DE1287193B - Schaltungsanordnung zum Konstanthalten einer Gleichspannung oder eines Gleichstromes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Konstanthalten einer Gleichspannung oder eines Gleichstromes mit großer Genauigkeit unter Verwendung einer Regelschaltung mit einem Stelltransistor als regelbarem Serienwiderstand zwischen Eingangsspannung und Verbraucherspannung, wobei von der Differenzspannung zwischen einer konstanten Bezugsspannung und einer der Verbraucherspannung proportionalen Spannung mittels eines Differentialverstärkers eine Regelspannung abgeleitet ist.

Es sind bereits Schaltungsanordnungen zum Konstanthalten einer Gleichspannung bekannt, bei welchen der Gleichstromverbraucher über einen Transistor als regelbaren Widerstand gespeist wird mit einer parallel zur Speisespannungsquelle vorgesehenen Reihenschaltung aus einem ohmschen Widerstand und einer Zenerdiode, deren Verbindungspunkt an die Basis des Transistors oder einen Vorstufentransistor angeschlossen ist. Es sind weiter Schaltungsanordnungen zur Konstanthaltung einer Gleichspannung bekannt, mit einem im Längszweig der Schaltung angeordneten, als Stellwiderstand dienenden Transistor und einem diesen Transistor ansteuernden Differentialverstärker, der seinerseits von der Differenz zwischen einem Teil der Ausgangsspannung der Schaltung und einer konstanten Vergleichsspannung gesteuert wird. Es ist Aufgabe der Erfindung, diese bekannten Schaltungsanordnungen mit Differentialverstärker zum Konstanthalten einer Gleichspannung oder eines Gleichstromes so zu verbessern, daß mit möglichst geringem Aufwand ein Konstanthalter mit sehr großer Genauigkeit geschaffen wird. Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß die von genanntem Differentialverstärker an dessen Ausgangsklemmen abgenommenen symmetrisehen Differenzsignale mittels zweier in Reihe geschalteter komplementärer Transistoren in ein auf einen gemeinsamen Leiter wirkendes unipolares Signal umgewandelt werden, das den zwischen Eingangsspannungsklemmen und Verbraucherspannungsklemmen angeordneten regelnden Stelltransistor mittelbar oder unmittelbar steuert.

Dazu wird eine sehr übersichtliche und wenig aufwendige Schaltungsanordnung für die Signalumwandlung angegeben. Von besonderem Vorteil für die Regelwirksamkeit ist hierbei die volle Ausnutzung der beiderseitigen Differenzsignale am Ausgang des Differentialverstärkers für die Steuerung der die Verbraucherspannung regelnden Transistoren.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Kollektorwiderstände innerhalb jeder Stufe des zweistufigen, gleichstromgekoppelten Differentialverstärkers gleich groß sind, wobei in den einen Kollektorzweig der zweiten Differentialverstärkerstufe zusätzlich eine oder mehrere Dioden eingeschaltet sind.

Der Gegenstand der Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnungen erläutert.

Zum Umwandeln der symmetrischen Differentialausgangsspannung in eine unsymmetrische, festbezogene Ausgangsspannung ist ein Paar komplementärer Transistoren vorgesehen, deren Emitter verbunden und deren Basen durch das Differentialausgangssignal gesteuert werden. Die Kollektoren dieser Transistoren sind an eine entsprechende Auswertschaltung angeschlossen.
Der Strom durch das komplementäre Transistorpaar wird gesteuert durch die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Basen, und gleichphasige Signale, die beiden Basen gleichzeitig zugeführt werden, werden eliminiert und beeinflussen nicht den in den Kollektorkreisen fließenden Strom. Das unsymmetrische Stromsignal kann in beliebiger Weise verwendet werden, z. B. zum Anlegen einer Spannung an einen Ausgangswiderstand oder, wie in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, um den Basisstrom eines in der Ausgangsleitung eines Netzgerätes liegenden Serientransistor zu steuern.

Da der Strom durch das komplementäre Transistorpaar durch die Spannungsdifferenz zwischen den Basen gesteuert wird, erzeugen gleichzeitige und gleiche Änderungen in derselben Richtung an jeder Basis keine Änderungen im Ausgangsstrom. Auf diese Weise bleiben die erwünschten Merkmale des Differentialverstärkers erhalten. Es sei nun die Auswirkung einer Änderung der der Differentialstufe zugeführten Spannung betrachtet. Dies führt dazu, daß beide Ausgangsspannungen sich in derselben Richtung und in gleichen Beträgen verändern. Das Differentialausgangssignal bleibt unverändert, und daher verbleibt die Spannungsdifferenz zwischen den Basen der beiden in Serie geschalteten Transistoren auf der vorherigen Höhe. Dadurch wird sichergestellt, daß keine Änderung in dem Eingangssignal erfolgt ist.

