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Spannungs- und stromgeregeltes Stromversorgungsgerät Die Erfindung
bezieht sich auf ein Stromversorgungsgerät mit Spannungs- und Stromregelung.
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Gegenstand der Erfindung ist es, ein Stromerzeugungsgerät so zu steuern,
daß es über einen weiten Bereich der Belastung eine konstante Spannung oder einen
konstanten Strom abgibt und oberhalb der maximalen Nennleistung gegen überlastung
geschützt wird. Vorzugsweise soll es das Gerät auch ermög-Echen, den maximalen Strom
bei verminderter Spannung aufrechtzuerhalten. Weiter soll die Verwendung von Röhren,
die eine Anheizzeit für den Heizfaden benötigen und -einen niedrigen Wirkungsgrad
haben, vermieden und die Verwendung der relativ billigen p-n-p-Transistoren ermöglicht
werden. Die Anzahl der benötigten Transistoren ist verhältnismäßig klein.
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Es ist bereits bekannt, bei Stromversorgungsgeräten eine Spannungsregelung
in der Weise durchzuführen, daß die Eingangsspannung einer Widerstandsbrücke zugeführt
wird, in der ein Widerstand durch eine Zenerdiode gebildet wird und deren Diagonale
durch den Emitter-Basis-Kreis eines Transistors gebildet wird. Der Kollektorstrom
des Transistors steuert hierbei die öffnungszeiten von zwei Relais, von denen jedes
während einer Halbperiode des Eingangswechselstroms geschlossen ist.
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Weiter ist es bekannt, eine Spannungsregelung in Gleichstromkreisen
in der oben beschriebenen Weise mit einer Widerstandsbrücke mit Zenerdiode und einem
Transistor in der Diagonale in der Weise durchzuführen, daß vom Kollektor dieses
Transistors das Basispotential eines zweiten Transistors beeinflußt wird, dessen
Emitter-Kollektor-Strecke im Laststromkreis liegt.
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Bei der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung werden jedoch gleichzeitig
eine Spannungsregelung und eine Stromregelung erzielt, verbunden mit einem Überlastungssehutz.
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Das spannungs- und stromgeregelte Stromversorgungsgerät gemäß der
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine an sich bekannte spannungsempfindliche
Brückenschaltung mit einer in einem Brückenzweig angeordneten Zenerdiode vorgesehen
ist, an deren eine Diagonale eine Gleichstromquelle über eine strornempfindliche
Brückenschaltung angeschlossen ist und an deren andere Diagonale der Basis-Emitter-Stromkreis
eines ersten Transistors angeschlossen ist, daß der Transistorsausgang zur Steuerung
von Stellgliedern dient, durch welche die Ausgangsleistung der Gleichstromquelle
konstant gehalten wird, daß weiter die der spannungsempfindlichen Brücke vorgeschaltete
stromempfindliche Brückenschaltung einen zweiten Transistor enthält, dessen Basis-Emitter-Stromkreis
an eine Brückendiagonale angeschlossen ist, und daß die Werte der Brückenglieder
so gewählt sind, daß der zweite, Transistor eine Vorspannung unterhalb der
Ab-
bruchspannung erhält> bis ein vorgegebener Strom erreicht ist und daß
die Ausgangsleistung des zweiten Transistors die, spannungsempfindliche Brücke so
aus dem Gleichgewicht bringt, daß der Strom irn Lastkreis geregelt wird.
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Zwei nebeneinanderliegende Brückenzweige der spannungsempfindlichen
Brücke können gleichzeitig Teile der stromempfindlichen Brücke bilden, durch deren
einen Brückenzweig der Laststrom fließt. Die Ausgangsimpedanz des zweiten Transistors
kann an einen anderen Zweig der stromempfindlichen Brücke angeschlossen sein, so
daß Änderungen seiner Ausgangsimpedanz den effektiven Wert eines Brückenzweiges
der spannungsempfindlichen Brücke verändern.
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Die Erfindung soll an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden.
In F i g. 1 und 2 ist eine spannungsregelnde bzw. eine stromregelnde Brückenschaltung
zur Erläuterung der Erfindung dargestellt; F i g. 3 zeigt die Schaltung eines
spannungs- und stromgeregelten Stromversorgungsgerätes gemäß der Erfindung, und
in F i g. 4 ist die Aüsgangsspannung eines Gerätes ,nach, F i
g. 3 in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom graphisch,_dargestellt.
