DE1616728B1

DE1616728B1 - Anordnung zum verlustarmen Stabilisieren einer gleichgerichteten Ausgangsspannung

Info

Publication number: DE1616728B1
Application number: DE19611616728
Authority: DE
Inventors: Charles David Sinclair Gaskill
Original assignee: IND PROCESSES Ltd
Current assignee: IND PROCESSES Ltd
Priority date: 1961-07-10
Filing date: 1961-07-10
Publication date: 1969-09-04
Also published as: NL266474A; GB980631A

Description

ι .2

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum verlust- gestellten Aufgabe vor, daß dem Zweipunktstabilisierarmen Stabilisieren einer gleichgerichteten Ausgangs- gerät eine an sich bekannte stetig wirkende, einen gespannung mit einem Stabilisiergerät mit Transitor- steuerten Transistor im Betriebsstromkreis enthaltende Zweipunktregler, der in seine zwei Schaltstellungen Stabilisierschaltung nachgeschaltet ist, die stetig nach nach Maßgabe der Beziehung zwischen einer von der 5 Maßgabe der Beziehung zwischen der Ausgangsspan-Ausgangsspannung des Stabilisiergeräts abhängigen nung der stetig wirkenden Stabilisierschaltung und einer Vergleichsspannung und einer Bezugsspannung ge- zweiten Bezugsspannung gesteuert ist, und daß auch schaltet wird. die Vergleichsspannung für das Zweipunktstabilisier-

Anordnungen dieser Art haben bekanntlich den gerät von der Ausgangsspannung der stetig wirkenden

Vorteil relativ niedriger Verlustleistung im Regel- io Stabilisierschaltung abgeleitet ist.

transistor, der im Schalter- bzw. Zweipunktbetrieb Etwaige auftretende Laständerungen oder Speise-

entweder einen sehr hohen oder einen sehr niedrigen Spannungsschwankungen werden also stets durch den

Durchlaßwiderstand besitzt. · Transistor-Zweipunktregler praktisch leistungslos aus-

Ein Transistor-Zweipunktregler liefert an seinem geregelt. Die infolge des Zweipunktbetriebs über dem Ausgang zwar eine stabilisierte, jedoch nicht ausrei- 15 dem Transistor-Zweipunktregler zugeordneten Speichend geglättete Spannung, und zwar unabhängig da- cherkondensator auftretenden Störwechselspannungen von, ob Speisespannungsschwankungen oder Last- werden anschließend durch einen stetig wirkenden, mit änderungen auftreten oder nicht. Die beim Zweipunkt- seiner Kollektor-Emitter-Strecke im Betriebsstromregler auftretende Störwechselspannung am Ausgang kreis liegenden Regeltransistor ausgeglichen. Da die schien bisher bei vernünftigem Aufwand und ohne 20 Amplitude der Störwechselspannung am Kondensator Rückwirkungen auf die Stabilisierfähigkeit der als nur sehr gering ist, kann der mit der Last in Reihe ge-Stabilisiergerät vorgesehenen Anordnung nicht be- schaltete stetig wirkende Regeltransistor stets im Beliebig vermindert werden zu können. reich sehr niedrigen Durchlaßwiderstands arbeiten, so

So wurde bekanntlich in den Betriebsstromkreis daß der Spannungsabfall über dem Transistor und daeines mit einem Transistor-Zweipunktregler auf- 25 mit die Verlustleistung sehr gering ist. Da die Vergebauten Stabilisiergeräts zur Glättung der Wechsel- gleichsspannung für das Zweipunktstabilisiergerät eranteile der Ausgangsspannung eine Induktivität als findungsgemäß von der Ausgangsspannung der stetig Siebglied eingeschaltet. Da Induktivitäten stets mit wirkenden Stabilisierschaltung abgeleitet ist, so daß die einem gewissen Ohmschen Widerstand behaftet sind, Ausgangsspannung der stetig wirkenden Stabilisierist bei solchen Anordnungen insbesondere bei Last- 30 schaltung die Steuerung des Zweipunktstabilisiergeräts änderungen und Verwendung relativ hoher Betriebs- unmitelbar beeinflußt, wird erreicht, daß die Änderunsi cöme mit erheblichen ausgangsseitigen Spannungs- gen der Regelspannung des Zweipunktstabilisiergeräts Schwankungen zu rechnen, so daß bei dieser bekannten und damit die Schwankungen der Eingangsspannung Ausgestaltung die wesentlichste Funktion des Span- der stetig wirkenden Stabilisierschaltung vermindert nungsstabilisiergeräts nicht erfüllt ist. 35 werden, so daß die Verlustleistung in der stetig wir-

