DE1226158B - Regelschaltung fuer das Ein- und Ausschalten einer Impedanz - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H03f

Deutsche Kl.: 21 a2-18/08

Nummer: 1226158

Aktenzeichen: N 25641 VIII a/21 a2

Anmeldetag: 5. Oktober 1964

Auslegetag: 6. Oktober 1966

Die Erfindung betrifft eine Regelschaltung für das Ein- und Ausschalten einer Impedanz, die im Kollektorkreis wenigstens eines Transistors liegt, z. B. die Erregerwicklung eines Relais, der einen Widerstand im Emitterzweig aufweist.

Dabei soll das Ein- und Ausschalten einer Impedanz im Kollektorzweig eines Transistors unabhängig von Änderungen der Speisespannung und/oder von Änderungen der Umgebungstemperatur gemacht werden.

Eine solche Schaltungsanordnung zum Erregen oder Nichterregen eines Relais in Abhängigkeit vom Verhältnis zwischen einer an der Basisetektrode des Transistors angelegten Eingangsspannung und einer an dessen Emitter angelegten Bezugsspannung ist durch die deutsche Patentschrift 1 106 999 bekanntgeworden. Sie wurde dazu entwickelt, aus einer einzigen Gleichspannungsquelle mit stark veränderlicher Spannung gespeist werden zu können und dabei als Thermostat oder Temperaturregler unabhängig vom Wert dieser Spannung zu arbeiten. Dies wurde in an sich bekannter Weise durch Verwendung einer Brückenschaltung erreicht, die über eine ihrer Diagonalen aus der Gleichspannungsquelle gespeist wird und an dessen andere Knotenpunkte die Emitter- bzw. die Basiselektrode des Transistors angeschlossen ist, wobei einer der Zweige der Brückenschaltung von einem temperaturempfindlichen Widerstand gebildet wird. Die Schwierigkeit bestand darin, daß eine solche Schaltung wenig empfindlich ist, da der Emitterstrom des Transistors durch einen der Zweige der Brückenschaltung fließt und den Gleichgewichtszustand der Brückenschaltung wiederherzustellen sucht. Nach der erwähnten Patentschrift wird diese Schwierigkeit dadurch vermieden, daß der vom Betriebsstrom des Transistors durchflossene Zweig der Brückenschaltung von einem Widerstand mit fallender Kennlinie gebildet wird, so daß ein infolge einer Zunahme des Transistorbetriebsstromes an diesem Widerstand auftretender zusätzlicher Spannungsabfall im wesentlichen durch die Abnahme seines Widerstandswertes ausgeglichen wird.

Die Erfindung bezweckt, eine einfache und billige Schaltung zum Ein- und Ausschalten einer Impedanz im Kollektorkreis eines Transistors unabhängig von Änderungen der Speisespannung und/oder von der Umgebungstemperatur anzugeben. Diese Schaltung soll überdies geeignet sein, aus einer Speisequelle gespeist zu werden, deren Spannung größer ist als die für den Transistor maximal zulässige Emitter- und/oder Basis-Kollektor-Spannung.

Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung weist das Kennzeichen auf, daß der Transistor aus einer Gleichstromquelle mit hohem Eigenwiderstand ge-Regelschaltung für das Ein- und Ausschalten
einer Impedanz

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,

Eindhoven (Niederlande)

Vertreter:

Dr. H. Scholz, Patentanwalt,

Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Als Erfinder benannt:

Willem Ebbinge, Eindhoven (Niederlande)

Beanspruchte Priorität:

Niederlande vom 7. Oktober 1963 (298 905)

speist wird und daß ein nichtlineares Element mit bei zunehmender Spannung stark abfallendem Widerstandswert parallel zur Reihenschaltung der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors und der Belastungsimpedanz geschaltet ist. Auf diese Weise durchfließt der durch das nichtlineare Element fließende Strom den im Emitterkreis des Transistors liegenden Widerstand.

Unter diesen Verhältnissen ändert sich der Strom durch den Emitterwiderstand nur wenig, je nachdem, ob der Transistor gesperrt oder stromleitend ist. Die Erfindung geht von folgender Überlegung aus: Liegt der Eigenwiderstand der Gleichstromquelle wenigstens um eine Größenordnung höher als der des nichtlinearen Elementes, gemessen im Betriebszustand mit stark leitendem Transistor, so wird der Spannungsabfall am Emitterwiderstand durch die Größe des Emitterstromes praktisch nicht beeinflußt.