F
i g. 1 zeigt eine spannungsregelnde Schaltung, bei der eine mit
1 bezeichnete Brückenschaltili#g zur Steuerung des Transistors TrI verwendet
wird, welcher wieder die an der Brücke liegende Gleich-Spannung Ei unter Verwendung
bekannter Mittel steuert, beispielsweise mit einer vormag-netisierten Drosselspule
oder mittels eines. durch einen Motor bewegten Abgriffes an einem Transformator
-oder einem Potentiometer. Diese Mittel sind hier durch die InduktivitätL1 dargestellt,
welche die Steuerwicklung der vormagnetisierten Drosselspule oder die Feldwicklung
eines Motors sein kann In den meisten Fällen ist an den Eingangsanschlüssen
eine Transformator-Gleichrichte.r-Anordnung angeschlossen, jedoch ist die Erfindung
nicht auf die Verwendung einer bestimmten Stromquelle oder auf bestimmte. Mittel
zur Änderung der Ausgangsleistung beschränkt. Die Brückenschaltung hat Brückenzweige
mit den WiderständenR1, R2 und R3 und ein-er ZenerdiodeZn im vierten Brückenzweig.
Die Diode Zn wird in Sperrichtung im Bereich der Abbruch-Spannung betrieben, wo
Änderungen des die Diode durchfließenden Stromes nur vernachlässigbar kleine Schwankungen
des Spannungsabfalls an der Diode hervorgerufen,- so daß sie eine ziemlich konstante
Bezugsspannung liefert. Andererseits ändert sich die Spannung am WiderstandR2 direkt
mit der Eingangsspannung Ei. Die Widerstandswerte sind so bemessen, daß in dem Falle,
wo die gewünschte g regelte Spannung Eo an der Brücke liegt, die ge Spannung
am Widerstand R 2 etwa gleich der Spannung an Züi ist. Wenn die SpannungEi unter
den vorgegebenen WertEo zu fallen droht,. wird der Punkt4 der Brücke bezüglich Punkt3
negativ, wo-.durch der durch die Steuerwicklung LI fließende Kollektorstrom des
Transistors Trl ansteigt. Der durch Ll fließende Strom bringt die EingangsspannungEi
mit Hilfe von SteUmitteln wieder auf den
vorgegebenen Wert Eo. Vorzugsweise
wird ein Verstärker zwischen dem Transitorausgang und Ll eingeschaltet. Die Ausgangsspannung
Eo kann auf diese Weise in einem weiten Bereich verschiedener Bedingungen innerhalb
enger Grenzen geregelt werden, wobei die Regelgenauigkeit von der Ausgestaltung
von Ll abhängt.
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F i g. 2 zeigt eine stromregelnde Schaltung, bei der eine mit
2 bezeichnete stromempfindliche. Bräckenschaltung verwendet wird. Die Brücke besteht
aus einem Widerstand R 5, durch den der Ausgangsstrom Io fließt, und
den drei weiteren Widerständen R6, R7 und R8. Im Betriebe ist der Spannungsabfall
an R 5 proportional Ei, während die Spannung an R 5
proportional dem Ausgangsstrom. Io ist. Die Widerstandswerte 'sind so bemessen,
daß bei dem gewünschten konstanten Strom Io 1 der Spannungsabfall an
R 5 etwa gleich ist dem Spannungsabfaff an R7. Jeder Anstieg von Io
über diesen Wert Iol bewirkt daß die Spannung am Widerstand R 5 ansteigt,
wodurch der Punkt 6 negativ bezüglich des Punktes 5 wird. Dadurch
fließt ein ansteigender Kollektorstrom des Transistors Tr 2 durch L 2. Die Induktivität
bzw. Steuerwicklung L 2 bewirkt ein Ab-
sinken von Ei und somit eine Rückkehr
von Io auf den normalen Wert.
