DE1227988B - Anordnung zum Stabilisieren von Gleichspannungen - Google Patents

Anordnung zum Stabilisieren von Gleichspannungen

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DE1227988B
DE1227988B DEV23326A DEV0023326A DE1227988B DE 1227988 B DE1227988 B DE 1227988B DE V23326 A DEV23326 A DE V23326A DE V0023326 A DEV0023326 A DE V0023326A DE 1227988 B DE1227988 B DE 1227988B
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transistor
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DEV23326A
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Dipl-Phys E Brueckner
Dr Phil Habil Oskar Vierling
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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
    • G05F3/02Regulating voltage or current
    • G05F3/08Regulating voltage or current wherein the variable is dc
    • G05F3/10Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • G05F3/16Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/18Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using Zener diodes

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Continuous-Control Power Sources That Use Transistors (AREA)
  • Control Of Electrical Variables (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ,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.
  • 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.
  • 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.
  • Im folgenden wird der Gegenstand der Erfindung an Hand der Figur näher erläutert.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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%.
  • Über das hier beschriebene Beispiel hinaus umfaßt der Erfindungsgedanke selbstverständlich technisch äquivalente Lösungen.

Claims (2)

  1. Patentansprüche: 1. Anordnung zum Stabilisieren von Gleichspannungen mit einem im Längszweig zwischen der Speisespannungsquelle und dem Arbeitswiderstand angeordneten Transistor, der durch die Spannung an einer Zenerdiode ausgesteuert wird, und einem zweiten Transistor von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp, der den Strom durch die Zenerdiode steuert, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß der den Zenerstrom steuernde Transistor (4) seinerseits von einer Spannung ausgesteuert wird, die über einen zusätzlichen Widerstand (3) im Längszweig direkt aus dem Strom im Längszweig abgeleitet wird und die von Schwankungen der Speisespannung (1) unabhängig ist, während sie bei erhöhter Belastung ihr Potential derart verändert, daß dadurch einem Absinken der Spannung an der Zenerdiode (6) und damit am Arbeitswiderstand (7) entgegengewirkt wird.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Zenerdiode (6) als Emitterwiderstand (2) des den Zenerstrom steuernden Transistors (4) ein Widerstand mit einem dem Temperaturgang der Zenerdiode gleichsinnigen Temperaturgang oder als zusätzlicher Widerstand (3) im Längszweig ein Widerstand mit einem dem Temperaturgang der Zenerdiode gegensinnigen Temperaturgang eingesetzt ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1109 746, 1112 141; britische Patentschriften Nr. 819 627, 834 367; USA.-Patentschriften Nr. 2 841757, 2 978 630, 3 022 457; R. B. Hurlay, »Junction Transistor«, Verlag Sohn Wiley & Sons, New York (1958), S. 224; »Elektronik« (1961), 4, S. 109 bis 115.
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