DE1513212B2 - Kurzschlussfeste serien regeleinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine kurzschlußfeste Serien-Regeleinrichtung mit einem Schalttransistor als Stellglied, mit einer dazu in Reihe angeordneten, als Energiezwischenspeicher dienenden Primärwicklung eines Übertragers, der außerdem eine Last- und eine Rückkopplungswicklung aufweist und zusammen mit dem Schalttransistor sowie Hilfsmitteln zur Begrenzung des Basisstromes und zur Anschwinghilfe einen Sperrwandler bildet, und mit einem als Ausgangsspannungsspeicher dienenden, der Last parallelgeschalteten Kondensator. Solche Sperrwandler sind bekannt, vgl. die Zeitschrift »Elektronische Rundschau«, 1963, S. 289 bis 292.

Bei Serienregeleinrichtungen, die aus einer schwankenden Eingangsspannung eine konstante kleinere Ausgangsspannung erzeugen, ist ein aktives Bauelement vorhanden, das in Serie zum Verbraucher liegt und so gesteuert wird, daß bei veränderlicher Eingangsspannung und bei schwankender Last die Ausgangsspannung konstant bleibt. Es ist bekannt (vgl. die Zeitschrift »Elektronik«, 1964, S. 314), zu diesem Zweck als Stellglied einen Serientransistor zu verwenden, der stetig gesteuert wird und an dem die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung abfällt. Derartige Regeleinrichtungen haben den Nachteil, daß im Serientransistor eine Verlustleistung entsteht, die gleich dem Produkt aus Laststrom und der Differenz von Eingangsspannung und Ausgangsspannung ist.

Dieser Nachteil kann weitgehend beseitigt werden, indem man den Transistor nicht stetig steuert, sondern schaltet. Aus der Zeitschrift »Funktechnik«, 1962, S. 749, der Zeitschrift »Elektronik«,. 1961, S. 177, und den deutschen Auslegeschriften 1123 749, 1 049 962, 1 155 848, 1 155 849, 1 155 850 und 1181791 sowie der belgischen Patentschrift 621277 ist es bekannt, einen Transistor mit einem veränderlichen Tastverhältnis auf- und zuzuschalten. Dabei wird die andernfalls verlorengehende Energie in einer Drossel oder einem Transformator als Energiespeicher gespeichert und periodisch wieder an die Last abgegeben. Die bekannten nach diesem Prinzip arbeitenden Schaltungsanordnungen erfordern jedoch eine verhältnismäßig große Zahl von aktiven'und passiven Bauelementen, was den vorstehend genannten Literaturstellen zu entnehmen ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Serien-Regeleinrichtung zu schaffen, die mit gleich gutem Wirkungsgrad arbeitet wie die bekannten Serien-Regeleinrichtungen mit einem Schalttransistor, jedoch mit einer wesentlich geringeren Anzahl von Bauelementen auskommt und außerdem kurzschlußfest ist.

Kurzschlußfeste Serien-Regeleinrichtungen mit kontinuierlicher Arbeitsweise der oben geschilderten Art sind ebenfalls bekannt, vgl. die eingangs zuerst genannte Literaturstelle aus der Zeitschrift »Elektronik«. In diesen Schaltungen werden zur Sicherstellung des Überlastungsschutzes mindestens ein zusätzlicher Transistor und diesem zugeordnete weitere Bauelemente (Widerstände, Dioden usw.) benötigt. Da bei Aufhören der Überlastung, die im Extremfall ein ausgangsseitiger Kurzschluß sein kann, die Serien-Regeleinrichtung ihren Normalzustand meist wieder automatisch annehmen soll, sind hierfür ebenfalls zusätzliche Bauelemente erforderlich.

Das Erfordernis der Kurzschlußfestigkeit besteht auch bei den eingangs geschilderten, im Schaltbetrieb arbeitenden Serien-Regeleinrichtungen, auf die sich die Erfindung bezieht. Die Erfüllung dieses Erfordernisses und die Lösung der gestellten Aufgabe besteht daher erfindungsgemäß darin, daß zwischen dem Basisanschluß des Schalttransistors und demjenigen Pol der Speisespannungsquelle, an dem auch ein Pol des Speicherkondensators liegt, eine Z-Diode angeschlossen ist.

Zwar ist es bei reinen Stabilisierungseinrichtungen,

ίο die also nicht aus einem geschlossenen Regelkreis bestehen, bekannt (vgl. die Zeitschrift »Bulletin des schweizerischen Elektrotechnischen Vereins«, 1962, S. 1236, und die USA.-Patentschrift 3 022 457), eine oder mehrere Z-Dioden zwischen die Basis eines im Laststromkreis liegenden Transistors und den gegenüberliegenden Pol der Speisespannungsquelle zu schalten. Hierbei wird jedoch nur erreicht, daß die mit einem bestimmten Z-Dioden-Typ maximal stabilisierbare Leistung wesentlich erhöht werden kann.

Außerdem fehlt diesen Schaltungen die Regelwirkung. Schließlich sind auch sogenannte Kniekurven-Regeleinrichtungen bekannt (vgl. die deutschen Auslegeschriften 1082 670 und 1158 616), die aus einer Parallel-Regeleinrichtung mit Strombegrenzungseigenschäften bestehen. Hierbei kann ebenfalls eine Z-Diode der Basis des Regeltransistors vorgeschaltet sein, jedoch ist die Anordnung immer so getroffen, daß ein Teil des Laststromes über die Z-Diode fließt.

Zusammenfassend läßt sich zu diesem umfangreichen Stand der Technik sagen, daß bisher kurzschlußfeste Serien-Regeleinrichtungen nur als kontinuierlich arbeitende Anordnungen bekannt waren, die zur Herstellung der Kurzschlußfestigkeit eines großen schaltungstechnischen Aufwandes bedurften.

Das Überraschende der Erfindung ist darin zu sehen, daß nur mit einem zusätzlichen Schaltelement, nämlich der erfindungsgemäß geschalteten Z-Diode, bei im Schaltbetrieb arbeitenden^erien-Regeleinrichtungen die Kurzschlußfestigkeit und die automatische Wiederherstellung des Normalzustandes erreicht wird. Die Erfindung wird nun im folgenden an einem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel einer Serien-Regeleinrichtung näher erläutert.

Die Schaltungsanordnung besteht aus einem-be-" kannten Eintakt-Spannungswandler mit einer Primärwicklung P, einer Rückkopplungswicklung R und einer Lastwickiung L auf einem Transformatorkern. Der Schalttransistor T ist mit seinem Kollektor an die Primärwicklung P angeschlossen, arbeitet in Emitterschaltung und wird periodisch durchgesteuert und gesperrt. Der Widerstand R₁ dient als Anschwinghilfe. Nach Anlegen der Speisespannung U_E fließt durch den Widerstand R₁ ein geringer Basisstrom in den Schalttransistor T und ruft einen Kollektorstrom hervor, der an der Primärwicklung P einen Spannungsabfall und an der Rückkopplungswicklung R eine Steuerspannung erzeugt. Die Steuerspannung verstärkt den Kollektorstrom soweit, daß der Schalttransistor T durchgesteuert wird. Der Kollektorstrom wächst dann exponentiell an, wobei die Anstiegsgeschwindigkeit im wesentlichen durch die Induktivität der Primärwicklung P und durch die Größe der Speisespannung U_E bestimmt wird. Der Strom steigt solange an, bis der Transformatorkern gesättigt ist.

Dann kehrt die Steuerspannung ihr Vorzeichen um, der Schalttransistor T wird gesperrt, und es beginnt ein Strom durch die Lastwicklung L zu fließen. Gespeist wird dieser Strom durch die im Transformator

gespeicherte Energie. Wenn diese Energie aufgebracht ist, wird der Transistor wieder aufgesteuert, und das beschriebene Arbeitsspiel beginnt von neuem.

Eintakt-Spannungswandler, die in der vorstehend beschriebenen Weise während der Sperrphase des Transistors Energie an eine Last abgeben, werden auch Sperrwandler genannt. Funktion und Aufbau eines Sperrwandler, soweit sie bisher beschrieben wurden, sind bekannt. Es ist ebenfalls bekannt, bei dem vorstehend beschriebenen Sperrwandler einen Speicherkondensator C vorzusehen, dem die Last R_L parallelliegt. Die Lastwicklung L des Sperrwandlers wird dabei in Verbindung mit der Diode D zum Laden des Speicherkondensators C eingesetzt.

Nach der Erfindung wird die aus Sperrwandler und Speicherkondensator bestehende Regeleinrichtung mit nur einer Z-Diode auf folgende Weise gesteuert: Beim Aufladen des Speicherkondensators arbeitet der Sintakt-Spannungswandler normal. Lediglich seine Speisespannung verringert sich laufend um den Betrag, um den die Speicherkondensatorspannung zuaimmt. Ist der Speicherkondensator soweit aufgeladen, daß seine Spannung, vermehrt um die Schwellipannung des Transistors, gleich der Arbeitsspannung der zwischen der Basis des Transistors T und dem ;inen Pol O der Speisespannungsquelle geschalteten i-Diode Z geworden ist, so ändert sich die Arbeitsweise des Sperrwandlers. Das Umschalten des Traniistors vom stromführenden in den gesperrten Zuitand wird jetzt nicht mehr dadurch eingeleitet, daß\ die Sättigungsinduktion des Transformatorkerns erreicht st, sondern dadurch, daß das Potential an der Basis les Transistors die Arbeitsspannung der Z-Diode iireicht. Dann wird der Steuerstrom durch den einsetzenden Flußstrom geschwächt, der Kollektorstrom nimmt ab, und die Spannungen an sämtlichen Trans-"ormatorwicklungen kehren sich um. Das Tastverhältnis des Spannungswandlers und seine Frequenz passen sich jetzt automatisch der Eingangsspannung und dem entnommenen Laststrom so an, daß die Ausgangsspannung U_A konstant bleibt.

Der Widerstand A₂ begrenzt sowohl den Basisstrom im Transistor als auch den Arbeitsstrom der Z-Diode auf zulässige Werte und verbessert so den Gesamtwirkungsgrad.

Der Vorteil der Serien-Regeleinrichtung nach der Erfindung besteht einmal darin, daß außer der Diode und dem Transistor des Sperrwandlers nur noch eine Z-Diode zusätzlich benötigt wird. Zum anderen besteht noch der zusätzliche funktionelle Vorteil, daß bei Überlastung der Schaltung die Spannungs-Regelcharakteristik in eine Stromregelcharakteristik übergeht. Bei kleinerwerdendem Lastwiderstand bis zum Kurzschluß steigt also der Strom nur noch geringfügig über seinen Nennhöchstwert an. Die Schaltung ist somit kurzschlußfest, ohne daß hierfür zusätzliche Bauelemente eingesetzt werden müssen.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Kurzschlußfeste Serien-Regeleinrichtung mit einem Schalttransistor als Stellglied, mit einer dazu in Reihe angeordneten, als Energiezwischenspeicher dienenden Primärwicklung eines Übertragers, der außerdem eine Last- und eine Rückkopplungswicklung aufweist und zusammen mit dem Schalttransistor sowie Hilfsmitteln zur Begrenzung des Basisstromes und zur Anschwing-, hilfe einen Sperrwandler bildet, und mit einemT als Ausgangsspannungsspeicher dienenden, "der Last parallelgeschalteten Kondensator, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Basisanschluß des Schalttransistors (T) und demjenigen Pol der Speisespannungsquelle (O), an dem auch ein Pol des Speicherkondensators (C) liegt, eine Z-Diode angeschlossen isf'

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen