DE1191897B - Spannungsregler mit einer Vorrichtung veraenderlicher Impedanz - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H 02 j

G05f

Deutsche KL: 21c-67/70

Nummer: 1191897

Aktenzeichen: S 65446 VIII b/21 c

Anmeldetag: 15. Oktober 1959

Auslegetag: 29. April 1965

Die Erfindung betrifft Spannungsregler, die eine Vorrichtung mit veränderlicher Impedanz enthalten, welche zwischen den Eingangsklemmen zum Anschluß einer Gleichspannungsquelle und den Ausgangsklemmen zum Anschluß eines Verbrauchers angeordnet ist und eine Regeleinrichtung aufweist, die von der Spannung an den Ausgangsklemmen abhängt und dem Regelanschluß der veränderlichen Impedanz eine Regelspannung zuführt, so daß der Impedanzwert derart verändert wird, daß die Spannung an den Ausgangsklemmen innerhalb gegebener Grenzen konstant bleibt.

Derartige Regler werden dazu benutzt, um z. B. die Spannung zu regeln, die einem geglätteten, mit verschiedenen Spannungen gespeisten Gleichrichter ¹S entnommen und als geregelte Spannung an Verbraucher mit verschiedenartigen Belastungen abgegeben wird. Die Vorrichtung mit veränderlicher Impedanz kann z. B. aus einer Elektronenröhre, einem Transistor oder einer anderen Vorrichtung bestehen, deren Gleichstromwiderstand stetig innerhalb eines Bereiches dadurch geregelt werden kann, daß eine Regelspannung einen verhältnismäßig kleinen Strom an einen Regelanschluß der Vorrichtung abgibt.

Es ist ein Ziel der Erfindung, einen verbesserten Spannungsregler dieser Art zu schaffen, bei dem die in der Vorrichtung mit der veränderlichen Impedanz in Wärme umgesetzte Leistung möglichst klein ist. Hierdurch kann ein Spannungsregler gegebener Nennleistung mit einer Vorrichtung veränderlicher Impedanz kleinerer Leistung hergestellt werden.

Gemäß der Erfindung enthält der Spannungsregler eine weitere Vorrichtung veränderlicher Impedanz, die durch einen Widerstand überbrückt ist, zwischen einer der Eingangsklemmen und der ersten Vorrichtung veränderlicher Impedanz, wobei eine Bezugsspannungsquelle zwischen einer Anschlußklemme des Ausgangs und dem Regelanschluß der zweiten Vorrichtung veränderlicher Impedanz angeschlossen ist.

Ein Teil der im Spannungsregler in Wärme umgesetzten Leistung wird in dem Widerstand umgesetzt, so daß die in der ersten Vorrichtung veränderlicher Impedanz umgesetzte Leistung vermindert wird. Die Leistung wird dadurch noch weiter herabgesetzt, daß in der zweiten Einrichtung mit veränderlicher Impedanz ein Teil der Leistung in Wärme verwandelt wird, so daß ein Spannungsregler gegebener Nennleistung mit Vorrichtungen veränderlicher Impedanz gebaut werden kann, die für eine kleinere Leistung ausgelegt sind.

Im folgenden wird zuerst ein Beispiel eines bekannten Spannungsreglers und dann eine Ausführungsform gemäß der Erfindung beschrieben.

Spannungsregler mit einer Vorrichtung
veränderlicher Impedanz

Anmelder:

The Solartron Electronic Group Limited,

Thames Ditton, Surrey (Großbritannien)

Vertreter:

Dr.-Ing W. Reichel, Patentanwalt,

Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13

Als Erfinder benannt:
Dermot Joseph Collins,
Guildford, Surrey (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 16. Oktober 1958 (33 106)

Fig. 1 ist ein Schaltbild eines bekannten Reglers;

F i g. 2 ist ein Schaltbild eines Reglers gemäß der Erfindung, und

F i g. 3 ist eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Erfindung.

Es sei bemerkt, daß an Stelle der einzelnen Transistoren der beschriebenen Ausführungen auch Gruppen von parallelgeschalteten Transistoren verwendet werden können, deren gleiche Elektroden miteinander verbunden sind.

Bei den bekannten Reglern ist eine Gleichspannungsquelle 12, z. B. ein geglätteter Gleichrichter, der über einen Transformator an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen ist, mit den beiden Klemmen 10 und 12 verbunden. Die beiden Ausgangsleitungen sind über Klemmen 13 und 14 an einen mit Widerstand behafteten Verbraucher 15 angeschlossen. Die Ausgangsklemme 13 ist direkt mit der Eingangsklemme 10 verbunden. Die Ausgangsklemme 14 ist geerdet und liegt an dem Emitter eines PNP-Transistors 16, dessen Kollektor mit der zweiten Eingangsklemme verbunden ist. Ein Regler 17 liegt zwischen der Ausgangsklemme 13 und der Basis des Transistors 16 und kann das Potential der Basis derart verändern, daß das Potential der Ausgangsklemme 13 im wesentlichen konstant gehalten wird. Der Regler 17 besteht z. B. aus einem Spannungsverstärker, der eine Ausgangsspannung liefert, die von der Differenz zwischen dem Potential der Ausgangsklemme 13 und einem Bezugspotential abhängt.

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Wenn der maximale Strom, den der Regler liefern soll, gleich / ist und wenn die Spannung Em, die an dem Transistor abfallen soll, bei einer gegebenen Spannungsquelle zwischen den Werten E_max und E_mi_n schwankt, muß der Transistor in der Lage sein, mindestens eine Leistung IE_max umzusetzen.

Bei ähnlichen Bedingungen muß der Spannungsregler der F i g. 2 gemäß der Erfindung die gleiche Gesamtleistung IE_max in Wärme umsetzen können. Das Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich von der bekannten Anordnung dadurch, daß ein zweiter PNP-Transistor 18 in Reihe mit dem ersten Transistor 16 liegt und daß sein Kollektor mit der Eingangsklemme 11 und sein Emitter mit dem Kollektor des ersten Transistors 16 verbunden ist. Ein Widerstand 19 mit dem Widerstandswert R liegt zwischen dem Emitter und dem Kollektor des Transistors 18. Die Basis des Transistors 18 ist mit der Ausgangsklemme 14 über eine Spannungsquelle 20 mit einer Bezugsspannung Er₆S verbunden. Diese Spannungsquelle kann z. B. eine Zenerdiode sein, die von einem Gleichstromhilfsanschluß gespeist wird.

Die gesamte Spannung an den beiden Transistoien Em' nimmt den Wert E_max an, wenn die maximale Leistung in Wärme umgesetzt wird. Die Spannung an dem Transistor 16 sei El. Die Spannung an dem Transistor 18 und dem Widerstand 19 ist daher gleich Em-El. Die Spannung Ebb zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 18 ist gleich ERef—EL, und man kann es so einrichten, daß Ebb klein gegenüber El ist, so daß El etwa konstant ist. Man kann es ferner durch geeignete Wahl von Es_e/ und R einrichten, daß der Transistor 18 gesperrt wird, wenn Em den Wert Emax annimmt, so daß der ganze Strom dann durch den Widerstand 19 fließt.

Der Strom in dem Transistor 18 ist gleich

- El

so daß die in dem Transistor umgesetzte Leistung gleich

I-

Em - El

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ist. Es läßt sich zeigen, daß ein Maximalwert von J* · -j- auftritt, wenn

(Em' - El) =

IR

So

ist. Die in dem ersten Transistor umgesetzte Leistung beträgt ElI und ist annähernd konstant. Die in den Transistoren umgesetzte Gesamtleistung ist daher

Ein numerisches Beispiel zeigt die Vorteile, die gemäß der Erfindung erzielt werden können. Wenn man annimmt, daß der Regler 10 Ampere liefern soll und daß der Spannungsabfall an dem Regler zwischen 3 und 20VoIt schwankt, dann beträgt die maximale in Wärme umzusetzende Leistung IE_max des Reglers 10-20 Watt = 200 Watt. Bei dem bekannten Regler muß diese Leistung von dem Transistor 16 aufgenommen werden. Die Kurve A in F i g. 3 zeigt die Leistung in Abhängigkeit von der Spannung Em für die Schaltung nach Fig. 1. Die Kurve nimmt linear von dem Wert 200 Watt bei E_M = 20 Volt auf 30 Watt bei E_M = 3 Volt ab.

Bei der Ausführung gemäß der Erfindung können die Werte E_L = E_Ref = 3 Volt und R = IJ Ohm benutzt werden. Aus den obigen Gleichungen ergibt sich, daß die von den beiden Transistoren umgesetzte maximale Leistung auftritt, wenn Em = 5 Volt ist und daß sie 72,5 Watt beträgt (wenn Em = 3 Volt oder = 20 Volt ist, dann beträgt die gesamte in den Transistoren umgesetzte Leistung 30 Watt). Die Kurve B der F i g. 3 zeigt die in den beiden Transistoren verarbeitete Leistung in Abhängigkeit von Em.

Der Regler gemäß der Erfindung kann daher die gleichen Ergebnisse wie der bekannte Regler liefern, wobei die maximale Transistorleistung auf einen Wert von etwa 37 % des Wertes vermindert ist, der bei den bekannten Reglern vorliegt.

Die gesamte in einem der Transistoren umgesetzte Leistung beträgt 42,5 Watt und die größte Spannung an einem der Transistoren 17 Volt. Es ist daher möglich, Transistoren kleinerer Leistung und mit niedrigerer Kollektorspannung zu verwenden. Natürlich muß in beiden Reglern die gleiche Gesamtleistung in Wärme umgesetzt werden, jedoch wird gemäß der Erfindung der größte Teil der Leistung in dem Widerstand umgesetzt, wenn die Gesamtleistung groß ist. In F i g. 3 ergibt die Differenz zwischen den Kurven A und B die von dem Widerstand umgesetzte Leistung bei jedem Wert von Em.

Da von dem Widerstand eine beträchtliche Leistung aufgenommen wird, können weniger teuere Transistoren oder Kombinationen von Transistoren verwendet werden. Ein Regler der bekannten Ausführung kann bis zu zwanzig Transistoren in Parallelschaltung benötigen, um die genügende Leistungsabgabe zu erhalten. Ein derartiger Regler kann durch einen Regler gemäß der Erfindung ersetzt werden, der nur acht Transistoren der gleichen Ausführung enthält. Es ist klar, daß eine beträchtliche Kostensenkung hierdurch erreicht wird, da die Kosten des Widerstandes und der anderen zusätzlichen Schaltelemente beim Ausführungsbeispiel der Erfindung im Vergleich mit der Einsparung durch die Verringerung der Zahl der Transistoren vernachlässigbar ist. Ein weiterer Vorteil ist der, daß die Kühlanordnung für die Transistoren einfacher ausgeführt werden kann, da die umzusetzende Gesamtleistung der Transistoren gemäß der Erfindung wesentlich vermindert wird.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Spannungsregler mit einer Vorrichtung veränderlicher Impedanz, die zwischen Eingangsklemmen zum Anschluß einer Gleichspannungsquelle und Ausgangsklemmen zum Anschluß eines Verbrauchers liegt und Regeleinrichtungen enthält, die auf die Spannung an den Ausgangsklemmen ansprechen und eine Regelspannung einem Regelanschluß der Vorrichtung mit einer veränderlichen Impedanz zuführt, so daß die Impedanz derart verändert wird, daß die Spannung an den Ausgangsklemmen innerhalb bestimmter Grenzen konstant bleibt, gekennzeichnet durch eine weitere Vorrichtung (18) mit veränderlicher Impedanz, die zwischen der Eingangsklemme (11) und der ersten Vorrichtung (16) mit veränderlicher Impedanz liegt und von einem Widerstand (19) überbrückt ist, und durch eine Bezugsspannungs-

quelle (20), die zwischen einer Ausgangsklemme (14) und dem Regelanschluß der weiteren veränderlichen Impedanzvorrichtung (18) liegt.

2. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mit der veränderlichen Impedanz aus Transistoren (16 bzw. 18) besteht, von denen der erste (16) mit seinem Emitter an die eine Ausgangsklemme (14) und mit seinem Kollektor an den Emitter des zweiten Transistors (18) angeschlossen ist, während der zweite Transistor (18) mit seinem Kollektor an der einen Eingangsklemme (11) und der Widerstand (19) zwischen dem Emitter und dem Kollektor liegt, wobei die Bezugsspannungsquelle (20) zwischen der Ausgangsklemme (14) und der Basis des zweiten Transistors (18) angeschlossen ist und die Regelvorrichtung (17) zwischen der anderen Ausgangsklemme (13) und der Basis des ersten Transistors (16) liegt.

3. Spannungsregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu einem oder beiden Transistoren ein oder mehrere Transistoren parallel geschaltet sind.

4. Spannungsregler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannungsquelle (20) eine Zenerdiode ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 012 994;
Proc. IRE, 40/11 (1952), S. 1490ff.; 32 (1954), S. 416; Electronic Engineering (1954), Oktober, S. 429;
NTZ (1957), S. 198.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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