Wenn für den Emitterwiderstand ein solcher mit praktisch konstantem Wert gewählt wird, kann dieser Spannungsabfall als Bezugsspannung benutzt werden.

Andererseits wird die Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors in sehr einfacher Weise auf einen zulässigen Wert begrenzt. Sie kann höchstens bei nichtleitendem Transistor gleich der Spannung am nichtlinearen Element werden. An sich ist es allgemein bekannt, die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors mit Hilfe eines nichtlinearen Elementes, wie eines spannungsabhängigen Widerstandes (VDR) oder einer Zenerdiode, vor Überspannungen zu schützen.

In der Schaltung nach der Erfindung erfüllt jedoch ι dieses Element gleichzeitig eine andere Funktion: Zusammen mit dem hohen Eigenwiderstand der

609 669/297

Gleichstromquelle stabilisiert es den Strom durch den Emitterwiderstand und demnach das Emitterpotential des Transistors. Unter anderem infolge des Umstandes, daß die Gleichstromquelle einen hohen Eigenwiderstand haben muß, wird es hierdurch möglich, die Schaltung über einen hohen Widerstand unmittelbar oder über einen einfachen Gleichrichter aus einem Verteilungsnetz mit einer Gleich- oder Wechselspannung von z. B. 220 V zu speisen.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. In

F i g. 1 ist das Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels nach der Erfindung dargestellt; in

F i g. 2 ist das Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels und in

F i g. 3 ist das Schaltbild einer Abart des Ausführungsbeispiels nach F i g. 2 dargestellt.

Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 stellt einen Zeitgeber dar, z. B. für eine Waschmaschine, eine Höhensonne, eine Lichtdruckmaschine, eine Küchenmaschine oder für allgemeine Anwendung als Küchenzeitgeber. Der Zeitgeber wird aus einem Wechselspannungsnetz mit einer Spannung von 220 V gespeist, die mittels eines Einphasen-Gleichrichter» 1 gleichgerichtet wird, der einen Glättungskondensator 3 von z. B. 10 fxF auflädt. Der Gleichrichter 1 mit dem Kondensator 3 und einem Reihenwiderstand 2 von z. B.

4.2 kOhm bildet eine Gleichstromquelle mit einem hohen Eigenwiderstand, die gleichzeitig über einen Druckknopfschalter 4 einen Kondensator 5 von z. B. 100 μΡ aufladen kann. Parallel zum Kondensator 5 liegen ein Spannungsteiler, der aus Widerständen 6 und 7 von z. B. 135 bzw. 220 kOhni besteht, und ein dritter, einstellbarer Widerstand 8 von maximal 2 Megohm und minimal 5 kOhm mit einem Ausschalter 9, durch den die Zeitkonstante des Kreises 5 bis. 9 einstellbar ist. Mit der Anzapfung des Spannungsteilers 6,7 ist die Basiselektrode eines ersten Transistors 10 verbunden. Die Emitterelektrode des Transistors 10 liegt an der positiven Klemme der Gleichstromquelle 1 bis 3 über einen Belastungswiderstand 11 von z. B. 4,7 lcOhm und ist gleichzeitig unmittelbar mit der Basiselektrode eines zweiten Transistors 12 verbunden. Die Emitterelektrode des Transistors 12 liegt an der positiven Klemme der Gleichstromquene 1 bis 3 über einen Polarisationswiderstand 13 von z. B. 250 Ohm, und seine Kollektorelektrode liegt an der negativen Klemme dieser Quelle über die Erregerwicklung 14 mit einem Widerstand von z. B. 1250 Ohm eines Relais. Ein nichtlineares Element 15 mit bei zunehmender Spannung stark abfallendem Widerstandswert liegt parallel zur Reihenschaltung der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 12 und dessen Belastungsimpedanz* die von der Erregerwicklung 14 gebildet wird. Parallel zu diesem nichtlinearen Element 15 hegt ein Spannungsteiler, der aus Widerständen 16 und 17 von z. B.

