DE1151303B

DE1151303B - Circuit arrangement for keeping a direct current constant

Info

Publication number: DE1151303B
Application number: DEJ17537A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Erich Pfeifer
Original assignee: Ibak Helmut Hunger GmbH and Co KG
Current assignee: Ibak Helmut Hunger GmbH and Co KG
Priority date: 1960-01-16
Filing date: 1960-01-16
Publication date: 1963-07-11

Description

Schaltungsanordnung zur Konstanthaltung eines Gleichstromes Auf zahlreichen technischen Gebieten besteht das Erfordernis, einen elektrischen Gleichstrom möglichst weitgehend konstant zu halten, also unabhängig z. B. von der Speisespannung, vom elektrischen Widerstand einzelner Schaltelemente, von der Umgebungstemperatur oder von anderen physikalischen Größen, die auf die Stromstärke einen Einfluß ausüben. Insbesondere in der Meß- und Regeltechnik werden oft hohe Ansprüche an die Konstanz von Gleichströmen gestellt, wenn diese beispielsweise als Meßnormalien, zur Speisung von Meßwerken, Antriebssystemen, Licht- oder Wärmequellen oder für sonstige Zwecke verwendet werden sollen, die mit hohen Konstanz-und Genauigkeitsforderungen verknüpft sind.Circuit arrangement for keeping a direct current constant on numerous technical fields there is a requirement to use an electrical direct current as possible to keep largely constant, so independent z. B. from the supply voltage, from electrical resistance of individual switching elements, of the ambient temperature or of other physical quantities that have an influence on the strength of the current. In particular in measurement and control technology, there are often high demands on constancy provided by direct currents, for example, as measurement standards, for supply of measuring mechanisms, drive systems, light or heat sources or for other purposes should be used that are linked to high demands on constancy and accuracy are.

Zum Einhalten einer konstanten Stromstärke wurden bisher oft Widerstandsmaterialien mit einem großen positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstandes verwendet, die als Serienwiderstände in dem zu regelnden Stromkreis liegen und die jede Stromänderung durch eine gegenläufig wirkende Widerstandsänderung begrenzen. Da diese Widerstandsänderung jedoch eine Änderung der Temperatur des Widerstandsmaterials zur Voraussetzung hat, die ihrerseits durch eine Stromänderung bewirkt wird, ist die Genauigkeit einer solchen Regelung naturgemäß beschränkt. Nachteilig wirkt sich auch eine gewisse Trägheit der Regelanordnung aus, die zwar durch Verwendung dünner, gewendelter Drähte aus dem vorhin erwähnten Widerstandsmaterial vermindert, aber nicht grundsätzlich beseitigt werden kann.Resistance materials have often been used to maintain a constant current strength with a large positive temperature coefficient of resistance used that lie as series resistances in the circuit to be controlled and each change in current limit by an opposing change in resistance. Since this change in resistance however, a change in the temperature of the resistor material is a prerequisite, which in turn is caused by a change in current, the accuracy is a such a regulation is naturally limited. There is also a certain disadvantage Inertia of the control arrangement, although by using thin, coiled wires reduced from the aforementioned resistance material, but not fundamentally can be eliminated.

Ungünstig ist ferner der Energieverbrauch durch den temperaturabhängigen Widerstand und die damit verbundene Wärmeentwicklung, die um so größer ist, je höher die Anforderungen an die Regelgenauigkeit sind, da im gleichen Maße mit höheren Speisespannungen gearbeitet werden muß. Ein erheblicher Nachteil liegt weiterhin darin, daß bei niedrigen Speisespannungen mit diesen Hilfsmitteln eine hohen Ansprüchen genügende Stromstabilisierung nicht zu erreichen ist.The energy consumption is also unfavorable due to the temperature-dependent Resistance and the associated heat development, which is greater, the higher the requirements for the control accuracy are there to the same extent with higher Supply voltages must be worked. There is still a significant disadvantage in the fact that at low supply voltages with these aids a high standard Sufficient current stabilization cannot be achieved.

Gewisse Vorteile ergeben sich bei der Verwendung von Elektronenröhren zum Konstanthalten von Gleichströmen; unter Ausnutzung des hohen dynamischen Innenwiderstandes, z. B. von Pentoden, und der Wirkung von Stromgegenkopplungsschaltungen läßt sich .eine gute Stromstabilisierung erzielen. Jedoch sind hierzu stabilisierte Hilfsspannungsquellen erforderlich, z. B. für die Schirmgitterspannung und für die Röhrenheizung, und bei nur kleinen verfügbaren Speisespannungen sind solche Anordnungen ebenfalls nicht brauchbar.Certain advantages result from the use of electron tubes to keep direct currents constant; taking advantage of the high dynamic internal resistance, z. B. of pentodes, and the effect of current negative feedback circuits can .Achieve good current stabilization. However, stabilized auxiliary voltage sources are used for this purpose required, e.g. B. for the screen grid voltage and for the tube heating, and Such arrangements are also not available if only small supply voltages are available useful.

Eine weitere Verbesserung erbrachte die Verwendung von Transistoren, welche die Eigenschaft haben, daß bei steigender Kollektor-Emitter-Spannung oberhalb der sogenannten Kniespannung der Kollektorstrom nur sehr wenig zunimmt, wobei vorausgesetzt ist, daß die Spannung zwischen Basis und Emitter sich nicht ändert. Um diese von der Speisespannung unabhängig zu machen, kann gemäß einer bekannten Anordnung eine Kompensationsschaltung verwendet werden, in welcher ein von einem zweiten (Hilfs-) Transistor gelieferter Strom an einem im Basiskreis des ersten (Arbeits-) Transistors liegenden Widerstand einen Spannungsabfall hervorruft, der sich bei schwankender Spannung gegensinnig und um den gleichen Betrag ändert wie der unmittelbar von der Speisespannung abgeleitete Anteil der Basis-Emitter-Spannüng des ersten Transistors. Diese Schaltungsanordnung, die ausschließlich nach dem Prinzip der Vorwärtsregelung arbeitet, besitzt den Nachteil, daß der gelieferte Gleichstrom nur innerhalb relativ geringer Schwankungsbereiche der Speisespannung von dieser unabhängig ist. Außerdem hängt die Größe des kompensierenden Stromes unmittelbar von den Daten des zweiten (Hilfs-) Transistors ab, insbesondere von seiner Stromverstärkung, so daß verschiedene Exemplare dieses Transistors sehr unterschiedliche Einstellungen erfordern können, die überdies auch noch von Zeit zu Zeit korrigiert werden müssen, wenn sich maßgebende Transistoreigenschaften durch Alterung ändern.Another improvement was the use of transistors, which have the property that with increasing collector-emitter voltage above the so-called knee voltage the collector current increases only very little, assuming is that the voltage between base and emitter does not change. To get this from To make the supply voltage independent, according to a known arrangement a Compensation circuit can be used, in which one of a second (auxiliary) Current supplied to a transistor in the base circuit of the first (working) transistor lying resistance causes a voltage drop, which increases with fluctuating Voltage changes in opposite directions and by the same amount as that directly from the Feed voltage derived portion of the base-emitter voltage of the first transistor. This circuit arrangement, which operates exclusively on the principle of feedforward control works, has the disadvantage that the supplied direct current only within relatively small fluctuation ranges of the supply voltage is independent of this. aside from that the size of the compensating current depends directly on the data of the second (Auxiliary) transistor from, in particular from its current gain, so that different Copies of this transistor may require very different settings, which also have to be corrected from time to time if relevant Change transistor properties through aging.

Eine andere bekannte Schaltungsanordnung benutzt zur Stabilisierung der Spannung zwischen Basis und Emitter des (Arbeits-) Transistors eine Zenerdiode, welcher die Speisespannung über einen Vorwiderstand zugeführt wird; die konstante Spannung kann dann unmittelbar an der Zenerdiode oder an einem zu ihr parallelliegenden Spannungsteiler abgenommen und an die Emitter-Basis-Strecke des Transistors gelegt werden: Der Kollektorstrom des Transistors hängt bei einer solchen Anordnung nur noch sehr wenig von der Höhe der Speisespannung und von der Größe des im Kollektorkreis liegenden Widerstandes ab.Another known circuit arrangement is used for stabilization the voltage between the base and emitter of the (working) transistor is a Zener diode, to which the supply voltage is fed via a series resistor; the constant tension can then directly on the Zener diode or on a voltage divider connected to it and connected to the emitter-base path of the transistor: The collector current of the transistor depends on a such an arrangement only has very little of the level of the supply voltage and of the The size of the resistance in the collector circuit.

Vorteilhaft ist bei Schaltungen dieser Art ihre Brauchbarkeit bei niedrigen Spannungen und der bei zweckmäßiger Dimensionierung relativ geringe Energieverbrauch. Als Nachteil ist die bei allen Halbleiteranordnungen vorhandene Temperaturabhängigkeit anzusehen, welche besondere Kompensationsmaßnahmen erfordert; ferner besteht der Mangel, daß die erreichbare Konstanz des geregelten Gleichstromes für höhere Ansprüche, insbesondere für Meß- und Regelzwecke, oft nicht ausreicht. Vor allem bei lichttechnischen Messungen, bei welchen die Beleuchtungslampe einen sehr konstanten Lichtstrom abgeben muß, werden an die Genauigkeit der Regelung des Lampenstromes extrem hohe Anforderungen gestellt; auch für andere Aufgaben werden vielfach Gleichströme äußerster Konstanz bei niedrigen Speisespannungen benötigt. Die mit den vorhin erwähnten und ähnlichen bekannten Halbleiterschaltungen erzielbare Regelgenauigkeit genügt nicht, um diese gesteigerten Ansprüche zu befriedigen.In circuits of this type, their usefulness is advantageous low voltages and the relatively low energy consumption when dimensioned appropriately. The disadvantage of all semiconductor arrangements is the temperature dependency to see which special compensation measures are required; there is also the Deficiency that the achievable constancy of the regulated direct current for higher demands, especially for measurement and control purposes, is often not sufficient. Especially with lighting technology Measurements in which the lighting lamp emits a very constant luminous flux must, extremely high requirements are placed on the accuracy of the regulation of the lamp current posed; For other tasks too, direct currents are often extremely constant required at low supply voltages. The ones with the ones mentioned earlier and the like known semiconductor circuits achievable control accuracy is not sufficient to this to satisfy increased demands.

Diesem Mangel wird durch die erfindungsgemäße Anordnung abgeholfen, bei welcher ebenfalls von dem nahezu waagerechten Verlauf der Kollektorstrom-Kollektorspannungs-Kennlinie sowie von der spannungsstabilisierenden Wirkung von Zenerdioden Gebrauch gemacht wird; eine extrem hohe Konstanz des zu regelnden Gleichstromes wird jedoch dadurch erreicht, daß die durch die schwache Neigung der Kollektorstrom-Kollektorspannungs-Kennlinien des Transistors sowie der Zenerspannungs-Zenerstrom-Kennlinie der Zenerdiode bedingte restliche Abhängigkeit des Kollektorstromes von der Speisespannung durch eine zusätzliche gegenläufige Steuerung des Transistors mittels eines sich mit der Speisespannung gleichsinnig ändernden Zweigstromes beseitigt ist.This deficiency is remedied by the arrangement according to the invention, which also depends on the almost horizontal course of the collector current-collector voltage characteristic as well as made use of the voltage stabilizing effect of Zener diodes will; an extremely high constancy of the direct current to be regulated, however, is thereby achieved that achieved by the weak slope of the collector current-collector voltage characteristics of the transistor and the zener voltage-zener current characteristic of the zener diode the remaining dependence of the collector current on the supply voltage through an additional opposite control of the transistor by means of a itself with the supply voltage branch current changing in the same direction is eliminated.

Das Prinzip der Erfindung geht aus der Zeichnung hervor. In dieser bedeutet 1 den zur Stromregelung verwendeten Transistor, 2 eine Zenerdiode, 3 einen Vorwiderstand zur Zenerdiode und 4 einen veränderbaren ohmschen Widerstand im Emitterkreis des Transistors zur Einstellung des Arbeitspunktes und damit der Größe des konstant zu haltenden Gleichstromes; dieser kann an den Klemmen 9 und 10 abgenommen werden, während die Speisespannung den Klemmen 7 und 8 zugeführt wird. Mittels des Widerstandes 5 wird der von der Speisespannung abhängige Zweigstrom 6 eingestellt, der die gegenläufige Zusatzsteuerung des Transistors bewirkt.The principle of the invention is evident from the drawing. In this, 1 denotes the transistor used for current regulation, 2 a Zener diode, 3 a series resistor for the Zener diode and 4 a variable ohmic resistance in the emitter circuit of the transistor for setting the operating point and thus the size of the direct current to be kept constant; this can be taken from terminals 9 and 10 , while the supply voltage is fed to terminals 7 and 8. By means of the resistor 5, the branch current 6, which is dependent on the supply voltage and which effects the additional control of the transistor in the opposite direction, is set.

Bei der Betrachtung der Arbeitsweise der Schaltung wird zunächst davon ausgegangen, daß der Widerstand 5 unendlich groß und damit der Zweigstrom 6 gleich Null ist. Der über die Klemmen 9, 10 und den äußeren Kreis fließende Kollektorstrom folgt dann in einem gewissen Ausmaße den Schwankungen der an den Klemmen 7, 8 liegenden Speisespannung, und zwar auf Grund folgender Zusammenhänge: Die Speisespannungsänderungen bewirken gleichsinnige, prozentual sogar etwas höhere Änderungen der zwischen Kollektor und Emitter des Transistors liegenden Spannung; wegen der zwar kleinen, aber doch stets vorhandenen Neigung der Kollektorstrom-Kollektorspannungs-Kennlinie macht auch der Kollektorstrom diese Änderungen gleichsinnig, nur in einem kleineren prozentualen Ausmaße, mit. Ähnlich liegen die Verhältnisse bei der Zenerdiode 2. Auch bei günstigster Bemessung des Vorwiderstandes 3 folgt die Zenerspannung in geringem Ausmaße den Schwankungen der Speisespannung. Da aber die Zenerspannung unmittelbar den Arbeitspunkt des Transistors bestimmt, haben deren an sich sehr kleine Änderungen gut nachweisbare, gleichsinnige Änderungen des Kollektorstromes zur Folge. Beide Schwankungsursachen für den Kollektorstrom, also seine Abhängigkeit von der Kollektorspannung und die zusätzliche Transistorsteuerung durch restliche Schwankungen der Zenerspannung, wirken in gleicher Richtung, so daß sich die Schwankungsbeträge des Kollektorstromes addieren.When considering how the circuit works, think of it first assumed that the resistance 5 is infinitely large and thus the branch current 6 is the same Is zero. The collector current flowing through terminals 9, 10 and the outer circuit then follows the fluctuations of the terminals 7, 8 to a certain extent Supply voltage due to the following relationships: The supply voltage changes cause changes in the same direction, even slightly higher percentage changes between the collectors and emitter of the transistor lying voltage; because of the small, but still constant inclination of the collector current-collector voltage characteristic also the collector current these changes in the same direction, only in a smaller percentage Dimensions, with. The situation is similar with the Zener diode 2. Even with the most favorable Dimensioning of the series resistor 3 follows the Zener voltage to a small extent Supply voltage fluctuations. But since the Zener voltage is directly the working point of the transistor, their changes, which are very small in themselves, are easily detectable, result in changes in the collector current in the same direction. Both causes of fluctuation for the collector current, i.e. its dependence on the collector voltage and the additional transistor control through residual fluctuations in the Zener voltage, act in the same direction, so that the fluctuations in the collector current add.

Wird nun der Widerstand 5 auf einen endlichen Wert eingestellt, so fließt durch den Widerstand 4 zusätzlich zum Emitterstrom des Transistors 1 ein Zweigstrom 6. Die dadurch enstehende Verschiebung des Arbeitspunktes kann durch Verändern des Widerstandes 4 ausgeglichen werden. Schwankungen der Speisespannung haben nun gleichsinnige, prozentual sogar etwas überhöhte Schwankungen des Zweigstromes 6 und entsprechende Schwankungen der am Widerstand 4 liegenden Spannung zur Folge, so daß der Transistor eine zusätzliche Aussteuerung erhält. Es ist leicht zu erkennen, daß beispielsweise bei ansteigender Speisespannung sich auch der Spannungsabfall am Widerstand 4 etwas erhöht und dadurch das Emitterpotential gegenüber dem positiven Pol der Speisespannung (Klemme 7) um einen kleinen Betrag absinkt. Die Aussteuerung des Transistors wird also vermindert, und der Kollektorstrom geht etwas zurück. Diese Wirkung tritt um so stärker auf, je größer der Zweigstrom 6 durch Verkleinern des Widerstandes 5 gewählt wird.If the resistor 5 is now set to a finite value, then flows through the resistor 4 in addition to the emitter current of the transistor 1 Branch current 6. The resulting shift in the operating point can be achieved by Changing the resistance 4 can be compensated for. Supply voltage fluctuations now have the same direction, in percentage even somewhat excessive fluctuations in the branch current 6 and corresponding fluctuations in the voltage across resistor 4 result, so that the transistor receives an additional level control. It is easy to see that, for example, when the supply voltage increases, so does the voltage drop slightly increased at resistor 4 and thereby the emitter potential compared to the positive Pole of the supply voltage (terminal 7) drops by a small amount. The control of the transistor is thus reduced and the collector current decreases somewhat. This effect occurs all the more, the larger the branch flow 6 by reducing it of the resistor 5 is chosen.

Durch die beschriebene gegenläufige Steuerung des Transistors können die ursprünglich vorhandenen, mit den Schwankungen der Speisespannung gleichsinnig verlaufenden Änderungen des Kollektorstromes in einem weiten Speisespannungsbereich völlig beseitigt werden, ja es ist sogar eine Überkompensation möglich, so daß also die resultierenden Restschwankungen des Kollektorstromes gegensinnig zu denen der Speisespannung sind.The opposite control of the transistor described can those originally present, in the same direction as the fluctuations in the supply voltage running changes of the collector current in a wide supply voltage range can be completely eliminated, and even overcompensation is possible, so that the resulting residual fluctuations in the collector current opposite to those of the Supply voltage are.

Die Temperaturabhängigkeit der Schaltung richtet sich nach den thermischen Eigenschaften der verwendeten Bauelemente; sie kann auf einfache Weise beseitigt werden, indem für den Widerstand 4 ein Widerstandsmaterial mit einem geeigneten Temperaturkoeffizienten gewählt wird.The temperature dependence of the circuit depends on the thermal Properties of the components used; they can easily be eliminated be by for the resistor 4 a resistor material with a suitable Temperature coefficient is chosen.

Der Widerstand im äußeren Kreise des über die Klemmen 9, 10 fließenden, konstant zu haltenden Gleichstromes ist in weiten Grenzen ohne nachweisbaren-Einfluß auf die Stromstärke.The resistance in the outer circle of the flowing through terminals 9, 10, The direct current to be kept constant is within wide limits without any detectable influence on the amperage.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Circuit arrangement for keeping a constant Direct current using a transistor and a Zener diode, characterized in that, that due to the weak slope of the collector current-collector voltage characteristics of the transistor and the Zener voltage -Center current characteristic of the Zener diode caused the remaining dependence of the collector current on the supply voltage by an additional, opposite control of the transistor by means of a self with the supply voltage in the same direction changing branch current is eliminated.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the extent of the opposite control of the transistor by means of a variable ohmic resistor (5) between over- and undercompensation is adjustable.

3. Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the temperature dependence of the output current through Choosing a resistor material with a suitable temperature coefficient for eliminates the variable ohmic resistance (4) in the emitter circuit of the transistor is. References considered: U.S. Patent No. 2,841,757; Automatic (1959), p. 105; Elektronik (1959), p. 320.