Eine ähnliche Wirkung entsteht, wenn gleichphasige Rauschsignale gleiche Verschiebungen derselben Polarität in der Ausgangsspannung erzeugen. Da das Differentialausgangssignal nicht beeinflußt wird, bleibt der Strom durch das in Serie geschaltete komplementäre Transistorpaar unverändert.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Serienspannungskonstanthalter, bei dem ein Abfühlkreis 2 ein Steuersignal an die veränderbare Impedanz 1 liefert, die in Serie zwischen den Eingangs- und Ausgangsklemmen 3ö bzw. Aa liegt.

Der Abfühlkreis 2 enthält zwei Differentialverstärkerstufen, die die NPN-Transistoren Ql bis QA aufweisen. Die Emitter der Transistoren Q1 und QI sind an einen gemeinsamen Widerstand 5 angeschlossen. Die Kollektorwiderstände 6 und 7 haben denselben Widerstandswert und verbinden die Kollektoren mit der Speisespannung. Die Basis des Transistors Ql ist mit dem Anschlußpunkt der Widerstände 8 und 9 verbunden. Die anderen Enden der Widerstände 8 und 9 sind an die Ausgangsklemmen Aa und Ab angeschlossen. An der Basis des Transistors Q1 liegt also ein bestimmter Teil der Ausgangsspannung an den Klemmen 4α und Ab. Die Änderungen der Basisspannung am Transistor Ql erzeugen eine entsprechende Änderung der Spannung am Kollektor.

An der Basis des Transistors Q 2 liegt eine konstante Spannung, die durch die über den Widerstand 11 erregte Zenerdiode 10 erzeugt wird. Die Transistoren Ql und Ql erzeugen ein Ausgangssignal zwischen den Klemmen 12 und 13, das proportional der Spannungsdifferenz zwischen den zugeordneten Basen ist. Die Widerstände 8 und 9 sind so gewählt, daß sie die Basis des Transistors Q1 auf dieselbe Spannung wie die an der Zenerdiode 10 erzeugte bringen, wenn die Spannung zwischen den Ausgangsklemmen Aa und Ab den gewünschten Wert hat. Wenn die Ausgangsspannung steigt, steigt auch die Spannung an der Basis von Q1, wodurch die Span-

nung am Kollektor des Transistors ßl gesenkt wird. Da die Basis von Ql auf keiner konstanten Spannung gehalten wird, bewirkt der erhöhte Emittersirom von ßl, daß ein geringerer Strom durch den TransistorQ2 und den Widerstand? fließt. Infolgedessen steigt die Ausgangsspannung an Klemme 13. Wenn die Arbeitswiderstände 6 und 7 denselben Wert haben und die Kennlinien der Transistoren Q1 und Ql gleich sind, hat jede Änderung der Spannung an der Basis von Ql gleiche und entgegengesetzte Spannungsänderungen an den Klemmen 12 und 13 zur Folge.

NPN-Transistoren Q3 und β 4 bilden eine zweite Differentialverstärkerstufe. Die Basis des Transistors Q 3 ist an die Klemme 13 und die Basis des Transistors ß4 an die Klemme 12 angeschlossen. Die Emitterelektroden der Transistoren β 3 und β 4 sind gemeinsam an den Widerstand 14 angeschlossen, dessen anderes Ende mit den Klemmen 3 b und 4 b verbunden ist. Ein Arbeitswiderstand 15 verbindet die Kollektorelektrode des Transistors β 4 mit der Kollektorelektrode des Transistors β 3 über den Arbeitswiderstand 16, der denselben Wert wie der Widerstand 15 hat, und eine oder mehrere Dioden 17, die in Durchlaßrichtung geschaltet und an eine über die Zenerdiode 18 stabilisierte Spannungsquelle angeschlossen sind.

Die Dioden 17 bewirken eine bestimmte Spannungsverschiebung des Ausgangssignals des Transistors Q 3 gegenüber dem Ausgangssignal des Transistors β 4. Wenn angenommen wird, daß die Klemmen 12 und 13 dieselbe Spannung haben, ist der Strom durch den Transistor β 4 und den Widerstand 15 gleich dem Strom durch den Transistor β 3 und den Widerstand 16. Unter dieser Bedingung ist es erwünscht, eine geringe Spannungsdifferenz zwischen den Klemmen 19 und 20 zu haben. Die zusätzliche Verwendung der Dioden 17 bewirkt keine wesentliche Änderung des Arbeitswiderstandes für den Kollektor des Transistors β 3, und das Widerstandsgleichgewicht zwischen den Kollektorbelastungen wird aufrechterhalten. Es besteht jedoch eine Spannungsunsymmetrie, die durch den im wesentlichen konstanten Spannungsabfall über die Dioden 17 bewirkt wird. Diese Dioden bewirken, daß die Spannung an der Klemme 19 etwas höher als die Spannung an der Klemme 20 ist, wenn die Basiselektroden der Transistoren β 3 und β 4 dieselbe Spannung haben.

Eine weitere sehr bedeutsame Funktion der Diöden 17 besteht darin, daß sie eine Spannungsverlagerung bewirken, die sich mit der Temperatur ändert. Mit steigender Temperatur nimmt die Spannung an den Dioden ab. Die Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren β 5 und β 6 sinken mit wachsender Temperatur, so daß die Dioden 17 diese Abweichung kompensieren.

Die Bedeutung dieser Spannungsverlagerung wird am besten verständlich, wenn man die Wirkungsweise der zweiten Stufe des Differentialverstärkers mit der komplementären Reihenschaltung der Transistoren β 5 und β 6 betrachtet, welche die symmetrischen Spannungssignale zwischen den Klemmen 19 und 20 in ein unipolares Signal umwandeln.

Die Basis des Transistors β 5 ist an die Klemme

19 und die Basis des Transistors Q 6 an die Klemme

20 angeschlossen. Wenn die Ströme durch β 3 und β 4 ausgeglichen sind, was auf gleiche Spannung an

den Klemmen 12 und 13 hinweist, ist die Spannung an der Klemme 19 geringfügig positiver als die Spannung an der Klemme 20. Unter diesen Umständen werden β5 und β 6 beide leitend; Transistor β 5, weil seine Basis positiver als sein Emitter ist, und Komplementärtransistor β 6, weil seine Basis negativer als sein Emitter ist. Da die Emitter von β 5 und Q 6 verbunden sind, kann eine an die Basen gelegte Differentialspannung den Stromfluß zwischen den Kollektoren beider Transistoren steuern. Der Kollektor von β 6 ist mit einem gemeinsamen Bezugsleiter zwischen einer Eingangsspannungsklemme 3 b und einer Verbraucherspannungsklemme 4 b verbunden, und der Kollektor von β 5 ist über Klemme 21 an die Basis des Transistors β 7 angeschlossen.

Der Emitter des Transistors β 7 ist mit der Basis des Stelltransistors β 8 und die Kollektoren beider Transistoren β 7 und β 8 sind miteinander verbunden. Die Kollektoren werden von der Eingangsklemme 3a über den Widerstand 22 gespeist. Der Emitter des Stelltransistors Q 8 führt direkt zur Ausgangsklemme 4a. Der Widerstand 22 ist so gewählt, daß er den Strom durch β 8 in zulässigen Grenzen hält, wenn die Ausgangsklemmen 4 a und 4 b kurzgeschlossen werden oder die Belastung über die normalen Grenzen hinaus erhöht wird.

Der Basisstrom zum Steuern der Transistoren β 7 und β 8 wird über den Widerstand 23 geliefert, der am einen Ende mit dem Verbindungspunkt zwischen Widerstand 24 und Zenerdiode 18 verbundenJst.

Der über den Widerstand 23 zugeführte Strom teilt sich an der Klemme 21 auf, und zwar fließt ein Teil davon zur Basis des Transistors β 7 und der Rest über die Transistoren Q S und β 6 zur Erde. Durch eine Stromverstärkung durch die Transistoren β 5 und β 6 wird also Basisstrom vom Transistor β 7 abgezogen, um die Impedanz des Stelltransistors β 8 zu erhöhen und die Ausgangsspannung an den Klemmen 4 a und 4 b zu senken.

Durch den Kondensator 25 wird die korrigierende Stabilisierungswirkung verlangsamt und damit wiederum die Rückkopplungsschaltung stabilisiert. Bei der an die Eingangsklemmen 3 a und 3 b angeschlossenen Spannungsquelle kann es sich z. B. um ein einfaches gefiltertes Netzgerät handeln, das die an den Ausgangsklemmen abgenommene Leistung und den Eigenverbrauch der Regelschaltung decken kann.

Zur Erläuterung der Funktion der Regelschaltung sei eine Änderung der an die Ausgangsklemmen 4 a und 4 b angeschlossenen Belastung angenommen. Bei einer Abnahme des Ausgangsstroms beginnt die Spannung zwischen den Klemmen 4 a und 4 b anzusteigen. Wegen des Spannungsteilers mit den Widerständen 8 und 9 steigt damit auch die Spannung an der Basis des Transistors β 1 an. Dies führt zu einem Differentialausgangssignal zwischen den Klemmen 12 und 13, das proportional der Differenz zwischen der Bezugsspannung an der Zenerdiode 10 (Basis des Transistors β 2) und der Spannung am Verbindungspunkt der Widerstände 8 und 9 (Basis des Transistors ßl) ist. Bei einer Erhöhung der Spannung zwischen den Klemmen 4 a und 4 b sinkt das Potential an der Klemme 12 infolge der Zunahme des Kollektorstromes durch den Transistor ßl und des dadurch bedingten höheren Spannungsabfalls am Widerstand 6. Andererseits wird das Potential an der Klemme 13 positiver, da der Strom

im Transistor β 2 abnimmt und der Spannungsabfall am Widerstand 7 verringert wird.

Das resultierende Differentialsignal an den Klemmen 12 und 13 wird in der aus den Transistoren Q 3 und Q 4 bestellenden Differentialverstärkerstufe verstärkt.

Die positivere Spannung an der mit der Basis des Transistors β 5 gekoppelten Klemme 19 und die negativere Spannung an der mit der Basis des Transistors Q 6 gekoppelten Klemme 20 dienen dazu, den Stromfluß zwischen den Kollektoren zu verstärken. Dieser verstärkte Strom kann nur von Klemme 21 kommen.

Der verstärkte Strom durch die Transistoren β 5 und β 6 reduziert den Basisstrom im Transistor β 7, is wodurch wiederum die Impedanz des Stelltransistors β 8 erhöht und die Ausgangsspannung wieder auf den gewünschten Wert gebracht wird.

Auf diese Weise mißt der Abfühlkreis 2 die Ausgangsspannung, reagiert auf jede Spannungsänderung an den Ausgangsklemmen und legt das korrigierende Signal an die veränderbare Impedanz 1. Während das Beispiel für die korrigierende Wirkung im besonderen nur den Fall berücksichtigt hat, daß die Ausgangsspannung zu hoch war, ist die Schaltung gleich wirksam, um eine zu niedrige Spannung zu kompensieren. Die Regelschaltung kompensiert nicht nur Änderungen in der Ausgangsspannung, die sich durch Belastungsschwankungen ergeben, sondern auch Änderungen, die durch Schwankungen der den Eingangsklemmen 3 α und 3 b zugeführten Spannung bedingt sind.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Konstanthalten einer Gleichspannung oder eines Gleichstromes mit großer Genauigkeit unter Verwendung einer Regelschaltung mit einem Stelltransistor als regelbarem Serienwiderstand zwischen Eingangsspannung und Verbraucherspannung, wobei von der Differenzspannung zwischen einer konstanten Bezugsspannung und einer der Verbraucherspannung proportionalen Spannung mittels eines Differentialverstärkers eine Regelspannung abgeleitet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die von genanntem Differentialverstärker (ßl bis Q 4) an dessen Ausgangsklemmen (19,20) abgenommenen symmetrischen Differenzsignale mittels zweier in Reihe geschalteter komplementärer Transistoren (Q 5, Q 6) in ein auf einen gemeinsamen Leiter wirkendes unipolares Signal umgewandelt werden, das den zwischen Eingangsspannungsklemmen (3 a, 3 b) und Verbraucherspannungsklemmen (4 a, 4 b) angeordneten Stelltransistor (Q 8) mittelbar oder unmittelbar steuert.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorwiderstände (6, 7 und 15,16) innerhalb jeder Stufe des zweistufigen, gleichstromgekoppelten Differentialverstärkers gleich groß sind und daß in den einen Kollektorzweig der zweiten Differentialverstärkerstufe zusätzlich eine oder mehrere Dioden (17) eingeschaltet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in Reihe geschalteten komplementären Transistoren (QS, β 6) über den Kollektor des ersten Transistors (Q 6) mit einem gemeinsamen Bezugsleiter zwischen einer Eingangsspannungsklemme (3 b) und einer Verbraucherspannungsklemme (4 b) und über den Kollektor des zweiten Transistors (Q S) sowohl über Arbeitswiderstände (23, 24) mit den Eingangsspannungsklemmen (3 a, 3 b) als auch mit der Basis des zu steuernden Serientransistors (Q 8) unmittelbar oder über einen oder mehrere steuernde Transistoren (Q 7) in Kaskadenschaltung verbunden sind.

4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung der zweiten Stufe des Differentialverstärkers über eine Zenerdiode (18) von der geregelten Ausgangsspannung erfolgt und daß die an der Zenerdiode (18) abgenommene Spannung mit dem Verbindungspunkt der Arbeitswiderstände (23, 24) für die komplementären Transistoren (Q S, Q 6) verbunden ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen