DE1588541A1 - Spannungs-Konstanthalter - Google Patents

Description

DR. MÜLLER-BORe DIPL.-ING. GRALFS DR. MANITZ QR. DEUFEL

PATENTANWÄLTE

Braunschweig, 13.6.1967 Unser Zeichen: Kl/kl - M 737

The Marconi Company Limited English Electric House / Strand London tf.C.2 / England

Spannungs-Konstanthalter

Priorität: Großbritannien vom 17.6.iy66 (27146/66)

Die Erfindung betrifft Spannungs-Konstanthalter, insbesondere Konstanthalter vom sogenannten Schaltertyp. Dabei handelt sich um Konstanthalter, bei denen die Beziehung zwischen einer stabilisierten Äusgangsspannung und einer Eingangsspeisespannung durch das Schaltzeitverhältnis einer Schaltvorrichtung zwischen Eingang und Ausgang bestimmt wird. Die Schaltvorrichtung ist üblicherweise ein Transistor. Müssen durch den Konstanthalter relativ große Lastströme fließen, so ist im allgemeinen eine zusätzliche Stromverstärkung für den Schalttransiator erforderlich.

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Zum besseren Verständnis der Erfindung soll zunächst eine bekannte schaltende Stabilisierschaltung beschrieben werdea, die große Ströme verarbeiten kann, und die in einem vereinfachten Blockschaltbild in Figur 1 dargestellt ist.

Gemäß Figur 1 wird die zu stabilisierende Eingangsgleichspannung über Klemmen 1 zugeführt und die stabilisierte Ausgangsgleichspannung steht an den Klemmen 2 an. Im Be-

w trieb wird eine Last (durch den gestrichelt gezeichneten Widerstand 3 dargestellt) zwischen die Klemmen 2 geschaltet. In Reihe mit der stromführenden Leitung liegt ein Schalter, der durch einen Schalttransistor 4 gebildet wird. Mit 5 ist eine Diode bezeichnet und 6 bzw. 7 bezeichnen eine Induktivität und einen Kondensator, welche die übliche Glättungseinrichtung darstellen. Der Schalttransistor 4 wird durch eine Ansteuerungs-Schalteinrichtung 8, wie zum Beispiel einem freilaufenden Multivibrator, dessen Tast/Pause-Verhältnis

k wieder durch eine Vergleichseinrichtung 9 gesteuert wird, die die Ausgangsspannung mit einer Bezugsspannung von einer Bezugsspannungsquelle 10 vergleicht, geöffnet und geschlossen. Das Verhältnis der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung ist abhängig von dem Anteil der Gesamtzeit, in der der Schalttransistor leitend, d.h., der Schalter geschlossen ist. Gemäß Figur 1 wird durch den zusätzlichen Transistor Ii eine Stromverstärkung bewirkt, um die Lieferung eines großen Stromes an die Last zu ermöglichen.

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Im Idealfall sollte der Spannungsabfall am Schalttransistor gleich Null sein, wenn dieser im leitenden Zustand, d.h. geschlossen ist. Im Idealfall sollte auca seine Schaltgeschwindigkeit vom leitenden zum nichtleitenden Zustand unendlich sein, d.h., der Schalter müßte in der Zeit Null trennen. Diese Idealw-rte sind natürlich nicht erzieibar und bekannte Stabilisierschaltungen gemäß Fig. 1 liegen vom Idealfall unerwünscht weit ab. iiiS ist weiterhin erwünscht, da;i die Stromverstärkung; des genannten Schalttransistors 4 angemes- f sen hoch sein soll.

Der Hauptnachteil der bekannten einrichtung nach Fig. 1 ist das Ausmärt, indem sie von der Idealforderung des Spannungsabfalls Null über aera geschlossenen Schalter abweicht. Tatsächlich ist der kleinste Spannungsabfall über dem Schalter im geschlossenen Zustand die Summe der iimitter-Basisspannung des Transistors 4 und der Emitter-Kollektorspannung des Transistors 11. In der Praxis ist es schwierig, Transistoren für die Verwendung als Transistor 4 und 11 zu finden, bei denen der Spannungsabfall über dem geschlossenen ochalter bei hohen Strombelastungen weniger als etwa 2,5 Volt beträgt. Weiter kommt iiinzu, düj die Schaltgeschwindigkeit vom geschlossenen zum geöffneten zustand des Transistors 4 relativ langsam und die Stromverstärkung des Transistors auch etwas niedrig ist. Mitunter wird zur Erhöhung der rfchaltgeschwindigkeit ein niederohmiger widerstand zwischen Emitter und Basis des Transistors 4 und/oder ein niederohniger Widerstand zwi-

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sehen Emitter und Basis des Transistors 11 geschaltet. Diese iiilfsmittel ergeben eine geringe Verbesserang der Schaltgeschwindigkeit, jedoch auf Kosten eines Verstärkungsverlustes.

