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Schutzschaltung für elektronisch stabilisierte Spannungsquellen Die
Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für elektronisch geregelte Konstantspannungsquellen
mit Transistoren, die es gestattet., die als Stellglieder dienenden Transistoren
vor zu starker Beanspruch#u-ng bei Stromüberlastung bis zu äußeren Kurzschlüssen
am Gerät zu schützen.
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Bekanntlich reichen Schmelzsicherungen wegen ihres Zeitverhaltens
zum überlastschutz in solchen Geräten nicht aus. Es ist daher zum Schutz der Transistoren
gegen thermische Überlastung bereits eine Schaltung bekannt, in der bei überlast
ein Relais zum Ansprechen gebracht wird, das die Regelschaltung von der Stromversorgung
abschaltet. Es ist ferner bekannt, bei Überlast einen bistabilen Multivibrator zum
Umkippen zu bringen, der dann den Stelltransistor sperrt und so entlastet.
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Nachteilig ist bei beiden Methoden, daß das Gerät nach dem Beseitigen
des Kurzschlusses bzw. der überlast nicht sofort wieder betriebsbereit ist. Es ist
erst erforderlich, entweder das Gerät mit dem Netzschalter aus- und wieder einzuschalten
oder eine Rückholtaste zu betätigen, um es wieder betriebsbereit zu machen.
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Abgesehen von der Unbequemlichkeit sind diese Einrichtungen nicht
in der Lage, allen Betriebsfällen gerecht zu werden. Soll z. B. die Heizung von
Röhren oder die Speisespannung von Niedervoltlampen stabilisiert werden, so stellen
die kalten Metallwiderstände einen bis zu einer ganzen Zehnerpotenz geringeren Widerstand
dar als im Betriebszustand und bilden praktisch einen Kurzschluß, der das Gerät
sofort ausschaltet, ohne daß die Möglichkeit besteht, den Betriebswert der Widerstände
zu erreichen. Man versucht daher, die Wirksamkeit der Schutzschaltung bis etwa zur
Erreichung des Endwertes der Widerstände zu »verzögern«. Damit wird aber der Sicherheitsgrad
wesentlich herabgesetzt.
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Außerdem sind Schaltungen bekanntgeworden, in denen im Regelkreis
zwischen Bezugsspannungsquelle und Regelverstärkertransistor oder Istwertabgriff
und Regelverstärkertransistor ein Gleichrichter bzw. Transistor so angeordnet ist,
daß bei unzulässig hohen Strömen der Stelltransistor geschützt wird. Diese Schaltungen
haben jedoch zwei Nachteile. Erstens wird beim Wirksamwerden der Schutzschaltung
der Strom durch den Stelltransistor zunächst noch etwas erhöht, so daß an diesen
besondere Forderungen zu stellen sind. Zweitens ist der Schaltungsausgang im Kurzschlußfall
praktisch stromlos, so daß der Betriebszustand beim Anschalten von Röhrenheizungen
oder Niedervoltlampen nicht erreicht werden kann. Der Erfindung liegt die Aufgabe
zugrunde, eine Schaltung anzugeben, die es gestattet, bei Überlast oder äußerem
Kurzschluß am Gerät die Regeltransistoren zu schützen, ohne die Ausgangsspannung
ganz abzuschalten und das Gerät im gleichen Augenblick automatisch wieder in den
Regelbereich zurückzuführen, in dem die überlast oder der äußere Kurzschluß verschwindet,
insbesondere bei Anschaltung von Röhrenheizungen und Niedervoltlampen den Betriebszustand
zu erreichen.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe unter Verwendung einer Schutzschaltung,
bei der die im Normalbetrieb wirksame Regelfunktion des Gerätes, die die Konstanthaltung
der Ausgangsspannung bewirkt, bei Überschreitung der maximal zulässigen Belastung
selbsttätig außer Betrieb gesetzt und durch eine entgegengesetzt wirkende Regelfunktion
ersetzt wird, die den wirksamen Innenwiderstand der Spannungsquelle erhöht, ohne
daß eine völlige Abschaltung der Ausgangsspannung erfolgt, und beim Verschwinden
der Überbelastung sofort wieder die Regelfunktion für den Normalbetrieb wirksam
wird. Bei einer derartigen Schutzschaltung erfolgt gemäß der Erfindung die Anpassung
der Strombelastung der als Stellglied dienenden Transistoren an den beim Absinken
der Ausgangsspannung veränderten Spannungsabfall im Sinne der Vermeidung einer thermischen
Überlastung durch einen Transistor, der im normalen Betriebszustand der elektronisch
stabilisierten Spannungsquelle gesperrt ist, bei ihrer Überlastung dagegen durch
den Spannungsabfall an einem vom Laststrom durchflossenen Widerstand geöffnet wird
und dann im Zusammenspiel mit dem im Normalzustand zur Stabilisierung dienenden
Regelverstärker die entgegengesetzte Regelfunktion verwirklicht.
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Eine besonders zweckmäßige und einfache Ausführungsforin der Erfindung
enthält einen Schutztransistor,
dessen Emitter mit der negativen
Ausgangsklemme und dessen Basis mit einem passend gewählten Abgriff eines Spannungsteilers
verbunden ist, der vom Emitter des oder der als Stellglied dienenden, vor dem negativen
Pol der Ausgangsspannung liegenden und von dieser durch einen kleinen Zwischenwiderstand
getrennten Transistoren zum positiven Pol der Ausgangsspannung führt,
während der Kollektorstrom des Schutztransistors bei Überlastung einsetzt und die
Beeinflussung des Basisstromes des oder der als Stellglied dienenden Transistoren
übernimmt, sobald durch einen zu hohen Ausgangsstrom der Spannungsabfall am Zwischenwiderstand
zu hoch wird und sobald durch das Ab-
sinken der Ausgangsspannung der Arbeitspunkt
der im Normalbetrieb wirksamen Regelverstärkerschaltung aus dem Regelbereich kommt.
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Bei der Anwendung der Erfindung in Geräten, die zur Konstanthaltung
des Lichtstromes von Lichtquellen für Meßzwecke dienen sollen, kommt es darauf an,
die Spannung unmittelbar am Lampensockel konstant zu halten. Nach einem besonderen
Kennzeichen der Erfindung wird dies erreicht, indem der Meßort für den Istwert der
konstant zu haltenden Spannung nach einem Punkt außerhalb des Gerätes, z. B. unmittelbar
an den Lampensockel, umgeschaltet werden kann, so daß die den Lampenstrom führenden
Leitungen und Kontakte innerhalb des Regelkreises liegen und Spannungsabfälle auf
ihnen mit ausgeregelt werden.
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An einem Ausführungsbeispiel soll nun die Erfindung näher erläutert
werden. Bei der in F i g. 1 dargestellten Schaltung ist ein Transformator
1 mit seiner Primärwicklung 2 an das Wechselstromnetz angeschlossen. Auf
der Sekundärseite steht nach Gleichrichtung und Siebung im Teil 3 des Gerätes
die ungeregelte Gleichspannung zwischen den Punkten 4 und 5 und hinter der
durch einen Leistungstransistor 6 gebildeten Regelstrecke die geregelte Spannung
an den Ausgangsbuchsen 7 und 8 zur Verfügung. Eine zweite Sekundärwicklung
des Transformators 1 liefert nach Gleichrichtung und Siebung im Teil
9 eine Hilfsspannung, die durch eine Zenerdiode 10 stabilisiert wird.
Ein Teil dieser Hilfsspannung wird durch eine weitere Zenerdiode 11 und einen
Widerstand 12 nochmals stabilisiert. Diese Spannung dient als Spannungsnormal zur
Ansteuerung eines Sollwerttransistors 13, dessen Emitter durch den gemeinsamen
Emitterwiderstand 15 mit dem Emitter eines Istwerttransistors 14 verkoppelt
ist. Der Istwerttransistor 14 erhält seine Ansteuerung über den Schalter
16; 19 von dem Nfinuspol 7 der Ausgangsspannung, wenn die Spannung
an den Ausgangs-klemmen 7; 8 konstant gehalten werden soll, und von
der Klemme 17, wenn die Spannung außerhalb des Gerätes, z. B. an dem Lampensockel
einer Niedervoltlampe, konstant gehalten werden soll. Dabei muß der Schalterkontakt
19 mit der Buchse 18
verbunden werden, damit auch der Pluspol des Regelverstärkers
am äußeren Meßort liegt. In dem durch die Transistoren 13 und 14 gebildeten
Differenzverstärker wird der Istwert am Punkt 16 mit dem Sollwert verglichen,
der mit einem Potentiometer 20 einstellbar ist. Die Differenz dieser Werte bewirkt
über die Arbeitswiderstände 21 und 22 die Ansteuerung des Stellgliedes
6 in bekannter Weise so, daß die Basis des Transistors 6 negativer
wird, wenn die Ausgangsspannung etwas sinkt. Dadurch wird dem weiteren Sinken der
Ausgangsspannung entgegengewirkt.
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Der Arbeitspunkt eines Schutztransistors 23 ist durch die Bemessung
der Widerstände 24, 25 und 26
so eingestellt, daß sein Emitter negativ
gegenüber der Basis ist, wenn die Schaltung im Regelbereich arbeitet. In diesem
Falle sperrt der Schutztransistor. Bei überlast oder äußerem Kurzschluß wird der
Spannungsabfall über dem Widerstand 24 so groß, daß die Basis des Schutztransistors
23 negativ gegenüber dem Emitter wird, so daß im Kollektorkreis des Schutztransistors,
in dem der zweckmäßig einstellbare Arbeitswiderstand 22 liegt, Strom zu fließen
beginnt. Der Wert des Widerstandes 24 wird so eingestellt, daß bei der maximal zulässigen
Stromstärke der an ihm auftretende Spannungsabfall gerade ausreicht, um den Schutztransistor
23 zu öffnen. Der nunmehr einsetzende Kollektorstrom bewirkt an dem gemeinsamen
Arbeitswiderstand 22 einen Spannungsfall, der über den Widerstand 21 die Basis des
Transistors 6 so ansteuert, daß sie positiver wird. Diese Regelfunktion ist
also der im Normalbetrieb wirksamen entgegengerichtet und setzt sie außer Kraft.
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Der Regeltransistor 6 läßt weniger Strom hindurch, und die
in ihm in Wärme umgesetzte Leistung wird auf ein erträgliches Maß begrenzt, Dadurch,
daß die ursprüngliche Regelfunktion außer Kraft gesetzt wurde, sinkt nach dem Ansprechen
des Schutztransistors 23 die Spannung an den Klemmen 7; 8 ab. Das
hat zur Folge, daß der Emitter des Schutztransistors 23 mit absinkender Klemmenspannung
immer positiver wird, so daß auch nach der Begrenzung des Stromes durch das Stellglied
6 und den Widerstand 24 die Basis des Schutztransistors 23 negativ
gegenüber dem Emitter und der Schutztransistor 23 weiterhin geöffnet bleibt.
Mit Hilfe des Widerstandes 22 kann man den durch den Belastungswiderstand des Gerätes
und das Stellglied fließenden Strom so einstellen, daß auch bei der Zunahme des
Spannungsabfalls im Stellglied, die durch das Sinken der Klemmenspannung bedingt
ist, keine therrnische Überlastung eintritt.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schutzschaltung
sind in F i g. 2 Kurven für den Verlauf der normierten Ausgangsspannung U"lU",v"",
der Spannung über dem Stellglied normiert auf die Ausgangsspannung im Nennfall UCEIU",v"",
des normiertenAusgangsstromsIa/IttNenn und der Verlustleistung im Stellglied normiert
auf die maximal zulässige Verlustleistung NIN.." in Ab-
hängigkeit vom normierten
Außenwiderstand RalRaNenn aufgetragen. Bei Überlastung bis RaIR"N"", =
0,75 ist die Ausgangsspannung bei steigendem Ausgangsstrom und steigender Verlustleistung
im Stellglied konstant, während die Spannung UCE über dem Stellglied 6 infolge
des Innenwiderstandes des Gleichrichterteiles entsprechend der Regelfunktion abnimmt.
Mit Hilfe des Widerstandes 24 wurde dabei der Einsatzpunkt des Schutztransistors
23 auf den Wert R"IR" N,n" = 0,75 eingestellt. Bei Unterschreiten
dieses Wertes, also stärkerer Überlastung, sinken Ausgangsspannung und Ausgangsstrom
infolge der erfindungsgemäßen Umschaltung auf eine entgegengesetzte Regelfunktion
ab, während der Spannungsabfall UCE über dem Stellglied 6 infolge seines
wachsenden Widerstandes zunimmt. Die Verlustleistung steigt bis zur maximal zulässigen
Verlustleistung des Transistors 6 an und liegt
damit etwa
50 1/o über der, die beim Nennwert des Lastwiderstandes RaNenn auftritt.
Diese maximale Transistorbelastung tritt bei R" = 0,58 R",V,n" auf.
Bei weiter sinkendem Lastwiderstand geht die Transistorbelastung dann wieder zurück,
da der Strom stärker abfällt als die Spannung über dem Stellglied zunimmt. Durch
Verändern des Widerstandes 22 kann man der Leistungskurve auch noch einen flacheren
Verlauf geben. Zu beachten ist, daß die vorliegenden Kurven für den ungünstigsten
Fall hinsichtlich der Verlustleistung im Stellglied 6, nämlich bei 1011/o
überspannung, gemessen wurden. Sie entsprechen also durchaus einer zweckmäßigen
Einstellung der Widerstände 22 und 24.
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Häufig ist wegen der hohen Verlustleistung im Stellglied
6 ein Transistor nicht ausreichend. Es werden dann zwei oder mehrere Transistoren
parallel geschaltet. Die erfindungsgemäße Schutzschaltung kann dann so ausgebildet
werden, daß sie beim Ausfall eines der parallelgeschalteten Transistoren die arbeitsfähig
gebliebenen vor überlastung schützt.
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In F i g. 3 ist als Beispiel die Parallelschaltung von zwei
Transistoren 6 a; 6 b gezeigt. Gemäß der Erfindung wird
dann jedem Transistor ein Zwischenwiderstand 24 a; 24 b und ein Widerstand
25 a; 25 b zugeordnet. Der Widerstand 26 ist beiden
gemeinsam. Fällt z. B. bei dieser Schaltung mit zwei Transistoren im Stellglied
der Transistor 6 b aus, so fließt der ganze Strom durch den Transistor
6 a und den Widerstand 24 a. über den Widerstand 24 a fällt die doppelte
Spannung ab, so daß die Basis des Schutztransistors 23 sehr negativ wird
und dieser öffnet. Die normale Regelschaltung wird schon bei Belastungen unterhalb
der Nennlast außer Betrieb gesetzt und der Strom durch den Transistor 6a begrenzt,
so daß einer thermischen überlastung vorgebeugt wird. Der eingetretene Ausfall wird
sofort erkennbar und kann keinen weiteren Schaden anrichten.
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Beim Verschwinden der überlastung kehrt die Schaltung augenblicklich
in den normalen Regelbereich zurück, da nunmehr der Spannungsabfall über dem Widerstand
24 auf einen Wert sinkt, der die Basisspannung des Schutztransistors 23 gegenüber
der Emitterspannung positiv werden läßt, so daß der Schutztransistor sperrt und
keinen zusätzlichen Strom durch den Widerstand 22 zieht. Damit setzt aber die normale
Regelfunktion wieder ein, bei der die Basis des als Stellglied dienenden Transistors
6 durch den Transistor 14 angesteuert wird.