DE1538420C

DE1538420C - Elektronische Regeleinrichtung

Info

Publication number: DE1538420C
Authority: DE
Inventors: Hans 7831 Mundingen Bodschwinna
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Publication date: 1972-01-13

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-

r_e — 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- R_s

. Rr _ \

R₃- R_r I

In dieser Beziehung haben die einzelnen Bezeichnungen folgende Bedeutung:

λ = Stromverstärkungsfaktör des Transistors in Basisschaltung;

rs = Basisbahnwiderstand des Transistors (vgl. DlN 41854);

r_e = Emitterbahnwiderstand des Transistors

(vgl. DIN 41854);

R_x.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;

R_r — Innenwiderstand der Referenzspannungsquelle; die Referenzspannungsquelle liegt am Schaltungsnullpunkt;

Rc -■- Kollektorarbeitswiderstand des Transistors;

R_e = 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 R_r 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 R_e 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 R_c 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 R_e 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

Patentansprüche:

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 (R_e) angeschlossen ist.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der einstellbare ohmsche Widerstand (R_e) nach der Bestimmungsgleichung

K₃-Kr Ke = r_e —

R₃+ Rr

einstellbar ist, wobei

r_e = Emitterbahnwiderstand,

R₃ = Vorwiderstand der Referenzspannungsquelle und

R_r = 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