DE1588766A1 - Schaltungsanordnung zur Gleichspannungsregelung mit Strombegrenzung - Google Patents

Description

• fSchaltungsanordnung zur Gleichspannungsregelung mit Strombegrenzung" Es ist bekannt, mit Transistoren Schaltungsanordnungen zur Spannungsregelung aufzubauen und dabei als Referenzelemente Zenerdioden zu verwenden. Bei diesen Schaltungsanordnungen nimmt,beispielßweise ein Transistor in Emittär-Verstärkerschaltung mit Außenwiderstand an einem Spannungsteiler einen Teil der Ausgangsspannung ab, vergleicht sie mit der Referenzspannung und verstärkt ihre Differenz. Im längszweig der Schaltung liegt als Gleichstromregelstrecke ein leistungstransistor, der als veränderlicher Widerstand gedatt werden kann und die Differenz zwischen stabilisierter Ausgangsspannung und schwankender Eingangsspannung aufnimmt. Durch Verändern des Spannungsteilers kann die Ausgangsspannung geändert werden. In diesen Regelschaltungen kann der längstransistor, der schon meistens-in der Nähe seiner höchsten Verlustleistung betrieben wird, durch eine Überlast oder einen Kurzschluß am Ausgang zerstört vierden. Da die thermische Zeitkonstante der üblichen Leistungstransistoren nur wenige Millisekunden beträgt,-sind Schmelzsicherungen nicht sehnell.und empfindlich genug, den Transistorzu schützen. Es sind daher schon elektronische Kurzschluß- und Uberstromabschaltungen mit elektronischen Schaltern entwickelt worden, die zwar sehr schnell aber in ihrer Schaltung verhältnismäßig aufwendig sind.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Gleichspannungsregelung mit-Strombegrenzüng unter Verviendung eines Stelltransistors im Längszweig zu schaffen, durch die eine Gleichspannung auf einen konstanten Wert ausgeregelt und ab einer bestimmten Belastung der Strom so begrenzt werden kann, daß der im Längszweig-befindliche Transis-

  tor geringAnöglich belastet wird.. Darüber hinaus soll die

  Schaltungsanordnung kurzschlußfest sein und eine automatische Erholung nach Entfernung von Kurzschluß oder Überlast gewährleisten.@Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß alsi Regelverstärker ein Transistor von entgegengesetztem Zeitfähigke-itstyp als der Stelltransistor und ein Referenzelement in einer Brückenschaltung vorgesehen sind, wobei durch Vorgabe. F -.des Stromes für den Verstärker und das Referenzelement die Strombegrenzungskennlinie bestimmt wird. Während in bekannten Schaltungsanordnungen jeweils ein getrennter Transistor für Spannungsregelverstärkung und für Strombegrenzung verwendet wird, besteht der Vorteil der Erfindung gegenüber diesen bekannten Methoden vor allem in der Verwendung nur eines Regelverstärkers, d.h. eines Transistors für Spannungsregelung und Strombegrenzung. Durch die Verwendung einer Transistorkombination von entgegengesetztem T,eitfähigkeitstyp (ptip/npti oder umgekehrt) werden Bauteile (Widerstände) im ätrömmeßzweig und im Regelverstärkerteil eingespart. Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird ein Schutz der Schaltungeanordnung mit allen Hauelementen ohne Verminderung der Regeleigenschaften erreicht.
• Zur Erzielung einer Rechteckkennlinie kann eine KonstantstroLiquelle vorgesehen sein, die in Verbindung mit der Stromverstärkung de; Stelltransistors den senkrechten Teil der Kennlinie bestimmt, während der-spannungsgeregelte waagerechte 'seil durch die Referenzspannung und den Spannungbteiler der Brückenschaltung erzielt wird.

  Um eine Abhängigkeit des Stromes von der Spannung und damit

  eine rückläufige Kennlinie zu erzielen, kann ein Widerstand

  an eitler positiven Vorspannung oder an "Null" vorgesehen sein,

  der den Basisstrom für den Stelltransistor bestimmt. Auf diese

  Weise ist es möglich, einen geringeren.Kurzschlußstrom einzu-

  stellen-und dariit die Kurzschlußbelastung des Regeltranaistors

  zu veiiitigern.

  Nach einer ;'leiterbildung der Erfindung ist zur Erhöhung der Regelverstärkung ein zusätzlicher Treibertransistor vorgesehen, der den Kollektorstrom des Regelverstärkers verstärkt und mit dem verstärkten Emitterstrom des Treibertransistors die Basis des Stelltranoistors steuert. Der verstärkte Kollektorstrom des Treibertransistors wird zum Emitterstrom des Regelverstärkers addiert, so daß sich auch eine Erhöhung der für die Strombegrenzung wirksamen Verstärkung ergibt. Durch Veränderung des Emitterwiderstandes, der z.B. an der positiven Vorspannung liegt; oder Zuführung des Kollektorstromes des Tieiber-4ransistors an einem veränderbaren Abgriff dieses Widerstandes ist ein einstellbarer Strombegrenzungseinsatz möglich.
• Die Erfindung wird anhand der Figuren erläutert. Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung, bei der zur Strombegrenzung eine Konstantstromquelle vorgesehen ist.
• Fig. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung, bei der die Konatantstromquelle durch einen Widerstand ersetzt ist und Fig. 3 eine Schaltungsanordnung zur Erhöhung der Regelverstärkung. Die an den Eingangslc1emmen -u1 und 0 zugeführte Gleichspannung .wird über das Stellglied in Form des Transistors T1 (npil) an die Eingangsklemmen -u2 und 0 geführt, zwischen denen eine nicht dargestellte Last liegt. Als Spannungsvergleichsschaltung ist in der Fig.1 eine Zenerdiode-ZD als Referenzelement mit einer Konotantstromquelle ik und den Spannungsteilerwiderständen r1, r2 vorgesehen. Die Diagonalspannung in der Brückenschaltung ist jeweils mit UD und die Referenzspannung mit UZ bezeichnet. Ein Transistor T2 (pnp) (Regelverstiirker) li(f:rt je nach Aussteuerung den benötigten' Basisstrom für den Transistor '1 '1 . Zwischen -u2 und ".Null" ist ein Verbraucher R vorgesehen.
• ,Für die Gleichspannungsregelung gilt folgende Wirkungsweise der Schaltungsanordnung: Die Aussteuerspannung für den Transistor T2 wird durch die Disgonalspannung Up der Spannungsvergleichsschaltung derart gegeben, da.ß z.8. eine zu hohe Ausgangsspannung den Kollektorstrom vom Transistor T2 und somit die Aussteuerung des Transistors T1 und damit den Ausgangsstrom der Schaltung vermindert. Dies entspricht einer Absenkung der .Ausgangsspannung bis der durch die'Referenzspannung UZ und das Spannung-I-Geilerverhältnis r2/r1 vorgegebene Wert wieder erreicht ist.
• Für die Strombegrenzung gilt folgende Wirkungsweise: Der Basisstrom des Transistors TI, dexY'gleich dem Kollektor- bzw. Emitterstrom des Transistors T2 ist, fließt aus der Konstantstromquelle ik, die gleichzeitig auch den Strom für das Referenzelement ZK liefert. Flenn der Basisstrom des Tranaistors T1 den vorgegebenen Konstäntstrom übersteigt, dann vermindert sich damit die verfügbare Referenzspannung UZ. Da durch. die Refexenzspannung in Verbindung mit dem Spannungsteiler r1,/r2 die Ausgangsspannung bestimmt ist, vermindert sich bei Überschreitung des zulässigen Basisstromes von Transistor T1 diese Ausgangsspannung. Der Ausgangsstrom bleibt deshalb dann konstant.-Aufgrund der Konstantstraaquelle ergibt sich eine Rechteclclcenrllinie, deren spannungsgeregelter waagrechter Teil durch die Referenzspannung und den Spannungsteiler r1,'. r2 und deren strombegrenzter senkrechter Teil durch die Konstantatromquelle und durch die Stromverstärkung der Transistoren bestimmt wird. Der Unterschied der"Pig.2 gegenüber der Fig.1 besteht darin, daß die Konstantstromquelle ik durch einen Widerstand r3 ersetzt worden ist, ch° an einer positiven Vorspannunß oder an "Null" liegt. Da durch diese Anordnung der Basisstrom des Transistoz.o T1 durch die Spannung an dem Widerstand r3 bestimmt wird, verläuft der strombegrenzte Teil der Kennlinie rückläufig. Auf diese 'Meise kann ein geringerer Kurzschlußstrom eingesitollt werden. Damit wird auch die Kurzschlußbelastung des Regeltransistors T1 verringert. Eine Umkehrung der Potentialverhältnisse deT Transistoren ist möglich, d.he daß als Ste:lltrans.istor.T1 ein prip-Transisto@ und als Regelverstärker ein npn-Transistor T2 Verwendung findet. Zur Bewältigung größerer Ströme und zur Erhöhung der Regelverstärkung kann die Schaltungsanordnung nach der Erfindung durch einen weiteren npn-`frr@.:@istor T3 (Treibertransistor). ergänzt werden, wie es in der rfig.3 dargestellt ist. Dieser zusätzliche Transistor T? verstärkt den Kollektorstrom des Regelverstärkers T2 und steuert mit dem verstärkten Emitterstrom die Basis des-Stelltransistors T1. Der Kollektorstrom des Transistors T3 wird dem durch den Widerstand r3 fließenden Strom überlagert. Bei der zusätzlichen Anordnung eines Transistors T3 nach der Darstellung in der Fig.1 würde der Kollektorstrom dieses Transistors dem Konotantstrom überlagert. Durch Einstellen des Abgriffes an dem Widerstand r3 oder Änderung des V9iderstandswertes r3 kann z.B. der Einsatz der Strombegrenzung verändert werden. Durch die Spannung u3, an der der 1'liderstandi3 angeschlossen ist, wird der Kurzschluß®trom bestimmt. -Der Kurzschlußstrom kann auch durch eine Serienschaltung von Zenerdiode und Widerstand, die parallel zur Kollektor-Basisstrecke des Stelltfancistors Ta oder zwischen Ausgang und Basis des Transistors T3 geschaltet sind, bestimmt werden. Die durch den Tranoistor T1 dargestellte Regelstrecke kann durch eine Kombination aus mehreren Transis-@oren in bekannter Weise ersetzt werden. Mit einer Kaskadensehaltung von zwei oder mehr Transistoren im Längszweig würde die Laststromabhängigkeit stark vermindert. Eine solche Kaskade wirkt vrie ein einzelner Transistor, besitzt jedoch eine entsprechend höhere Strom- und Leistungsverstärkung. .
• Durch Parallelschaltung mehrerer Regeltransistoren kann die Regelstrecke für größere Leistung ausgelegt werden.
• Mit der Schaltungsanordnung nach der Erfindung kann auch die Störgrößenzuischaltung nach der üblichen Form vorgenommen werden.

Claims (3)

1. P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Schaltungsanordnung zur Gleichspannungeregelung mit-Strombegrenzung unter Verwendung Eiries Stelltransistors im Längszweig, dadurch gekennzeichnet, dap als Regelverstärker ein Transistor ('1.'2) von entgegengesetztem Zeitfähig- . keitstyp als der Stoll.transistor (T1) und ein Referenz- ._ element (ZD) in einer Brückenschaltung vorgesehen Bind, vrobei durch Vorgabe des Stromes (ik bzri: r3) für den Verstärker und das Referenzelement die Strömbegrenzungskennliiiie bestimmt wird.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer Rechteckkennlinie eine Konstantstromquelle (.ilc) vorgesehen ist, die in Verbindung mit der Stromverstärkung des Stelltransistors (T1) den senkrechten Teil der Kennlinie bestimmt, während der spannungsgeregelte waagrechte Teil durch die Referenzspannung (UZ@: und den Spannungsteiler (r1/r2) der Brückenschaltung er-. zielt wird.
3. 3. Schzltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung der Abhängigkeit de aStromee von der Spannung und damit einer rückläufigen Kennlinie ein Widerstand (r3) an einer entgegengesetzt gepoltan Vorspannung oder an "Null" vorgesehen ist, der den maximalen Emitter--strom des Transistors (T2.) und damit den Basisstrom für ' den Stelltransistor ('1'1) und gleichzeitig den Kollektor-Strom des Stelltransistors ('1'1) bestimmt. -4. Schaltungsanordnung na-eh einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Regelverstärkung ein zusätzlicher Treibertransistor (T3) vorgesehen ist,-der den Kollektorstrom des Regelverstärkers (T2) verstärkt und mit dem verstärkten Emitterstrom die Basis des Stelltransistors (T1) steuert und damit den Kollektorstrom-des Stelltransistors (T1) bestimmt. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,.daß der Kollektorstrom des zusätzlichen TreibertrariBiS-tors (T3) dem Konstantstrom WO bzw. dem Strom überlagert ist, der durch den den maximalen Emitterstrom des Regeltransistors (T2) bestimmenden Widerstand (r3)-fließt. einem der 6. Schaltungsanordnung nach/Ansprüche ä bis 5, dadurch ge- kennzeichnet, daß eine einstellbare Strombegrenzung durch p Einstellen des maximalen Emitterstromes des Regeltransistors (T2) durch Verändern des Widerstandes (r3) bzw. durch Einstellen des Abgriffes an dem Widerstand t, r3) vorgeseAen ist. .= ?. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, i dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschlußstrom durch die positive VorspannWag; füe_'d,l@ligerstand _ (r3) festgea.egt ist, der den maximalen Emitterstrom für den Regeltransistor (:1'2) bestimmt. B. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden An- _ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschlußstrom durch eine Kombination aus Zenerdiode und Widerstand bestimmt ist, die zwischen Ausgang und Basisch s Stelltransistors (T1) oder Basis des Treibertransistors (T3) angeordnet ist. g. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als'Regelverstä,rker (T2) mehrere- Transistoren in bekannter Schaltung angeordnet sind. 10. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Regelstrecke (T1) -mehrere-Transistoren in bekannter Schaltung angeordnet sind. 11. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Störgrößenaufschaltung vorgesehen ist. 12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch Bekennzeichnet, daß eine Störgräßenaufschaltung des Stromes mit Hilfe eines-Anteils des Kollektorstromes des Treiber transistors iTj) vorgenommen wird.