DE1538530C - Transistor-Spannungsregler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Transistor-Spannungsregler für einen elektrischen Nebenschlußgenerator mit einem mit der Feldwicklung in Reihe liegenden Leistungstransistor und einem diesen steuernden Steuertransistor, der über eine Zenerdiode an einen an der gleichgerichteten Ausgangsspannung liegenden Spannungsteiler angeschlossen ist, und mit einer Einrichtung, die das Arbeiten des Leistungstransistors im Schaltbetrieb bewirkt, wobei die Transistoren, die Zenerdiode und die genannte Einrichtung in monolithischer Halbleiterblock-Bauweise

. hergestellt sind. .

Aus der deutschen Auslegeschrift 1159 551 ist eine

ίο Regeleinrichtung für Lichtmaschinen von Fahrzeugen mit einem in den Erregerstromkreis der Lichtmaschine eingeschalteten steuerbaren Halbleitergerät bekannt, bei welcher der Halbleiter außerdem eine mit Feldverdrängung arbeitende, auf die Strombahnen zwischen Emitter und Basis einwirkende Hilfselektrode hat, die an die zu regelnde Spannung angeschlossen ist.

Aus dieser Druckschrift ist es weiterhin bekannt, eine Halbleiterscheibe als monolithischen Leiterblock auszubilden.

Weiterhin ist es aus der »Siemens-Zeitschrift«, 37. Jahrgang, 1963, H. 7, S. 566 bis 574, grundsätzlich bekannt, Festkörperschaltkreise aus Silicium in elektronischen Geräten einzusetzen. Weiterhin ist es aus dieser Druckschrift bekannt, die Kapazität eines in Sperrschicht gepolten pn-Überganges als Kondensator zu verwenden.

Schließlich ist es aus der französischen Patentschrift 1 353 359 bekannt, einen Transistor-Spannungsregler in monolithischer Halbleiterblock-Bauweise herzustellen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Transistor-Spannungsregler in monolithischer HaIbleiterblock-Bauweise in bezug auf die Regelgenauigkeit zu verbessern und dabei zu vermeiden, daß der Regler infolge seiner hohen Ansprechempfindlichkeit durch Störspannungen beeinflußt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einem Transistor-Spannungsregler der eingangs genannten Art vor, daß der Kollektor des Steuertransistors mit dem Kollektor eines weiteren Transistors und mit der positiven Klemme des Generators verbunden ist, daß der Emitter des Steuertransistors mit der Basis des weiteren Transistors verbunden ist, daß der Emitter des weiteren Transistors mit dem Emitter des Leistungstransistors verbunden ist, daß aus der Grenzschichtkapazität der Zenerdiode und aus der Kapazität der Basis-Emitter-Dioden der beiden Transistoren, kombiniert mit dem Spannungsteiler-Widerstand und einem zwischen dem Widerstand und einem Abgriff angeordneten Teil des Spannungsteiler-Potentiometers, ein RC-Gl'ied gebildet ist, durch welches eine Wechselstromgenerator-Welligkeit sowie eine dieser Welligkeit überlagerte Dioden-Klingelspannung gleichzeitig aus dem der Zenerdiode zugeführten Signal ausgefiltert werden, und daß die gesamte Regler-Schaltungsanordnuhg in monolithischer Siliciumblock-Bauweise hergestellt ist.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß zwei Schaltkreise mit jeweils einem Paar NPN-Transitoren vorgesehen sind, welche gemeinsame Kollektoranschlüsse haben.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist vorgesehen, daß die Verbindungsstelle der Kollektoranschlüsse an die Basis eines weiteren Steuertransistors (gehört zu dem einen Paar NPN-Transistoren) und über einen Widerstand an die positive

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Anschlußklemme des Reglers angeschlossen ist, daß 28, die jeweils aus einem Paar Transistoren bestehen,

die Emitter des Steuertransistors und des weiteren die gemeinsame Kollektoranschlüsse aufweisen. Der

Steuertransistors jeweils an die Basis des weiteren erste Schaltkreis 26 umfaßt die NPN-Transistoren 30

Transistors bzw. des Leistungstransistors ange- und 32, deren Kollektoren zusammengeschaltet und

schlossen sind und daß die Emitter der letzteren 5 an eine Feldklemme 34 des Reglers angeschlossen

Transistoren geerdet sind. sind, die wiederum an die eine Seite der Feldwicklung

Schließlich zeichnet sich eine weitere besonders 16 durch den Leiter 48 angeschlossen ist. Der Emitter

bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dadurch des Transistors 32 ist an die Basis des Transistors 30

aus, daß ein Widerstand in dem Spannungsteiler und der Emitter des Transistors 30 ist an einen ge-

durch einen Thermistor ersetzt ist und daß ein io erdeten Leiter 36 geschaltet.

Widerstand zwischen den einstellbaren Abgriff und Die Schaltung 26 ist gut geeignet zur Herstellung

die Zenerdiode geschaltet ist. durch eine integrierte Schaltungstechnik, da der

Der gemäß der Erfindung erreichbare technische gemeinsame Kollektoranschluß ein gemeinsamer Fortschritt ist im wesentlichen darin zu sehen, daß Block aus N-Typ-Material sein kann und die Emitterunerwünschte Regelvorgänge infolge von Restwellig- 15 Basis-Funktionen leicht hergestellt werden können,
keiten oder Klingelspannungen vermieden werden. Der Schaltkreis 28 umfaßt ebenso wie der Schalt-

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen kreis 26 zwei NPN-Transistoren 38 und 40, deren

Schaltungsanordnung ist darin zu sehen, daß durch Kollektorelektroden zusammengeschaltet und an eine

die Ausnutzung von elektronischen Bauelementen- Verbindungsstelle 42 angeschlossen sind, die an die

komponenten (Grenzschichtkapazität der Zenerdiode 20 Basis des Transistors 32 und die eine Seite eines

56 und Kapazität der Basis-Emitter-Strecken der Widerstandes 44 geschaltet ist.

Transistoren 38, 40) eine Wirkung erzielt wird, wie Die Verwendung von zwei Transistorpaaren 38, 40

sie bisher nur mit zusätzlichen Bauelementen erreicht und 30, 32 erfolgt im Hinblick auf eine besonders

wurde. hohe Ansprechempfindlichkeit der Regelanordnung.

Die Erfindung ist nachfolgend beispielsweise an 25 Die entgegengesetzte Seite des Widerstandes 44 ist

Hand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt über einen Leiter 46 an eine Reglerklemme 52 ge-

F i g. 1 ein Schaltbild eines Transistor-Spannungs- schaltet. Der Emitter des Transistors 40 ist an die reglers gemäß der Erfindung, der an die durch Basis des Transistors 38 und der Emitter des Tran-Dioden gleichgerichtete Spannung eines Wechsel- sistors 38 ist an einen geerdeten Leiter 36 geschaltet. Stromgenerators angeschlossen ist, und 3° Die Kollektoranschlußklemme des Schaltkreises 28

Fig. 2 einen Transistor-Spannungsregler gemäß ist also an die Basisanschlußklemme des Schaltkreises

der Erfindung mit einem abgewandelten Eingangs- 26 geschaltet,

filter. Eine Freilaufdiode 50 ist parallel zur Feldwicklung

In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugs- 16 geschaltet; dieser Kreis liegt außerhalb des

zeichen gleiche Teile. Ein Transistor-Spannungsregler 35 Reglers.

10 ist verwendet zur Regelung der Ausgangsspannung Da der Leiter 36 geerdet ist, ist er an die negative

eines Generators 12. Der Generator kann von ver- Seite des Brückengleichrichters 18 (Anschlußklemme

schiedener Art (Wechselstromgenerator, Gleichstrom- 22) angeschlossen. Die Regleranschlußklemme 52 ist

generator) sein und ist in der Zeichnung dargestellt an die positive Klemme 20 des Brückengleichrichters

als Wechselstromgenerator mit einer dreiphasenstern- 4° 18 über einen Leiter 54 angeschlossen,

geschalteten Ausgangswicklung 14 und einer Feld- Der auf die Spannung ansprechende Kreis zum

wicklung 16. Die Ausgangswicklung 14 ist an die Schalten der beiden Kreise 26 und 28 weist eine

Wechselstromeingangsklemmen eines Dreiphasen- PN-Flächen-Zenerdiode 56 und einen Spannungs-

Brückengleichrichters 18 angeschlossen, der sechs teiler mit den Widerständen 58, 60 und 62 auf, der

