DE1563734C3 - Schaltung zur Gleichspannungsstabilisierung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Gleichspannungsstabilisierung mit einem Transistor als steuerbarem Reihenwiderstand (Stelltransistor), dessen Emitter-Kollektor-Strecke zwischen einem Pol der zu stabilisierenden Spannungsquelle und dem Verbraucher und dessen Basis über einen Widerstand mit dem anderen Pol der Spannungsquelle verbunden ist und dessen Emitter-Basis-Strecke der Emitter-Kollektor-Strecke eines von der verstärkten Regelabweichung der Ausgangsspannung gesteuerten Hilfstransistors vom gleichen Leitfähigkeitstyp so parallel geschaltet ist, daß die Emitter miteinander verbunden sind.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist bereits bekannt (DT-AS 10 95 329, belgische Patentschrift 60 290).

Es ist auch bereits eine weitere Serienregelschaltung mit einem Stelltransistor bekannt, dessen Basis-Emitter-Strecke der Kollektor-Emitter-Strecke eines Hilfstransistors parallel geschaltet ist. Die Kollektor-Emitter-Strecke des Hilfstransistors, dessen Basis an einen Spannungsteiler angeschlossen ist, bildet zusammen mit der Kollektor-Emitter-Strecke eines weiteren Transistors (Emitterverstärker) einen Umleitungsstromkreis, über den der Laststrom bei Überlast oder Kurzschluß an der Kollektor-Emitter-Strecke des Stelltransistors vorbeigeleitet wird. Der Basisstrom für den Stelltransistor fließt über die Kollektor-Emitter-Strecke des Emitterverstärkers, der an seiner Basis in Abhängigkeit von der verstärkten Regelabweichung am Ausgang der Serien

regelschaltung gesteuert wird (GB-PS 9 67 531).

Im Zusammenhang mit einer anderen Serienregelschaltung mit einem Stelltransistor sind mehrere Maßnahmen zum Schutz des Stelltransistors gegen Überlastung, insbesondere gegen Überspannung am Eingang, Überstrom oder Kurzschluß am Ausgang und Übertemperatur bekannt (Electronics 33, 1960, Nr. 52, Seite56, Fig. la). :'

Zur Verbesserung der Einschaltsicherheit von Serienregelschaltungen ist es auch bekannt, den Basisstrom des gesteuerten Transistors zwischen Spannungsquelle und Verbraucher aus der Differenz eines Vorstromes /' 1, der einer Hilfsspannungsquelle Uh über einen Widerstand Ri entnommen wird, und dem Strom /2 des Regelverstärkers zu bilden. In Fig. 1 ist eine derartige bekannte Schaltung dargestellt. Die Spannung am Eingang Ue gelangt über den gesteuerten Längstransistor 7s 1 an den Ausgang Ua. Der Transistor 7s 2 verstärkt die Spannungsdifferenz zwischen der an der Zenerdiode Z abfallenden Spannung und dem am Spannungsteiler abgegriffenen Teil der Ausgangsspannung und liefert den Strom /2 an die Basis des Transistors Ts 1. Je nach Regelzustand ändert sich der Strom /2 und damit der Basisstrom /'s, so daß die Ausgangsspannung Ua konstant gehalten wird. Der Vorstrom /1 ist unabhängig vom Regelzustand und verhindert daher Einschaltschwierigkeiten. Nachteilig ist an dieser Schaltung, daß sie einen zusätzlichen Aufwand zur Gewinnung der Hilfspannung benötigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vereinfachte Serienregelschaltung mit einer einschaltsicheren Steuerschaltung für den Stelltransistor anzugeben, die mit geringem zusätzlichem Aufwand auch zur Strom- und Temperaturüberwachung am Stelltransistor mitbenutzt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltung zur Gleichstromstabilisierung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der den Stelltransistor steuernde Hilfstransistor zusätzlich die Strombelastung durch den Verbraucher und die Temperatur des Stelltransistors überwacht.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist im Emitter-Basis-Kreis des Hilfstransistors ein vom Laststrom durchflossener Meßwiderstand und ein Kaltleiter als Teil eines Spannungsteilers im Querzweig der Schaltung so angeordnet, daß die Summe der Spannungsabfälle im Emitter-Basis-Kreis bei Überstrom und/oder unzulässiger Erwärmung des Stelltransistors den Schwellwert der Emitter-Basis-Kennlinie des Hilfstransistors überschreitet.

Zur Entkopplung des Regel- und Meßkreises ist in der Basisleitung des Hilfstransistors eine Diode eingeschaltet. Die Ausgangsbasis der Erfindung wird anhand der Fig.2 Einzelheiten der Erfindung werden anhand der F i g. 3 bis 5 näher erläutert.

Als Speisespannungsquelle für die Eingangsgleichspannung t/ekann ein Netzgerät oder eine Batterie mit oder ohne angeschlossenen Gleichspannungswandler verwendet werden (Fig.2). Die am Ausgang der Stabilisierungsschaltung entnommene geregelte Spannung ist mit Ua bezeichnet. Im Längszweig der Schaltung ist zwischen Speisequelle G und Verbraucher V der Stelltransistor Ts 11 vom Leitfähigkeitstyp npn eingeschaltet, dessen Emitterelektrode auf der Seite der

⁶S Eingangsspannung liegt und dessen Basiselektrode über den Widerstand R 2 mit dem anderen Pol der Speisespannungsquelle verbunden ist. Der npn-Transistor Ts 12 verstärkt die Differenzspannung zwischen

der an der Zenerdiode Z1 abgenommenen Bezugsspannung und der am Spannungsteiler RZ bis R 5 abgegriffenen Spannung, die der Ausgangsspannung Ua proportional ist. Der Kollektor des Transistors Ts 12 ist mit der Basiselektrode des Hilfstransistors 7s 3 verbunden, dessen Emitter-Kollektor-Strecke als steuerbarer Widerstand der Emitter-Basis-Strecke des Stelltransistors 7s 11 parallel geschaltet ist. Der Hilfstransistor 7s3 ist vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie der Stelltransistor TsIl. Die Schaltung ist auch funktionsfähig, wenn alle Transistoren vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp sind.

Bei Einschaltung der beschriebenen Anordnung fließt der den Stelltransistor öffnende Strom über den Widerstand R2 vom +Pol der Speisespannung in die Basis des Regeltransistors Ts 11. Steigt die Ausgangs- '^: spannung über den Sollwert, so wird der Transistor 7s 12 im Regelverstärker leitend und steuert den Hilfstransistor Ts 3 an. Dieser leitet nun ebenfalls und bildet parallel zur Emitter-Basis-Strecke des Stelltransistors einen Nebenschluß. Ein Teil des vom Widerstand R 2 eingeprägten Stromes fließt jetzt über den Transistor Ts 3. Der Basisstrom des Stelltransistors nimmt ab und die Emitter-Kollektor-Strecke wird hochohmiger, so daß die angenommene Spannungserhöhung zurückgeht. Die größte Eingangsspannung ist durch die Sperrspannung und die maximale Verlustleistung des Transistors Ts 11 festgelegt. Der Transistor Ts 12 im Regelverstärker muß ebenfalls die volle Eingangsspannung sperren können. Bei größeren Verbraucherströmen können weitere Transistoren zum Stelltransistor 7s 11 in Verbund geschaltet werden.

In Fig.3 ist die Regelschaltung nach Fig.2 durch eine Schaltung zur Strombegrenzung erweitert. Die unveränderten Teile der Schaltung sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in F i g. 2 versehen. Zur Stromüberwachung ist im Längszweig der Schaltung vor dem Stelltransistor der Meßwiderstand RM eingeschaltet, der vom Verbraucherstrom durchflossen wird. Ebenfalls vor dem Stelltransistor Ts 11 ist in den Querzweig der Schaltung der Spannungsteiler aus dem Kaltleiter Rk und dem Widerstand R 6 eingefügt. Der Abgriff des Spannungsteilers ist über eine Entkopplungsdiode D mit der Basiselektrode des Hilfstransistors Ts 3 verbunden. Der Kaltleiter übernimmt die Funktion der Temperaturüberwachung des Stelltransistors Ts 11.

Für die kombinierten Überwachungsaufgaben wird die einen Schwellwert aufweisende Basis-Emitter-Charakteristik des Hilfstransistors Ts 3 ausgenutzt (Silizium-Transistor); der Schwellwert kann aber auch durch die Entkopplungsdiode D in der Basisleitung erreicht werden. Die Basis-Emitter-Spannung am Hilfstransistor Ts 3 muß diesen Schwellwert überschreiten, damit er durchgesteuert werden kann. Wird dieser Betriebsfall durch einen der Spannungsabfälle allein oder durch die Summe der Spannungen am Meßwiderstand und an dem die Transistortemperatur messenden Kaltleiter erreicht, wird der Transistor Ts 3 leitend und die Ausgangsspannung sinkt ab. Bei Kurzschluß fließt der durch den Meßwiderstand festgelegte Ausgangsstrom, während die Ausgangsspannung auf Null zurückgeht (F i g. 5). Die am Stelltransistor Ts 11 liegende Eingangsspannung und der weiterhin fließende Strom erwärmen den Transistor. Steigt die Temperatur über den Ansprechwert des Kaltleiters, dann erhöht sich dessen Widerstand um einige Größenordnungen (F i g. 4), die Spannung an ihm steigt ebenfalls und der Transistor Ts 3 wird vollkommen durchgeschaltet. Der Basisstrom des Stelltransistors geht auf Null zurück, so daß er vollkommen gesperrt ist. Nach Abkühlung des Transistor-Kühlbleches und des Kaltleiters Rk, kann wieder Strom fließen. Nach und nach stellt sich thermisches Gleichgewicht zwischen der Verlustleistung des Transistors und der Wärmeabstrahlung des Kühlbleches bei einer dem Kaltleiter entsprechenden Temperatur ein. Eine unzulässig hohe Erwärmung des Transistors TsW wird dadurch verhindert.

Bei Schaltungen ohne Temperaturüberwachung wird der Kaltleiter durch einen ohmschen Widerstand ersetzt.

Die zusätzliche Temperaturüberwachung des Stelltransistors ist immer dann von Bedeutung, wenn auf eine ausreichende Dimensionierung des Kühlkörpers für den Stelltransistor im Störungsfall aus Raungründen verzichtet wird oder um zu große Wärmeabstrahlung zu vermeiden.

In Fig.4 ist die Kennlinie des in der Schaltung verwendeten Kaltleiters Rk dargestellt.

Die Fig.5 zeigt im Prinzip die Kennlinie der Regelschaltung mit Strombegrenzung und Temperaturüberwachung. Auf den Achsen sind die Ausgangsspannung Ua und der Ausgangsstrom Ja aufgetragen. Der Einsatzpunkt der Temperaturüberwachung ist auf der Kennlinie mit dem Buchstaben a bezeichnet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schaltung zur Gleichspannungsstabilisierung mit einem Transistor als steuerbarem Reihenwiderstand {Stelltransistor), dessen Emitter-Kollektor-Strecke zwischen einem Pol der zu stabilisierenden Spannungsquelle und dem Verbraucher und dessen Basis über einen Widerstand mit dem anderen Pol der Spannungsquelle verbunden ist und dessen Emitter-Basis-Strecke der Emitter-Kollektor-Strekke eines von der verstärkten Regelabweichung der Ausgangsspannung gesteuerten Hilfstransistors vom gleichen Leitfähigkeitstyp so parallel geschaltet ist, daß die Emitter miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der den Stelltransistor steuernde Hilfstransistor (7s 3) zusätzlich die Strombelastung durch den Verbraucher und die Temperatur des Stelltransistors (TsIl) überwacht.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Emitter-Basis-Kreis des Hilfstransistors (Ts3) ein vom Laststrom durchflossener Meßwiderstand (Rm) und/oder ein Kaltleiter (Rk) als Teil eines Spannungsteilers (R 6, Rk) im Querzweig der Schaltung so angeordnet ist, daß die Summe der Spannungsabfälle im Emitter-Basis-Kreis bei Überstrom und/oder unzulässiger Erwärmung des Stelltransistors den Schwellwert der Emitter-Basis-Kennlinie des Hilfstransistors überschreitet.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Basisleitung des Hilfstransistors (7s 3) eine Diode (D) eingeschaltet ist, so daß Regel- und Meßkreis entkoppelt sind.