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Schaltung zur elektronischen Regelung von Spannungen Die Erfindung
betrifft eine Schaltung zur elektronischen Regelung von Spannungen unter Verwendung
von steuerbaren Halbleiterbauelementen. In dieser Schaltung soll zum Schutze der
Halbleiterbauelemente eine elektronische Sicherung vorgesehen sein. Derartige Schaltungen
sind bekannt. Man verwendet z. B. zur Konstanthaltung einer Verbraucherspannung
häufig Transistoren. Diese Transistoren werden in Serie zum Verbraucherstromkreis
geschaltet und oft als »Längstransistoren« bezeichnet. Zur Ausregelung von durch
Netzspannungsschwankungen hervorgerufenen Spannungsschwankungen der Quelle und zur
Ausregelung von Belastungsänderungen, die durch die Verbraucher verursacht sind,
werden diese Längstransistoren so gesteuert, daß die am Verbraucher liegende Spannung
möglichst konstant gehalten wird. Die Regelung wird meist durch Spannungsvergleich
unter Verwendung eines Spannungsnormals (z. B. Zenerdiode oder Batterieelement)
abgeleitet und über einen Regelverstärker der Basis der Längstransistoren zugeführt.
Die Längstransistoren müssen in ihrer möglichen Leistungsaufnahme so dimensioniert
werden, daß sie bei der maximal auftretenden Differenz zwischen der Spannung der
Quelle und der Spannung, die am Verbraucher liegen soll, den maximal zulässigen
Betriebsstrom des Verbrauchers aushalten können. Tritt nun eine plötzliche überlastung
auf, z. B. ein Kurzschluß an den Verbraucherklemmen, so werden die Längstransistoren
leistungsmäßig überlastet. Eine Absicherung mit Hilfe von Schmelzsicherungen oder
magnetischen Anordnungen ist im allgemeinen nicht möglich, weil die thermische Zeitkonstante
der Transistorsperrschicht so gering ist, daß diese Transistorsperrschicht längst
thermisch zerstört ist, bevor z. B. eine Schmelzsicherung anspricht. Aus diesem
Grunde baut man in die meisten derart geregelten Stromversorgungsgeräte mit Transistoren
eine sogenannte »elektronische« Sicherung ein, die meist aus einer mittels kleiner
Transistoren aufgebauten Kippschaltung (z. B. Multivibrator) besteht, die im Falle
zu großen Stromes den Längstransistor sperrt. Für diese Sperrung lassen sich Schaltzeiten
erreichen, die wesentlich unter der thermischen Zeitkonstante der Leistungstransistoren
liegen und so diese Transistoren vor überlastung und Zerstörung schützen. Während
der Sperrung liegt bei kurzgeschlossenen Verbraucherklemmen natürlich die gesamte
Eingangsspannung am Längstransistor.
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Dagegen ist die an dem Längstransistor auftretende Spannung im Betriebsfall
gewöhnlich maximal 30% der Eingangsspannung. Sie hängt von der Belastung, einer
eventuellen Quellenüberspannung und der Restwelligkeit der Eingangsspannung ab.
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Die F i g. 1 zeigt im Prinzip die oben erläuterte Schaltung. Mit L
ist der zur Regelung benutzte Transistor, mit R die Schaltung zur Erzeugung der
Regelspannung sowie der Regelverstärker bezeichnet. Die zu regelnde Spannung U1
liegt an den Klemmen 1,1'; die geregelte Spannung U2 kann an den Klemmen 2, 2' abgenommen
werden. Mit S ist das Schaltungsteil zur Erzeugung der Sperrspannung für den Transistor
L bei zu großem Strom J bezeichnet. Wie bereits erwähnt, kann man hier eine Kippschaltung
verwenden.
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Um zu verhindern, daß am Transistor L bei Kurzschluß am Verbraucher
ein Spannungsdurchschlag auftritt, muß die Sperrspannung des Transistors L größer
sein, als die maximal mögliche Leerlaufspannung am Eingang (Ui ..x). Für Leistungstransistoren
sind nun in der geschilderten Anwendung zwei Grenzwerte wesentlich, und zwar einmal
die maximale Verlustleistung PC und zum anderen die bereits erwähnte Sperrspannung
UCE. Während des Betriebs ist die Verlustleistung PC maßgebend. Bei sehr großer
Stromentnahme kann man an Stelle eines Transistors L in der F i g. 1 auch mehrere
Transistoren parallel schalten und somit dafür sorgen, daß die einzelnen Transistoren
nicht überlastet werden.
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Nun werden von den Transistorherstellern Leistungstransistoren angeboten,
die bei gleicher Verlustleistung Pc sehr unterschiedliche Sperrspannungen UCE aufweisen.
Der Preis derartiger Transistoren hängt stark von der angegebenen Sperrspannung
ab, und zwar ist er bei zwar gleicher Verlustleistung der zu vergleichenden Transistoren,
aber bei hoher Sperrspannung weitaus höher als bei niedriger Sperr-
Spannung.
Im oben erläuterten Anwendungsbeispiel der Leistungstransistoren ist man somit gezwungen,
einen oder eventuell mehrere relativ teuere Transistoren zu verwenden.
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Zweck der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu vermeiden und die Schaltung
zur Regelung einer Spannung zu verbilligen. Hierzu wird in Reihe zu dem oder den
für die Regelung benutzten Halbleiterbauelementen) in an sich bekannter Weise ein
weiteres Halbleiterbauelement eingeschaltet. Gekennzeichnet ist die Erfindung dadurch,
daß die für die Regelung vorgesehenen Halbleiterbauelemente nur sehr geringe Sperrspannung
aufweisen, daß dagegen das für die Sperrung vorgesehene Halbleiterbauelement eine
vergleichsweise hohe Sperrspannung aufweist, jedoch für wesentlich niedrigere Leistung
ausgelegt ist und daß es mit den für die elektronische Sicherung notwendigen, an
sich bekannten Schaltteilen derart verbunden ist, daß dieses Halbleiterbauelement
bei einem für die zur Regelung verwendeten Halbleiterbauelement zu großem Strom
gesperrt wird.
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Es sei noch erwähnt, daß es bei einer speziellen Schaltung zum Schutz
von Transistoren gegen Überspannungen bekannt ist, in Reihe mit dem zu schützenden
Transistor eine Diode zu legen, die durch die an ihr abfallende Spannung bewirkt,
daß der Transistor mit geringer Leistungsaufnahme arbeitet. Diese Diode hat gegenüber
dem gemäß der Erfindung in Reihe geschalteten und in bestimmter Weise dimensionierten
Halbleiterbauelement eine andere Aufgabe und ist somit notwendigerweise anders dimensioniert
(deutsche Auslegeschrift 1097 539).
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Weiterhin war es am Anmeldetag bekannt, mit Hilfe von zusätzlichen
Halbleiterbauelementen, die im Kurzschlußfalt an dem Regeltransistor auftretende
Spannung bis zum Ansprechen der Schmelzsicherung zu begrenzen. Auch hier hat das
zusätzliche Halbleiterbauelement eine andere Aufgabe und ist auch in anderer Weise
eingeschaltet (deutsche Auslegeschrift 1120 565).
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Schließlich ist auch noch eine Regelschaltung bekannt, bei der ebenfalls
zu dem Regeltransistor ein weiterer Transistor in Reihe geschaltet ist. Dieser zusätzliche
Transistor wird bei der bekannten Anordnung jedoch in erster Linie zur Begrenzung
des Kurzschlußstromes ausgenutzt und erst in zweiter Linie wird durch ihn bei länger
dauerndem Kurzschlußstrom eine Abschaltung bewirkt. Auf Grund dieser gegenüber der
Aufgabe des zusätzlichen, bei der Erfindung benutzten Transistors verschiedenen
Aufgabe muß der Strombegrenzungstransistor bei der bekannten Anordnung neben einer
hohen Sperrspannung auch eine große Verlustleistung aufweisen. Ein solcher Transistor
ist jedoch, wie bereits erwähnt, teuer. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe
besteht gerade darin, derartige Transistoren zu vermeiden (deutsche Auslegeschrift
1084 820).
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltung ist es nicht mehr notwendig, einen
oder mehrere Leistungstransistoren zu verwenden, die sowohl eine hohe Sperrspannung
aufweisen und deshalb teuer sind. Der gemäß der Erfindung zugeschaltete Transistor
mit hoher Sperrspannung kann im Betriebsfall mit seiner Restspannung betrieben werden.
Deshalb ist auch bei großen Betriebsströmen, die aus Leistungsgründen die Parallelschaltung
von mehreren Transistoren für die Regelung erfordern, nur ein einziger Transistor
für die Sperrung notwendig. Wird die Regelung durch einen einzigen Transistor bewirkt,
so kann der für die Sperrung benutzte Transistor eine bedeutend kleinere Verlustleistung
aufweisen.
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In der F i g. 2 der Zeichnung ist die erfindungsgemäße Schaltung im
Prinzip dargestellt. Der Regeltransistor ist hier mit L2 und das Schaltungsteil
zur Erzeugung der Regelspannung wiederum mit R bezeichnet. Die Eingangsspannung
ist auch hier U1 und die geregelte Spannung U2. Das Schaltkriterium aus dem Glied
S bei zu großer Stromentnahme wird aber hier einem Transistor L1 zugeführt, der
im Betriebsfall mit seiner Restspannung betrieben wird und eine Sperrspannung aufweist,
die die Eingangsspannung U1 übersteigt. Da dieser Transistor gegenüber dem Transistor
L2 eine weit kleinere Verlustleistung aufweisen muß, ist er klein und billig. Aber
auch der Preis für den Transistor L2 ist nunmehr wegen der geringen Anforderungen
bezüglich der Sperrspannung bedeutend erniedrigt.
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Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Schaltung dort, wo
mehrere Leistungstransistoren aus Leistungsgründen parallel geschaltet werden müssen.
Eine derartige Anordnung ist in F i g. 3 dargestellt. Auch hier genügt für die Sperrung
ein Transistor L1, da dieser Transistor im Betriebsfall immer bei seiner Restspannung
betrieben wird. Die Einsparung ist hier noch wesentlich größer, da eine Verbilligung
an mehreren Transistoren L2 auftritt.
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Die oben beschriebene elektronische Sicherung dient dem Zweck, die
im Stromversorgungsgerät verwendeten Transistoren vor den Folgen eines äußeren Kurzschlusses
zu schützen. Umgekehrt kann es in manchen Anwendungsfällen zweckmäßig sein, den
Verbraucher vor einer Überspannung zu schützen, falls an dem Längstransistor L2
(F i g. 2) oder an einem der parallel geschalteten Längstransistoren L2 (F i g.
3) ein Kollektor-Emitter-Schluß auftreten sollte.
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Auch hier kann man mit der erfindungsgemäßen Schaltung Abhilfe schaffen,
indem man die elektronische Sicherung zusätzlich noch durch die Spannung UL an dem
bzw. den Längstransistor(en) L2 steuert. Sinkt diese Spannung UL unter einem Minimalwert,
der nur bei einem Durchbruch erreicht werden kann, so spricht die elektronische
Sicherung S an und der Transistor L1 wird gesperrt. Die entsprechende Schaltung
its in F i g. 4 dargestellt.