Gemäß der Erfindung enthält ein Konstanthalter vom Schaltertyp mit einem Transistor als Schaltvorrichtung Viittel, die von dem fließenden Strom im leitenden Zustand des Transistors abh-ingig sind und der Basis des Transistors eine positive Rückkopplung zuführen, wobei die Schaltung der Art ist, daß der Transistor, nachdem er in dem genannten Zustand geschaltet ist, darin verbleibt, bis er in den nichtleitenden Zustand umgeschaltet wird.

Bei einer bevorzugten Ausführung wird die Rückkopplung über einen Transformator zugeführt, dessen eine Wicklung in Reihe mit dem Kollektorkreis des Schalttransistors liegt und der eine weitere Wicklung hat, die zwischen Basis und Emitter des Transistors geschaltet ist.

Vorzugsweise hat der Transformator eine dritte Wicklung, über die Schaltimpulse von der Vergleichsschaltung des Konstanthalters zugeführt werden.

Vorzugsweise wird auch die dritte Transformatorwicklung mit Impulsen von einem Transistor gespeist, dem ein rechteckförmiges Signal von einem Multivibrator zugeführt wird, des-

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sen Tast/Pause-Verhältnis durch eine Vergleichsschaltung gesteuert wird, welche die Ausgangsspannung des Konstanthalters mit einer ßezugsspannung vergleicht.

Figur 2 zeigt ein schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. In beiden Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile.

»Vie aus Figur 2 hervorgeht, ist ein Stromtransf ormator mit drei Wicklungen vorgesehen, die veneinander gleichstrommäßig isoliert sind. Die Wicklung 12 liegt in Reihe mit dem Kollektorkreis des Transistors 4. Wicklung 13 ist zwischen Basis und Emitter des Transistors 4 geschaltet und die Wicklung 14 führt dem genannten Transistor 4 Schaltimpulse zu. Der jeweilige Wicklungssinn ist konventionell durch Punkte angedeutet.

Gemäß Figur 2 sind die Ansteuerungsschaltung 8 für den Schalter, die Vergleichsschaltung 9 und die Bezugsspannungsquelle 10 in den gestrichelt umrandeten Blocks 8, 9 bzw. 10 in ihren schaltungstechnischen Einzelheiten etwas genauer wiedergegeben« Die Vergleichsschaltung 9 enthält zwei Transistoren 91 und 92, wobei dem Traneistor 91 als Basisspan nung die Spannung von der Ausgangsklemme 2 und dem Transistor 92 als Basisepannung die Bezugsspannung zugeführt wird. Die*· Spannung entsteht an einer Quelle, die in der Darstellung durch eine Zehnerdiode 101 gebildet wird, welche über einen

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tiiiderstand 102 an einem geeigneten negativen Potential liegt. Falls erwünscht, kann die Bezugsspannungsquelle in beliebiger an sich bekannter Weise so ausgelegt sein, daß sie eine einstellbare Bezugsspannung liefert, jedoch ist dies, um das Schaltbild nicht zu verkomplizieren, nicht dargestellt. Die Schalteransteuerungsschaltung 8 enthält einen Multivibrator mit den Transistoren 81 und 82 und einem weiteren Transistor 83. Der Multivibrator ist ein freilaufender Multivibrator an sich bekannter Art und liefert ein rechteckförmige3 Ausgangssignal mit einem Tast/Pause-Verhältnis, daß von der Vergleichsschaltung 9 gesteuert wird, deren Kollektorausgänge wie dargestellt mit den Basiselektroden der Transistoren 81 bzw. 82 verbunden sind. Der Emitter des Transistors 82 ist mit der Basis des weiteren Transistors 83 verbunden, in dessen Kollektor^reis die Wicklung 14 liegt. Der eine Transistor 83 reicht aus, um dem Multivibrator zu ermöglichen« iaß erforderliche Öffnen und Schließen des Schalttransiätors 4 zu bewirken. Erscheint die Anstiegsflanke eines Rechteckimpulses des Multivibrators, so wird der Transistor 83 leitend und die sich ergebende Spannungsspitze, die der Spule 14 zugeführt wird, veranlaßt den Schalttransistor 4, zu sperren, d.h., den Schalter zu öffnen» Erscheint die Abfallflanke des nächsten Impulses «rom Multivibrator, so sperrt der Transistor 83 und der Schalter ist geschlossen. Da die Vergleichsschaltung 9 das Tast/Pause-Verhältnis des Multivibrators der Ansteuerungsachaltung 8 steuert und dies« Schaltung selbst von dem Verhältnis zwischen der Ausgangs-

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spannung und der Bezugsspannung gesteuert wird, wird das
Schaltzeitverhältnis des Schalters in der erforderlichen
tfeise gesteuert.

Die Schaltung nach Figur 2 hat trotz ihrer Einfachheit
wesentliche Vorteile gegenüber bekannten vergleichbaren Konstanthaltern vom Schaltertyp nach Figur 1. Es liegt lediglich der eine Transistor 4 in Reihe mit der Last, so dall in
Praxis der Spannungsabfall über dem Schalter im geschlossenen Zustand nur etwa ein Drittel dessen beträgt, der bei der Schaltung nach Figur 1 bei der gleichen Strombelastung auftritt. Die Wicklung 12, die den vollen Laststrom führt, liefert eine positive Rückkopplung zur Basis des Transistors i mit dem Ergebnis, daß, nachdem der Transistor einmal eingeschaltet ist j er in dieser Lage vorbleibt, bis er abgeschaltet wird, so daß nur ein kleiner Stromimpuls erforderlich ist, um die Schalterfn.nktionen einzuleiten. Da die
Schaltimpulse von einer getrennten Wicklung (14) des Transformators geliefert werden, ist die Steuerschaltung für den Schalttransistor gleichstrommäßig isoliert. Durch geeignete Wahl des Transformatorübersetzungsverhältnises kann der von der Ansteuerschaltung benötigte Strom sehr niedrig gehalten werden.

Wegen des isolierten Aufbaus kann sowohl ein NPN- als auch ein PNP-Trinsistor als Schalttransistor 4 verwendet werden, natürlich unter Beachtung der geeigneten Polarität. Infolge der positiven Rückkopplung ist die Schaltgeschwindigkeit

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sehr hoch. Da schließlich der Basisstrom des Transistors 4 in einem festen Verhältnis (abhängig vom Transformatorübersetzungsverhältnis) zu dein Laststrom steht, ist der Basisstrom klein, wenn die Belastung klein ist, während bei der bekannten Anordnung nach Figur 1 der Basisstrom immer ausreichen muß, um den maximalen Laststrom zu schalten.

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Claims (4)

1. Patentansprüche

   .1. Konstanthalter vom Schaltertyp mit einem Transistor als Schaltvorrichtung, gekennzeichnet durch Mittel, die von den im leitenden Zustand des Transistors fließenden Strom abhängig sind, um dessen Basis eine positive Rückkopplung zuzuführen, wobei die Schaltung so beschaffen ist, daß der Transistor, nachdem er in den leitenden Zustand geschaltet ist, darin verbleibt, bis er wieder in den nichtleitenden Zustand ge'schaltet wird. I
2. 2. Konstanthalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplung über einen Transformator, dessen eine Wicklung in Reihe mit dem Kollektorkreis des Schalttransistors liegt und der eine weitere Wicklung hat, die zwischen Basis und Emitter des Transistors geschaltet ist, zugeführt wird.
3. 3. Konstanthalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, t daß der Transformator eine dritte Wicklung hat, über die Schaltimpulse von der Vergleichsschaltung des Konstanthalters zugeführt werden*
4. 4. Konstanthalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Transformatorwicklung mit Impulsen von einem Transistor gespeist wird, der seinerseits von dem rechteckförmigen Ausgangssignal eines Multivibrators, dessen Tast/Pause-Verhältnis von einer Vergleichsschaltung

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   gesteuert wird, die die Ausgangsspannung des Konstanthalters mit einer Bezugsspannung vergleicht, angesteuert wird.

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