollektorstrom Ic fließt, ist infolge des inneren Basiswiderstandes des Transistors der Spannungsabfall zwischen der Emitter-Kollektor-Strecke EC geringer als zwischen der Emitter-Basis-Strecke EB. Deshalb kehrt sich die Polarität der Spannung -zwischen Kollektor und Basis bei einem dem maximalen Wert unterschreitenden Kollektorstrom J_c wegen des stark ansteigenden Basisstromes I_B um. In diesem Bereich arbeitet die Schaltung als Strombegrenzer. Man bemißt den Widerstand^ so klein, daß der Emitterstrom etwa um 2O^fl/o oder mehr größer als der Kollektorstrom ist, denn dann hat die Kollektor-Basis-Strecke noch einen sehr geringen dynamischen Widerstand, der bei Erhöhung des Kollektorstromes auf annähernd den Wert des Emitterstromes plötzlich steil viele Größenordnungen ansteigt und den Kollektorstrom begrenzt. Bei Überstrom bzw. Kurzschluß im Verbraucher arbeitet also die Schaltung als Begrenzer im selben Kennlinienteil wie bei der Stromstabilisierung.

Fig. 4 zeigt ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung zur Stabilisierung des Arbeitspunktes einer Verstärkerstufe mit Transistor T₁. Zu diesem Zweck ist der Transistor T in die Emitterleitung des Transistors T₁ geschaltet.

In Fig. 5 sind zwei Schaltungsanordnungen nach Fig. 1 gegensinnig in Reihe geschaltet, um den Spitzenwert eines Wechselstromes konstant zu halten oder zu begrenzen. Während eine Schaltung nach Fig. 1 den Spitzenwert eines Wechselstromes nur in einer Flußrichtung begrenzt und in der anderen Richtung sich ähnlich wie eine Diode in Durchlaßrichtung verhält, werden der Schaltung Fig. 5 positive und negative Spitzen begrenzt, und zwar symmeirisch, wenn beide Schaltungsanordnungen gleich sind.

In Fig. 6 und 7 sind zwei Schaltungsanordnungen nach der Erfindung ebenfalls gegensinnig parallel bzw. in Reihe geschaltet, um den Effektivwert des

ίο Wechselstromes bei gleichbleibender Kurvenform zu begrenzen oder konstant zu halten. Die Hilfsstromquelle Q_n muß dabei dieselbe Kurvenform und Phase wie der konstant zu haltende Wechselstrom haben. In Fig. 6 vereinfachen komplementäre Transistoren die Schaltung in der Weise, daß Q_n und R_n beiden Schaltungsanordnungen gemeinsam sind. Die Schaltung gemäß Fig. 7 läßt sich auch zur phasenabhängigen Strombegrenzung anwenden. Das Zustandekommen des Ausgangsstromes in Fig. 7 ist für eine Phasenverschiebung zwischen den Spannungen der Stromquelle Q und Q_n schematisch gezeichnet. Zwischen den Punkten ab und cd sperrt die Schaltungsanordnung, zwischen den Punkten bc und de findet die Strombegrenzung bzw. Stabilisierung statt. Bei Parallelschaltung von zwei Schaltungsanordnungen nach der Erfindung (Fig. 6) ist in Reihe zu jeder Anordnung ein Ventil, z.B. eine DiodeD zu schalten, damit es einen Strom in Durchlaßrichtung der Basis-Kollektor-Strecke sperrt.

Zum näheren Verständnis der Fig. 5 bis 7 seien die

. Eigenschaften der Grundschaltung nach Fig. 1 bei Umpolen der Stromquellen Q und Q_n betrachtet. Polt man die Hilfsstromquelle Q_n um, so wird die Emitter-Basis-Strecke in Sperrichtung betrieben und hat einen sehr hohen Widerstand, so daß die Spannung der Quelle Q praktisch voll am Transistor liegt. Der Emitterstrom ist der Sperrstrom der Emitter-Basis-Strecke. Die Kollektor-Basis-Strecke CB ist ebenfalls in Sperrichtung betrieben, so daß nur ein geringer Kollektorsperrstrom I_c, praktisch unabhängig von dem Widerstand R_n, fließen kann. Polt man die Stromquelle Q um, so wird die Kollektor-Basis-Strecke in Durchlaßrichtung betrieben. Bei offenem oder kurzgeschlossenem Emitter-Basis-Kreis hat die Kollektor-Basis-Strecke jeweils die Charakteristik einer Diode in Durchlaßrichtung. Beim Anlegen einer Spannung oder eines Stromes im Emitter-Basis-Kreis kann zwar noch die Charakteristik der Kollektor-Basis-Strecke in gewissen Grenzen verändert werden, jedoch nicht mehr von Durchlaß auf Sperren geschaltet werden.

In Fig. 8 bis 11 sind in die Grundschaltung nach Fig. 1 Dioden eingefügt, die die Kennlinien als Strombegrenzer verformen. In Fig. 11 wird dazu noch ein Widerstand R_B etwa in der Größe von R_E verwendet. Fig. 12 zeigt als Beispiel die dazugehörigen Kennlinien. Für Ströme, die kleiner als der Grenzstrom sind, ergibt sich bei entsprechender Dimensionierung ein kleinerer dynamischer Innenwiderstand oder inverser Spannungsabfall zwischen Kollektor und Basis und daraus eine geringere Beeinflussung der Spannung am Verbraucher, solange noch nicht die Strombegrenzung anspricht.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Begrenzung oder Konstanthaltung eines Gleichstromes in der Meß-, Regel- und Nachrichtentechnik, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Stromquelle (Q) und Verbraucher (R) die Basis-Kollektor-Strecke eines

Transistors (Γ) in Sperrichtung geschaltet ist, an dessen Basis-Emitter-Strecke in Reihe mit einem Widerstand (R_E) eine Hilfsstromquelle (Q _H) geschaltet ist, deren konstante Spannung so bemessen ist, daß der gewünschte Wert des Grenzbzw. Konstantstromes durch den Verbraucher (R) fließt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung oder

Konstanthaltung eines Wechselstromes (Spitzenoder Augenblickswert) zwei Anordnungen nach Anspruch 1 je gegensinnig parallel oder in Reihe geschaltet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 709 780;
Nachrichtentechnische Zeitschrift (NTZ), 1957, H. 4, S. 197.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen