-
Schaltung zur Begrenzung hoher Gleichspannungen Bei Konstantstromquellen
oder Gleichspanriungsquellen mit hohem Innenwiderstand, die z.B. zur Fernstromversorgung
von Nachrichtenübertragungsstrecken mit Transistorverstärkern verwendet werden,
nimmt die Ausgangsspannung bei plötzlicher Vergrößerung des Lastwiderstandes sehr
hohe Werte an. Diese Störung kann z.13. bei Streckenunterbrechung auftreten und
dazu führen, daß die zum Schutz vorgesehenen Überspannunggableiter zünden. Es ist
bereits bekannt, die Ausgangsspannung in einfacher ileise durch Zenerdioden zu begrenzen.
Das Ansprechen von Überspannungsablei tern könnte auf diese 'Neise verhindert werden.
-
Zur i3egrenzung hoher Gleichspannungen in der Größenordnung von 102
bis 103 V müssen mehrere Zenerdioden in Reihenschaltung verwendet werden.
Je größer die Summen- bz-yv. Zenerspannung eitler Kette von Zenerdioden gewählt
wird, umso stärker treten Zenerspannungstoleranzen der Zenerdioden, ihr Temperaturgang
sowie ihr dynamischer Innenwiderstand nachteilig in Erscheinung. Diese Abhängigkeit
hat zur Folge, daß ein enger Toleranzbereich von nur wenigen Prozenten bei hohen
Summenzenerspannungen UZ ohne zusätzliche Maßnahmen nicht eingehalten werden kann.
-
Die Oummenzeilerspannung UZ einer Serienschaltung von Zenerdioden
kann ebenso wie die Zenerspannung jeder einzelnen Diode der Hintereinanderschaltung
in einem Streubereich um ±10y schwanken. Da hohe Grenzspannungswerte im allgemeinen
enger toleriert sind, muß eine entsprechende Zenerdiodenkette auch Dioden niederer
Zenerspannung zusät";li<::,L enthalten, damit sie bei einem bestimmten
Zenerstrom
auf die gewünschte Grenzspannung UZ abgeglichen werden kann. Anderenfalls müs:;en
ausgesuchte Dioden verwendet werden.
-
In einer Zenerdiodenkette für hohe Grenzspannungswerte UZ, z.13. 5uU
V, werden zweckmäßig Dioden mit möglichst hoher Zenerspannung (z.13. 150
V) eingesetzt, damit die Anzahl der hintereinandergeschalteten Dioden gering bleibt.
Mit zunehmendem Zenerspannungswert der Dioden steigt jedoch auch deren Temperaturkoeffizient
an, so daß im Mittel mit einem Temperaturkoeffizienten von +1U 3/°C gerechnet werden
muß. Damit ergibt sich z.B. für UZ = 500 V bei einer Erhöhung der Umgebungstemperatur
von ät = 400C eine Erhöhung des Grenzwertes um UZ#At.10-3 = 500#4U#10-3 = 20 V,
wenn man den gleichen Wert des Zenerstromes zugrunde legt, bei dem die Serienschaltung
abgeglichen worden ist.
-
Dieser Nachteil läßt sich vermeiden, wenn man entweder die Kette mittels
eines Thermistaten auf konstanter Temperatur hält oder viele Dioden niederer Zenerspannung
(z.B. ö V-Dioden) verwendet, die im Mittel einen wesentlich kleineren Temperaturgang
haben.
-
Bei einer Reihenschaltung von Zenerdioden ergibt sich dadurch, daß
sich die dynamischen Innenwiderstände der einzelnen Dioden addieren und in der Summe
einen beachtlichen Wert ergeben, ein weiterer Nachteil. Ein Anstieg des Zenerstromes
über mehr als eine Größenanordnung, der z.13. bei zu hochohmigem Abschluß einer
mit einer Zenerdiodenkette zur Spannungsbegrenzung beschalteten Konstantstromquelle
auftreten kann, bewirkt deshalb eine erhebliche Erhöhung der Zenerspannung UZ der
Kette.
-
Gemäß der Erfindung werden diese Nachteile mit einem relativ geringen
Aufwand dadurch vermieden, daß in Abhängigkeit von der Spannungserhöhung an der
Zenerdioodenkette über den Sollwert
hinaus ein elektronisch gesteuerter
NebenschluB zu einem 'feil der Zenerdiodenkette gebildet wird, indem die Kollektorßmitterstrecke
eines vom Sperrzuotand auf Verstärkerbetrieb übergehenden Transistors einer oder
mehreren Zenerdioden parallel geschaltet ist. Anstelle einer Diodenkette kann gegebenenfalls
auch eine einzige Zenerdiode entsprechender Zenerspannung verwendet werden. Der
durch den in Verstärkerbetrieb arbeitenden Transistor gebildete Nebenechluß entlastet
die 1jeshuntete Zenerdiode von einem Teil des Stromes in der Zenerdiodenkette, wodurch
deren Zenerspannung absinkt, wenn die Summenzenerspannung über den Sollwert hinaus
ansteigen will. Gemäß einer Veiterbildung der Erfindung wird der den Nebenschluß
bildende Transistor mit Hilfe eines zweiten Transistors gesteuert, der seinerseits
die Steuerspannung von der Brückendiagonale einer aus zwei Spannungsteilern bestehenden
13rückenvergleichsschaltung bezieht, der die Zenerdiodenkette parallel geschaltet
ist.
-
Der Nebenschlußtransistor kann in einer vereinfacht ausgeführten Schaltung
auch unmittelbar von einem der Zenerdiodenkette parallel geschalteten Spannungsteiler
gesteuert werden.
-
Eine weitere, besonders vorteilhafte Schaltung mit größerer Regelgenauigkeit
wird durch Anwendung eines mit dem Nebenschlußtransistor in Verbund geschalteten
Transistor erhalten, der von einem der Zenerdiodenkette parallel geschalteten Spannungsteiler
gesteuert wird. Zur weiteren Verbesserung der Regelgenauiglez.t der Schaltung können
in einem Zweig des Spannungsteilers eine oder mehrere Zenerdioden verwendet werden.
-
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Figuren 1 bis
3 näher erläutert.
-
In Fig.1 ist eine Spannungsbegrenzerschaltung dargestellt, in
der
die Zenerdiodenkette mit einer Brückenvergleichsschaltung kombiniert ist. Die Spannungsquelle
mit hochohmigem Widerstand, deren Ausgangsspannung bei plötzlicher Änderung des
Lastwiderstandes RL begrenzt werden soll, ist mit E bzw. Ri bezeichnet. Bei hohen
Betriebsspannungen, z.B. 500 V, ist eine Reihenschaltung von mehreren Zenerdioden
Z1 bis Zn erforderlich. Die Diodenkette liegt parallel zum Lastwiderstand R L.
-
Die Brückenvergleichsschaltung besteht aus zwei Spannungsteilern mit
den Widerständen R1 und R2 bzw. R3 und R4 in Reihe mit einer Zenerdiode ZB, und
aus einem Transistor, dessen Steuerkreis in der Brückendiagonale liegt. Die Zenerdiode
ZB dient der Erzeugung einer festen Bezugsspannung: Ihr dynamischer Innenwiderstand
soll möglichst gering sein. Die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors T1 bildet
einen 8teuerba'ren Parallelwiderstand zum Widerstand R3 des zweiten Spannungsteilers
der Brückenschaltung. Dieser Spannungsteiler ZB, R3 und 114 bestimmt gleichzeitig
die Basisspannung eines weiteren Transistors T2, dessen Emitter-Kollektorstrecke
einen steuerbaren Nebenschluß zu einem Teil (Z3) der Zenerdiodenkette bildet. Die
Begrenzerschaltung ist so bemessen, daß bis zur Zener-Einsatzspannung, die bei kleinem
Querstrom über die Zenerdiodenkette auf den gewünschten Wert UZ abgeglichen wird,
der Transistor `1 '1 sperrt.. In diesem Zustand ist die Basis des npn-Transistors
T2 so stark negativ, daß der Transistor gesperrt ist. Der von der Kollektor-Lmitterstrecke
des Transistors T2 gebildete Nebenschluß ist dabei so hochohmig, daß die Zenerdiode
Z2_ zunächst voll wirksam ist. Will die Summenzenerspannung der Kette infolge der
Temperaturabhängigkeit der Dioden oder infolge eines größeren Zenerstromes über
die Einsatzspannung UZ hinaus ansteigen, so wird der Transistor T1 leitend und der
Widerstand R3 niederohmig überbrückt. DracIurcli wird das Basispotential des Transistors
T2 angehoben, 3o daß er ebenfalls leitend vjird. Es entsteht ein wirksamer Nebenschluß
zur Zenerdiode Z2, so daß die Spannung an dieser Zenerdiode
soweit
absinkt, daß die Gesamtspannung der Kette nahezu auf dem Einsatzwert UZ bleibt.
Auf diese Weise wird die Zener Spannung der Kette auf einen nahezu kon;; tanten
Wert geregelt, wobei die Regelgenauigkeit durch die Bemessung der Brückenvergleichsschaltung
bzw. die Stromverstärkung der verwendeten Transistoren gegeben ist. Innerhalb des
Arbeitsbereiches der Schaltung wird bei konstanter Umgebungstemperatur ohne weiteres
eine Regelgenauigkeit von E21 erreicht.
-
Der Arbeitsbereich der Schaltung ist durch die maximale Sperrspannung
der Transistoren bestimmt, die den Nebenschluß zu einem Teil der Zenerdiodenkette
bilden. Er läßt sich beliebig erweitern, wenn die Begrenzerschaltung durch weitere
Transistorpaare sinngemäß ergänzt wird. Übersteigt die durch den inneren Widerstand
und den Temperaturgang der Zenerdioden gegebene Erhöhung der Summenzenerspannung
die Einsatzspannung um Werte, die größer als der Arbeitsbereich der iegelsdnltung
sind, so tritt nur die Differenz nachteilig in Erscheinung. Line weitere, besonders
vorteilhafte Begrenzerochaltung ist in Fig. 2 dargestellt. Soweit diese Schaltung
mit derjenigen nach Fig.l übereinstimmt, -sind gleiche üezugozeichen verwendet.
Die Begrenzerschaltung besteht hier aus einem Spannungsteiler, der von den Widerständen
RIO bis R12 und den Zenerdioden ZT gebildet wird, und zwei npn-Transistoren T3 und
T4, die in Verbund geschaltet sind. Der Transistor `L'3, dessen Basis mit dem Spannungsteiler
verbunden ist, wird bei steigender Ausgangsspannung leitend gesteuert. Die Kollektor-Emitterstrecke
des nachfolgenden Transistors T4 bildet dann einen Nebenschlul3 zur Zenerdiode Z2,
wodurch die Spannung an Z2 und damit an der ganzen Diodenkette reduziert wird.
-
Sowohl die Verwendung eines Verbundtransistors T3 als auch die ELnschaltung
einer oder mehrerer Zenerdioden ZT in den Spannungsteiler dienen der Verbesserung
der Regelgenauigkeit.
Jede dieser biUnahmen kann auch allein zur
Anwendung kommen. Zur b;rzielurig einer möglich. st genauen ;i teuerung des Nebenschlusses
wird für die im Steuerkreis der Verbundtransistoren liegende Zenerdiode Z1 ein möglichst
niedriger dynamischer Innenwiderstand gefordert. Anstelle der Zenerdiode Z1 kann
mit gleichem VorteiL eine Diode mit niedrigem Durchlaßwiderstand in Durchlaßrichtung
eingesetzt werden.
-
Anhand der Fig.3 wird der Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen
Begrenzerschaltung B erläutert. Die Schaltung nach Fig.3 zeigt, daß die Begrenzerschaltung
B nur dann ansprechen kann, wenn die Spannung des Generators E größer ist als die
Einsatzspannung UZ. Wenn der Lastwiderstand RZ einen bestimmten Wert überschreitet,
wird die Ausgangsspannung UZ in ihrer Höhe auf die Spannung UZ begrenzt, wobei die
Differenzspannung E-UZ = (JZ+JZ).Ri am Innenwiderstand Ri abfällt. Die Spannungsbegrenzungsschaltung
mit der beschriebenen Schaltung läßt sich also bei allen Spannungsquellen durchführen,
bei denen die auftretende Differenzspannung E-UZ an ihrem Innenwiderstand abfallen
kann, ohne daß dabei die Zenerdioden überbeansprucht werden. Da Konstantstromgeräte
als Spannungsquellen mit großem Innenwiderstand aufgefaßt werden können, kann die
Begrenzerschaltung vorteilhaft in solchen Geräten eingesetzt werden.