DE1588655B2 - Schaltungsanordnung zur stabilisierung einer spannung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Stabilisierung einer Spannung, die von einer ungeregelten Spannungsquelle an einen Verbraucher geliefert wird, mit einer dem Verbraucher parallel geschalteten Reihenschaltung, bestehend aus einem im Durchbruch betriebenen Bauelement, dessen Klemmenspannung nur wenig von der Größe des das Bauelement durchfließenden Stromes abhängt, und einem Transistor.

Es ist bekannt, die Spannung an einem Verbraucher durch ein dem Verbraucher parallel geschaltetes, im Durchbruch betriebenes Bauelement, z.B. eine Glimmentladungsröhre oder eine Z-Diode zu stabilisieren. Für höhere Anforderungen reicht eine solche Stabilisierung jedoch nicht aus, da die Spannung an dem im Durchbruch betriebenen Bauelement immer noch merklich von der Größe des dieses Bauelement durchfließenden Stromes abhängt.

Es sind ferner elektronische Schaltungen zur Spannungsstabilisierung bekannt, die mit einem in die Stromzuführung zum Verbraucher geschalteten gesteuerten Bauelement (Röhre oder Transistor) arbeiten, dessen Innenwiderstand durch ein auf die Verbraucherspannung ansprechendes Bauelement im Sinne einer Verringerung der Schwankungen der Verbraucherspannung gesteuert wird. Solche elektronischen Stabilisierungsschaltungen sind jedoch im allgemeinen teuer und kompliziert, insbesondere müssen gesteuerte Bauelemente verwendet werden, die für den vollen Verbraucherstrom ausgelegt und dementsprechend teuer sind.

Es sind andererseits Parallelstabilisierungsschaltungen bekannt, bei welchen dem Verbraucherkreis ein Bauelement veränderlichen Widerstandes parallel geschaltet ist. Dieses Bauelement bildet mit dem Innenwiderstand der ungeregelten Spannungsquelle bzw. mit einem zu dieser in Reihe geschalteten Widerstand einen Spannungsteiler, wobei die am Bauelement abfallende Teilspannung als Verbraucherspannung durch Steuerung des Bauelementes regelbar ist. Die Stellgröße zur Regelung des Bauelements wird durch Vergleich eines der Verbraucherspannung proportionalen Istwertes mit einem Sollwert gewonnen, wobei letzterer von der Spannung an einer im Durchbrach betriebenen Z-Diode gebildet wird. Mit diesem Prinzip, das in vielen verschiedenen bekannten Ausgestaltungen verwirklicht ist, wird zwar eine Belastung des steuerbaren Elements mit dem Verbraucherstrom vermieden, jedoch wird der störende Einfluß von kleinen stromabhängigen Spannungsschwankungen an der Z-Diode hierdurch allein nicht beseitigt.

Es ist auch eine Abwandlung des gerade beschriebenen Prinzips bekannt, bei welcher die Stellglröße zur Beeinflussung des regelbaren Bauelements als Potential zwischen einer Z-Diode und der Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors abgegriffen wird, dessen Aussteuerung von der Aussteuerung des regelbaren Bauelements abhängt.¹ Wenn man auch diese Rückkopplung zur Beeinflussung des Stromes durch die Z-Diode im Sinne einer Verringerung der

Diodenspannungsschwankung heranziehen könnte, so hat die Schaltung jedoch den Nachteil, daß die Steuergröße nicht mehr die Differenz zwischen dem Bezugswert und einem dem Istwert der Verbraucherspannung exakt proportionalen Wert ist, weil zwisehen dem die Z-Diode enthaltenden Zweig und dem das steuerbare Bauelement enthaltenden Zweig ein endlicher Widerstand liegen muß. Außerdem ist eine solche Schaltung nicht anwendbar bei Stabilisatoren, in denen das im Durchbruch betriebene Bauelement direkt die Verbraucherspannung bestimmt.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zur Spannungsstabilisierung anzugeben, bei der ein im Durchbruch betriebenes, dem Verbraucher parallel geschaltetes Bauelement mit einfachen Mitteln und genau auf konstanter Spannung gehalten wird. Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung zur Stabilisierung einer Spannung, die von einer ungeregelten Spannungsquelle an einen Verbraucher geliefert wird, mit einer dem Verbraucher parallel geschalteten Reihenschaltung, bestehend aus einem im Durchbruch betriebenen Bauelement, dessen Klemmenspannung nur wenig von der Größe des das Bauelement durchfließenden Stromes abhängt, und einem Transistor, erfindungsgemaß dadurch gelöst, daß das im Durchbruch betriebene Bauelement in Reihe mit der Emitter-Basis-Strecke des Transistors geschaltet ist, der mit einem dem Verbraucher parallel geschalteten veränderlichen Nebenschlußstromweg derart gekoppelt ist, daß er den Stromfluß im Nebenschlußstromweg im Sinne einer Verringerung der Schwankungen des das Bauelement durchfließenden Stromes steuert.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das im Durchbruch betriebene Bauelement eine Z-Diode. Sofern Einrichtungen bekannt sind, bei denen der Strom durch eine dem Verbraucher parallel liegende Z-Diode selbst gesteuert wird, ist als stromfühlendes Element ein Widerstand in Reihe zur Z-Diode geschaltet. Ein derartiger Widerstand macht jedoch die Spannungsstabilisierende Wirkung der Z-Diode teilweise zunichte. Wenn man andererseits den Widerstand zur Verminderung dieser Störung sehr klein wählt, wird auch die dem zu messenden Strom proportionale Spannung sehr klein, so daß zur Steuerung des Nebenschlußweges eine Verstärkung nötig ist, was den Aufwand vergrößert. Außerdem bringt eine kleine Amplitude des gefühlten Meßwertes Rauschprobleme mit sich. Diese Nachteile weist die erfindungsgemäße Anordnung nicht auf.

Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung liefert eine sehr gut stabilisierte Spannung sowohl bei Eingangsspannungsschwankungen als auch bei Lastschwankungen.

Die Erfindung wird an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Schaltbildes einer Spannungsstabilisierungsschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Die in der Zeichnung dargestellte Schaltungsanordnung wird durch eine nicht dargestellte ungeregelte Spannungsquelle gespeist, die zwischen einer Klemme 10 und eine mit Masse verbundene Klemme 12 geschaltet ist. Ein mit einer stabilisierten Spannung zu speisender, nicht dargestellter Verbraucher wird an eine Ausgangsklemme 14 und die Masseklemme 12 angeschlossen. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Klemme 10 mit dem negativen Pol der ungeregelten Spannungsquelle verbunden.

Zwischen die Klemmen 10 und 14 ist ein Widerstand 16 geschaltet. An den Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 16 und der Klemme 14 ist die Anode einer Z-Diode 18 oder eines anderen Bauelementes mit entsprechenden Eigenschaften angeschlossen. Die Kathode der Z-Diode 18 ist mit dem Emitter eines npn-Transistors 20 verbunden, dessen Basis an Masse liegt und dessen Kollektor mit jeweils einer Klemme zweier Widerstände 22, 24 verbunden ist. Die andere Klemme des Widerstandes 24 ist an eine bezüglich Masse positive Klemme 26 einer nicht dargestellten Spannungsquelle, z.B. einer Batterie, angeschlossen. Die andere Klemme des Widerstandes 22 ist mit einer Klemme eines Widerstandes 28 verbunden, dessen andere Klemme an die Klemme 10 der ungeregelten Spannungsquelle angeschlossen ist. Der Verbindungspunkt der Widerstände 22, 28 ist mit der Basis eines pnp-Transistors 30 verbunden, dessen Emitter an Masse und dessen Kollektor an die Anode der Z-Diode 18 angeschlossen ist.

Im Betrieb der beschriebenen Schaltungsanordnung fließt Strom von dem mit der Klemme 14 verbundenen Verbraucher durch den Widerstand 16 zur Klemme 10 der ungeregelten Spannungsquelle. Wenn die an der Z-Diode 18 liegende Spannung groß genug ist, arbeitet die Z-Diode im Durchbruchsbereich, wobei Strom durch diese Diode und die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 20 fließt. Da der Spannungsabfall an der Z-Diode im Durchbruchsbereich nahezu unabhängig vom Diodenstrom ist, ist auch die Spannung an dem mit der Klemme 14 verbundenen Verbraucher ziemlich konstant, auch wenn die Eingangsspannung und der vom Verbraucher aufgenommene Strom schwanken. Lastschwankungen und Eingangsspannungsschwankungen verursachen jedoch entsprechende Schwankungen des die Z-Diode durchfließenden Stromes, wobei sich der Spannungsabfall der Z-Diode etwas ändert. Da der die Z-Diode 18 durchfließende Srom auch durch den Emitter des Transistors 20 fließt, ändert sich der zwischen Kollektor und Basis des Transistors fließende Strom entsprechend den Änderungen des Stromes durch die Z-Diode 18. Der größte Teil des Emitterstromes des Transistors 20 gelangt also zum Kollektor und fließt daher durch die Widerstände 22 und 28. Da die drei in Reihe geschalteten Widerstände 22, 24 und 28 einen Spannungsteiler bilden und da die Basis des Transistors 30 mit dem Verbindungspunkt der Widerstände 22 und 28 verbunden ist, bewirken Änderungen des den Transistors 20 durchfließenden Stromes entsprechende Änderungen des Basisstromes des Transistors 30, wodurch die Leitfähigkeit des Stromweges von Masse durch die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 30 entsprechend geändert wird. Da die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 30 parallel zu der die Z-Diode 18 und die Emitter-Basis-Strecke des Transistors 20 enthaltenden Reihenschaltung liegt, ist also ein veränderlicher Nebenschluß zur Z-Diode vorhanden, dessen Widerstand sich in einem solchen Sinne ändert, daß der Strom durch die Z-Diode 18 unabhängig von Änderungen der Versorgungsspannung und des Laststromes weitestgehend konstant gehalten wird. Als Ergebnis davon bleibt auch der Spannungsabfall an der Z-Diode 18 sehr konstant und hängt praktisch nicht mehr von den Änderungen der Versorgungsspannung oder des Laststromes ab. Durch die