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Wenn Ei absinkt, wird die Spannung an R7 vermindert, wodurch
der Punkt 5 -positiver als Punkt 6
wird, wobei durch den Transistor
Tr2 zwischen den Punkten 5 und 6 ein größerer Strom fließt. Dieser
zusäizliche-Strom hat die Tendenz, den zur Betätigung des Transistors T2 erforderlichen
Strom zu kompensieren. Der Grad der Kompensation kann durch Einstellen des Wertes
von R7 verändert werden und diese hige'nschaf# ka»nn dazu be'nutzt Werden, die Ansprechempfindlichkeit
der stromemp*-findlichen Brücke einzustellen. Auf diese Weise kann der Neigungswinkel
der Kurve für den geregelten Strom nach Wun:sch positiv oder negativ eingestellt
werden. Io kann so innerhalb enger Grenzen über einen weiten Belastungsbereich geregelt
werden. Die Regelgenauigkeit ist in hohem Maße unabhängig von der Verstärkung von
Tr2 und hängt von den relativen Werten der Spannung ab, -die an den WiderständenR5
und R7 auftritt, sowie von der Ansprechempfindlichkeit von L2.
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Ein Spannungs- und Stromregelkreis gemäß der Erfmdung ist'in F i
g. 3 dargestellt. Diese Schaltung. besteht gewissermaßen aus einer spannungsregelnden
Brücke 10 nach F i g. 1 und einer stromregelnden Brucke
11, ähnlich wie in F i g. 2. Der Kollektor von Tr2 ist hierbei
direkt am Punkt 7 angeschlossen: Wenn man die Schaltung von einem etwas anderen
Standpunkt aus betrachtet, kann sie als Spannungsregler des Typs von F i
g. 1 angesehen werden, bei dem der Brückenzweig R 3 von F i
g. 1 durch die I-Entereinanderschaltung von R 3, R
8 und R 7 in !F i g. 3 ersetzt ist und R 1 nach F i
g. 1 durch die Hintereinanderschaltung von R 1, R
6 und R 5 in F i g. 3 ersetzt ist. R 5
ist in der gleichen Weise ein-C ,gefügt wie in F i g. 2, und der Stromweg
Basis-Kol-3 C
lektor des Transistors Tr2 liegt parallel zum Widerstand R6,
um dessen effektiven Spannungsabfall zu verändern. ,
Die Wirkungsweise der
Schaltung von F i g. 3 soll an Hand von F i g. 4 erläutert werden.
Wenn det Belastungsstrom geringer ist als der überlaststromi d. h., wenn
er zwischen a und b nach F i g. 4 lieg4-ist der am Widerstand
R 5 auftretende Spannungsabfall nicht groß genug, um Punkt
6 negativ gegenüber Punkt 5 zu machen, so daß die Vorspannung von
Tr2 unter der Abbruchspannung liegt und nur eine geringe Wirkung auf die Spannungsteilerschaltung
R6, Rl, R2 ausübt, welche die spannungsregelnde Brücke 10 steuert.
Trl arbeitet also, wie im Zusammenhang mit F i g. 1 beschrieben, mit der
Ausnahme, daß die Brücke 10 auch den Spannungsabfall an R5 bei steigendem
Strom dadurch kompensiert, daß die Eingangspannung Ei erhöht wird, so daß Eo konstant
bleibt.
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Nachdem Punkt b (F i g. 4) erreicht ist, wird der Spannungsabfall
an R5 größer als der an R7, so daß Punkt 6 negativ bezüglich Punkt
5 wird. Es beginnt daher ein Kollektorstrom des Transistors Tr2 durch R
1 und R 2 zu fließen. Der Transistor Tr 2 wird so weit beeinflußt, bis der
volle Kollektorstrom fließt, so daß sich ein zum Widerstand R 6 paralleler
Stromweg ergibt. Das Potential am Punkt 4 steigt daher an, die Brücke
10 ist nicht im Gleichgewicht, und der im Kollektorkreis von Trl fließende
Strom wird vermindert oder hört ganz auf zu fließen. Daher wird die. Spannung Ei
vermindert. Die Ausgangs-spannung Eo wird nun durch Io gesteuert, und die
Anordnuno, wirkt als Konstantstromquelle, bis Punkt c (F i g. 4) erreicht
ist wo der volle Kollektorstrom von Tr2 fließt und so R6 kurzgeschlossen wird. Der
TransistorTr2 hat keinen wesentlichen Einfluß, wenn der Strom Io über den Wert Io
1 bei c
ansteigt und danach die spannungsregelnde Brücke
10 die Ausgangsspannung auf einem neuen, niedrigeren Wert Eo 2 hält.
F i g. 4 zeigt, daß der Strom auf einem Teil von b-c von F i g. 4
konstant gehalten wird. Jedoch kann die Neigung dieses Teiles durch geeignete Auswahl
des Wertes von R 7 so geändert werden, daß sie entweder positiv oder negativ
ist, was durch die gestrichelten Linien b-cl und b-c2 angedeutet ist. Jede Änderung
von R7 bedingt jedoch eine Änderung von R 5.
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Der Wert von Eo beträgt beispielsweise 50 Volt, R
5 hat den Wert von 1/2 Ohm, R 6 und R 1 haben
je 2000 Ohm, R 8 und R 3 haben je etwa 500 Ohm,
R 7 hat etwa 20 Ohm und R 2 1000 Ohm. Der Spannungsabfall an der Zenerdiode
beträgt beispielsweise etwa 10 Volt.
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Der in F i g. 4 benutzte Maßstab betont die gemäß der Erfindung
erhaltene konstante Spannung. Die Spannung wird auf einem vorgegebenen Wert gehalten,
bis ein Grenzstrom Io 1 erreicht ist, wonach er durch den steigenden Strom
bei einem neuen, niedrigeren Wert Eo 2 konstant gehalten wird. In diesem Falle wirkt
der Strom spannungsvermindernd.
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Durch geeignete Wahl der Werte der Schaltungselemente kann jedoch
eine Kennlinie mit anderer relativer Amplitude erhalten werden, bei der a-b von
F i g. 4 verkürzt und b-c verlängert ist, wobei angenomTnen wird, daß immer
der gleiche Maßstab benutzt wird. Eine Anordnung mit einer solchen Kennlinie kann
am besten als Stromquelle mit konstantem Strom betrachtet werden, welche den Laststrom
trotz ansteigender Lastimpedanz konstant hält, bis die Spannung an der Last einen
Grenzwert erreicht, wonach durch jeden weiteren Anstieg der Lastimpedanz der Strom
vermindert wird, während die Spannung an der Last konstant bleibt (Teil a-b von
F i g. 4), d. h., die Spannung kann einen kritischen Wert nicht überschreiten.
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Die vorgebenen Werte für Eo 1, Io 1 und Eo 2
können durch Änderung oder mehrerer Schaltungselementd eingestellt werden, wobei
manche mehr als einen Wert gleichzeitig beeinflussen. Beispielsweise kann die Ausgangsspannung
Eo 1 verändert werden durch Änderung von R 1, R 2, R
6 oder Zn oder mehrerer dieser Werte. Wenn sich die Änderung auf
R 6 beschränkt, können die anderen Variablen zum Einstellen anderer
Bedingungen verwendet werden. Vorzugsweise wird die Einstellung folgendermaßen vorgenommen:
Eo 1 wird eingestellt durch Änderung von R 2, Eo 2 wird eingestellt durch
Änderung von R 1,
Io 1 wird eingestellt durch Änderung von
R 5.
Die Steigung (b-c) wird eingestellt durch Änderung von R
7, wonach R 5 abgestimmt wird.
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Der Temperaturgradient der geregelten Spannung Eo kann von negativ
über Null nach positiv geändert werden durch Auswahl von Zn, R
1 oder R 2 mit geeignetem Temperaturverlauf. Der Temperaturgradient des geregelten
Stromes kann von negativ über Null nach positiv geändert werden, indem für einen
oder beide Widerstände R5 und R6 temperaturabhängige Widerstände genommen
werden.
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Aus den bisherigen Ausführungen kann entnommen werden, daß der beschriebene
Regler folgende Vorteile hat: Der Regler geht automatisch von Konstantspannungsregelung
auf Konstantstromregelung über oder umgekehrt, wo der Regler einen konstanten Strom
bei einem vorgegebenen Überlaststrom oder einer Überspannung liefert.
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Die Spannungsregelung kann auf jede Spannung im Bereich vom Spannungsabfall
an der Zenerdiode Zn bis zur maximalen Ausgangsspannung durch geeignete Wahl der
Brückenwiderstände eingestellt werden. Die Stromregelung kann in ähnlicher Weise
beliebig innerhalb der Grenzen eingestellt werden, die durch den maximal zulässigen
Spannungsabfall am Transistor Tr2 gegeben sind. Der Temperaturgradient der Stromregelung
kann negativ, Null oder positiv sein. Der Stromregelkreis kann Transistoren mit
sehr verschiedenem Verstärkungsfaktor angepaßt werden. Die Toleranz der Spannungs-
und Stromregelung ist ein konstanter Prozentsatz bei allen Einstellungen.