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Anordnung zum Stabilisieren von Gleichspannungen Die Erfindung betrifft
eine Anordnung zum Stabilisieren von Gleichspannungen mit einer Zenerdiode als Bezugselement.
Diese Anordnung enthält einen im Längszweig zwischen der Speisespannungsquelle und
dem Arbeitswiderstand angeordneten Transistor, der durch die Spannung an der Zenerdiode
ausgesteuert wird, und einen zweiten Transistor von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp,
der den Strom durch die Zenerdiode steuert.
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Stabilisierungsschaltungen mit Zenerdioden sind an sich bekannt; so
ist es geläufig, eine Zenerdiode mit einem Vorwiderstand zu betreiben und die stabilisierte
Spannung an der Zenerdiode abzunehmen. Diese Schaltung ist insofern unvollkommen,
als sich sowohl bei schwankender Speisespannung als auch bei schwankender Belastung
der Strom durch die Zenerdiode ändert und damit auch die Ausgangsspannung, da die
Spannung an der Zenerdiode von dem sie durchfließenden Strom abhängt.
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Dem Stand der Technik gehören feiner Stabilisierungsschaltungen an,
in denen der oben beschrieben6n Anordnung ein Transistor nachgeschaltet ist, an
dessen Emitter die Ausgangsspannung abgenommen wird. Als Vorteil wird dadurch erzielt,
daß der Zenerstrom nicht mehr in so starkem Maße belastungsabhängig ist; der Einfluß
der Speisespannungsschwankungen bleibt jedoch nach wie vor bestehen.
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Zur Stromkonstanthaltung sind verschiedene Schaltungen bekannt, die
im allgemeinen zwei Transistoren enthalten, von denen der eine den Aussteuerungsgrad
des anderen in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom herauf- oder herunterregelt. Um den
temperaturabhängigen Innenwiderstand solcher Schaltungen zu kompensieren, ist es
geläufig, an geeigneter Stelle Dioden einzusetzen, die etwa das gleiche Temperaturverhalten
aufweisen wie die Transistoren. Zur Spannungsstabilisierung lassen sich derartige
Schaltungen nicht verwenden, da sie wohl den Ausgangsstroin, nicht aber die jeweilige
Ausgangsspannung beeinflussen können.
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Indessen ist es möglich, die Maßnahmen zur Stromkonstanthaltung in
einer Schaltung zur Spannungsstabilisierung dafür zu benutzen, den Strom durch das
Bezugselement für die Ausgangsspannung einigermaßen konstant zu halten. Eine bekannte
Anordnung zur Gleichspannungsstabilisierung enthält in diesem Sinne einen ersten
Transistor im Längszweig zwischen der Speisespannungsquelle und der Klemme für die
Ausgangsspannung, einen zweiten Transistor gleichen Leitfähigkeitstyps, dessen Kollektor
mit der Basis des ersten Transistors und dessen Basis mit einem Spannungsteiler
parallel zu den Ausgangsklemmen verbunden ist, während sein Emitter über eine Zenerdiode
am Bezugspotential liegt, und einen dritten Transistor entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps,
dessen Basis an einem Spannungsteiler parallel zu einer zweiten Zenerdiode angeschlossen
ist, die ihrerseits parallel zur Speisespannungsquelle liegt, und dessen Kollektor
mit der Basis des ersten sowie dem Kollektor des zweiten Transistors verbunden ist,
während sein Emitter über einen Widerstand an dem Pol der Speisespannung, an den
auch der Kollektor des ersten Transistors führt, liegt.
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In dieser Anordnung dient der dritte Transistor im Verein mit der
zweiten Zenerdiode und den zugehörigen Widerständen als Konstantstromgenerator mit
den in die Basis des ersten Transistors und über die Kollektor-Emitter-Strecke des
zweiten Transistors in die erste Zenerdiode fließenden Strom. Der zweite Transistor
hat die Aufgabe, belastungsabhängige Schwankungen der Zenerspannung aufzufangen,
die sich ohne diesen Transistor daraus ergeben würden, daß bei stärkerer Belastung
der Bedarf an Basisstrom für den Längstransistor steigen und folglich der für die
Zenerdiode verbleibende Stromanteil geringer würde. Um solches zu verhindern, regelt
der zweite Transistor den Aussteuerungsgrad des Längstransistors entsprechend derBelastung
herauf oder herunter. Allerdings muß, damit die Regelung in der beschriebenen Weise
vor sich gehen kann, am Basisspannungsteiler dieses Transistors ein Spannungsabfall
von mindestens 2 bis 3 Volt auftreten, weil sonst der Regeltransistor schon
bei geringfügigen Spannungsänderungen in die Begrenzung gesteuert wird. Mit dieser
Forderung ist die untere Grenze für die Ausgangsspannung auf etwa 9 Volt
festgelegt,
da man Zenerdioden nur bis zu etwa 6 Volt Zenerspannung heruntet einsetzen
kann, während die handelsüblichen Dioden kleinerer Zenerspannung kaum mehr einen
Knick in der Kennlinie zeigen und daher für Stabilisierungsschaltungen dieser Art
nicht geeignet sind. '
Im allgemeinen eerwendet man die beschriebene Anordnung
für Speisespannungen von über 20 Volt und Ausgangsspännüngen -unf 2b Volt,
- weil in diesem Arbeitsbereich ihr, Innenwiders,tand noch verhältnismäßig
niedrig ist. Für kleinere Speise- und Ausgangsspannungen wird der Innenwiderstand
der Schaltung jedoch zwangläufig größer, da die entsprechenden Zenerdioden einen
höheren dynamischen Widerstand aufweisen und auch die Widerstände des Konstantstromgenerators
stärker bemerkbar werden.
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,jderstand ruft abor seinerseits eine Der höhere Inne4w, Belastungsabhängigkeit
der Ausgangsspannung hervor, die nicht vom zweiten Transistor kompensiert wird.
Folglich erreicht man mit dieser Schaltung trotz des Aufwands von drei Transistoren,
zwei Zenerdioden und zwei Spannungsteilern mit erheblichem Stromverbrauch noch immer
keine belastungsunabhängige Stabilisierung von Spannungen unter 10 Volt,
alsci-Igerade der üblichen Batteriespannungen.
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Die Erfindung gibt einen andergn Weg zur Spannungsstabilisierung an,
der die Nachteile der oben besc hriebenen bekannten Anordnungen überwindet und mit
geringer#mAufwand die Möglichkeit schafft, auch kleine Spannungen, von etwa
5 bis 6Volt an, so zu stabilisieren, daß sie weder von der Speisespannung
noch von der Belastung abhängig sind. Die Speisespannung braucht dabei nur um Bruchteile
eines Volts höher zu sein als die Durchbruchspannung der Zenerdiode, und der Innenwiderstand
der Schaltung läßt sich beliebig klein machen, so daß man den Innenwiderstand Null
bzw. bei geeigneter Dünensionierun .g. sogar ' einen negativen Innenwiderstand
erreicht. Die.Anordnung derErfindung arbeitet mit einem im Längszweig zwischen der
Speisespannungsquelle und dem Arbeitswiderstand angeordneten Transistor, der durch
die Spannung an einer Zenerdiode ausaesteuert wird, und einem zweiten Transistor
von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp, der den Strom durch die Zenerdiode steuert,
und ist dadurch gekennzeichnet, daß der den Zenerstrom steuernde Transistor seinerseits
von einer Spannung ausgesteuert wird, die über einen zusätzlichen Widerstand im
Längszweig direkt aus dem Strom im Längszweig abgeleitet wird und die von Schwankungen
der Speisespanriung unabhängig ist, während sie bei erhöhter Belastung ihr Potential
derart verändert, daß dadurch einem Absinken der Spannung an der Zenerdiode und
damit am Arbeitswiderstand entgegengewirkt wird.
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Zenerdioden sind temperatarabhängig, und zwar ist ihr Temperaturkoeffizient
bei kleinen Zenerspannungen (etwa 5 Volt und kleiner) im allgemeinen negativ
und bei größeren Zenerspannungen (etwa 6 Volt und größer.) positiv. Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht daher vor, daß zur Kompensation der
Temperaturabhängigkeit der Zenerdiode als Emitterwiderstand des den Zenerstroin
steuernden - Transistors ein Widerstand mit einem dem Temperaturgang der
Zenerdiode gleichsinnigen Temperaturgang oder als zusätzlicher Widerstand im Längszweig
ein Widerstand mit einem dem Temperaturgano, der Zenerdiode gegensinnigenTemperaturgang
eingesetzt ist.
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Im folgenden wird der Gegenstand der Erfindung an Hand der Figur näher
erläutert.
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Die beiden Transistoren 4 und 5 sind mit ihren Basis- und Kollektorelektroden
kreuzweise direkt miteinander verbunden, so daß ihre Kollektor-Basis-Spannungen
dem Betrag nach immer gleich, der Polarität nach immer entgegengesetzt sind. Da
es sich um Transistoren verschiedenen Leitfähigkeitstyps handelt - Transistor
4 ist ein npn-Transistor, Transistor 5 ein pnp-Transistor -, wird auf diese
Weise erreicht, daß sich beide Transistoren stets im gleichen Arbeitsbereich befinden:
Entweder sind beide gesperrt, beide im aktiven Gebiet oder beide übersteuert.
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Wenn die Speisespannung kleiner als die Zenerspannung ist, ist die
Zenerdiode so hochohmig, daß durch diese praktisch kein Strom fließt. Als stabiler
Zustand stellt sich für beide Transistoren der übersteuerungszustand ein. Wenn nämlich
Transistor 4 übersteuert ist, liegt über den Widerstand 2 und die Kollektor-Emitter-Strecke
von Transistor 4 der negative Pol der Speisespannung an der Basis von Transistor
5, der dadurch übersteuert ist. An der Basis von Transistor 4 stellt sich
infolgedessen eine aus der Spannungsteilung zwischen den Widerständen
3 und 7
resultierende Spannung ein. Diese ist bedeutend positiver als
die Spannung am Emitter desselben Transistors, da der Emitter über den Widerstand
2 mit dem negativen Pol der Spannungsquelle verbunden ist. Transistor 4 ist also
auch übersteuert. Damit führen beide Transistoren den bei den jeweiligen Spannungsverhältnissen
maximal möglichen Strom. Für jeden Wert der Speisespannung ergibt sich eine andere
Spannungsteilung zwischen dem Arbeitswiderstand 7 und der Schaltung aus den
Widerständen 2 und 3 und den Transistoren 4 und 5, da diese Schaltung
einen mit wachsender Spannung (wegen der immer stärkeren Aussteuerung der
Transistoren) kleiner werdenden Vorwiderstand darstellt. Sein Minimum erreicht der
Vorwiderstand, wenn die Speisespannung gerade so groß ist wie die Zenerspannung;
er entspricht dann etwa der Parallelschaltung der Widerstände 2 und 3.
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Sobald die Speisespannung die Zenerspannung gering überschreitet und
ein Strom durch die Zenerdiode zu fließen beginnt, ändern sich die Verhältnisse
sprunghaft. Die Spannung an der Basis des Transistors 5 kann nicht über den
Wert der Zenerspannung hinaus steigen, wohl aber kann die Spannung an seinem Emitter
weiter zunehmen. Dadurch wird der Transistor 5 aus dem übersteuerten in den
aktiven Bereich gebracht, und dasselbe geschieht mit dem Transistor 4, da
- wie eingangs erwähnt wurde -
die Kollektor-Basis-Spannungen der beiden
Transistoren wegen der kreuzweisen Kopplung gleichen Betrag und umgekehrtes Vorzeichen
aufweisen. Wenn die Transistoren im aktiven Gebiet arbeiten, wird der Widerstand
der aus den Transistoren und den Widerständen 2 und 3 gebildeten Schaltung
wieder größer. Für die Stabilisierung kleiner Spannungen ist dieses Verhalten insofern
wichtig, als trotz des im allgemeinen nicht sehr scharfen Zenerknickes von Dioden
niedriger Zenerspannungswerte wegen des sprunghaften übergangs vom übersteuerungs-
in das aktive Gebiet ein sehr scharfer Knick in der am Widerstand 7 abgenommenen
Ausgangsspannung auftritt.
Bei weiterem Anwachsen der Speisespannung
bleiben die Transistoren im aktiven Bereich. Bei beiden Transistoren liegt an der
Basis eine konstante Spannung, und zwar bei Transistor 5 die Zenerspannung,
bei Transistor 4 der konstante Spannungsabfall am Widerstand 3. Infolgedessen
werden auch die Spannungen an den Emitterwiderständen 2 und 7
konstant gehalten,
und in die Zenerdiode fließt der konstante Emitterstrom von Transistor 4. Der Zenerstrom
und die Zenerspannung bleiben solcherart selbst von starken Schwankungen der Speisespannung
unbeeinflußt. Von besonderer Bedeutung ist dieser Zusammenhang für die stark stromabhängigen
Zenerspannungen von Dioden mit kleinen Zenerspannungen; außerdem läßt sich dadurch
der Stromverbrauch der Anordnung klein halten.
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Bei Erhöhung der Belastung durch Verkleinern des Arbeitswiderstandes
7 wächst der Ausgangsstrom und erzeugt einen höheren Spannungsabfall am Widerstand
3. Dadurch steigt auch der Spannungsabfall am Widerstand 2 und der Strom
durch die Zenerdiode, was hinwieder eine Erhöhung der Zenerspannung zur Folge hat.
Diese Wirkung ist aber gerade vorteilhaft, weil die Ausgangsspannung bei höherer
Belastung normalerweise etwas zurückgeht. In der Praxis sind daher die Belastungsschwankungen
äußerst gering. Beispielsweise zeigte eine Stabilisierungsanordnung, die für eine
Zenerspannung von 6 Volt und einen Zenerstrom von 1 mA ausgelegt wurde
und bei der das Verhältnis von Basiswiderstand 3 zu Arbeitswiderstand
7 zu etwa 0,05 gewählt wurde, bei Schwankungen des Ausgangsstroms
zwischen 5 und 20 mA unter 1 % liegende Schwankungen der Ausgangsspannung.
Änderungen der Speisespannung im Bereich von 6,3 bis 15 Volt und mehr
ergaben Schwankungen der Ausgangsspannung von weniger als 0,5%.
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Über das hier beschriebene Beispiel hinaus umfaßt der Erfindungsgedanke
selbstverständlich technisch äquivalente Lösungen.