Z-Diode 18 fließt also ein im wesentlichen konstanter Strom. Am Verbraucher liegt eine Spannung, die gleich der Durchbruchsspannung der Z-Diode zuzüglich der konstanten Emitter-Basis-Spannung des Transistors 20, die etwa V2 Volt beträgt, ist.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel läßt sich in der verschiedensten Weise abwandeln, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. Wenn eine gegen Masse positive Spannung stabilisiert werden soll, wird der Klemme 10 eine positive Spannung und der Klemme 26 eine negative Spannung zugeführt, die Z-Diode 18 wird umgepolt, und für die Transistoren 20, 30 werden Typen mit entgegengesetzten Leitungstypen verwendet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Stabilisierung einer Spannung, die von einer ungeregelten Spannungsquelle an einen Verbraucher geliefert wird, mit einer dem Verbraucher parallel geschalteten Reihenschaltung, bestehend aus einem im Durchbruch betriebenen Bauelement, dessen Klemmenspannung nur wenig von der Größe des das Bauelement durchfließenden Stromes abhängt, und einem Transistor, dadurch gekennzeichnet, daß das im Durchbruch betriebene Bauelement (18) in Reihe mit der Emitter-Basis-Strecke des Transistors (20) geschaltet ist, der mit einem dem Verbraucher parallel geschalteten veränderlichen Nebenschlußstromweg derart gekoppelt ist, daß er den Stromfluß im Nebenschlußstromweg im Sinne einer Verringerung der Schwankungen des das Bauelement durchfließenden Stromes steuert.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das im Durchbruch betriebene Bauelement eine Z-Diode ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenschlußstromweg aus der Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors (30) besteht.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen eine erste Klemme (10) der ungeregelten Spannungsquelle und eine Verbraucherklemme (14) ein Widerstand (16) geschaltet ist, daß eine Klemme einer Z-Diode über den Widerstand (16) mit der Klemme (10) der Spannungsquelle verbunden ist, daß der Emitter eines ersten Transistors (20) mit der anderen Klemme der Z-Diode (18) verbunden ist, daß die Basis des ersten Transistors (20) mit einer zweiten Klemme (12) der Spannungsquelle verbunden ist, daß der Kollektor eines zweiten Transistors (30) mit der ersten Klemme der Z-Diode verbunden ist, daß der Emitter des zweiten Transi₇ stors (30) mit der zweiten Klemme (12) der Spannungsquelle verbunden ist und daß der Kollektor des ersten Transistors (20) mit der Basis des zweiten Transistors (30) gekoppelt ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren entgegengesetzten Leitungstyp haben und daß. der zweite Transistor (30) einen solchen Leitungstyp hat, daß seine Kollektor-Emitter-Strecke einen Nebenschlußstromweg zur Reihenschaltung aus Z-Diode und Basis-Emitter-Strecke des Transistors (20) bildet.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Widerständen (22, 24, 28) in Reihe zwischen die erste Klemme (10) der ungeregelten Spannungsquelle und eine Klemme (26) entgegengesetzter Polarität einer zweiten Spannungsquelle geschaltet ist, daß die andere Klemme der zweiten Spannungsquelle mit der anderen Klemme (12) der ungeregelten Spannungsquelle verbunden ist, daß der Kollektor des ersten Transistors (20) mit dem Verbindungspunkt zwischen zwei Widerständen (22, 24) der in Reihe geschalteten Widerstände verbunden ist und daß die Basis des zweiten Transistors (30) mit einem Verbindungspunkt zwischen zwei anderen Widerständen (22, 28) der in Reihe geschalteten Widerstände verbunden ist.