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Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer stabilisierten Gleichspannung
aus einer Wechselspannung Gegenstand der Erfindung ist eine Schaltungsanordnung
zur Erzeugung einer stabilisierten Gleichspannung aus einer Wechselspannung unter
Verwendung einer in Reihe mit einem ohmschen Widerstand parallel zum Verbraucher
geschalteten Zenerdiode.
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Es ist an sich bekannt, zum Stabilisieren schwankender Gleichspannungen
Zenerdioden zu verwenden. Bekannte Anordnungen dieser Art enthalten Kettenschaltungen
von Spannungsteilern und ohmschen Widerständen. Sie besitzen den Nachteil, daß auch
bei mehrgliedrigen Ketten die Ausgangsspannung von der Eingangsspannung abhängig
ist. Ferner besteht eine Abhängigkeit der Temperaturkompensation der Ausgangsspannung
von der Eingangsspannung. Auch sind die in den ohmschen Widerständen auftretenden
Stromwärmeverluste im Vergleich zu der an den Verbraucher abgegebenen Leistung groß.
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Diese Nachteile werden bei einer Schaltungsanordnung zur Erzeugung
einer stabilisierten Gleichspannung aus einer Wechselspannung der eingangs beschriebenen
Art dadurch vermieden, daß erfindungsgemäß die zu stabilisierende Spannung über
eine Transformatorwicklung und eine Gleichrichteranordnung dem ohmschen Widerstand
sowie im entgegengesetztenSinne übereine weitereTransformatorwicklung und eine weitere
Gleichrichteranordnung unter Einschaltung einer Induktivität vor der weiteren Gleichriehteranordnung
der Zenerdiode zugeführt wird.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung macht also von den auf dem
Verlauf der Kennlinie der Zenerdiode, insbesondere dem geradlinigen Bereich, beruhenden
Vorteilen der Zenerdiode Gebrauch und vermeidet zusätzliche Stromwärmeverluste an
für den Stabilisierungseffekt der Zenerdiode erforderlichen Widerständen dadurch,
daß die Vorwiderstände durch den Innenwiderstand der Gleichrichterelemente sowie
der Vorwiderstand der Zenerdiode durch eine wechselstromseitig eingeschaltete Induktivität
gebildet werden.
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Die prinzipielle Wirkungsweise der Anordnung ist aus F i g. 1 ersichtlich.
Den Klemmen K wird die zu stabilisierende Spannung U, zugeführt, die, da diese Figur
lediglich den Stabilisierungseffekt der Schaltung erläutern soll, bereits gleichgerichtet
sein möge. Aus dieser Spannung soll die am Verbraucher Ra liegende stabilisierte
Spannung U" gewonnen werden. Man erkennt, daß die Spannung U, sowohl an der Reihenschaltung
der Zenerdiode Z und ihrem Vorwiderstand R1 als auch an der Reihenschaltung der
Widerstände R,, und R2 liegt, und zwar im entgegengesetzten Sinne. Bei Schwankungen
der Spannung U, wirkt einem etwaigen Spannungsanstieg an der Zenerdiode Z jeweils
die dann ebenfalls steigende Spannung an den Widerständen R2 und Rh entgegen, so
daß die Spannung Ua von der Eingangsspannung U, bei entsprechender Bemessung der
Widerstände R," R1 und R2 unabhängig ist. Es läßt sich nämlich ableiten, daß für
die Spannung U, am Verbraucher Ra folgende Beziehung gilt:
Oberhalb des Knicks in der Kennlinie ;gilt für die Zenerspannung Uz = r Jz
-i_' Uz o ,
wobei in erster Näherung zu setzen ist r=Y-(1+o-dT),
(3)
Uzo - azu - (1 -I- E -,i T). (4)
In diesen Gleichungen
haben die bisher noch nicht erläuterten Größen folgende Bedeutung: 1, = Zenerstrom,
r = !dynamischer Widerstand der Zenerdiode, Uzo = extrapolierter Spannungswert,
der sich aus der geradlinigen Verlängerung der Kennlinie nach oben im
Uz J,- Kennlinienfeld für den Stromwert 1z = 0 ergibt, "r = dynamischer Widerstand
der Zenerdiode bei einer bestimmten Bezugstemperatur, z. B. bei Raumtemperatur,
=
ein nie Änderung des dynamischen Widerstandes bei einer Temperaturänderung von 1°
C angebender Faktor, T = Temperatur in ° C, VZo = extrapolierter Spannungswert bei
einer bestimmten Bezugstemperatur, z. B. bei Raumtemperatur, a = ein die Änderung
des extrapolierten Spannungswertes bei einer Temperaturänderung von 1° C angebender
Faktor.
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Typische Kennlinien von Zenerdioden sind in der F i g. 4 gezeigt,
in der die mit N" bezeichneten Kurven die maximale Verlustleistung der Zenerdioden
bei Kühlung mit (240 mW) und ohne (120 mW) Kühlblech darstellen.
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Somit wird
Man erkennt: Für
wird U" unabhängig von 1Z und somit auch von Ue. Diese Eigenschaft ist unabhängig
von R"" so daß der resultierende Temperaturgang der Schaltung in diesem Zweig unabhängig
von U, kompensiert werden kann.
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Eine derartige nichtlineare Brückenschaltung unter Verwendung einer
Glühlampe als nichtlinearen Gliedes ist an sich bdkannt. Ferner sind ähnliche Brückenschaltungen
mit mehreren nichtlinearen Gliedern, wie Gleichrichtern, Glimmlampen oder Glühlampen,
bereits beschrieben worden. Die Erfindung befaßt sich aber mit einer Schaltungsanordnung
zur Erzielung einer stabilisierten Gleichspannung aus einer. Wechselspannung, die
den für diese Zwecke günstigen Verlauf der Kennlinien einer Zenerdiode mit ihrem
linearen Bereich ausnutzt. Außerdem ist in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
der zur Gleichrichtung dienende Teil der Schaltung mit in die eigentliche zur Stabilisierung
dienende Brückenschaltung einbezogen. Ferner ist der Vorwiderstand der Zenerdiode
durch eine wechselstromseitige Induktivität ersetzt.
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Es ist ferner bekannt, an einen Transformator die. Reihenschaltung
einer Zenerdiode und eines Kondensators zu legen. Dabei dient die Zenerdiode während
der einen Halbwelle der den Transformator speisenden Wechselspannung zur Gleichrichtung
und während der anderen Halbwelle zur Stabilisierung der Gleichspannung. Der grundsätzliche
Nachteil dieser Anordnung ist darin zu sehen, daß sie nur eine Einweggleichrichtung
vorzunehmen gestattet.
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Nach obigem grundsätzlichem Schema arbeitet die in F i g. 2 dargestellte
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Man erkennt, däß besondere
ohmsche Vorwiderstände dadurch vermieden sind, daß wechselstromseitig vor die Gleichrichteranordnung
G1 eine Induktivität in Form der Drossel D eingeschaltet ist. Die zu stabilisierende
Spannung wird im entgegengesetzten Sinne über je eine Wicklung (W1, W2) des Transformators
T den Gleichrichteranordnungen G1, G2 zugeführt, die ihrerseits die Zenerdiode Z
bzw. den ohmschen Widerstand Rk mit der gleichgerichteten Spannung speisen.
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Die Drossel D kann, wie F i g. 3 zeigt, eingespart werden, wenn man
den Transformator T so bemißt, daß seine Streuinduktivität gerade den für die der
Zenerdiode wechselstromseitig vorzuschaltende Induktivität erforderlichen Wert besitzt.
Dann ist eine Schaltungsanordnung geschaffen, bei der nicht nur die Stromwärmeverluste,
die bei dem üblicherweise als ohmschen Widerstand ausgelegten, für den Stabilisierungseffekt
der Zenerdiode erforderlichen Vorwiderstand auftreten, vermieden sind, sondern außerdem
ein zusätzliches Schaltelement für den Vorwiderstand überflüssig ist.
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Es ist einzusehen, daß dieser Ersatz der Drossel in F i g. 2 durch
die Streuinduktivität des geeignet bemessenen Transformators T auch teilweise erfolgen
kann, so daß also dann dem Gleichrichter G1 eine kleinere Induktivität als im Falle
der F i g. 2 vorgeschaltet ist.