Es sind auch Stabilisiergeräte bekannt, bei denen ein kenden Stabilisierschaltung besonders gering gehalten

stetig geregelter, im Leistungskreis befindlicher Tran- werden kann.

sistor die sich bei ändernder Last ergebenden Span- Zur Lösung eines anderen Problems, nämlich zum nungsschwankungen am Ausgang ausgleicht. In sol- Fernhalten von Überspannungen von einem über elekchen Stabilisiergeräten mit stetig wirkendem Regler 40 ironische Strom- oder Spannungsgleichhalter an bzw. geregeltem Transistor treten bei Überspannungen Netzspannung gelegten Verbraucher, die trotz ord- und Vollast erhebliche Verluste im geregelten Transi- nungsgemäßer Netzspannung infolge von Funktionsstor auf, welche die entnehmbare Leistung begrenzen. störungen des elektronischen Strom- bzw. Spannungs-Eine gewisse Abhilfe dieses Nachteils erbrachte eine gleichhalters auftreten, ist es an sieh bekannt, im Ausbekannte Schaltung, gemäß der zur Erzielung hoher 45 gangskreis des elektronischen Gleichhalters bzw. Reg-Leistung und hoher Konstanz ein geregelter Gleich- lers ein Überwachungsrelais anzuordnen, das beim richter mit einem Stabilisiergerät mit stetig wirkendem Erreichen einer bestimmten Schwellspannung im AusRegler hintereinandergeschaltet wurde, wobei die Ver- gangskreis einen Vorwiderstand in den Eingangskreis Iustleistung des stetig wirkenden Reglers relativ klein des elektronischen Strom-oder Spannungsgleichhalters gehalten werden kann. Abgesehen davon, daß eine ge- 50 einschaltet. Die bekannte Maßnahme dient also nur steuerte Gleichrichteranordnung das relativ aufwen- zur Absicherung des Verbrauchers nach Eintritt einer digste und teuerste Stabilisiergerät darstellt, ist auch Funktionsstörung des beliebig ausgeführten elektrodie Verlustleistung in einer einen gesteuerten Gleich- nischen Strom- oder Spannungsreglers. Bei normaler, richter verwendenden Anordnung keineswegs ver- ordnungsgemäßer Arbeitsweise des Reglers ist der vom nachlässigbar, so daß zwar gegenüber der alleinigen 55 Überwachungsrelais betätigte Schalter ständig einVerwendung eines stetig wirkenden Reglers eine Ver- geschaltet und hat für die Arbeitsweise des Stabilisierbesserung in bezug auf die Funktionsweise des Stabili- geräts keine Bedeutung.

siergeräts erzielt werden kann, die in der Gesamt- Die Erfindung wird nun an Hand eines in der Zeichanordnung auftretenden Verluste jedoch noch keines- nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher bewegs zufriedenstellend beseitigt worden sind. 60 schrieben. In der Zeichnung zeigt

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein F i g. 1 ein vereinfachtes Schaltbild einer Hinter-

Spannungsstabilisiergerät anzugeben, das einerseits einanderschaltung eines Zweipunktreglers und einer

eine ausreichend stabilisierte und geglättete Ausgangs- stetig wirkenden Stabilisierschaltung und

spannung liefert und andererseits selbst bei erheblichen F i g. 2 die Schaltungsanordnung einer Ausführungs-

Laständerungen eine besonders geringe Verlustleistung 65 form der vorliegenden Erfindung,

aufweist. Bei der Betrachtung der F i g. 1 sei zunächst an-

Ausgehend von einer Anordnung der eingangs be- „ genommen, daß die innerhalb der strichpunktierten

zeichneten Art schlägt die Erfindung zur Lösung der Umrandung dargestellten Elemente nicht vorhanden

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sind, d. h., daß der den vom Stabilisiergerät gespeisten Widerstand Rlim in Fig. 1, der Transistor Γ1 entVerbraucher darstellende Widerstand Rl direkt dem spricht dem Schalter SFF" in F i g. 1, und der Konden-Kondensator C parallel geschaltet ist. Der Block Ein sator Cl entspricht dem Kondensator C in F i g. 1.

stellt die übliche vom Wechselstromnetz gespeiste Der Zweipunktregler weist neben dem Schalttransistor

Gleichrichterschaltung dar, welche die zu stabilisierende 5 Tl als Steuervorrichtung einen Schmitt-Trigger T3-TA

Spannung liefert. Diese Spannung erreicht den Ver- und zwei hintereinandergeschaltete Emitterfolgetransi-

braucher über einen Begrenzungswiderstand Rlim stören T5 und TSa auf, wobei der Emitterfolgetran-

und einen Schalter SW. Der Kondensator C hat eine sistor T5a die Basisvorspannung des Schalttransistors

verhältnismäßig große Kapazität. Π und damit dessen Schaltzustand bestimmt.

In seiner Anfangsstellung ist der Schalter SW ge- ίο Wenn der Transistor Ti leitend ist, fließt ein Strom schlossen, so daß der Strom vom Gleichrichter zur vom Ausgang des Gleichrichters über R₂ und die KoI-Speisung des Verbrauchers Rl und zur Aufladung des lektor-Emitter-Strecke des Transistors Π zum Kon-Kondensators C über Rlim und SW fließt. Die (in densator Cl, welcher sich über diesen Stromkreis auf-F i g. 1 nicht gezeigten) Schalter-Steuervorrichtungen lädt. Der Strom fließt auch über die stetig wirkende sind so angeordnet, daß der Schalter ÄFF geöffnet wird, 15 Reihenstabilisierschaltung.

sobald die Spannung über dem Kondensator C den Die Emitter-Spannungsversorgung der Transistoren

gewünschten Wert E um einen vorbestimmten Betrag Γ3 und TA erfolgt von der Verbindung zwischen einer

(O₁E) übersteigt. Danach wird der Verbraucher allein Zenerdiode Zl und einem Widerstand R30, wobei

durch den Kondensator C gespeist, welcher sich über die Zenerdiode diese die Bezugsspannung für den Zwei-

den Verbraucher Rl zu entladen beginnt. Sobald die %o punktregier bildende Spannung auf einen gewünschten

Spannung über den Kondensator C auf einen um einen Wert festlegt.

vorgegebenen Betrag (ß₂E) geringeren als den Sollwert Wenn die an die Basis von T3 angelegte, von der

abgesunken ist, wird der Schalter SW geschlossen. Der Ausgangsspannung der stetig wirkenden Stabilisier-

Kondensator C lädt sich nun wieder auf, wobei der schaltung abgeleitete Vergleichsspannung ausreichend

Verbraucher von der gleichgerichteten Netzspannung as positiv ist, wird der Transistor T3 gesperrt, wodurch

gespeist wird. O₁E und O₂E können gleich sein. der Transistor TA durchgeschaltet wird. Folglich wird

Somit variiert die Spannung über dem Kondensator C die Kollektorspannung von TA positiv und mit ihr diezwischen einem Wert (E + δΕ) und einem Wert jenige der Basis- und Emitterelektroden der Transisto- (E — δΕ), wobei E der Sollwert einer Verbraucher- ren T5 und T5a. Die positive Emitterspannung von spannung ist, wenn angenommen ist, daß die beiden 30 T5a wird der Basis des Transistors Tl des Zweipunktobenerwähnten vorherbestimmten Beträge gleich sind. reglers zugeführt, und sie bewirkt die Abschaltung die-AIs eine Folge davon ist die Spannung über C eine ses Transistors, d. h., der Schalter ist geöffnet,
konstante Gleichspannung mit dem Wert E, und zwar Der Verbraucher wird nun über die Reihenstabiliunabhängig von Änderungen des Gleichrichteraus- sierschaltung vom Kondensator Cl gespeist, und die gangs und der Verbraucherkennlinie, welche mit einer 35 Spannung über diesen Kondensator sinkt mit dessen Welligkeit überlagert ist, deren Amplitude von Spitze Entladung. Bei Zustandsumkehr des Schmitt-Triggers zu Spitze 2<5 E beträgt. entsprechend dem Verhältnis der Vergleichsspannung

Die Amplitude des Wechselstromanteils (Wellig- zur Bezugsspannung wird Γ3 durchgeschaltet und TA

keit) kann beliebig klein sein, wobei die Überlegung gesperrt. Der Spannungswechsel am Kollektor von TA

gilt, daß die Frequenz, mit der der Schalter SW arbei- 40 bewirkt über die Emitterfolgetransistoren T5 und T5a,

ten soll, um so höher ist, je kleiner der Weit δ Ε ist. daß Tl wieder leitend wird, d. h., der Schalter ist ge-

Unter Verwendung von Flächentransistoren kann die schlossen.