2.3 kOhm bzw. 750 Ohm besteht, und die Kollektorelektrode des ersten Transistors 10 ist mit der Anzapfung dieses. Spannungsteilers verbunden. Schließlich liegt noch ein Widerstand 18 mit einem negativen Temperaturkoeffizienten von 470 kOhm bei einer Umgebungstemperatur von 25° C parallel zum Widerstand 7.

Im aufgeladenen Zustand des Kondensators 5 wird die Basiselektrode des Transistors 10 gegenüber dessen Emitterelektrode negativ vorgespannt, und ein sehr kleiner Strom dieses Kondensators fließt über die Basis-Emitter.-Strecke des Transistors 10 und dessen Emitterwiderstand 11. Dieser Strom verursacht einen viel größeren Strom durch die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 10, und ein beträchtlicher Teil dieses Stromes fließt über die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 12 und dessen Emitterwiderstand 13. Der Transistor 12 ist daher stromleitend, und sein

ίο Kollektorstrom von z. B. 10 mA fließt durch die Erregerwicklung 14 des Relais und erregt dieses Relais. Unter diesen Verhältnissen und mit den angegebenen Werten fließt ein Strom von etwa 10 mA durch den VDR-Widerstand 15, so daß die Spannung an diesem Widerstand gleich 12,5 V ist. Dementsprechend fließt sofort nach dem Einschalten ein Strom von etwa 10 mA durch den Transistor 12 und die. Erregerwicklung 14, ein Strom von etwa 4,65 mA durch den Widerstand 16 und ein Strom von etwa 2,3 mA durch den Emitter-Kollektor-Kreis des Transistors 10 und den Widerstand 16. Der Spannungsabfall am Emitterwiderstand 13 ist daher nahezu gleich

250 (10 + 10 + 4,65) = 620 mV,

und die Spannung an der Kollektorelektrode des Transistors 10 ist etwa gleich

12,5 — 2,3 · 4,65 + 0,62 = 2,4 V.

Der Kondensators wird mit der Spannung an der Reihenschaltung des VDR-Widerstandes 15 und des Widerstandes 13 aufgeladen, also auf etwa 13 V, und der Transistor 12 bleibt stromleitend, solange die Spannung an den Widerständen 7 und 18, die einen konstanten Teil der Spannung am Kondensator 5 ist, größer bleibt als die Spannung am Widerstand 13 zuzüglich der Schwellenspannungen der Transistoren 10 und 12, d. h. größer als 620 4-130 4- 220 = 990 mV. Wird nun der Schalter 9 betätigt, dann entlädt sich der Kondensator 5 über die Widerstandskombination 6 bis 9 und 18, und bei einem bestimmten Wert semer Spannung kommt der Transistor 12 aus der Sättigung, so daß bei. weiterer Abnahme der Kondensatorspannung sein Kollektorstrom plötzlich abnimmt und der Strom durch die Wicklung 14 unzureichend wird, um das Relais im erregten Zustand zu halten: Das Relais fällt ab. Dabei wird die Abnahme der Kollektorströme der Transistoren 10 und 12 größtenteils durch eine Zunahme des Stromes durch den VDR-Widerstand 15 ausgeglichen, so daß der Spannungsabfall am Widerstand 13 annähernd konstant bleibt. Wenn die Transistoren 10 und 12 schließlieh völlig gesperrt sind, ist der Strom durch den Widerstand 17, bei einer verhältnismäßig kleinen Änderung der Spannung am VDR-Widerstand 15, so viel vergrößert, daß der Strom, durch den VDR-Widerstand nicht mehr als um den Wert des ursprünglichen Stromesdurch die Wicklung 14 anzusteigen braucht. Es stellt sich ein Zustand ein, bei dem die Spannung am VDR-Widerstand 15 infolge einer Zunahme des Stromes durch diesen Widerstand von maximal 10 mA von 12,5 V auf 15 V zugenommen hat. Bei stromleitenden Transistoren ist der Gesamtstrom durch den Widerstand 13 nahezu gleich

220-12,5 V

2 · R₂ (Einweg-Gleichrichtung)

207,5 _ _A ^fl

= 24 mA.

8400 + 250

Bei Zunahme der Spannung am VDR-Widerstand 15

205
auf 15 V wird dieser Strom gleich = 23,7 mA.

öojU

Damit hat der Spannungsabfall am Widerstand 13 um nur -~- = 1,25% von 60OmV auf 593 mV abgenommen. Dieser Spannungsabfall kann daher besonders vorteilhaft als Bezugsspannung benutzt werden.

Bei Änderung der Speisespannung ändern sich die Spannung am Widerstand 13, die Spannung am Kondensator 3 und die Aufladespannung des Kondensators 5 etwa in proportionalem Verhältnis zur Speisespannung. Folglich ändert sich die Schaltzeit des Steuerkreises bei Änderungen der Speisespannung praktisch nicht.

Der Widerstand 18 mit negativem Temperaturkoeffizienten dient dazu, die Zeitperiode, die vergeht, bevor die Steuervorrichtung ausschaltet, in an sich bekannter Weise mehr oder wenig unabhängig von dem sich stark mit der Temperatur ändernden Kollektor-Basis-Leckstrom Icba des Transistors 10 zu wählen. Bei den angegebenen Werten ist die maximale Schaltzeit (A₈,₉ = oo) etwa gleich

2 · RC = 2 ■ 285 000 · 10-* = 57 Sekunden.

Das zweite, in F i g. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel ist die Steuerschaltung für einen Thermostaten und enthält wieder einen Transistor 12 mit einem Emitterwiderstand 13 von z. B. 250 Ohm und die im Kollektorkreis dieses Transistors liegende Erregerwicklung 14 eines Relais. Der Steuerkreis wird wieder aus einem Wechselspannungsnetz von 220 V über einen Einphasengleichrichter 1 und einen mit diesem in Reihe liegenden Widerstand 2 von z. B. 15 kOhm gespeist. Der Gleichrichter 1 lädt unmittelbar einen Glättungskondensator 3 von z. B. 10 [lF auf, so daß die Elemente 1, 2 und 3 zusammen eine Gleichstromquelle mit einer Leerlauf spannung von etwa

]/2 · 220 = 312 V

und mit einem hohen Eigenwiderstand von 15 kOhm bilden.

Ein VDR-Widerstand 15 ist wieder parallel zur Reihenschaltung der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 12 und der Erregerwicklung 14 angeschlossen, und die Basiselektrode des Transistors 12 hegt an der Anzapfung eines parallel zum Kondensator 3 liegenden Spannungsteilers 6, 18. Der Widerstand 6 ist ein fester Widerstand von z. B. 470 kOhm, und der Widerstand 18 ist ein NTC-Widerstand mit einem stark negativen Temperaturkoeffizienten und einem Wert von z. B. 2200 Ohm bei einer Umgebungstemperatur von 25° C.

Der durch die Parallelschaltung des Kollektorkreises des Transistors 12 und des VDR-Widerstandes 15 fließende Strom hot ist gleich

0,4 V, so daß die Wicklung 14 einen Widerstand

312 - V _n
15250

= 19,6 mA.

Davon fließt ein Strom von 10 mA über die Wicklung 14 und ein Strom von 9,6 mA über den VDR-Widerstand 15, so daß der Spannungsabfall an diesem Widerstand gleich 12,3 V ist. Bei gesättigtem Transistor ist seine Emitter-Kollektor-Spannung gleich 0,01

₌ 1200 0hm

haben muß. Der Spannungsabfall am Emitterwiderstand 13 beträgt dann F₁₃ = 250 · I_m = 0,490 V.

Bei einer Umgebungstemperatur von 25° C wird eine Spannung

Vs =

472,2

= 1,45 V

an der Anzapfung des Spannungsteilers 6, 18 erzeugt, die gut ausreicht, um den Transistors 12 in der Sättigung zu betreiben. Dazu muß tatsächlich
Vb > 0,490 V + 0^4 V = 0,890 V und I_B > 0,55 mA sein. Der durch den Widerstand 6 fließende Strom I₆ ist daher

312-0,890 .,. .

= 0,66 mA,

470

3120
L =

und der durch den Widerstand 18 fließende Strom I₁ ist gleich der Differenz I₆ — Ib, und der Transistor 12 wird aus der Sättigung kommen und daher bald sperren, wenn

* (I₆ — Ib min) R₁ ■< VB min

oder

0,505 · R₁ < 0,890 und R₁ < 173OjQ

wird, was geschieht, wenn der NTC-Widerstand 18 auf eine Temperatur von z. B. 33° C gebracht wird.

Bei gesperrtem Transistor 12 fließt ein Strom von

ZJ! ₌ !9,5
250

15250

durch den VDR-Widerstand 15, so daß der Spannungsabfall an diesem Widerstand jetzt 14,8 V beträgt, jedoch hat sich der Strom durch den Widerstand 13 von 19,6 mA auf 19,5 mA um nur 0,1 mA oder 0,5 % geändert.

Ändert sich die Spannung des Netzes, so ändert sich die Gleichspannung am Kondensator 3 und die am NTC-Widerstand 18 nahezu proportional dazu, während der Spannungsabfall am Widerstand 13 sich ungefähr proportional zum Unterschied zwischen der Spannung am Kondensator 3 und der am VDR-Widerstand 15 ändert. Folglich ändert sich die Schalttemperatur auch etwas, wenn auch sehr wenig, mit der Speisespannung. Wie in F i g. 3 dargestellt, kann diese Änderung dadurch im wesentlichen vermieden werden, daß auch der NTC-Widerstand 18 über einen zweiten VDR-Widerstand 19 gespeist wird, der in Reihe mit dem Widerstand 6 liegt. Dabei müssen die Werte des Widerstandes 6 und des NTC-Widerstandes 18 bei der Temperatur von 25⁰C derart geändert werden, daß der Spannungsabfall am VDR-Widerstand 19 etwa gleich dem am VDR-Widerstand 15 ist.

In den Thermostatschaltungen nach den F i g. 2 und 3 kann der NTC-Widerstand 18 mit dem Widerstand 6 oder praktisch besser mit dem Widerstand 13 vertauscht werden, um eine Schaltung zu erzielen, die bei Zunahme der Temperatur des NTC-Widerstandes auf einen bestimmten Wert ziemlich plötzlich einen Erregungsstr om durch die Wicklung 14 fließen läßt. Auch kann man den NTC-Widerstand 18 oder den Widerstand 6 oder besser noch den Widerstand 13 durch

10

einen PTC-Widerstand mit einem stark positiven Temperaturkoeffizienten ersetzen.

Bei den beschriebenen Schaltungen können weiterhin die VDR-Widerstände durch andere nichtlineare Elemente, insbesondere Zener-Dioden, ersetzt werden. Zener-Dioden könnten eine noch bessere Stabilisierung des Stromes durch den Emitterwiderstand 13 herbeiführen, jedoch sind diese nichtlinearen Elemente beträchtlich teurer als VDR-Widerstände.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Regelschaltung für das Ein- und Ausschalten einer Impedanz, die im Kollektorkreis eines Transistors liegt, z. B, die Erregerwicklung eines Relais, der einen Widerstand im Emitterzweig aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (12) aus einer Gleichstromquelle mit hohem Eigenwiderstand gespeist wird und daß ein nichtlineares Element (15) mit bei zunehmender Spannung stark abfallendem Widerstandswert parallel zur Reihenschaltung der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors (12) und der Belastungs-,-. impedanz (14) geschaltet ist.

-. .

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, da-■ durch gekennzeichnet, daß der Eigenwiderstand der Gleichstromquelle wenigstens um eine Größenordnung höher liegt als die des nichtlinearen. EIe-

mentes (15), gemessen im Betriebszustand mit stark leitendem Transistor (12), derart, daß der Spannungsabfall am Emitterwiderstand (13) durch die Größe des Emitterstromes praktisch nicht beeinflußt wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtlineare Element (15) ein VDR-Widerstand ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsabfall am Emitterwiderstand (13) als Bezugsspannung für das Ein- und Ausschalten eines Relais in Abhängigkeit von der an die Basiselektrode des Transistors angelegten Eingangsspannung verwendet wird.

5. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromquelle mit hohem Eigenwiderstand aus einer Gleichspannungsquelle, z. B. einem Gleichspannungsnetz, in Reihe mit einem hohen Widerstand (2) besteht.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsquelle aus einem an ein Wechselspannungsnetz angeschlossenen Gleichrichter (1) besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 1106 999. "

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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