DE1438925A1

DE1438925A1 - Schaltungsspannungs-Stabilisierung

Info

Publication number: DE1438925A1
Application number: DE19631438925
Authority: DE
Inventors: Barter Leroy Donald
Original assignee: Beckman Instruments Inc
Current assignee: Beckman Coulter Inc
Priority date: 1962-10-15
Filing date: 1963-10-15
Publication date: 1969-01-16
Also published as: GB1001694A; US3259833A

Description

Beckman Instruments Inc. 2500 Harbor Boulevard Fullerton, California U. S. A.

Prioritätϊ USA 15. Oktober 1962; Serial Uo. 230 501

Die Erfindung betrifft ein stabilisiertes Stromversorgungsgerät und insbesondere ein derartiges Stromversorgungsgerät, bei dem die Leitfähigkeit einer Mehrzahl Stabilisierungs elemenue vergrößert wird, wenn der den Belastungskreis durchfließende Strom zunimmt; diese Stabilisierung wird bis zu ein3m Stromwert durchgeführt, bei dem die in Serie ge-

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schalteten Stabilisierungselemente gesperrt werden, so daß eine Überbelastung, die zu einer Schädigung des Stabilisierungselementes führen könnte, vermieden wird.

Stabilisierte Stromversorgungsgeräte sehen in der Regel ein Stabilisierungselement in Serie mit dem Belastungskreis vor. Es werden die Schwankungen der stabilisierten Spannung gemessen und zur Steuerung der in Serie geschalteten Stabilisierungselemente verwendet, zu dem Zwecke,

Bayerifche Vereimbank München 820993 ■ ρ _

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die stabilisierte Ausgangs spannung möglichst konstant zu ■ halten. Wenn ein transistor als in Serie geschaltetes • Stabilisierungselement verwendet wird, so ist es besonders wichtig, Überbelastungen zu vermeiden. Eine Üb erbe lastung.: beschädigt leicht einen in Serie geschalteten Stabilisierungstransistor. Bei bestimmten bisher bekannten Stabil!- sierungsgeräten wurden Mittel verwendet, die äem. das. in Serie geschaltete Stabilisierungselement auf einen maximalen Stromwert begrenzen, dieser maximale Stromwert fließt jedoch weiter durch das in Serie geschaltete Stabilisierungs-" element, so lange wie der Belastungskreis eine überaus hohe Leitfähigkeit hat oder kurzgeschlossen ist. Dementsprechend nimmt der Leistungsverbrauch in dem Stabilisierungselement bis zu dem Produkt aus. maximalem Strom mal unregulierter Spannung zu. ■ - . " ■ .

Die. Erfindung bezweckt eine Schaltung, bei der der Strom durch die in Serie geschalteten Stabilisierungselemente unterbrochen wird, wenn der Strom im Belastungskreis einen vo rb.e stimmt en Maximalwert annimmt., ^a

Ein spannungsstabilisiertes StromversOrgungsgerät, welches einen ersten Verstärker aufweist der ein Signal liefert, welches maßgeblich für die Abweichung der Ausgangsspannung von einer vorbestimmten Bezugsspannung ist, und ferner die Anwendung einer im bezug auf die Leitfähigkeit steuerbaren Vorrichtung vorsieht, welche zwischen der Eingangsklemme und der Ausgangsklemme der Vorrichtung eingeschaltet ist

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und in Serie mit dem Belastungskreis liegt, der zwischen der Ausgangsklemme und einer gemeinsamen Klemme angeordnet ist, wobei die genannte Vorrichtung durch die von dem erstgenannten Verstärker erzeugten Signale so gesteuert wird, daß sich eine im wesentliäien konstante Spannung an dem Belastungskreis ergi"bt, kennzeichnet sich gemäß der Erfindung dadurch, daß zwischen der Ausgangsklemme und der Vorrichtung, deren Leitfähigkeit gesteuert wird,■ein Widerstand vorgesehen ist und daß der Verbindungspunkt dieses v/iderstandes mit der in bezug auf ihre leitfähigkeit steuerbaren Vorrichtung ein erstes Eingangssignal für einen zweiten Verstärker liefert, dessen anderes Eingangssignal von der Ausgangsklemme der Vorrichtung entnommen wird, und daß der Ausgangskreis des genannten zweiten Verstärkers mit der in bezug auf ihre leitfähigkeit steuerbaren Vorrichtung so verbunden ist, daß eine Abnahme der Leitfähigkeit bei einer Zunahme des Stromes im Belastungskreis erfolgt, wobei Vorspannungsmittel den genannten zweiten Verstärker sperren, wenn der Widerstand des Ausgangskreises oberhalb eines vorbestimmten Wertes liegt.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung verwendet •Transistoren als Verstärker und als Vorrichtung veränderbarer Leitfähigkeit.

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Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sieh.aus der nachstehenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Figur.

In der Figur wird eine schwankende Spannung an den Klemmen 1 und 2 zugeführt und eine stabilisierte Spannung steht an den Ausgangsklemmen 3 und 4 zur Verfügung. Die " Klemme 2 hat Erdpotential und die Klemme 1 ist an eine Spannungsquelle negativer Polarität angeschlossen. Ein geeigneter Belastungskreis ist an die Klemmen 3 und 4 angeschlossen.

Zur Erzeugnung einer Bezugsspannung ist eine Zener-Diode

5 vorgesehen» Als in Serie geschaltete Stabilisierungsmittel sind die beiden in Serie geschalteten Transistoren

6 und 7 vorgesehen, welche mit dem Belastungskreis in Serie liegen. Die in Serie gestalteten stabilisierenden Transistoren 6 und 7 werden nach Maßgabe der Spannungssehwankungen, die sich am Belastungskreis gegenüber der von der Zener-Diode 5 gelieferten Bezugsspannung ausbilden, gesteuert. Ein Widerstand TO mit einem einstellbaren' Abgriffspunkt dient dem Zwecke, die Spannung einzustellen, auf die das Stromversorgungsgerät eingeregelt wird. Der Strom im Kollektorkreis des Transistors 8 ist proportional dem Unterschied zwischen der sich zwischen den Klemmen 3 und 4 ausbildenden Spannung und der Spannung, welche geliefert wird durch die Bezugsspannungsquelle in Form der Zener-Diode 5 und der Einstellung des einstellbaren

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Widerstandes 10, Der Kollektor des Transistors 8 ist an die Basiselektrode des Transistors 6 angeschaltet und die Spannung die sioh am Kollektor des Transistors 8 ausbildet, steuert die -zum Zwecke der Spannungsstabilisierung vorgesehenen Transistoren 6 und 7.

Ein erster Transistorverstärker 12 dient dem Zweck, die Spannungsschwankungen der nicht geregelten Klemmen des Stabilisierungsgerätes von den Eingangsklemmen der in . - ' λ Serie vorgesehenen stabilisierenden Transistoren 6 und.7 fernzuhalten. Me Basiselektrode und der Kollektor des Transistorverstärkers 12 sind an die Zwischenpunkte 15 und 14 der die ungeregelte Spannung führenden Klemmen des Gerätes angeschaltet. Wenn der Transistor 12 nicht vorhanden wäre, würde eine Zunahme der nicht geregelten Spannung zur Fdge haben, daß der Verbindungspunkt 14-stärker negativ wird. Diese stärker negative Spannung an der Basiselektrode des Transistors 6 würde eine Zunahme der Leitfähigkeit dieses stabilisierenden Transistors zur | lolge haben. Diese Erscheinung wird dadurch vermieden, daß der Transistor 8 einen stabilisierenden Einfluß hat, Änderungen der nicht stabilisierten Eingangsspannung jedoch wurden einen nachteiligen Einfluß auf die Wirkungsweise der in Serie geschalteten Stabilisierungsmittel haben. Der Transistor 12 und der damit verbundene Stromkreis beseitigt diese Erscheinungen. Wenn die nicht stabilisierte Eingangsspannung des Stabilisierungsgerätes zunimmt, so wird die Klemme 13 stärker negativ und dadurch

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wird der Transistor 12stärker leitend. Der verstärkte Strom durch den Transistor 12 bewirkt ein größeres Spannungsgefälle an dem Widerstand 15. Das vergrößerte Spannungsgefälle am Widerstand 25 wird der Basiselektrode des Transistors 6 zugeführt, wodurch die in Serie geschaltete Stabilisierungsstufe weniger stromleitend wird.

Insoweit "bildet die beschriebene Schaltungsanordnung noch nicht den Gegenstand der Erfindung. Gemäß der Erfindung ist in Serie mit dem Belastungskreis und den Stabilisierungs stufen der stromdurchflossene Widerstand 16 angeordnet. Die untere Klemme des Widerstandes 16 ist mit der Emitterelektrode des Transistorverstärkers 12 verbunden und bewirkt dadurch eine Steuerung des an dem Widerstand 17 sich ergebenden Spannungsgefälles, Dadurch ergibt sich, daß der Strom durch die in Serie geschalteten· stabilisierenden Transistoren 6 und 7 zunimmt _r wenn der den Widerstand 16 durchfließende Strom des Belastungskreises zunimmt. Die zusätzliche Einschaltung des Widerstandes 16 bewirkt, daß Stromschwankungen des den= Belastungskreis durchfließenden Stromes, welche durch Änderungen des Widerstandes des Belastungskreises bedingt sind, auf die Emitterelektrode des TransistOrverstärkers 12 zurückwirken. Die Spannung zwischen der Klemme 4 und der Emitterelektrode des Transistors 7 istdie Eingangsspannung des Transistorvurstärkers 12 und die Spannung zwischen der Klemme 4 und dem Verbindungspunkt 14 ist die Ausgangsspannung. Wenn eine Verringerung der Impedanz des Belasbungskreiees zur Folg'ö-,

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hat, daß das Spannungsgefälle am Widerstand 16 zunimmt, "bewirkt die Verstärkerwirkung des Transistors 12 eine größere änderung der Spannung der Klemme 14 in "bezug auf die gemeinsame Klemme. Dadurch ergibt sich eine höhere leitfähigkeit der in Serie geschalteten Stabilisierungsmittel . und es wird die stabilisiserte Spannung an der Ausgangsklemme konstant gehalten. Der erste -Transistorverstärker 12 liefert eine Rückkopplung von dem stromdurehflossenen Widerstand 16 zu den in Serie geschalteten stabilisierenden. !Transistoren 6 und 7, so daß eine Zunahme im Belastungsstrom "bewirkt wird durch die zunehmende !leitfähigkeit der Transistoren 6 und 7.

Es sind weiterhin gemäß der Erfindung Mittel vorgesehen, welche die in Serie geschalteten Stabil!sierungstransistoren sperren, wenn der Strom im AusgangsStromkreis einen bestimmten Wert überschreitet. Zu diesem Zweck ist ein zweiter Transistorverstärker vorgesehen. Die Widerstände 19 und 20 bilden einen Spannungsteiler, welcher für die Basiselektrode des Transistors 18 eine sperrende Vorspannung bilden. Innerhalb des normale Strombereiches des StaMlisierungsgerätes ist das Spannungsgefälle am Widerstand 16» größer als das Spannungsgefälle am Widerstand 19· Da der Widerstand 16 an die Emitterelektrode des Transistors 18 angeschaltet ist und der Widerstand 19 an die Basiselektrode desselben angeschaltet ist, ist der Transistor normalerweise in der Sperrichtung vorgespannt. Wenn indessen der Strom aurcii den Belastungswiderstand einen vorbestimmten Wert überschreitet, so überwindet das Spannungsgefäll-

und der"Transistor 18 wird im Sinne der-Ö^fliÄei-tung vor- — gespannt. Wenn der Transistor 18 stromführend ist, wird ein positives Potential der Basiselektrode der Transistoren 6 und 7 zugeführt und diese Transistoren werden gesperrt» Der zweite Transistor 18 liefert eine positive Rückkopplung von dem stromdurchflossenen Widerstand 16 auf die in Serie geschalteten stabilisierenden Transistoren 'S unoi'T» so daß äste letztere gesperrt werden, wenn eine außerordentliche hohe Leitfähigkeit zwischen den Ausgangsklemmen 3 und 4 auftritt.

Die Wirkungsweise des stabilisierten Stromversorgungsgerätes ist wie folgt. Unter normalen Arbeitsbedingungen werden die Schwankungen der nicht geregelten Eingangsspannung an den Klemmen 1 und 2 und die Schwankungen des Belastungsstromes zwischen den Klemmen 3 und 4 kompensiert durch die Wirkung des Terstarkers 12 und die Seriensehaltung der stabilisierenden Transistoren 6 und 7. Gemäß der Erfindung wird, wenn der Strom im Belastungskreis- zunimmt, . eine größere Spannung an dem stromdurchflossenen Widerstand / 16 erzeugt. Diese Spannung wird über den Transistor 12 ■ _: . den Basiselektroden der in Serie geschalteten stabilisieren^-

den Transistoren 6 und 7 zugeführt/^, so daß diese Transistοι

ren stärker stromführend werden. Es wird daher der zu— -., sätzliche. Strom von;.den in Serie geschalteten'Transistoren geliefert. Dementsprechend wird .der zusätzliche Belastungsstrom nicht durch- eine Spannungsänderung an den Klemmen 3 und 4---geliefert, >wasv r der Transistor 8 feststellen würde

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^fewürdö, daß "die in Serie geschalteten stabilisierenden Transistoren 6 und 7 noch mehr Strom führen würden. Dadurch daß eine Stromrückkopplung von dem stromdurehflossenen Widerstand 16 bewirkt wird, wird die- Zunahme des Belastungsstromes sichergestellt, ohne daß eine Änderung der Klemmenspannung an dem Belastungskreis zwischen den Klemmen 3 und 4 auftritt. -,..-".-

Wenn der Strom durch den Widerstand 16 den vorbestimmten maximalen Wert erreicht, wird das Spannungsgefälle am " (|

Widerstand 16 größer als das Spannungsgefälle am Widerstand 19. Dementsprechend wird die Emitterelektrode des Transistors 18 stärker positiv in bezug auf seine Basiselektrode und es wird der Transistor 18 stärker im Sinne der Stromleitung vorgespannt. Die Spannung an der Kollektorelektrode des Transistors 18 liefert eine Sperrspannung für die in Serie geschalteten stabilisierenden Transistoren 6 und 7· Die im übrigen stabilisierte Spannung zwischen den Klemmen 3 und 4 wird praktisch IFuIl. Der geringe Belastungsstrom welcher während der Phase der tiberbelastung fließt, durchfließt äen Widerstand 16 und den Transistor 12 und den Widerstand 15« Die Emitterelektrode des Transistors 18 bleibt positiv in bezug auf die Basiselektrode, bis der Belastungswiderstand wieder seinen normalen Wert annimmt. In diesem Zeitpunkt wird das Spannungsgefälle am Widerstand 19 wieder größer als das Spannungsgefälle am Widerstand 16; der Transistor 18 wird gesperrt und die stabilisierenden Transistoren 6 und 7 werden wieder stromführend

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und der StaMlisierungszustand beginnt. Wenn der Kurzschluß oder der- Zustand hoher leitfähigkeit im Belastungskreis aufhört, so nimmt das Stromversorgungsgerät aohnell wieder seine Stabilisierungstätigkeit an und bleibt nicht weiter in dem Zustand gesperrt, in welchem keine Stabilisierung erfolgt. , .■"■-■■

Patentansprüche:

Claims

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fatentansprüohe

Spannungsetabilisiertee Stromrersorgungsgarät «it •ins« ersten Verstärker, welcher ein Signal liefert, 4a· malgeblioh für dit Abweichung der Auegang·spannung ron einer Basugaspannung ist, und «it einer Vorrichtung steuerbarer Leitfähigkeit, welche «wieohen den Ausgangs- und li»£Sftg:*]cl«B*en des Stromversorgungsgerätes und in Bert« mit da« lelastungekrais geschaltet ist, wobei dar lelastungskreie an eine Ausgangaklanae und eine gemeinsame Klemaxe angeeohaltet iat und dia Torrichtung steuerbarer leitfähigkeit ao gesteuert wird, daß die Spannung an da« lalaatungakreia ir« wesentlichen konstant ist, daduroh gekennieiohnet, daB ein^ Widerstand ewischen dar Auegangskleame und der 1« besug auf ihre Leitfähigkeit steuerbarem Vorrichtung rorgesehen ist und die Verbindungsstelle dieses Widerstandes und der Vorrichtung steuerbarer Leitfähigkeit rerbunden ist als eine Eingangeklem-■· alt einem sweiten Verstärker« dessen andere lingangskle« me die Ausgangskleaae das Strosrersorgungegerätes ist, und daS dar Ausgangskreis dee genannten zweiten Verstärkers mit dar Vorrichtung steuerbarer Leitfähigkeit so verbunden ist, dad die Leitfähigkeit derselben herabgesetzt wird, wann eine Zunahme des Belaetungsstromea auftritt und dafl Vorspannmittel rorgesehen sind, welche den genannten »weiten Terstärker (18) sperren, wann die laptdaz ,->e Ausgangskreisee oberhalb eines bestimmten Wartet liegt.

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2. Anordnung nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstelle des genannten ersten Widerstandes (16) und der in bezug auf die Leitfähigkeit steuerbaren Vorrichtung (7) das Eingangssignal eines dritten Verstärkers liefert, dessen anderes Eingangssignal ein !Teil der nicht geregelten Eingangs spannung des Gerätes ist, und daß das Ausgangssignal des genannten dritten Verstärkers über einen Belastungswiderstand mit der Kleiaae der nicht geregelten Eingangsspannung verbunden iet und eine Spannung für den erstgenannten Verstärker liefert, so daß der Eingangskreis der genannten, in bezug auf ·

ihre leitfähigkeit steuerbaren Vorrichtung gegenüber SpannungaSchwankungen an den Eingangsklemmen des Gerätes entkoppelt ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärker aus !Transistoren bestehen, wobei die Basis- und die Emitterelektrode derselben als Eingangsklemmen dienen und die Kollektorelektrode als Aue» gangsklemme dient.

4· Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in Bezug auf ihre leitfähigkeit steuerbare Vorrichtung die Emitter- Kollektorstrecke eines fransistore ist und die steuernde Spannung demselben zwischen der Basiselektrode und der Emitterelektrode zugeführt wird.

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