DE1513364A1 - Hochstromregler mit negativem Widerstand - Google Patents

Description

MOTOROLA, IffC, 9401 West Grand Avenue, Franklin Park, Illinois_r USA

Hochstromregler mit negativem Widerstand

Sie Erfindung betrifft; elektronische Stromvegl«* und insbesondere Halbleiteraohaltungea mit negativen Widerstand» .

Bei vielen elektrischen Anlagen, bei denen man mit starken Strömen arbeitet, besteht der Wunsch nach einer Stromregelung,derart, daß bei steigender Versorgung s spannung der Strom verringert wird. Schaltungen mit Eigenschaften negativen Widerstände, das heißt mit einer inverse» Stromepannungacharaeteristik sind von Haus aus für die Stromregelung bei solohen Anwendungen geeignet.

Eine Stromregelungdn der beschriebenen Weise findet beispielsweise bei der elektrischen Anlage von traftjfahrzeugen statt« bei der man einen konstanten St?oä in der Feldwicklung der !lichtmaschine haben möchte, wenn sie die Batterie auflädt, während der Feldstron stark verringert werden soll, wenn die Batteriespanntung

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einen kritischen Wert überschreitet. Dies erreicht man üblicherweise durch den Spannungsregler der Lichtmaschine. Schaltungen mit negativem Widerstand sollen bei derartigen Anwendungen mit großem Strom betrieben werden können, einfach im Aufbau und luverlfisslg im Betrieb sein. Auch soll die Charakteristik des negativen Widerstands so sein, daß sie leloht bestimmten Anwendungsfallen angepasst werden kann,und vorzugsweise soll die Stromregelung vor Spannungspegeln auftreten, bei denen die Wirkung des negativen Widerstandes vorliegt.

Ziel der Erfindung ist die Sohaffung einer Schaltung mit negativem Widerstand, die mit hohen Strömen arbeiten kann. Sie soll einfach und zuverlässig sein* und die Charakteristik ihres negativen Widerstandes aoll veränderbar sein. Weiterhin sollen die Stromregeleigeneohaften bei Spannungen unterhalb des Bereiches, in dem der negative Widerstand auftritt, vorliegen. Schließlich soll eich die Schaltung in einfacher Weise bei solchen Schaltungen verwenden lassen, die swel, drei oder mehrere Anschlüsse erfordernο

Sie erfindungsgemässe Schaltung mit negativem widerstand umfaßt eine Spannunfsvtrgleiohsanordnung mit einem Spannungsdurohbruohselement» das mit eins» verstärkenden Transistor susammengesohaltet ist zur Steuerung des Stromes durch einen regelnden Transistor, der in Reihe mit einer Last geschaltet

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1st, die den su steuernden Strom führt. Wenn eine

Änderung der Vorspannung dee verstärkenden transistors auftritt» so daßaeine Stromverstärkung bei steigender» angelegter Spannung abnimmt» wirkt die Schaltung strom« regulierend, bis die angelegte Spannung einen vorbestimmten Wert erreicht, der durch das Spaxmungsdurohbruoheelement der Spannungeverglejoheanordnung bestimmt iet. Die abnehmende Stromverstärkung hat eine entsprechende Änderung des den regulierenden translator steuernden vOrstromes eur lolge, so daß mit steigender, angelegter Spannung der Strom durch dls Last abnimmt. So selgt die. Schaltung die Charakteristik ■ eines negativen Widerstands, wenn die angelegte Spannung einen vorbestimmten Yert überschreitet und bis der Strom dee verstärkenden transistors etwa auf den Wert seines Leokstromes abnimmt·

Schaltungseinzelheiten und eine Erläuterung des Betriebs verschiedener Ausführungsformen der Erfindung ergeben eich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Darstellungen·

£s eeigt*

Figur 1 eins eohematisohe Schaltung eimer Ausftihrungs-

form der Erfindung,

Figur 2 ein Diagramm der H-I Kennlinien der erfindungsgemäSen Schaltungen but Teransehaullchung ihr«* negativen Widerstandes,

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Figur 3 ein Schaltschema zur Veransohauliohung, «1· der negative Widerstand veränderbar 1st,

Figur 4 ein Sohaltschema zur Veranschauliohung einer Ausführungsform der Srfindung mit drei Anschlüssen und

Figur 5 ein Sohaltschema einer Aueführungefora der Erfindung mit einea Feldeffekttransistor.

Der in Figur 1 dargestellte Transistor 10, der hier Auegangetransistor ist, ist in Reihe mit der last 12 zwischen die Eingangsspannungklemnen 13 und 15 geβehaltet. Hierzu iot eine Seite der Last *12 Bit des Kollektor de· transistors 10 verbunden und die ander· Seite an die Spannung·*!.·**· geführt. Der Emitter des Transistor· 10 liegt an der Spannungsklemme 15. Bei den dargestellten PIP-Transietor ist die Klemme 15 positiv und die Kiene· 13 negativ« Je nach den Erfordernissen der Schaltung» bei der dieser negative Widerstand verwendet wird, kann ein· der Klemmen mit Masse verbunden werden· Vorzugsweise ist der Transistor 10 ein Oeraaniua-Leietungstraneistor,'der einen holten Strom, beispielsweise 1 Aaper· oder »ehr, führen kann· ■■ -

Der Eaitterbasisvorstroa des Transistors 10 wird von Kollektor des Stroareretlrkungstransistor· 16 geliefert, der beispielsweise ein Kleinsignal-Silioiue-IPI-Traneistor sein kann. Der.Emitter des Transistor· 16 liegt über den Widerstand 17 an der Klemme 13 und seine Basis über den .tiderstand 19 an der Klemme 15· Zwischen seinem !Emitter und der Klemme 15 liegt ferner eine Durchbruchdiode 22,

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und eine weitere Durehbruchsdlode 24 liegt «wischen seiner Basis und der Klemme 13. Die Durchbruchedioden22 und 24 sind so gepolt, daß der Durchbruch auftritt» wenn die zwischen den Klemmen 13 und 15 angelegt· Spannung einen vorbestimmten Wert Überschreitet. Bo stellt der Widerstand 17 mit der Durohbruchsdiod· 22 und die Durchbruchsdiode 24 mit dem Widerstand 19. je einen Spannungsteiler zur !Erzeugung der Emitterbasisvorspannung des Transistors 16 dar«

Me soeben beschriebene Schaltung ist einfach la Aufbau und erfordert nur eine Mindestzahl Ton Schaltelementen. Das Verhalten als negativer Widerstand ist anhand der in Figur 2 dargestellten Kurven erläutert, ienn die «wischen den Klemmen 13 und 15 liegende. Spannung Y_% (figur 1) kleiner als die Durchbruohaspannung jeder der Dioden 22 und 24 ist, haben beide Dioden einen hohen Widerstand und können praktisch als nichtvorhanden angesehen werden. In diesem falle besteht ein paralleler Strompfad durch den Widerstand 17» den Eaitterbaei*üb*rgaag de· Transistors 16 und den Widerstand 19· Bei ansteigender Ιΐη-gangs spannung V_a wird der Kollektor·trom de· Transietore 16 der Basis des Traneistore 10 «ugeführt, und es tritt ein entsprechender Anstieg des Kollektorstrome des Transistors 10 eint Dies ist im Anfangsbereloh 32 der U-I-Kennlinie 30 in Figur 2 dargestellt. Ba nur der Basisstrom des Transistors 16 durch den Widerstand 19 fließt, liegt ein wesentlicher feil der Eingangsepannung V_a über der' Durchbruchdiode 24. 35er Emltterbaeisspannungeabfall des Transistors 16 ist vernachläBsigbar klein, so daß nur ein kleiner Teil der Eingangspannung V_&f der in erster Linie duroh den Spannungsabfall über dem Widerstand 19 bestimmt ist, über der Diode 22 erscheint.

