DE1513491C - Schaltung zur Begrenzung hoher Gleichspannungen - Google Patents
Schaltung zur Begrenzung hoher GleichspannungenInfo
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Description
Bei Konstantstrotnquellen oder Gleichspannungsquellen 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. B. bei Streckenunterbrechung auftreten und dazu führen, daß die zum Schutz
vorgesehenen Überspannungsableiter zünden.
Es ist bereits bekannt, die Ausgangsspannung in einfacher Weise durch Z-Dioden zu begrenzen. Das
Ansprechen von Überspannungsableitern könnte auf diese Weise verhindert werden.
Zur Begrenzung hoher Gleichspannungen in der Größenordnung von 102 bis 103 V müssen mehrere
Z-Dioden in Reihenschaltung verwendet werden. Je größer die Summen- bzw. Zenerspannung einer Kette
von Z-Dioden gewählt wird, um so stärker treten Zenerspannungstoleranzen der Z-Dioden, 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
U1 ohne zusätzliche Maßnahmen nicht eingehalten werden kann.
Die Summenzenerspannung U1 einer Serienschaltung
von Z-Dioden kann ebenso wie die Zenerspannung jeder einzelnen Diode der Hintereinanderschaltung
in einem Streubereich um ± 10°/o schwanken. Da hohe Grenzspannungswerte im allgemeinen
enger toleriert sind, muß eine entsprechende Z-Diodenkette auch Dioden niederer Zenerspannung
zusätzlich enthalten, damit sie bei einem bestimmten Zenerstrom auf die gewünschte Grenzspannung U2
abgeglichen werden kann. Anderenfalls müssen ausgesuchte Dioden verwendet werden.
In einer Z-Diodenkette für hohe Grenzspannungswerte U1, z. B. 500 V, werden zweckmäßig Dioden
mit möglichst hoher Zenerspannung (z. B. 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 +10~3/oC gerechnet
werden muß. Damit ergibt sich z. B. für U1 = 500 V bei einer Erhöhung der Umgebungstemperatur
von At = 40° C eine Erhöhung des Grenzwertes um
U1-At-10-3 = 500 ·40 · 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 Thermostaten auf
konstanter Temperatur hält oder viele Dioden niederer Zenerspannung (z. B. 6-V-Dioden) verwendet,
die im Mittel einen wesentlich kleineren Temperaturgang haben.
Bei einer Reihenschaltung von Z-Dioden 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 Größenordnung, der z. B. bei zu hochohmigem
Abschluß einer mit einer Z-Diodenkette zur Spannungsbegrenzung beschalteten Konstantstromquelle
auftreten kann, bewirkt deshalb ,eine erheb- ' liehe Erhöhung der Zenerspannung Üz der Kette.
Gemäß der Erfindung werden diese Nachteile mit einem relativ geringen Aufwand dadurch vermieden,
daß in Abhängigkeit von der Spannungserhöhung an der Z-Diodenkette über den Sollwert hinaus ein elektronisch
gesteuerter Nebenschluß zu einem Teil der Z-Diodenkette gebildet wird, indem die Kollektor-Emitter-Strecke
eines vom Sperrzustand auf Verstärkerbetrieb übergehenden Transistors einer Z-Diode
oder mehreren Z-Dioden parallel geschaltet ist.
An Stelle einer Diodenkette kann gegebenenfalls auch eine einzige Z-Diode entsprechender Zenerspannung
verwendet werden. Der durch den in Verstärkerbetrieb arbeitenden Transistor gebildete
Nebenschluß entlastet die geshuntete Z-Diode von einem Teil des Stromes in der Z-Diodenkette, wodurch
deren Zenerspannung absinkt, wenn die Summenzenerspannung über den Sollwert hinaus ansteigen
will.
Gemäß einer Weiterbildung 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 Brückenvergleichsschaltung bezieht, der die Z-Diodenkette parallel
geschaltet ist.
Der Nebenschlußtransistor kann in einer vereinfacht ausgeführten Schaltung auch unmittelbar von
einem der Z-Diodenkette parallelgeschalteten 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
Z-Diodenkette parallelgeschalteten Spannungsteiler gesteuert wird. Zur weiteren Verbesserung der Regelgenauigkeit
der Schaltung können in einem Zweig des Spannungsteilers eine oder mehrere Z-Dioden
verwendet werden.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der F i g. 1 bis 3 näher erläutert.
In F i g. 1 ist eine Spannungsbegrenzerschaltung dargestellt, in der die Z-Diodenkette mit einer Brükkenvergleichsschaltung
kombiniert ist. Die Spannungsquelle mit hochohmigem Widerstand, deren Ausgangsspannung bei plötzlicher Änderung des
Lastwiderstandes RL begrenzt werden soll, ist mit
E, Ri bezeichnet. Bei hohen Betriebsspannungen, z. B. 500 V, ist eine Reihenschaltung von mehreren
Z-Dioden Zl bis Zn erforderlich. Die Diodenkette liegt parallel zum Lastwiderstand RL.
Die Brückenvergleichsschaltung besteht aus zwei Spannungsteilern mit den Widerständen R1 und R 2
bzw. RT) und R4 in Reihe mit einer Z-Diode ZB
und aus einem Transistor, dessen Steuerkreis in der Brückendiagonale liegt. Die Z-Diode ZB dient der
Erzeugung einer festen Bezugsspannung. Ihr dynamischer Innenwiderstand soll möglichst gering sein.
Die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Tl bildet einen steuerbaren Parallelwiderstand zum
Widerstand R3 des zweiten Spannungsteilers der Brückenschaltung. Dieser Spannungsteiler ZB, R3
und R 4 bestimmt gleichzeitig die Basisspannung eines weiteren Transistors Γ 2, dessen Emitter-Kollektor-Strecke
einen steuerbaren Nebenschluß zu einem Teil (Z 2) der Z-Diodenkette bildet. Die Begrenzerschaltung
ist so bemessen, daß bis zur Zener-
Einsatzspannung, die bei kleinem Querstrom über die Z-Diodenkette auf den gewünschten Wert U2
abgeglichen wird, der Transistor Tl sperrt. In diesem Zustand ist die Basis des npn-Transistors Γ2 so stark
negativ, daß der Transistor gesperrt ist. Der von der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Tl gebildete
Nebenschluß ist dabei so hochohmig, daß die Z-Diode Z 2 zunächst voll wirksam ist. Will die
Summenzenerspannung der Kette infolge der Temperaturabhängigkeit der Dioden oder infolge eines
größeren Zenerstromes über die Einsatzspannung U2
hinaus ansteigen, so wird der Transistor Π leitend und der Widerstand R.3 niederohmig überbrückt.
Dadurch wird das Basispotential des Transistors Tl angehoben, so daß er ebenfalls leitend wird. Es entsteht
ein wirksamer Nebenschluß zur Z-Diode Zl, so daß die Spannung an dieser Z-Diode so weit absinkt,
daß die Gesamtspannung der Kette nahezu auf dem Einsatzwert U2 bleibt. Auf diese Weise wird
die Zenerspannung der Kette auf einen nahezu konstanten 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 ± 2 % erreicht.
Der Arbeitsbereich der Schaltung ist durch die maximale Sperrspannung der Transistoren bestimmt,
die den Nebenschluß zu einem Teil der Z-Diodenkette 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 Z-Dioden gegebene Erhöhung der Summenzenerspannung
die Einsatzspannung um Werte, die größer als der Arbeitsbereich der Regelschaltung sind, so
tritt nur die Differenz nachteilig in Erscheinung.
Eine weitere, besonders vorteilhafte Begrenzerschaliung
ist in F i g. 2 dargestellt. Soweit diese Schaltung mit derjenigen nach F i g. 1 übereinstimmt, sind
gleiche Bezugszeichen verwendet. Die Begrenzerschaltung besteht hier aus einem Spannungsteiler, der
von den Widerständen R10 bis R12 und den
Z-Dioden ZT gebildet wird, und zwei npn-Transistoren
Γ 3 und Γ 4, die in Verbund geschaltet sind. Der Transistor Γ 3, dessen Basis mit dem Spannungsteiler
verbunden ist, wird bei steigender Ausgangsspannung leitend gesteuert. Die Kollektor-Emitter-Strecke
des nachfolgenden Transistors Γ 4 bildet dann einen Nebenschluß zur Z-Diode Z 2, wodurch
die Spannung an Zl und damit an der ganzen Diodenkette reduziert wird.
Sowohl die Verwendung eines Verbundtransistors T 3 als auch die Einschaltung einer oder mehrerer
Z-Dioden Z7- in den Spannungsteiler dienen der Verbesserung
der Regelgenauigkeit. Jede dieser Maßnahmen kann auch allein zur Anwendung kommen.
Zur Erzielung einer möglichst genauen Steuerung des Nebenschlusses wird für die im Steuerkreis der
Verbundtransistoren liegende Z-Diode Zl ein möglichst niedriger dynamischer Innenwiderstand gefordert.
An Stelle der Z-Diode Zl kann mit gleichem Vorteil eine Diode mit niedrigem Durchlaßwiderstand
in Durchlaßrichtung eingesetzt werden.
An Hand der F i g. 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 EZ2- Wenn der Lastwiderstand RL
einen bestimmten Wert überschreitet, wird die Ausgangsspannung UL in ihrer Höhe auf die Spannung
U2 begrenzt, wobei die Differenzspannung
E-U2 = (J2+ J1)-Ri
am Innenwiderstand Ri abfällt. Die Spannungsbegrenzerschaltung
mit der beschriebenen Schaltung läßt sich also bei allen Spannungsquellen durchführen,
bei denen die auftretende Differenzspannung E-U2 an ihrem Innenwiderstand abfallen kann,
ohne daß dabei die Z-Dioden überbeansprucht werden. Die Konstantstromgeräte als Spannungsquellen mit
großem Innenwiderstand aufgefaßt werden können,
ao kann die Begrenzerschaltung vorteilhaft in solchen
Geräten eingesetzt werden.
Claims (6)
1. Schaltung zur Begrenzung hoher Gleichspannungen unter Verwendung von einzelnen
oder einer Reihenschaltung von mehreren Z-Dioden, die in Sperrichtung parallel zur Spannungsquelle
angeordnet sind, dadurch g e kennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der Spannungserhöhung an der Z-Diodenkette über
den Sollwert hinaus ein elektronisch gesteuerter Nebenschluß zu einem Teil der Z-Diodenkette
gebildet ist, indem die Kollektor-Emitter-Strecke eines vom Sperrzustand auf Verstärkerbetrieb
übergehenden Transistors (Γ2) einer Z-Diode (Z 2) oder mehreren Z-Dioden parallel geschaltet
ist (Fig. 1).
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der den Nebenschluß bildende
Transistor (Tl) mittels eines zweiten Transistors (T 1) gesteuert ist, dessen Steuerspannung von der
Brückendiagonale einer aus zwei Spannungsteilern bestehenden, dei Z-Diodenkett©(Zl-Zn)
parallelgeschalteten Brückenvergleichsschaltung abgeleitet ist (F i g. 1).
3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenschlußtransistor
(Γ4) unmittelbar von einem zur Z-Diodenkette parallelgeschalteten Spannungsteiler (R 10, R11,
R12, Z7-) gesteuert ist (F i g. 2).
4. Schaltung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem Nebenschlußtransistor
(Γ4) in Verbund geschalteter Transistor (Γ3) vorgesehen ist, der von einem der
Z-Diodenkette parallelgeschalteten Spannungsteiler gesteuert ist (F i g. 2).
5. Schaltung nach Anspruch 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Zweig des
Spannungsteilers eine oder mehrere Z-Dioden (Z3-) eingeschaltet sind (F i g. 2).
6. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Z-Diodenkette mehrere Nebenschlußtransistoren parallel geschaltet sind.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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