Siliciumdioden umfaßt und eine positive Gleich- 45 dazu dient, eine Spannung zu erzeugen, die propor-

stromausgangsklemme 20 und eine negative, geerdete tional der gleichgerichteten Ausgangsspannung des

Gleichstromausgangsklemme 22 aufweist. Wechselstromgenerators ist. Der Widerstand 60 ist

Diese Anschlußklemmen können verwendet wer- ein Potentiometer und weist einen einstellbaren Ab-

den, um verschiedene Gleichstrombelastungen anzu- griff 64 auf, der an die eine Seite der Zenerdiode 56

schließen, beispielsweise bei einem Motorfahrzeug, 5° geschaltet ist, deren andere Seite an die Basis des

um einen Ladestrom an eine Batterie 24 zu liefern. Transistors 40 in dem zweiten Schaltkreis 28 ange-

Der Transistor-Spannungsregler 10 steuert den schlossen ist.

Stromfluß durch die Feldwicklung 16 des Generators Die Zenerdiode 56 hat vorzugsweise dieselben 12, um dessen Ausgangsspannung zu regeln. Bei Charakteristiken wie die Emitter-B asis-Ubergangseinem Motorfahrzeug wird der Generator von dem 55 zone eines Planar-Transistors. Die Zenerdiode hat Motor des Fahrzeugs über einen weiten sich ändern- einen sehr niedrigen Leckstrom in umgekehrter Richden Geschwindigkeits- oder Drehzahlbereich ange- tung und weist einen scharfen Knick in ihrer Spantrieben. Zusätzlich ändert sich die Belastung an dem nungs-Strom-Kennlinie auf. Zum Beispiel kann die Generator in Abhängigkeit von der Art und Anzahl Durchbruchscharakteristik der Zenerdiode 56 in der Gleichstrombelastungen, die gespeist werden. ^6o umgekehrter Richtung (Sperrichtung) im wesent-Durch den erfindungsgemäßen Regler wird die Aus- liehen dieselbe sein wie die der Emitter-Basis-Übergangsspannung des Generators 12 über einen sich gangszone eines 2N2711-Planar-Transistors.
verändernden Motordrehzahlbereich und einem sich Bei dem Regler nach F i g. 1 ist, wenn die Ausverändernden Belastungsbereich im wesentlichen gangsspannung des Generators 12 niedriger ist als die konstant gehalten. ⁶5 Sollspannung, die Zenerdiode 56 in umgekehrter

Der Regler 10 ist hergestellt als monolithischer Richtung (Sperrichtung) nicht leitend; dadurch hat

Halbleiterblock (integrierte Schaltung) unter Ver- die Verbindungsstelle 42 im wesentlichen dasselbe

wendung von zwei Transistor-Schaltkreisen 26 und Potential wie der Leiter 46. Da der Emitter des Tran-

sistors 30 an einem negativen Potential liegt, werden oder zu filtern, geschieht dies durch ein i?C-Glied, die Transistoren 30 und 32 in einen leitenden Zu- welches eine ÄC-Zeitkonstante aufweist, die mit der stand vorgespannt, und die Feldwicklung 16 wird Periode der Dioden-Klingelfrequenz vergleichbar ist. gespeist über die Gleichstromausgangsklemme 20, Der Widerstandsteil dieses ÄC-Gliedes wird durch den Leiter 55, den Leiter 48, die Anschlußklemme 5 den Widerstand 58 und den Teil des Widerstandes 60 34, den Kollektor-Emitter-Kreis des Transistors 30 gebildet, der zwischen den Abgriff 64 und den Wider- und den geerdeten Leiter 36. stand 58 geschaltet ist. Die Kapazität des ÄC-Gliedes

Da der Generator nun erregt ist, steigt seine Aus- wird gebildet durch die Grenzschichtkapazität der gangsspannung an. Wenn die Ausgangsspannung Zenerdiode 56 und die Kapazität der beiden in über die Sollspannung hinausgeht, leitet die Zener- ίο Durchlaßrichtung vorgespannten Basis-Emitter-Strekdiode 56 in umgekehrter Richtung (Sperrichtung) und ken der Transistoren 38 und 40. Diese Eigen- oder liefert einen Basis-Emitter-Strom an die Transistoren Parallelkapazität wird als Teil des jRC-Gliedes ver-40 und 38. Hierdurch wird der Transistor 38 in einen wendet, da der Regler in integrierter Schaltungsleitenden Zustand vorgespannt, so daß ein Strom technik hergestellt ist. In diesem ÄC-Glied ist der durch den Widerstand 44 fließt und die Verbindungs- 15 kombinierte Widerstand aus dem Widerstand 58 und stelle 42 nun ein negatives Potential hat, welches im einem Teil des Widerstandes 60 so hoch, daß die wesentlichen gleich dem Potential des geerdeten Kapazität der Zenerdiode 56 in Reihe mit den Basis-Leiters 36 ist. Dadurch werden die Transistoren 30 Emitter-Strecken der Transistoren 38 und 40 aus- und 32 nun in einen nichtleitenden Zustand vor- reicht, die richtige i?C-Zeitkonstante zu schaffen. Im gespannt, und der Stromfluß durch die Feldwicklung 20 Hinblick darauf können der Widerstand 58 und ein 16 wird reduziert. Hierdurch wird die Ausgangs- Teil des Widerstandes 60 einen Widerstandswert von spannung des Generators verringert. Durch An- und etwa 100 Kiloohm haben.

Abschalten des Transistors 30 in Abhängigkeit von In F i g. 2 sind die Ausgangswicklung des Wechsel-

der zwischen den Leitern 52 und 36 auftretenden Stromgenerators und der Brückengleichrichter nicht Spannung wird die Ausgangsspannung des Generators 25 dargestellt; der Spannungsregler nach Fig. 2 kann im wesentlichen konstant gehalten. jedoch in derselben Weise an den Wechselstrom-

Beispielsweise können — ohne jedoch die Erfin- generator geschaltet sein wie der Spannungsregler dung hierauf zu beschränken — die Schaltungs- nachFig. 1.

bestandteile des Spannungsregulators 10 die folgen- Der Spannungsregler nach F i g. 2 unterscheidet

den Werte haben: 3° sich von dem in F i g. 1 gezeigten Spannungsregler

dadurch, daß ein Widerstand 70 zwischen die Zener-

Transistoren 30 und 32 .. Typ 2 N 4222 diode 56 und dem Abgriff 64 an dem Potentiometer-

Transistoren 38 und 40 .. Typ 2 N 2711 Widerstand 60 geschaltet ist, um die Filter- oder

Zenerdiode 56 Emitter-Basis- Dämpfungstätigkeit des Spannungsreglers durch Er

Grenzschicht eines 35 höhung der ÄC-Zeitkonstante zu verbessern. Durch 2N2711-Planar- den Einbau dieses Widerstandes wird außerdem der

Transistors ^zur Verfügung stehende Basisstrom des Transistor-

Widerstand 44 1 Kiloohm Schaltkreises 28 verringert; durch die Schaltkreise 26

und 28 ist jedoch eine ausreichende Verstärkung in

Widerstand 58 33 Kiloohm ₄₀ dem Kreis verfügbar. Weiterhin ist der Widerstand 58

Widerstand 60 100 Kiloohm durch einen Thermistor 72 ersetzt, der einen nega-

Widerstand 62 200 Kiloohm tiven Widerstandstemperatur-Koeffizienten aufweist.

Der Widerstandswert des Thermistors 72 kann bei

Obgleich in der vorerwähnten Tabelle spezifische Raumtemperatur etwa 1,45 Kiloohm und der Wider-Charakteristiken von Einzel-Transistoren angegeben 45 standswert des Widerstandes 70 kann etwa 100 Kilosind, ist es selbstverständlich, daß diese lediglich als ohm betragen.

Charakteristiken von Transistoren angegeben wurden, Wie vorher wird die Kapazität der Zenerdiode 56

