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Elektronisch stabilisiertes Netzgerät Die Erfindung betrifft ein elektronisch
stabilisiertes Netzgerät, insbesondere für hohe Spannungen unter Verwendung einer
Regelschaltung mit einem Transistor als regelbaren Serienwiderstand zwischen Stromquelle
und Verbraucher und einer Röhrenschaltung als Regelverstärker, wobei dem Eingang
des Regelverstärkers die Differenzspannung zwischen der um eine konstante Bezugsspannung
verringerten Ausgangsspannung und einer der Ausgangsspannung des Netzgerätes proportionalen
Spannung zugeführt wird.
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Zur Konstantbaltung von Gleichspannungen sind Schaltungen bekannt,
die aus einer Bezugsspannungsquelle, einem Regelverstärker und einer Elektronenröhre
als regelbaren Widerstand zwischen Stromquelle und Verbraucher bestehen. Der Wirkungsgrad
17 derartiger Anordnungen ist gering, er beträgt z. B. 25 %. Eine Untersuchung der
gesamten Verlustleistung ergibt, daß allein an der Leistungsröhre, d. h. an der
den geregelten Reihenwiderstand darstellenden Röhre, durch die Röhrenheizung und
den inneren Leitungswiderstand RiL etwa 50% der von der Spannungsduelle gelieferten
Leistung verlorengehen. Um diese Verluste zu vermeiden, sind Schaltungen bekannt,
bei denen als regelbarer Widerstand ein Transistor Verwendung findet. Die Anwendung
dieser bekannten Schaltungen ist jedoch auf Netzgeräte mit niedriger Ausgangsspannung
beschränkt. Der Grund liegt darin, <laß die derzeitigen Transistoren im allgemeinen
nur Betriebsspannungen bis zu 60 V zulassen.
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In der Fig. 1 ist eine an sich bekannte Schaltung dargestellt, bei
der als regelbarer Widerstand der Transistor Tr verwendet ist. Die Spannung am Verbraucher
V soll z. B. konstant 150, V betragen. Verwendet man als regelbaren Widerstand einen
Transistor Tr mit einer zulässigen Spannung UEC=60 V, so kann die Eingangsspannung
bei vernachlässigbarer Restspannung des Transistors Tr zwischen 150 und 210 V schwanken,
das sind ± 16% vom Mittelwert der an die Klemmen 1, 2 angelegten Eingangsspannung.
Der Regelverstärker ist mit RV und die Bezugsspannungsquelle mit B bezeichnet.
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In der Fig. 2 ist ein Beispiel für ein an sich bekanntes elektronisch
stabilisiertes Netzgerät dargestellt; bei dem auch im Regelverstärker ein Transistor
verwendet ist. Als Bezugsspannungsquelle ist der Gleichrichter G vorgesehen, der
bei seiner Durchbruchspannung betrieben wird (»Zenerdiode«). Nachteilig bei dieser
Schaltung ist, daß der als Regelverstärker dienende Transistor Tr' für eine größere
Kollektorspannung ausgelegt sein muß als der Transistor Tr, da (UEC)2=(UEC)I+Uc
ist. Bei Geräten mnit höheren Eingangsspannungen muß daher ein geeigneter Röhrenverstärker
als Regelverstärker verwendet werden. Steigt die Eingangsspannung unzulässig hoch
an, so muß aber auch der als regelbarer Widerstand verwendete Leistungstransistor
Tr vor einer Zerstörung durch Überspannung geschützt werden. Für den Fall, daß der
aus dem Gerät entnommene Strom sehr klein wird, z. B. größenoprdnungsmäßig 5% des
maximal entnehmbaren Stromes beträgt, muß ferner bei erhöhter Umgebungstemperatur
ein starkes Anwachsen des Ko.llektorsperrstromes des Leistungstransistors Tr verhindert
werden.
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Ferner ist auch eine Schaltungsanordnung bekannt, bei der eine Röhre
als geregelter Längswiderstand und ein Transistor als Regelverstärker verwendet
ist. Dabei dient eine gasgefüllte Röhre zur Erzeugung einer Bezugsspannung. Ein
wesentlicher Nachteil dieser Schaltung ist jedoch, daß ihr Wirkungsgrad nur etwa
20 bis 25% beträgt, also sehr niedrig ist. Darüber hinaus ist es bei reinen Röhrenschaltungen
auch bekannt, Differenzverstärker zur Gewinnung einer Regelspannung zu verwenden.
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In der Regelschaltung des elektronisch stabilisierten Netzgerätes
wird ein an sich; bekannter, aus zwei Elektronenröhren bestehender Differenzverstärker
gemäß der Erfindung derart angeordnet, daß die Anode der einen Röhre mit der Basiselektrode
des Transistors und die Anode der anderen Röhre über ein Bauelement mit nichtlinearer
Stromspannungscharakteristik mit dem Emitter des Transistors verbunden ist, wobei
der Kollektorbasisstrecke ein die Spannung begrenzendes Bauelement parallel geschaltet
und ferner ein temperaturabhängiger Widerstand zwischen die beiden Röhrenanoden
geschaltet ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird zur Erzeugung der Bezugsspannung
eine in Sperrichtung
bei der Durchbruchspannung betriebene Siliziumdiode
verwendet. Zur Erzeugung der Bezugsspannung können jedoch auch andere Bauelemente
verwendet werden. So kommen hierfür auch elektrolytisch wirkende Zellen konstanter
Spannung, beispielsweise Stab-ilisationszellen - wie sie zur Zeit von der Firma
Neumann hergestellt werden - in Betracht. Es ist ferner zweckmäßig, zur Kompensation
der Temperaturabhängigkeit der als Bezugsspannungsquelle dienenden Siliziumdiode
einen temperaturabhängigen Widerstand vorzusehen, der die der Ausgangsspannung des
Netzgerätes proportionale Vergleichsspannung beeinflußt. Für das in der Emitterzuleitung
des Transistors befindliche Bauelement mit nichtlinearer Stromspannungskennlinie
kann eine Halbleiterdiode in Durchlaßrichtung, insbesondere ein ein- oder mehrzelliger
Selengleichrichter verwendet werden. Der Differenzverstärker kann beispielsweise
aus zwei Trioden oder auch aus einer Doppeltriode bestehen. Dem Differenzverstärker
können zur Erhöhung der Regelgenauigkeit des Netzgerätes auch ein oder mehrere weitere
Verstärkerstafen, beispielsweise unter Verwendung von Halbleiter-Verstärkerelementen,
vor- und/oder nachgeschaltet werden.
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Die Erfindung wird an Hand des in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispieles
näher erläutert.
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Als Regelverstärker dient eine Doppeltriode I/II in der sogenannten
Differenzverstärkerschaltung. Diese Differenzverstärkerschaltung hat zwei hochohmige
Eingänge. Dadurch wird es ermöglicht, als Bezugsspannungsquelle eine in Sperrichtung
bei der Durchbruchspannung betriebene Siliziumdiode, eine sogenannte Zenerdiode,
zu verwenden. Diese Zenerdiode G13 hat zusammen mit dem erforderlichen VorwiderstandRv
eine wesentlich geringereLeistungsaufnahme als der in elektronisch stabilisierten
Netzgeräten bisher übliche Glimmstabilisator und dessen Vorwiderstand. Durch den
Heißleiter Th.1 kann eine Temperaturabhängigkeit der Bezugsspannungsquelle kompensiert
werden.
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Der Differenzverstärker arbeitet derart, daß bei einem Ansteigen der
Spannung am Ausgang A der Regelschaltung der Anodenstrom der Triode II kleiner wird.
Da dieser Anodenstrom laü aber gleichzeitig auch der Basisstrom des Transistors
Tr ist, wird der Widerstand dieses Leistungstransistors Tr größer. Die Spannung
am Ausgang A wird kleiner und wirkt der auslösenden Vergrößerung der Spannung entgegen.
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Nun würde aber noch der Kollektorsperrstrom des Leistungstransistors
Tr störend wirken. Dieser Leistungstransistor wird hier in Emitterschaltung betrieben.
Bekanntlich fließt bei der Emitterschaltung noch ein Kollektorsperrstrom
I', wenn der Basisstrom 0 ist. Dieser Kollektorsperrstrom ist zudem stark
temperaturabhängig. Bei Erhöhung der Sperrschichttemperatur von 25 auf 75° C steigt
I'" auf etwa den hundertfachen Wert. Praktisch heißt dies, daß in dem Regelgerät
bei erhöhter Temperatur die Last erst einen bestimmten Strom aufnehmen muß, ehe
die Regelung überhaupt wirksam wird. Es ist daher vorteilhaft, den Kollektorsperrstrom
durch Anlegen einer Sperrspannung an die Emitterbas.isstrecke zu verkleinern. Durch
diese Maßnahme tritt an die Stelle des Kollektorsperrstromes I'" in Emitterschaltung
die Größe I" (Kollektorsperrstrom in Basisschaltung). I" ist aber größenordnungsmäßig
um den Faktor 100 kleiner als f,0.
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:Ulan könnte diese Sperrspannung an einem Widerstand in der Emitterleitung
abgreifen. Dieser Spannungsabfall ist jedoch stromabhängig. Man verwendet daher
zweckmäßigerweise die Schleusenspannung einer Siliziumdiode oder eines Selengleich:richters,
die in Durchlaßrichtung geschaltet wird. An diesen tritt, nahezu unabhängig vom
Strom, der erforderliche Spannungsabfall auf. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig.
3 wird beispielsweise ein dreizelliger Selengleichrichter Gll verwendet mit einem
Spannungsabfall von etwa 1,2 V. Diese Spannung gelangt über den zwischen den Anoden
der beiden Röhren I und 11
befindlichen Heißleiter Th2 an die Basis des Transistors
Tr. Sie verursacht einen Basisstrom, der den Kollektorsperrstrom I'" verringert.
Mit dem Heißleiter Th2 erreicht man, daß dieser Gegenstrom bei steigender Temperatur,
d. h. wenn der Kollektorsperrstrom 1'" ansteigt, ebenfalls größer wird.
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Wie aus der Fig. 3 ersichtlich ist, ergibt sich die am Kollektor des
Transistors Tr auftretende Spannung aus der Differenz zwischen der am Eingang E
angelegten Eingangsspannung und der am Ausgang A auftretenden Ausgangsspannung.
Steigt die Eingangsspannung über den vorgesehenen Betriebsbereich, so muß der Transistor
Tr vor Überspannung geschützt werden. Dasselbe gilt während des Aufheizens der Verstärkerröhren
I und II. Solange Röhre II keinen Strom führt, ist Transistor Tr über Gll und Th2
praktisch gesperrt. Infolgedessen liegt am Transistor die Eingangsspannung des Netzgerätes.
Einen einfachen Überspannungsschutz für den Transistor Tr bildet die Anschaltung
der Zenerdiode G12 zwischen Basis und Kollektor. Übersteigt die Kallektorspannung
des Transistors Tr den Wert der Durchbruchspannung dieser Siliziumdiode, so beginnt
der Durchbruchstrom über die Emitterbasisstrecke zufließen, und damit wird ein weiteres
Ansteigen der Kollektorspannung des Transistors Tr verhindert.
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Vergleicht man ein nach dieser Schaltung aufgebautes Gerät mit einem
elektronisch stabilisierten Netzgerät herkömmlicher Bauart mit Serienröhre unter
Zugrundelegung der gleichen elektrischen Bedingungen, so zeigt sich, daß bei gleicher
Belastung das Gerät mit Transistoren nach Fig. 3 einen Wirkungsgrad 17 = 55 °/o
aufweist, während er bei dem Gerät herkömmlicher Bauart mit Serienröhre nur 24,4
% beträgt. Ein weiterer wesentlicher Vorteil liegt ferner darin, daß sich ein Gerät
mit einer Schaltung nach Fig. 3 auch für höhere Ausgangsspannungen dimensionieren
läßt.