DE1588828A1 - Circuit arrangement for voltage regulation - Google Patents

Circuit arrangement for voltage regulation

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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices

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Description

B e s e h r e i b u n g "Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung" Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung.B e s e r e i b u n g "Circuit arrangement for voltage regulation" The invention relates to a circuit arrangement for voltage regulation.

Derartige Schaltungsanordnungen finden sich in einer großen Anzahl elektronischer Geräte, insbesondere bei solchen, die mit Netzanschluß ausgestattet sind, um Schwankungen der Betriebsspannung von der eigentlichen Geräteschaltung fernzuhalten, falls deren Betrieb zuverlässig nur mit wirkllch konstanter Spannung gewährleistet ist. Besonders ist dieser Betrieb mit konstanter Betriebsspannung bei analog arbeitenden Geräteschaltungen erforderlich, da sonst stets Arbeitspunktverschiebungen der einzelnen Bauelemente, Insbesondere der Verstärkerelemente (Röhren, Transistoren) zu befürchten sind. Sehr häufig bildet die Spanniuigsregelschaltung eine Baugruppe des Netzteiles, in dem die Netzspannung auf die verschiedenen Betriebsspannungen desjeweiligen Geräts transformiert und gleichgerichtet wird. Am Eingang jeder solchen Spannungsregelschaltung liegt die ungeregelte Gleichspannung, am Ausgang die geregelte Spannung. Alle derartigen Schaltungsanordnungen arbeiten so, daß in den Laststromkreis zwischen ungeregeltem Eingang und geregeltem Ausgang ein Widerstand liegt, dessen Spannungsabfall steuerbar ist, derart, daß der Spannungsabfall gesenkt wird, wenn die Ausgangsspannung, zu niedrig ist, während er erhöht wird, wenn die Ausgangsspannung steigt. Das Steuersignal wird gewonnen, indem die Ausgangsspannung - oder ein proportionaler Anteil derselben - mit einer Bezugsspannung verglichen wird und die Differenz zwischen diesen Spannungen, meist nach Verstärkung, als Steuersignal dient. Bei bekannten derartigen Schaltungen dient als Widerstand im Laststromkreis gewöhnlich die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors, während die Steuerspannung an die Basis angelegt wird. Zwischen der Basis und dem Kollektor ist ein Widerstand vorgesehen, der zugleich der Arbeitswiderstand des Regelsignalverstärkers ist und der Basis des Transistors bei voll durchgesteuertem Transistor genügend Basisstrom zuführen muß, daß dieser auch die gegebenenfalls erheblichen Betriebsströme für das Gerät abzugeben vermag. Der genannte Basiswiderstand muß mithin relativ niedrige Werte besitzen, was zu einer ganzen Anzahl von Nachteilen führt: # Da der Basiswiderstand zugleich der Arbeitswiderstand des Regelsignalverstärkers ist, ergibt sich bei kleinem Arbeitswiderstand auch eitle geringe Verstärkung des Regelsignalverstärkers, der ja als Spannungsverstärker arbeiten muß. Ferner muß die letzte Stufe des (gewöhnlich ebenfalls mit Transistoren bestückten) Regelsignalverstärkers eine erhebliche Leistung aufzunehmen vermögen, da der "Querstrom" bei gesperrtem Transistor im Laststromkreis sehr groß werden kann und der kleine Arbeitswiderstand nur einen kleinen Teil der Leistung umsetzt.Such circuit arrangements are found in large numbers electronic devices, especially those equipped with a power supply are in order to avoid fluctuations in the operating voltage of the actual device circuit keep away, if their operation is reliable only with really constant voltage is guaranteed. This operation with constant operating voltage is special Required for analog device circuits, otherwise there will always be shifts in the operating point of the individual components, especially the amplifier elements (tubes, transistors) are to be feared. The voltage control circuit very often forms an assembly of the power supply unit, in which the mains voltage is adjusted to the various operating voltages of the respective device is transformed and rectified. At the The input of every such voltage regulating circuit is the unregulated DC voltage, the regulated voltage at the output. All such circuit arrangements work so that in the load circuit between unregulated input and regulated output there is a resistor whose voltage drop is controllable in such a way that the voltage drop is lowered if the output voltage is too low, while it is increased, when the output voltage increases. The control signal is obtained by taking the output voltage - or a proportional part thereof - compared with a reference voltage and the difference between these voltages, usually after amplification, as a control signal serves. In known circuits of this type, it is used as a resistor in the load circuit usually the collector-emitter path of a transistor, while the control voltage is applied to the base. There is a resistor between the base and the collector provided, which is also the working resistance of the control signal amplifier and the base of the transistor if the transistor is fully activated, enough base current must supply that this also the possibly considerable operating currents for the device is able to deliver. The base resistance mentioned must therefore be relatively low Possessing values, which leads to a number of disadvantages: # Because the base resistance is at the same time the working resistance of the control signal amplifier, results from small Working resistance also vain low gain of the control signal amplifier, the yes it has to work as a voltage amplifier. Furthermore, the last stage of the (usually control signal amplifier also equipped with transistors one Able to absorb considerable power, since the "cross current" when the transistor is blocked in the load circuit can be very large and the small working resistance only one implements a small part of the service.

Schließlich ist es gar nicht zu vermeiden, daß eine der Gleichspannung am Eingang überlagerte Brummspannung an die Basis des Transistors im Laststromkreis gelangt und mithin verstärkt am Ausgang erscheint; der Regelverstärker muß also eine erhebliche Verstärkung aufweisen, um diesen "Restbrumm" wieder auszuregeln. Man hat versucht, die oben geschilderten Nachteile zu vermeiden oder zumindest sie in ihren Folgen zu mildern, indem man den Transistor im Laststromkreis mehrstufig ausbildete, etwa als zwei oder noch mehr Transistoren in der sogenannten Darlington-Schaltung. Bei dieser sind die beiden Kollektoranschlüsse miteinander verbunden, während die Basis-Emitter-Strecken in Reihe geschaltet sind. Diese Schaltung hat zunächst natürlich den Nachteil des vermehrten Aufwands; in der Regel - nämlich bei höheren Ausgangsströmen - sind auch zwei Transistoren im Laststromkreis nicht genügend.After all, it is inevitable that one of the DC voltage Ripple voltage superimposed at the input to the base of the transistor in the load circuit arrives and therefore appears more strongly at the exit; the control amplifier must therefore have a considerable gain in order to regulate this "residual hum" again. Attempts have been made to avoid the disadvantages outlined above, or at least to avoid them mitigate their consequences by placing the transistor in the load circuit in several stages formed, for example as two or more transistors in the so-called Darlington pair. In this case, the two collector connections are connected to one another, while the Base-emitter paths are connected in series. This circuit has first of course the disadvantage of the increased effort; usually - namely with higher output currents - Two transistors in the load circuit are not sufficient either.

Der Hauptnachteil ist aber, daß die Spannungsabfälle über den Basis-Emitter-Strecken der Transistoren die erreichbare Ausgangsspannung herabsetzen. Bei niedrigen geforderten Ausgangsspannungen ist dies ganz besonders störend, weil diese Spannungsabfälle konstant sind und mithin dieRegel- verstärkung verschlechtern. Andererseits wird die über den +t;außerdem - und dies ist der Hauptnachteil dieser Schaltungs- anordnung - wird der im Netzteil i.m',gr:setzJe Anteil der Gesamt- leistung entsprechend vergrößert so daß die Bauelemente für die entsprechend erhöhte thermische Belastung ausgelegt werden müssen. Basiswiderstand eingespeiste Restbrummspannung mitverstärkt, so daß auch auf der Seifte des Regelsignalverstärkers mehr Aufwand getrieben werden muß. Allerdings läßt sich bei d%eser bekannten Anordnung der Basiswiderstand hochohmiger ausbilden, so daß die oben genannten Nachteile der geringen Verstärkung und der hohen Leistungsbelastung des Regelsignalverstärkers _ Die Erfindung sucht die Aufgabe zu lösen, ausgehend von dem eingangs geschilderten Grundprinzip eine Schaltungsanordnung für Spannungsregeleinrichtungen zu schaffen, die die genannten Unvollkommenheiten beseitigt und dabei den erheblichen Aufwand der weiterentwickelten Schaltungen, wie sie oben beschrieben wurden, weitgehend vermeidet.The main disadvantage, however, is that the voltage drops across the base-emitter paths of the transistors reduce the achievable output voltage. At low output voltages required, this is particularly troublesome because these voltage drops are constant and therefore the control gain worsen. On the other hand, the + t; moreover - and this is the main disadvantage of this circuit arrangement - is the in the power supply i.m ', gr: setzJe share of the total power accordingly increased so that the components for the correspondingly increased thermal load must be interpreted. The residual ripple voltage fed into the base resistance is also amplified, so that more effort has to be made on the control signal amplifier as well. However, with this known arrangement, the base resistance can be designed with a higher resistance, so that the above-mentioned disadvantages of the low gain and the high power load on the control signal amplifier The invention seeks to solve the problem of creating a circuit arrangement for voltage regulating devices based on the basic principle outlined at the beginning, which eliminates the imperfections mentioned and thereby largely avoids the considerable expense of the further developed circuits as described above.

Es wird eine Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung mit der Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors im Laststromkreis und einem, an die Basis des Transistors angeschlossenen Regelsignalverstärker für die Steuerung des Spannungsabfalls über der Kollektor-Emitter-Strecke vorgeschlagen, wobei das Regelsignal die Differenz zwischen einem proportionalen T"-il der geregelten Ausgangsspannung und einer Bezugspannung ist; diese Schaltungsanordnung ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch einen Arbeitswiderstand für die letzte Stufe des Regelsignalverstärkem welcher Arbeitswiderstand aus einem spannungssteuerbaren Widerstandselement und einem mit ihm in Reihe geschalteten zweiten Widerstand, dessen Spannungsabfall als sperrende Spannung über den Steuerelektroden des Widerstandselementes liegt, besteht.There is a circuit arrangement for voltage regulation with the collector-emitter path one transistor in the load circuit and one connected to the base of the transistor Control signal amplifier for controlling the voltage drop across the collector-emitter path proposed, the control signal being the difference between a proportional T "-il is the regulated output voltage and a reference voltage; this circuit arrangement is characterized according to the invention by a working resistance for the last Stage of the control signal amplifier which work resistance from a voltage controllable Resistance element and a second resistor connected in series with it, its Voltage drop as a blocking voltage across the control electrodes of the resistance element lies, exists.

Das spannungssteuerbare Widerstandselement ist zweckmäßigerweise die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors mit hohem Innenwiderstand, damit die Leistungsbelastung der letzten Regelverstärkerstufe herabgesetzt wird und zugleich deren Verstärkung erhöht wird. Als ein derartiger Transistor wird vorzugsweise ein Feldeffekttransistor gewählt, der ja rein spannungssteuerbar ist und keine Steuerleistung verbraucht. Allerdings muß dann ein solcher Typ gewählt werden, bei dem der Kollektorstrom sein Maximum bei einer Steuerspannung Null erreicht, wobei also zum Sperren des Transistors eine Spannung erforderlich ist. Anstelle des (Feldeffekt) - Transistors kommen freilich auch bestimmte Röhrentypen in Betracht, die die genannten Bedingungen in entsprechender Weise erfüllen. Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung soll nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert werden, wobei sich auch die Notwendigkeit der oben genannten Bedingungen ergibt: Zwischen die Klemmen der ungeregelten Spannung,+ E und - E,w am Eingang und die Klemmen der geregelten Spannung, + A und - A, ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung geschaltet. Sie umfaßt die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors T1 im Laststromkreis sowie einen Spannungsteiler R2, R3 über den Klemmen + A, - A. Als Bezugsspannung dient der Spannungsabfall über einer Zenerdiode Z, Die Spannungen über der Zenerdiode und dem Widerstand R3 speisen den Regelsignalverstärker RV, in dem die Differenz der genannten Spannungsabfälle gebildet und verstärkt wird. Als Arbeitswiderstand für den Regelsignalverstärker dient die Reihenschaltung aas der Kollektor-Emitter-Strecke des Feldeffekt-Transistors T2 und einem zweiten Widerstand R1, der zugleich zwischen.den Emitter und das Gat des Transistors T2 geschaltet ist. (Für die Elektroden des Feldeffekt-Transistors werden hier die Bezeichnungen gemäß dem zu erwartenden DIN-Vorschlag gewählt). Der gesamte, durch den Transistor T2 fließende Strom verzweigt sich hinter dem Emitter einerseits in die Bads des Transistors T1 im Sinne von dessen Durchsteuerung mnd in den Regelsignalverstärker. Je größer der Anteil ist, der in den Regelverstärker fließt, desto größer ist auch der Spannungsabfall über dem Widerstand R und damit umso höher auch die Sperrspannung, die am Gat des1Transistors T2 liegt. Damit wird also auch der Gesamtstrom herabgesetzt, der durch dessen Kollektor-Emitter-Strecke fließt.. und damit die Strombelastung des Regelsignalverstärkers. Damit ist auch klar, daß der Transistor T2 dann maximalen Strom führen muß, wenn die Spannung zwischen seinem Emitter und seinem Gat Null ist, da ja dann der Transistor T1 ganz durchgesteuert sein muß.The voltage controllable resistance element is expediently the Collector-emitter path of a transistor with a high internal resistance, so that the Power load of the last control amplifier stage is reduced and at the same time whose gain is increased. A transistor is preferably used as such a transistor Field effect transistor selected, which is purely voltage controllable and no control power consumed. However, a type must then be selected in which the collector current reaches its maximum at a control voltage of zero, so to lock the Transistor a voltage is required. Instead of the (field effect) - Transistor Of course, certain types of tubes also come into consideration that meet the stated conditions meet in a corresponding manner. The mode of operation of the circuit arrangement according to the invention will now be explained with reference to the drawing, with the The necessity of the above conditions results in: Between the terminals of the unregulated Voltage, + E and - E, w at the input and the terminals of the regulated voltage, + A and - A, the circuit arrangement according to the invention is connected. It includes the collector-emitter path of the transistor T1 in the load circuit and a voltage divider R2, R3 via the Terminals + A, - A. The voltage drop across a Zener diode is used as the reference voltage Z, The voltages across the Zener diode and the resistor R3 feed the control signal amplifier RV, in which the difference between the voltage drops mentioned is formed and amplified. The series connection aas serves as the working resistance for the control signal amplifier the collector-emitter path of the field effect transistor T2 and a second resistor R1, which is connected at the same time between the emitter and the gate of the transistor T2 is. (For the electrodes of the field effect transistor, the designations selected according to the expected DIN proposal). The whole, through the transistor T2 flowing current branches behind the emitter on the one hand in the bath of the Transistor T1 in the sense of its through-control mnd into the control signal amplifier. The larger the proportion that flows into the control amplifier, the larger it is the voltage drop across the resistor R and thus the higher the reverse voltage, which is at the gate of the transistor T2. This also reduces the total current, which flows through its collector-emitter path .. and thus the current load of Control signal amplifier. It is thus also clear that the transistor T2 is then at its maximum Must carry current when the voltage between its emitter and its gate is zero is, because then the transistor T1 must be fully controlled.

Die Brummspannungen, die etwa am Eingang + E, - E vorliegen, werden zum großen Teil bereits durch den Transistor T2 in Zusammenwirkung mit dem Widerstand Rh auskompensiert.The ripple voltages that are present at the input + E, - E, for example to a large extent already through the transistor T2 in cooperation with the resistor Rh compensated.

Andererseits wirkt der leistungslos steuerbare Transistor T2 als ein Widerstandselement, das dann seinen Wert erniedrigt, wenn dies für die Durchsteuerung des Transistors T1 erforderlich ist, jedoch seinen Werterhöht, wenn die durchfließenden Ströme den Regelsignalverstärker belasten.On the other hand, the powerless controllable transistor T2 acts as a Resistance element, which then lowers its value if this is necessary for the control of transistor T1 is required, but its value increases when the flowing through Currents load the control signal amplifier.

Irgendein anderes, ebenso leistungslos steuerbares Widerstandselement kann natürlich den Transistor T2 ersetzen. Die Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist besonders vorteilhaft bei fietzspannungsgespeisten Stromversorgungsschaltungen, die bei niedrigen Betriebsspannungen hohen Strombedarf haben, also für den Netzteil umfangreicher, mit zahlreichen Transistoren bestückter GeräteSome other, just as powerless controllable resistance element can of course replace the transistor T2. The application of the circuit arrangement according to the invention is particularly advantageous for mains voltage-fed power supply circuits, which have high power requirements at low operating voltages, i.e. for the power supply unit extensive devices equipped with numerous transistors

Claims (3)

P a t e n t a n s p r ü c h e 1D Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung mit der Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors im Laststromkreis und einem, an die Basis des Transistors angeschlossenen Regelsignalverstärker für die Steuerung des Spannpngsabfalls über der Kollektor-Emitter-Strecke, wobei das Regelsignal die Differenz zwischen einem proportionalen Teil der geregelten Ausgangsspannung und einer Bezugsspannung ist, gekennzeichnet durch einen Arbeitswiderstand für die letzte Stufe des Regelsignalverstärkers, welcher Arbeitswiderstand aus einem Widerstandselement und einem mit ihm in Reihe geschalteten zweiten Widerstand, dessen Spannungsabfall als sperrende Spannung über den Steuerelektroden des Widerstandselementes liegt, besteht. Patent claims 1D circuit arrangement for voltage regulation with the collector-emitter path of a transistor in the load circuit and a control signal amplifier connected to the base of the transistor for controlling the voltage drop across the collector-emitter path, the control signal being the difference between a proportional one Part of the regulated output voltage and a reference voltage is characterized by a working resistor for the last stage of the control signal amplifier, which working resistor consists of a Resistance element and a second resistor connected in series with it, the voltage drop of which lies as a blocking voltage across the control electrodes of the resistance element. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das spannungssteuerbare Widerstandselement die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors mit; hohem Innenwiderstand ist. 2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that that the voltage controllable resistance element is the collector-emitter path of a Transistor with; high internal resistance. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das spannungssteuerbare Widerstandselement die Kollektor-Emitter-Strecke eines Feldeffekt-Transistors ist, dessen Kollektorstrom sein Maximum bei einer Steuerspannung Null erreicht, und daß der zweite Widerstand zwischen den Emitter und das Gat des Feldeffekt-Transistors geschaltet ist. 3. Circuit arrangement according to claim 2, characterized in that the voltage-controllable resistance element is the collector-emitter path of a field effect transistor whose collector current reaches its maximum at a control voltage of zero, and that the second resistor between the emitter and the gate of the field effect Transistor is switched.
DE19671588828 1967-12-30 1967-12-30 Circuit arrangement for voltage regulation Expired DE1588828C (en)

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DE1588828B2 DE1588828B2 (en) 1973-02-22
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