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Wenn die Eingangsspannung T_& ansteigt, tritt also in der Diode 24 vor der Diode 22 ein Durohbruch auf· Erst bei einem weiteren Anstieg der Eingangsspannung T_a bricht auch die Diode 24 durch und hält das Baeispatential des Transistors 16 gegenüber der Spannung an der Klemme 13 fest. In dies·» Fall kann dl« Schaltung als übliche Stroaregelsehaltung angesehen werden, und jeder Stromanstieg durch den Transistor 10 hingt Ton der Stromverstärkung des Transistors 16 ab. Daait fließt dureh den Transistor 10 ein im wesentlichen konstanter Strom zur Last 12, wie durch den Abschnitt 34 der U-I^Kurve 30 der Figur 2 veranschaulicht 1st.

Ein weiterer Anstieg der Eingangsepannung ?_a erscheint zunächst über der Diode 22 und bringt sie schließlich ZULi Durchbruch· Hierdurch wiederum wird der Saltter des Transistors 16 gegenüber der Spannung aa Anschluss 15 festgehalten. Der Durchbruchspunkt der Diode 22 ist bei 35 in der Ü-I-Kurre 30 der Figur 2 gezeigt. Vor dem Durchbruch der Diode 22 ist die Emitterspannung des Transistors 16 hauptsächlich durch die Diode 24 bestimmt und im wesentlichen konstant. Hach dem Durchbruch der Diode 22 können Jedooh Änderungen der Eingangsspannung V_a nicht aehr über der Diode 22 auftreten und müssen daher entsprechende Änderungen des Spannungsabfalls V_e am Widerstand 17 verursachen. Als Ergebnis hieraus ändert sioh die Torspannung des Transistors 16, wenn die Elngangsepannung V_ft auf einen Wert ansteigt, bei dem bei beiden Dioden 22 und 24 ein Durohbruch auftritt.

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Ein Anstieg der Eingangsepannung V. hat damit ein Anwachsen des Spannungsabfalls V_ß über de* Widerstand 17 zur Folge. Damit Terringert sich die tatsächliche Eraitterbasisvorspannung des Transistors 16_tund der dei Transistor 10 sugoführte Basistrom wird ua einen entsprechenden Betrag Terringert· Mit anderen vtorten, die Dioden 22 und 24 wirken als Spannungsrergleicheanordnung» da sie but Veraiiiderung der Snitterbasis-Torepannong des Transistors 16 bei anwachsender BIngangsspannung ?_a gegeneinander arbeiten· Binse wirkungsweise besteht so lange» bis dl· EmitterbeSis-Torepannung des Transistors*16 su lull geworden 1st und nur noch der Leckstrom duroh den Transistor 16 fließt. Dieser Punkt 1st in der U-I-Kurr· 30 der ?igur 2 uit der Ziffer 37 beseiohnet· Oer Bereioh 36 negativen Widerstands liegt also zwischen den Punkten 35 und 57 der U-I-Kurre 30. Da der 0«samtemitterbasisBpannungsabfall des Transistors 16 relatiT klein ist (normalerweise O₉OS - 1 ToIt) 1st die ^Eigenschaft de8 negfttiTen Ifiderstandes sehr stark ausgeprägt. Dieser Spannungsabfall 1st etwa gleich T_n In Figur 2 und veranschaulicht einen starken Stromabfall.bei einem kleinen Spannungesuwachs. Mit anderen ./orten, der Wert des negatlTcn Widerstandes ist sehr klslm.

Sr berechnet sioh aus der Formel

(1) H_n V - kT mit

(B_t+1) ¹

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k « Boltemann-Konatante T ■ absolute Temperatur B₁ * Stromverstärkung des Translators IO

(Emittergrundsohaltung) •C-2 * Stromverstärkung des Transistors 16

(Baa isgrun&sehaltüng) ς « elektrische Einheitaladung . I_e * Emitterstroa des Transistors 10·

Vie bereits erwähnt» pSehte aaa sei vielen Anwendungen den wert des negativen Widerstandes, den die Sohaltung bietet» verändern. Uns Abwandlung der ryflndanggeaässsa Sohaltung, bei der sine Änderung 4*je »egltiven VUerstandee möglich ist, 1st in Vigor 5 dargeeWUt, wobei tut satsprechende Sohalteleaente die glelohen Beeugsaiffern Terwendet. sind. Hier ist der rtlderatand 17 duroh ein Potentiometer 37 eraetst» deaaen eines Sade an der Klemme 1^ und dessen anderes Xade an der Diode 22 liegt. Der Sftitter dea Transistors 16 1st alt dta Abzweigpunkt des Potentloaetors 97 verbunden. Bei dieser inorftneag 1st die laAeruag der Spannung T₀₉ die dea Äeitter dea Translators 16 naoh dea Durohbruoh der Diode 22 angeführt wird» nur «in Bruchteil der gesaaten an den Xleaasn 13 und 15 anliegenden Spannung. Biss·' Bruchteil bestlaat sioh nun aus der Eine teilung dee Asweigptiflrteedeietentioaetere 37· Damit ist der Bereich T_n des negativen understands (Hgur 2) und der.wert des negativen Widerstandes B_n , -

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den die Gleichung 1 liefert, direkt proportional dea Verhältnis des Sesamtwiderstandes P dee Potentiometers 37 zuderAbsweigungE zwischen der Klemme 13 und dea Emitter des Iransietors 16« Die hiermit Yerbundene Vergrößerung des negativen Widerstandes ist durch die Abschnitte 36a, 36b und 36c der U-I-Kurve 30 der Figur 2 dargestellt und läßt sich durch die Gleichung ausdrücken:

(2) R_n **

( H J

^ + 1) «*2 q*e

Hiermit ist eine bequeme Anordnung zur Veränderung des Wertes des negativen Widerstandes BL von einea niedrigen Wert (wenige Millioha) bis su unendlich großen Werten gegeben.

Wenn auch die beschriebene Sohaltung nur zwei Anschlüsse hat, so ist sie nicht hierauf begrenzt. Beispielsweise kann eine oder auoh beide der Dioden 22 und 24 auf ein Bezugspotential statt zu den Klemmen 13 und 15 geführt e«in. Damit erhält nan eine bequeme Möglichkeit, die 8paan*a# einzustellen! bei der der Diodtndurehbrucn auftritt» unabhängig von der Spannung, die der Last 12 den Stroa zuführt. Weiterhin kann ein Ende der Last 12 entweder mit dem Kollektor oder dem Emitter des Transistors 10 verbunden sein, während ihr anderes Ende an ein.

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Beaugspotential geführt iat. Ein solches Bezugepotential kann auch an den Klemmen 13 oder 15 liegen. Sie letst· Anordnung ist beispielsweise zweokaäesig, wenn die erfindungsgenäese Schaltung bei der Lichtmaschine eines. Kraftfahrzeugs benutzt wird.

Bine Abwandlung ier soeben beschriebenen Schaltung mit drei Anechlüsaen ist in figur 4 dargestellt, wobei ebenfalls die gleichen Bezugeziffern für entsprechende Elemente in den figuren 1 und 3 verwendet sind. Bin Ende der Durchbruchsdiode 22.ist an einen zusätzlichen Anschluss 45 statt an die Kieme 15 geführt. Damit kann die Bezugsspannung unabhängig τοη der an den Kienen 13 und 15 liegenden Spannung tür Bestimmung des Dorohbruchspunktes der Diode 22 gewählt werden, so daß dl· Lage des Punktes 35 auf der U-I-Kurre 30 der figur 2 gewählt werdenkann, bei der der negatlre Wideretand beginnt.

Sine weitere Abwandlung der erfindungsgeaässen Schaltung, bei der der Translator 16,der Widerstand 19 und die Durchbruchsdiode 24 durch einen Feldeffekttransistor ersetzt sind, ist in figur 5 dargestellt. Dieser Austausch ist deshalb möglich, weil ein feldeffekttransistor von Haus aus strombegrenzend wirkt, wenn er jenseits des Knickpunkte a Torgespannt wird. In der Schaltung 5 zeigt der feldeffekttoransletor die duroh die Abschnitte 32 und ' 34 der U-I-Iurve .30 der figur 2 dargestellte Eigenschaft, wobei dor Abschnitt 34 Torliegt, wenn die Spannung ?_a über den Knickwert steigt. Die Quellelektrode de* feldeffektttanaietors 50 ist mit einem Ende des

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Widerstandes 17 und seiner Senke mit der Basis des

Transistors 10 verbunden. Das Gatter des Feldeffekttransistors 50 liegt direkt as Aneohlues 13» JA· Durchbruchdiode 22 liegt zwischen der Quelle des Feldeffektträneistor· $0 und der Hemme 15 eatsprechend den' anderen Ausführungeforaen. Wenn die Singungsepannung -?_a auf einen Wert steigt, bei dea ein Durchbruoh der Diode 22 eintritt» lassen- sioh negative Widerstände, wie sie duroh die Kurvenabsohnitte 35 bis 36o in der U-I-Kurve 50 der figur 2 dargestellt sind, erreichen. Der Widerstand 37 kann auch daran das Potentiometer 37 entsprechend figur 3 ersetet werden. Zahlreiche ander· Abwandlungen sind ebenso bei der Schaltung nach figur 5 fttfgliah·

wegen der Einfachheit der beschriebenen 8ohaltungeausführungen, dl· lediglich Halbleiter und fiderst änie als Bauelement* teats·»_; 'lassen niete vollständig« negative Widerstand^ äf? bet«ejrttbc»»M Art in Bonolithlsoher und anderer integriertos Schaltungsttchnik herstellen,und «war in Oehausen, die nicht gröeser/als diejenigen üblioher Leietungetransistoren. Sie srfindungsgemassen Sohaltungea verarbeiten ausserordentlich hon· Ströne ( «ehr als 1 Aepere ) und können alt einfachen Mitteln xür Einstellung de· Werte· des negativen Widerstand·· sülsohsn wenigen Milliohe bis «u uneniUoh greleei Widerstand ausgsrUstet werden.

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Claims (1)

1. Motorola, Inc. ^f 23. September 1965

   Franklin Park, 111. USA ffel/Pk - 2668

   PATENTANSPRÜCHE

   Elektronischer Stromregler mit einem Ausgangstransistor, der in Reihe mit einer Laet Bwisohen Spannungeklemmen geschaltet 1st und mit einer SpannungBvergleiohseohaltung, die «wischen die Spannungsklemmen und die Basis dee Traneistore geschaltet ist, dadurch gekennselohnet, daß die SpannungsTergleiohseohaltung eine Zenerdiode (24) in Reihenschaltung mit einem Widerstand (19) umfaßt, der durch die Reihenschaltung eines weiteren Widerstandes (17, 37) und einer weiteren Senerdiode (22) überbrückt let und daß der Ausgangetraneietor (10) durch einen weiteren Traneistor (16),der mit der Basis dee Ausgangetransietore (10) und sugehörigen Widerständen (17, 19; 57, 19) Tertenden let» gesteuert wird.

   2« Ilektronisoher Spannungsregler nach Anspraoh 1, daduroh gekennselohnet, daß der weitere Widerstand (37) über eine reränderbexe Ansapfung mit des weiteren Transietor 16 rerbunden let.

   3. Stromregler nach Anspruch 1» dadurch gekexmseloh- - net, daS die weitere Diode (22) durch eine besondere Spannung τοrgespannt wird.

   2 BAD GnIOiKAL

   €0§Ι21/Ο~366~

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   4. Elektronischer Stromregler mit einem in Reih· alt einer Last swieohen Spannungeanschlüeeen geeehalteten Auagangstraneietor und alt einer ewieohen den . Spannungeanechlüeeen und der BmI* dee francistor· geeohalteten Spannungererfleiobeeehaltung, dmduroh gekennseiohnet, daß die 8»nwin<*Tergl«iehieohaltuni einen in Reihe mit einer liaerdiode (22) g«eoA4lteten Vidaretand (17) tatfain "υφ SeJB.·,*·> traneietor (10) dujroh einen
   (50) steuerbar 1st, deaien K*nml swisehen die dee AuBgangBtraneistors untt die 7erbinduag de* Widerstandes 17 mit^der ' ft»nerdio4e 22 geeohaltet ist und deaeea Satter an die Spannungeneaae geBehaltet iat.

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