die Teil eines oder mehrerer monolithischer Silicium- in Serie mit den Basis-Emitter-Strecken der Tranblöcke sind. sistoren 38 und 40 und dem Widerstand des Kreises Die Ausgangsspannung des Brückengleichrichters 50 72, 60, 70 als ÄC-Schaltung verwendet zur Dämp-18 weist einen Welligkeitsanteil auf, der am Span- fung oder Filterung des Wechselstromgeneratornungsregelkreis und an der Zenerdiode 56 liegt. Die Welligkeits- und des Dioden-Klingelanteils. Durch Frequenz dieses Welligkeitsanteils ist eine Funktion Einschaltung des Widerstandes 70 mit einem relativ der Drehzahl, mit der der Wechselstromgenerator hohen Widerstandswert zwischen den Abgriff 64 und angetrieben wird. Auf Grund der relativ hohen 55 die Zenerdiode 56 ist es jedoch möglich, den WiderImpedanz des Transistorreglers hat dieser Wellig- standswert des Spannungsteilers 72, 60, 62 zu verkeitsanteil einen vernachlässigbar kleinen Effekt auf ringern, verglichen mit dem Widerstand desselben den Spannungsregler. Zusätzlich ist jedoch noch ein Spannungsteilers in Fig. 1 (58, 60, 62). Der Span-Dioden-Klingelanteil vorhanden, der der Wechsel- nungsregler nach F i g. 2 arbeitet in derselben Weise stromgenerator-Welligkeit überlagert ist und ebenfalls 60 wie der in F i g. 1 dargestellte, indem der Transistor der Zenerdiode 56 zugeführt wird und der von der 30 an- und abgeschaltet wird, um den Stromfluß in Grenzschichtkapazität der Dioden des Brücken- der Feldwicklung 16 und dadurch die Ausgangsgleichrichters 18 herrührt. spannung des Generators zu steuern. In F i g. 2 ver-Falls es erwünscht ist, die kombinierte Wechsel- hindert das beschriebene i?C-Glied, daß der Regler stromgenerator-Welligkeit und Dioden-Klingelspan- 65 durch die Wechselstromgenerator-Welligkeit und den nung, die an der Zenerdiode 56 liegt, zu dämpfen Dioden-Klingelanteil ausgesteuert wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Transistor-Spannungsregler für einen elektrischen Nebenschlußgenerator mit einem mit der Feldwicklung in Reihe liegenden Leistungstransistor und einem diesen steuernden Steuertransistor, der über eine Zenerdiode an einen an der gleichgerichteten Ausgangsspannung liegenden Spannungsteiler angeschlossen ist, und mit einer Einrichtung, die das Arbeiten des Leistungstransistors im Schaltbetrieb bewirkt, wobei die Transistoren, die Zenerdiode und die genannte Einrichtung in monolithischer Halbleiterblock-Bauweise hergestellt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des Steuertransistors (40) mit dem Kollektor eines weiteren Transistors (38) und mit der positiven Klemme (20) des Generators verbunden ist, daß der Emitter des Steuertransistors (40) mit der Basis des weiteren Transistors (38) verbunden ist, daß der Emitter des weiteren Transistors (38) mit dem Emitter des Leistungstransistors (30) verbunden ist, daß aus der Grenzschichtkapazität der Zenerdiode (56) und aus der Kapazität der Basis-Emitter-Dioden der beiden Transistoren (38, 40), kombiniert mit dem Spannungsteiler-Widerstand (58) und einem zwischen dem Widerstand (58) und einem Abgriff (64) angeordneten Teil des Spannungsteiler-Potentiometers (60), ein RC-Glied gebildet ist, durch welches eine Wechsel-' stromgenerator-Welligkeit sowie eine dieser Welligkeit überlagerte Dioden-Klingelspannung gleichzeitig aus dem der Zenerdiode (56) zugeführten Signal ausgefiltert werden, und daß die gesamte Regler-Schaltungsanordnung in monolithischer Siliciumblock-Bauweise hergestellt ist.

2. Transistor-Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Schaltkreise (26, 28) mit jeweils einem Paar NPN-Transistoren (30, 32; 38, 40) vorgesehen sind, welche gemeinsame Kollektoranschlüsse (34, 42) haben.

3. Transistor-Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstelle (42) an die Basis eines weiteren Steuertransistors (32) und über einen Widerstand (44) an die positive Anschlußklemme (52) des Reglers angeschlossen ist, daß die Emitter des Steuertransistors (40) und des weiteren Steuertransistors (32) jeweils an die Basis des weiteren Transistors (38) bzw. des Leistungstransistors (30) angeschlossen sind und daß die Emitter der letzteren Transistoren geerdet (bei 36) sind.

4. Transistor-Spannungsregler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand (58) in dem Spannungsteiler durch einen Thermistor (72) ersetzt ist und daß ein Widerstand (70) zwischen den einstellbaren Abgriff (64) und die Zenerdiode (56) geschaltet ist.