DE1148638B - Schaltungsanordnung mit stetig steuerbaren elektronischen Widerstandsstrecken zur Erzeugung einer moeglichst konstanten Ausgangsgleichspannung aus einer groesseren veraenderlichen Eingangsgleichspannung - Google Patents

Description

• Schaltungsanordnung mit stetig steuerbaren elektronischen Widerstandsstrecken zur Erzeugung einer möglichst konstanten Ausgangsgleichspannung aus einer größeren veränderlichen Eingangsgleichspannung Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer möglichst konstanten Ausgangsgleichspannung aus einer größeren veränderlichen Eingangsgleichspannung. Derartige Regelschaltungen werden zur Stabilisierung von Gleichspannungen sehr häufig benötigt.
• Es sind bereits Reglerschaltungen mit Röhren und Transistoren bekanntgeworden. Ein bekannter, stetig arbeitender Transistorregler kann mit Rücksicht auf die maximale Kollektorspannung der verfügbaren Transistoren (ungefähr 60 V) nur zur Stabilisierung kleiner Gleichspannungen bis ungefähr 40 V verwendet werden. Für größere zu stabilisierende Gleichspannungen sind keine befriedigend arbeitenden Reglerschaltungen bekannt, da die weiterhin bekannten Röhrenregler erst bei Gleichspannungen von über ungefähr 150 V einen erträglichen Wirkungsgrad aufweisen. Außerdem sind auch die mit Röhrenschaltungen zu stabilisierenden Gleichspannungen in ihrer Höhe begrenzt.
• Es sind bereits elektronische Schalter bekannt, bei denen zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit mehrere Transistoren in Reihe geschaltet sind. Diese Anordnungen arbeiten jedoch im reinen Schalterbetrieb und sind für stetige Regelschaltungen nicht geeignet.
• Weiterhin sind Regelschaltungen mit mehreren in Reihe geschalteten Transistoren bekannt, bei denen eine im Mittel stetige Regelung von Spannungen oder Leistungen durch Impulsbreitenansteuerung der Transistoren erreicht wird. Diese Regelschaltungen sind ohne zusätzliche Maßnahmen nur anwendbar, wenn der Mittelwert der geregelten Größe, nicht aber ihr Momentwert stetig sein muß.
• Eine andere Regelschaltung mit mehreren in Reihe geschalteten und als steuerbare Widerstände betriebenen Transistoren weist nur einen geringen Regelbereich auf.
• Bei der Schaltungsanordnung mit stetig steuerbaren, in Reihe mit der Ausgangsgleichspannung geschalteten elektronischen Widerstandsstrecken gemäß der Erfindung zur Erzeugung einer möglichst konstanten Ausgangsgleichspannung aus einer größeren, veränderlichen Eingangsgleichspannung bestehen keine besonderen Beschränkungen hinsichtlich der Höhe der Spannungen. Der Regelbereich kann beliebig groß ausgelegt werden. Gemäß der Erfindung werden die im Hauptstromkreis angeordneten elektronischen Widerstandsstrecken, vorzugsweise Transistoren in solcher gegenseitiger Abhängigkeit betrieben, daß die die Ausgangsspannung übersteigende Spannung bis zu einem ersten Höchstwert nahezu vollständig an der ersten Widerstandsstrecke, die diesen ersten Höchstwert übersteigende Spannung bis zu einem zweiten Höchstwert an der zweiten Widerstandsstrecke usw. abfällt. Das wesentliche Kennzeichen der Regelschaltung gemäß der Erfindung ist also darin zu sehen, daß die zur Regelung verwendeten steuerbaren Widerstandsstrecken nicht gleichzeitig, sondern nacheinander angesteuert werden und demnach nacheinander Spannungsabfälle bis zu jeweils einem gewissen Höchstwert verursachen.
• Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel werden Transistoren als derartige Widerstandsstrecken verwendet. Die Steuerung dieser Transistoren erfolgt dabei mit Hilfe einer zu der Ausgangsspannung parallelliegenden unsymmetrischen Brückenschaltung, in deren Querzweig bei zu großer Ausgangsspannung eine Differenzspannung auftritt. Diese Differenzspannung kann vorteilhaft als Steuerspannung für einen Transistor verwendet werden, der durch die Differenzspannung zunehmend durchlässig wird und einen steigenden Stromfluß durch einen der Basis-Emitter-Strecke des ersten Transistors parallel geschalteten Steuerwiderstand ermöglicht, der die an diesem Steuerwiderstand abfallende, den Leitzustand dieses Transistors verursachende Spannung zunehmend kompenstiert und damit den Transistor zunehmend hochohmiger steuert. Der Höchstwert der an jedem Transistor abfallenden Spannung kann vorteilhaft durch Zenerdioden festgelegt werden, die zwischen den Basen der in Reihe geschalteten Transistoren gelegt sind. Damit ist die an einem Transistor auftretende höchstmögliche Spannung im wesentlichen der Zenerspannung der verwendeten Zenerdioden gleich.
• Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Zeichnung erläutert.
• Fig. 1 zeigt ein erstes vorteilhaftes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. An den Eingangsklemmen e 1 und e 2 liegt die zu stabilisierende Eingangsgleichspannung Ue an. An den Ausgangsklemmen a 1 und a 2 wird die stabilisierende Gleichspannung Ua entnommen. Parallel zu der Ausgangsspannung Ua ist die unsymmetrische Brückenschaltung aus den Widerständen R 7, R 8 und R 9 und der Zenerdiode DZ 3 vorgesehen. Der Widerstand R10 dient als Vorwiderstand. Die Brückenschaltung sei beispielsweise so dimensioniert, daß im Querzweig, der durch die Basis-Emitter-Strecke des Transistors T4 überbrückt ist, dann keine Differenzspannung auftritt, wenn die Eingangsspannung Ue ungefähr gleich der Ausgangsspannung Ua ist. In diesem Fall ist der Steuertransistor T 4 gesperrt. Die in Reihe liegenden Transistoren TI, T 2 und T 3 sind dagegen durch die Hilfsspannungen Uh 1, Uh 2 und Uh 3 durchlässig gesteuert. Beispielsweise bewirkt die Hilfsspannung Uh l einen Steuerstrom durch den Transistor T l, der von der Plusklemme über die Emitter-Basis-Strecke des Transistors T1 und den Basiswiderstand R 4 zur Minusklemme fließt. In entsprechender Weise sind die beiden anderen Transistoren T 2 und T 3 durchlässig gesteuert. Abgesehen von den geringen Restspannungen tritt an den Transistoren kein Spannungsabfall auf.
• Nunmehr sei angenommen, daß die Eingangsgleichspannung Ue ansteigt. Da der Restspannungsabfall an den Transistoren T l, T 2 und T 3 konstant ist, steigt auch die Ausgangsgleichspannung Ua zu- nächst etwas an. An den Brückenwiderständen R 7, R 8 und R 9 tritt eine höhere Spannung auf, während die Spannung an der Zenerdiode DZ3 nicht weiter ansteigen kann. Der Emitter des Transistors T4 wird damit positiv gegenüber der Basis, und der Transistor T4 beginnt leitend zu werden. Damit fließt ein Teil des die Transistoren T3, T 2 und T 1 durchfließenden Stromes über den Widerstand R l, die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T4, die Zenerdiode DZ 3 und den Widerstand R 10. Da dieser Stromfluß durch den Widerstand R 1 entgegengesetzt zu dem infolge der Hilfsspannung Uh l den Widerstand R 1 durchfließenden Strom ist, wird die positive Spannung zwischen Emitter und Basis des Transistors T 1 zunehmend geringer und die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors T 1 zunehmend hochohmiger. Damit fällt an der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors T1 eine wachsende Spannung ab. Steigt die Eingangsgleichspannung Ue weiter an, so wächst auch die Spannung zwischen Kollektor und Basis des Transistors T1 weiter, bis die Zenerspannung der Zenerdiode DZ 1 erreicht wird. In diesem Augenblick wird die Zenerdiode DZ1 durchlässig, und es fließt nunmehr ein Teilstrom über die Transistoren T 3 und T 2, den Widerstand R 2, die Zenerdiode DZ 1, die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T4, die Zenerdiode DZ3 und den Widerstand R 10. Bei weiter steigender Eingangsspannung Ue bleibt die Spannung am Transistor T 1, abgesehen von der geringen Spannungsänderung am Widerstand R 2, konstant. Durch die weiter wachsende Eingangsgleichspannung Ue wird nunmehr in der beim Transistor T1 beschriebenen Weise die positive Steuerspannung des Transistors T 2 zunehmend kompensiert. Der Transistor T2 wird nunmehr so lange durch die sich verringernde positive Steuerspannung hochohmiger, bis infolge der dadurch wachsenden Spannung an der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors T 2 die Zenerdiode DZ2 durchlässig wird. Es fließt dann ein Teilstrom über den Transistor T3, den Widerstand R 3, die Zenerdioden DZ 2 und DZ 1, den Transistor T4, die Zenerdiode DZ 3 und den Widerstand R 10.
• Bei weiter steigender Eingangsgleichspannung Ue wird der Transistor T 3 in der gleichen Weise wie die Transistoren T 1 und T 2 hochohmig gesteuert. Es ist ersichtlich, daß bei noch größerer Eingangsgleichspannung Ue mehr als drei Transistoren in Reihe geschaltet werden können, die in der gleichen Weise wie die Transistoren T l, T 2 und T 3 zunehmend hochohmiger gesteuert werden.
• Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, dessen Wirkungsweise im wesentlichen der des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 entspricht und das lediglich durch gewisse zusätzliche Einrichtungen ergänzt ist. So sind beispielsweise die Hilfsspannungen Uh 1, Uh 2 und Uh 3, die den Leitzustand der Transistoren T 1, T 2 und T 3 sicherstellen, durch die Zenerdioden DZ4, DZ5 und DZ6 stabilisiert. Dadurch ist sichergestellt, daß die öffnungsspannungen für die Transistoren T1, T2 und T3 unabhängig von eventuellen Netzschwankungen sind, da die Hilfsspannungen Uh 1, Uh 2 und Uh 3 in den meisten Fällen aus dem Netz entnommen werden. Weiterhin ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 zusätzlich eine gestrichelt umrahmte Stromregelung vorgesehen, die aus dem Transistor TS und den Widerständen R 11 und R12 besteht und folgendermaßen funktioniert: Der Widerstand R 11 wird von dem auch die Transistoren T l, T 2 und T 3 durchfließenden Hauptstrom durchflossen. Der an ihm entstehende Spannungsabfall ist demnach unmittelbar proportional dem Hauptstrom und dient zur Steuerung des Transistors T5. Überschreitet der den Widerstand R 11 durchfließende Strom eine bestimmte, mittels des Potentiometers R 12 einstellbare Größe, so wird der Spannungsabfall am Widerstand R 11 größer als der Teilspannungsabfall am oberen Teil des Potentiometers R12, und über die Basis-Emitter-Strecke des Transistors T5 fließt ein Strom. Der Transistor T5 wird also bei weiter steigendem Strom zunehmend durchlässiger, und es fließt ein wachsender Strom parallel zu dem Widerstand R 11 über den Widerstand R 1 und die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T5. Durch diesen wachsenden Stromfluß durch den Widerstand R 1 wird der Transistor T 1 in der beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 beschriebenen Weise zunehmend hochohmiger. Der Strom kann also nicht unbegrenzt ansteigen, was beispielsweise bei Kurzschluß der Ausgangsspanfung Ua wichtig ist.
• Daneben ist selbstverständlich auch noch die bereits beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 beschriebene Regelung der Ausgangsspannung Ua über den Transistor T4 wirksam.
• An Stelle von Zenerdioden können auch vorvorgespannte Dioden oder äquivalente Schwellwert- Schaltmittel als Spannungsnormal verwendet werden. Selbstverständlich läßt sich die an Hand von Transistoren beschriebene Regelschaltung bei geringen schaltungstechnischen Abänderungen auch mit Röhren oder anderen stetig steuerbaren elektronischen Widerstandsstrecken aufbauen.

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Schaltungsanordnung mit stetig steuerbaren, in Reihe mit der Ausgangsgleichspannung geschalteten elektronischen Widerstandsstrecken, vorzugsweise Transistoren, zur Erzeugung einer möglichst konstanten Ausgangsgleichspannung aus einer größeren veränderlichen Eingangsgleichspannung, dadurch gekennzeichnet, daß die im Hauptstromkreis angeordneten elektronischen Widerstandsstrecken, vorzugsweise Transistoren, in solcher gegenseitiger Abhängigkeit betrieben werden, daß die die Ausgangsspannung übersteigende Spannung bis zu einem ersten Höchstwert nahezu vollständig an der ersten Widerstandsstrecke, die diesen ersten Höchstwert übersteigende Spannung bis zu einem zweiten Höchstwert an der zweiten Widerstandsstrecke usw. abfällt.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 mit Transistoren als Widerstandsstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der Ausgangsspannung eine unsymmetrische Brückenschaltung (R7, R8, R9, DZ 3) vorgesehen ist, in deren Querzweig bei zu großer Ausgangsspannung eine Differenzspannung auftritt, die der Steuerung der Transistoren (T1, T2, T3) dient.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Querzweig der Brückenschaltung die Basis-Emitter-Strecke eines Steuertransistors (T4) liegt, der durch die bei wachsender Ausgangsgleichspannung auftretende Differenzspannung zunehmend durchlässig wird und einen steigenden Stromfluß durch einen der Basis-Emitter-Strecke des ersten Transistors (T1) parallel geschalteten Steuerwiderstand (R1) ermöglicht, der die an diesem Steuerwiderstand abfallende, den Leitzustand dieses Transistors verursachende Spannung zunehmend kompensiert und damit den Transistor zunehmend hochohmig steuert.
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß auch parallel zu den Basis-Emitter-Strecken der weiteren Transistoren (T2, T3) je ein Steuerwiderstand (R2, R3) geschaltet ist und die Basen aller Transistoren (T1, T2, T3) über Zenerdioden (DZ 1, DZ2) miteinander verbunden sind.
5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die den Leitzustand der Transistoren verursachenden Hilfsspannungen (Uh 1, Uh 2, Uh 3) durch Zenerdioden (DZ 4, DZ5, DZ6) stabilisiert sind.
6. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Hauptstromkreis ein Widerstand (R 11) angeordnet ist und die an ihm abfallende Spannung bei Überschreiten eines bestimmten Wertes einen Transistor (T5) zunehmend durchlässig steuert und dadurch einen steigenden Stromfluß durch den der Basis-Emitter-Strecke des ersten Transistors (T 1) parallel geschalteten Steuerwiderstand (R 1) ermöglicht. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1012 994, 1050 426, 1058 568, 1064 123, 1077 766; USA.-Patentschriften Nr. 2 693 572, 2 835 829; Wireless Eng. (September 1952), S. 226ff.; IRE-Tr., C T 3 (März 1956), S. 51; AEG-Mitteilungen 50 (1960), S. 30. In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 1106 851.