Amplitude von Spitze zu Spitze weniger als 1 Volt be- Wie bereits erläutert, wird der oben beschriebene

tragen. Um die noch vorhandene Welligkeit der Span- Vorgang entsprechend den Schwankungen der Ver-

nung völlig zu beseitigen, ist zwischen den Kondensa- 45 braucherspannung fortgesetzt.

tor C und den Verbraucher Rl eine stetig wirkende Die Speisespannung für die Zenerdioden Zl und Spannungsstabilisierschaltung eingeschaltet. Eine der- ZA, welche der Steuerung des Bezugspotentials für die artige Schaltung ist innerhalb der strichpunktierten Transistoren Tl und Γ9 dienen, ist von einer Doppel-Umrandung (F i g. 1) dargestellt. Sie besteht aus einem weggleichrichterschaltung mit einem Mittenabgriff abPotentiometer Rl, von welchem aus eine der Spannung 5° geleitet. Die Vergleichsspannungsquelle speist die über dem Verbraucher proportionale Spannung durch Zenerdiode Zl über den Widerstand i?30 und die einen Vergleicher CA mit einer Vergleichsspannung Zenerdiode ZA über ein Glättungsnetzwerk mit den von einer Vergleichsspannungsquelle RVS verglichen Widerständen i?31 und R32 sowie zwei weitere Zenerwird. Das von dem Unterschied zwischen der vor- dioden Z6 und Zl. Dadurch wird sichergestellt, daß gesehenen Verbraucherspannung und der tatsächlichen 55 der in den Zenerdioden Zl und ZA fließende Strom Verbraucherspannung abhängige Fehlersignal des Ver- und somit auch die durch diese erzeugten Bezugsgleichers CA regelt den Widerstand des Reihensteuer- spannungen unabhängig von der Ausgangsspannung gliedes SCE. Eine Schaltung wie diejenige innerhalb sind. ■
der strichpunktierten Umrandung ist an sich bekannt. Eine Zenerdiode Zl, welche von einem Doppelweg-

Im leitenden Zustand ergibt sich weder über den 60 gleichrichter über einen Widerstand RAl gespeist ist,

Schalter SW noch über das Reihensteuerglied SCE bestimmt das an den ersten von zwei Emitterfolge-

ein großer Spannungsabfall; folglich ist der Energie- transistoren 7*10 und TU angelegte Potential. Diese

verbrauch beider Schaltungen verhältnismäßig gering, Transistoren werden von einem durch ein emitter-

obwohl der volle Verbraucherstrom durch beide Schal- gekoppeltes Transistorpaar T6-T7 gebildeten Ver-

tungen fließt. 65 gleicher gesteuert und wirken auf den im Betriebs-

Die ausführliche Schaltung gemäß F i g. 2 soll nun Stromkreis eingeschalteten gesteuerten Transistor 7*9

beschrieben werden. Die Widerstandskombination R₂ der stetig wirkenden Stabilisierschaltung (SCE in

ist der Begrenzungswiderstand und entspricht dem F i g. 1) ein.

Ein weiterer Brüekengleichrichter (F i g. 2 links unten) liefert eine gegenüber der positiven Seite des Hauptgleichrichters positive Spannung, und sein Ausgang wird durch eine Anordnung von Widerständen und Zenerdioden R33, R34, ZS, Z9 und ZlO stabilisiert. Eine über dem Ausgang liegende Kette einstellbarer Widerstände Pl-P4 ist zwischen die negative Klemme des Ausgangs der stetig wirkenden Stabilisierschaltung und die Kathode der ZenerdiodeZ8 geschaltet. Durch geeignete Einstellung der einstellbaren Widerstände kann die Ausgangsspannung des Stabilisiergeräts auf 0 Volt herabgeregelt werden.

Zwischen den in Reihe geschalteten Stabilisiergeräten Tl und T9 ist ein Widerstand R35 mit niedrigem Widerstandswert von 1 Ohm eingeschaltet. Da die "15 Vergleichsspannung für den Schalttransistor Tl vom Ausgang der stetig wirkenden Stabilisierschaltung abgeleitet wird, bewirkt der in den Betriebsstromkreis eingeschleifte Widerstand R35, daß die Stabilisierschaltung bei kurzgeschlossenem Ausgang konstanten Strom statt konstante Spannung liefert. Wenn der Ausgang kurzgeschlossen ist, wird der Transistor T9 gesättigt, und die Kombination, bestehend aus R35 und Z4, bewirkt, daß die Vergleichsspannung für den Schalttransistor vom Ausgangsstrom statt von der '25 Ausgangsspannung abhängig ist. Eine ähnliche Wirkung kann auf kompliziertere Weise dadurch erreicht werden, daß an Stelle des Widerstands R3S eine Konstantstromvorrichtung eingeschaltet wird.

