DE1538420C - Elektronische Regeleinrichtung - Google Patents
Elektronische RegeleinrichtungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Regeleinrichtung zur Erzeugung einer konstanten
Gleichspannung und/oder eines konstanten Gleichstromes, die einen elektronischen Regelverstärker, insbesondere
einen Transistorverstärker in Emitterschaltung, enthält, der eine der konstanten Gleichspannung
oder dem konstanten Gleichstrom proportionale Spannung mit einer Referenzspannung vergleicht.
Diese Art von Regeleinrichtungen wird häufig zur Energieversorgung in hochempfindlichen elektronischen
Meß- und Steuergeräten verwendet. Wie aus dem Buch von S. W. W a g η e r , »Stromversorgung
elektronischer Schaltungen und Geräte«, Hamburg, 1964. Kapitel 7; den Zeitschriften »Control !Engineering».
März 1957, S. 107 und 108; »Elektrie«, 1963, Heft 8, S. 250, und »Schweizerische Technische Zeitschrift
(STZK 24. 1. 1963, S. 51, sowie der USA.-Patentschrift
2 693 572 bekannt ist, sind mehrere verschiedene Schaltungsarten solcher Regelschaltungen
möglich. Ihre Wirkungsweise beruht darauf, daß zwischen den Verbraucher und die aus dem Wechselstromnetz
gewonnene ungeregelte Gleichspannung ein elektronisch steuerbarer Widerstand geschaltet wird,
der so gesteuert wird, daß bei Erhöhung oder Erniedrigung der ungeregelten Spannung die an dem
steuerbaren Widerstand abfallende Spannung gleich der Änderung der ungeregelten Spannung ist, so daß
die Spannung am Verbraucher, die sogenannte geregelte Spannung, konstant bleibt. Diese Art von
elektronischen- Regeleinrichtungen bezeichnet man als Serienregeleinrichtung, da der steuerbare Widerstand
in Reihe mit dem Verbraucher geschaltet ist.
Bei einer zweiten Art von Regeleinrichtungen liegt der steuerbare Widerstand über einen Vorwiderstand
parallel zum Verbraucher. Der steuerbare Widerstand wird in Abhängigkeit von der sich ändernden un-
re — Ke —
R3Rr
R3- Rr
. geregelten Spannung so gesteuert, daß ebenfalls die Spannung am Verbraucher konstant bleibt. Diese Art
von Regeleinrichtungen wird als Parallel-Regeleinrichtung bezeichnet.
Beiden Arten von Regeleinrichtungen ist jedoch gemeinsam, daß sie eine Referenzspannungsquelle enthalten,
deren zeitliche Konstanz in die Konstanz der konstant zu haltenden Spannung oder des konstant
zu haltenden Stromes eingeht. Als Referenzspannungsquellen wurden bisher meist Z-Dioden oder Z-Diodenkombinationen
verwendet, wie aus der Zeitschrift »Radio Mentor«, März 1959, S. 164 und'165, sowie der
bereits genannten Zeitschrift »STZ« bekannt, ist. Die Referenzspannung wird in einem Regelverstärker mit
einer der geregelten Spannung oder dem geregelten Strom proportionalen Spannung verglichen. Der Ausgang
dieses Regelverstärkers steuert den genannten steuerbaren Widerstand. Der Regelverstärker kann als
mehrstufiger Gleichspannungsverstärker ausgeführt sein, jedoch ist die erste Stufe immer mit der Referenzspannung
verbunden, meist in der Weise, daß beispielsweise der Kathode einer Röhre oder dem Emitter eines
Transistors die Referenzspannung zugeführt wird, während am Gitter der Röhre oder an der Basis des
Transistors die genannte proportionale Spannung liegt. Die Funktion von Gitter und Kathode bzw.
Basis und Emitter sind vertauschbar.
Zur Bewertung der Regeleigenschaften einer elektronischen Regeleinrichtung kann der sogenannte
Regelfaktor α dienen, der angibt, wie stark die Schwankungen der ungeregelten Spannung sich auf die geregelte
Spannung übertragen.
Beispielsweise ergibt sich beim erwähnten Regelverstärker mit einem Transistor, wobei die Referenzspannung
dem Emitter und die der geregelten Spannung proportionale Spannung der Basis zugeführt wird, für
den Regelfaktor α die folgende Beziehung:
^ *r)(1 - x)
R1- Rs
. Rr _ \
R3- Rr I
In dieser Beziehung haben die einzelnen Bezeichnungen folgende Bedeutung:
λ = Stromverstärkungsfaktör des Transistors in Basisschaltung;
rs = Basisbahnwiderstand des Transistors (vgl.
DlN 41854);
re = Emitterbahnwiderstand des Transistors
(vgl. DIN 41854);
Rx.R2 — Spannungsteilerwiderstände, an deren Verbindungspunkt
die der geregelten Spannung proportionale Spannung abgenommen und der Basis des Transistors zugeführt wird.
Ry liegt an der geregelten Spannung, R1 am
Schaltungsnullpunkt;
R3 = Vorwiderstand der Referenzspannungsquelle;
liegt an der geregelten Spannung;
Rr — Innenwiderstand der Referenzspannungsquelle;
die Referenzspannungsquelle liegt am Schaltungsnullpunkt;
Rc -■- Kollektorarbeitswiderstand des Transistors;
Re = äußerer, veränderbarer Emitterwiderstand
des Transistors, über den die Referenzspannungsquelle am Emitter liegt.
Üblicherweise werden als Referenzspannungsquellen Glimmstabilisatoren, Z-Dioden oder Stabilisationszellen
auf ohmscher Basis verwendet. Ihnen allen ist jedoch gemeinsam, daß ihr Innenwiderstand Rr zwar
relativ klein, jedoch positiv ist, so daß der Wert α nicht
beliebig klein gemacht werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Wert des Regeifaktors α noch unter diesen Minimalwert zu
verkleinern. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zur Erzeugung der Referenzspannung ein
elektronisches Bauelement mit negativem differentiellem Widerstand vorgesehen ist, dessen Arbeitspünkt
mit Hilfe eines mit dem elektronischen Bauelement für die Referenzspannung in Reihe zwischen
den Ausgangsklemmen angeordneten Vorwiderstandes mit positivem differentiellem Widerstand innerhalb des
Gebietes des negativen differentiellen Widerstandes einstellbar ist.
Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird nämlich der Wert von α am kleinsten, wenn einerseits
die ersten drei Summanden des Zählers in der oben angegebenen Gleichung verschwinden und andererseits
im Nenner der zweite Summand in der Klammer einen möglichst großen positiven Wert annimmt. Bei einem
vorgegebenen Vorwiderstand R3 der Referenzspannungsquelle
kann nach der weiteren Erfindung der veränderbare äußere Emitter-Widerstand Re so eingestellt
werden, daß die ersten drei Summanden verschwinden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand der in der Zeichnung dargestellten Schaltung
im folgenden beshrieben:
Der steuerbare Widerstand st. W. wird vom Kollektor-Ausgang
des Transistor-Verstärkers T gesteuert. Der Kollektorarbeitswiderstand Rc liegt am positiven
Pol der ungeregelten Spannung U0. Die der geregelten
Ausgangsspannung U9 proportionale Spannung, die der Basis des Transistors T zugeführt wird, wird dadurch
gewonnen, daß zwischen Schaltungsnullpunkt und geregelter Spannung U9 der Spannungsteiler mit
den Widerständen R1 und R2 angeordnet ist. Die Referenzspannungsquelle
Qfi ist über den Vorwiderstand R3 ebenfalls an die geregelte Spannung U9 angeschlossen
und liegt mit ihrem anderen Pol am Schaltungsnullpunkt. Der Verbindungspunkt der Referenzspannungsquelle
Qr mit dem Vorwiderstand R3 ist über den veränderbaren
Widerstand Re am Emitter des Transistors T
angeschlossen.
Als Element mit negativem differentiellem Widerstand kann beispielsweise ein npn-Planar-Transistor
verwendet werden.
Bekanntlich liegt bei npn-Planar-Transistoren ein Bereich negativen differentiellen Widerstandes vor,
wenn bei leerlaufender Basis am Emitter eine positivere Spannung liegt als am Kollektor, d. h., wenn die
Kollektor-Emitter-Strecke invers betrieben wird.
Ebenso kann beispielsweise eine Vierschichtdiode oder eine Dreischichtdiode verwendet werden, die über
den Vorwiderstand in einem Arbeitspunkt im Bereich ihres negativen differentiellen Widerstandes betrieben
wird.
Die Vorteile der Erfindung liegen darin, daß elektronische Regeleinrichtungen aufgebaut werden können,
die mit wesentlich weniger Aufwand die gleiche Konstanz der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstromes
ergeben, wie es bei den üblichen Schaltungsanordnungen möglich ist. Bei nur einem Transistor
im Regelverstärker lassen sich Regelfaktoren von 5 · 10~4 ohne weiteres realisieren. Bei Aufbau solcher
Schaltungen nach dem bisher bekannten Prinzip ist für solche Werte des Regelfaktors ein wesentlich
höherer Schaltungsaufwand erforderlich.
Claims (6)
1. Elektronische Regeleinrichtung zur Erzeugung einer konstanten Gleichspannung und/oder eines
konstanten Gleichstroms, die einen elektronischen Regelverstärker, insbesondere einen Transistorverstärker
in Emitterschaltung, enthält, der eine der konstanten Gleichspannung oder dem konstanten
Gleichstrom proportionale Spannung mit einer Referenzspannung vergleicht, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Referenzspannung eine elektronisches Bauelement
(Qr) mit negativem differentiellem Widerstand vorgesehen ist, dessen Arbeitspunkt mit Hilfe eines
mit dem elektronischen Bauelement (Qr) für die Referenzspannung in Reihe zwischen den Ausgangsklemmen
angeordneten Vorwiderstandes (R3) mit positivem differentiellem Widerstand innerhalb
des Gebietes des negativen differentiellen Widerstandes einstellbar ist.
2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannungsquelle
(Qr) am Emitter eines Transistors (T) über einen einstellbaren ohmschen Widerstand (Re) angeschlossen
ist.
3. Regeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der einstellbare ohmsche
Widerstand (Re) nach der Bestimmungsgleichung
K3-Kr
Ke = re —
R3+ Rr
einstellbar ist, wobei
re = Emitterbahnwiderstand,
R3 = Vorwiderstand der Referenzspannungsquelle
und
Rr = Innenwiderstand der Referenzspannungsquelle
bedeutet.
4. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als elektronisches
Bauelement mit negativem differentialem Widerstand ein npn-Planar-Transistor mit leerlaufender
Basis und invers betriebener Kollektor-Emitter-Strecke derart angeordnet ist, daß am
Emitter ein positiveres Potential als am Kollektor liegt.
5. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als elektronisches
Bauelement mit negativem differentiellem Widerstand eine Vierschichtdiode angeordnet
ist.
6. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als elektronisches
Bauelement mit negativem differentiellem Widerstand eine Dreischichtdiode angeordnet
ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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