Ferner ist eine Schaltung zur Unterdrückung des '30 Spannungsstoßes vorgesehen, welcher beim Abschalten der Gesamtanordnung auftreten kann. Ohne eine derartige Schaltung wurden die Kondensatoren C6 und C8, welche kleiner als C5 sind, sich bereits vor C5 entladen, so daß die Speisung des Steuerstromkreises bereits vorzeitig ausfallen und der Ausgang auf den dann über C5 bestehenden Spannungswert ansteigen würde. Dieser Spannungsstoß wird durch ein aus den Widerständen R36 und R37, dem Transistor T12, dem Widerstand R38 sowie aus den DiodenD9 und DlO bestehendes Netzwerk beseitigt.

Wenn die Gesamtanordnung normal arbeitet, ergibt sich an dem durch die Widerstände R36 und i?37 gebildeten Spannungsteiler eine Spannung, welche leicht positiv gegenüber der positiven Ausgangsleitung ist, so daß T12 gesperrt wird und die Diode D9 in Sperrichtung vorgespannt wird. Dabei ist auch die Diode ΧΊΟ in Sperrichtung vorgespannt. Nach Abschaltung der Hauptspeisespannung beginnt sich der Kondensator C9 schnell zu entladen; da C5 eine viel größere Kapazität hat, entlädt er sich langsamer. Folglich wird das Potential an der Verbindung von R36 und R31 schnell negativ gegenüber der positiven Ausgangsleitung, so daß T12 durchgeschaltet und gesättigt wird. R38 ist ein kleiner (100 Ohm) Strombegrenzungswiderstand, so daß die Kollektorspannung von Tl und die Basisspannung von TlO schnell positiv werden können. Dies dauert fort, bis D 9 in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, wodurch eine weitere positive Spannungsänderung verhindert wird. Ohne D9 würde das Basispotential von TlO auf etwa das Potential der positiven Ausgangsleitung abfallen, so daß durch die an ihm Hegende zu große Sperrspannung zerstört werden könnte.

Wenn D9 in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, können die Potentiale an dem Kollektor von Tl und der Basis von TlO nicht positiver werden. Dabei ist das Reihensteuerglied T9 gesperrt, und der Kondensator Cl entlädt sich über Z12, R40, R41, Zl, Z4, D9, R3S und T12. Dies allein wäre jedoch unzureichend, um eine Beschädigung der Schaltung zu vermeiden, da Tl immer noch leitend sein könnte; denn bei der Entladung von CS würde über Zl kein Spannungsabfall auftreten, so daß T9 der ganzen über C5 Hegenden Spannung ausgesetzt wäre. Ein Strom würde zum Ausgang fließen, und zwar vom Hauptgleichrichter über Tl, die .Zenerdiode Z12, die Widerstände R40 und R41 und die Zenerdiode Z2. Unter diesen Bedingungen ist die Diode DlO in Durchlaßrichtung vorgespannt und legt ein ausreichendes Potential an Zl, um Tl sowie die ihn steuernden Emitterfolgetransistoren T5 und T5a zu sperren.

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zum verlustarmen StabiHsieren einer gleichgerichteten Ausgangsspannung mit einem StabiHsiergerät mit Transistor-Zweipunktregler, der in seine zwei Schaltstellungen nach Maßgabe der Beziehung zwischen einer von der Ausgangsspannung des StabiHsiergeräts abhängigen Vergleichsspannung und einer Bezugsspannung geschaltet wird, dadurchgeken η zeichnet, daß dem ZweipunktstabiHsiergerät (SW, C; Tl, Cl) eine an sich bekannte stetig wirkende, einen gesteuerten Transistor im Betriebsstromkreis enthaltende StabiHsierschaltung (SCE, T9) nachgeschaltet ist, die stetig nach Maßgabe der Beziehung zwischen der Ausgangsspannung der stetig wirkenden StabiHsierschaltung und einer zweiten Bezugsspannung gesteuert ist, und daß auch die Vergleichsspannung für das ZweipunktstabiHsiergerät von der Ausgangsspannung der stetig wirkenden Stabilisierschaltung abgeleitet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den in Reihe geschalteten StabiHsiergeräteri (Tl und T9) ein niederohmiger Widerstand (R3S) eingeschaltet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stetig wirkende StabiHsierschaltung (SCE) einen mit der Emitter-Kollektor-Strecke in Reihe mit dem ZweipunktstabiHsiergerät (Tl) geschalteten Transistor (T9) aufweist, dessen Scheinwiderstand von einem aus einem emittergekoppelten Transistorpaar (T6-T7) aufgebauten Vergleicher gesteuert wird, der eine der Ausgangsspannung proportionale Spannung mit einer Bezugsspannung vergleicht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen