DE1763850C3 - Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer konstanten Spannung - Google Patents
Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer konstanten SpannungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer konstanten Spannung, mit einer
astabilen Kippschaltung, die einen als Schalter arbeitenden, selbsttätig periodisch öffnenden und schließenden
Transistor sowie einen zwischen und den Kollektor und die Basis des Transistors geschalteten Rückkopplungstransformator enthält, ferner mit einem zwischen den
Transistor und einen Verbraucher geschalteten Glättungsfilter, das bei leitendem Transistor durch diesen
mit einer unstabilisierten Spannungsquelle verbunden ist, und mit einer Regelschaltung, die die Ausgangsspannung
des Glättungsfilter mit einer Bezugsspannung vergleicht und eine entsprechende Fehlerspannung
liefert, die das öffnen und Schließen des Transistors im Sinne einer Verringerung der Fehlerspannung steuert,
wobei der Basis des Transistors eine in Sperrichtung gepolte Vorspannung zugeführt ist, die einen vorzeitigen
Abfall des Kollektorstromes des Transistors ermöglicht.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Stabilisierung der von Primärelementen oder
Akkumulatorenbatterien abgegebenen Spannung. Bekanntlich hängt die Klemmenspannung von Primärelementen
und Akkumulatorenbatterien vom Entladungszustand und vom entnommenen Strom ab. Solche
Spannungsschwankungen, insbesondere das Absinken der Spannung während der Entladung, sind häufig nicht
zulässig, und man muß dann Stabilisierungsschaltungen verwenden. 1 '
Es sind Schaltungsanordnungen zum' Stabilisieren einer Spannung bekannt, die mit einem zwischen die
unstabilisierte Spannungsquelle und den Verbraucher geschalteten gesteuerten Widerstand arbeiten. Der
gewöhnlich aus einem Transistor bestehende steuerbare Widerstand erzeugt einen Spannungsabfall, dessen
Größe durch eine Regelschaltung derart verändert wird, daß die Ausgangsspannung konstant bleibt. Stabilisierungsschaltungen
dieses Typs haben den Nachteil, daß in dem steuerbaren Widerstand Leistung vernichtet
wird, so daß sich ein schlechter Wirkungsgrad ergibt (Elektronische Rundschau, 10/1958, Seite 342/343).
Es sind ferner Schaltungsanordnungen zum Erzeugen einer konstanten Spannung bekannt, bei denen die
unstabilisierte Spannungsquelle über einen sich mehr oder weniger periodisch öffnenden und schließenden
Schalter und ein Glättungsfilter mit dem Verbraucher verbunden wird. Da die Ausgangsspannung einer
solchen Schaltung direkt proportional zur unstabilisierten Eingangsspannung und dem Verhältnis der Zeitdauer,
während der der Schalter geschlossen ist, zur gesamten Periodendauer ist, läßt sich durch entsprechende
Steuerung des öffnens und Schließens des Schalters eine konstante Ausgangsspannung erzeugen.
Der Schalter besteht gewöhnlich aus einem Transistor. Für die Steuerung des Transistors sind zwei Möglichkeiten
bekannt, nämlich einerseits den Transistor durch einen besonderen Steuerkreis zu steuern oder den
Transistor in einer astabilen Kippschaltung zu betreiben, so daß er sich selbsttätig öffnet und schließt. In
beiden Fällen wird die Zeitdauer des Öffnens und Schließens durch eine Fehlerspannung beeinflußt, die
von einer Regelschaltung erzeugt wird, welche die Ausgangsspannung des Glättungsfiiters mit einer
Bezugsspannung vergleicht (DE-AS 11 81 791; Elektronische Rundschau, 10/1958, Seite 342-344).
Stabilisierungsschaltungen dieser Art mit getrenntem Steuerkreis arbeiten zwar befriedigend, sie weisen
jedoch den Nachteil auf, daß der Steuerkreis ziemlich kompliziert und aufwendig ist sowie viel Platz einnimmt.
Außerdem ist der Energieverbrauch des Steuerkreises praktisch unabhängig von der vom Verbraucher
aufgenommenen Leistung, was bei kleinem Leistungsbedarf des Verbrauchers den Gesamtwirkungsgrad der
Stabilisierungsschaltung erheblich beeinträchtigt.
Beim Betrieb des Transistors in einer astabilen Kippschaltung ist der Energieverbrauch zwar etwa proportional der vom Verbraucher aufgenommenen Leistung, so daß sich ein guter, von der Verbraucherleistung praktisch unabhängiger Wirkungsgrad ergibt. Stabilisierungsschaltungen dieser Art haben jedoch zwei Nachteile: Der erste Nachteil beruht auf der Inkonstanz der Schaltfrequenz. Die Schaltfrequenz hängt nämlich nicht nur von den Schaltungsparametern ab, sondern auch vom Verbraucherstrom, denn dieser bestimmt den Wert des Basisvorspannungsstromes, bei welchem die Umschaltung erfolgt. Die Schaltfrequenz nimmt daher mit zunehmender Belastung ab und die Frequenz kann sich zwischen Vollast und Leerlauf unter Umständen um den Faktor 10 ändern. Dies führt zu
Beim Betrieb des Transistors in einer astabilen Kippschaltung ist der Energieverbrauch zwar etwa proportional der vom Verbraucher aufgenommenen Leistung, so daß sich ein guter, von der Verbraucherleistung praktisch unabhängiger Wirkungsgrad ergibt. Stabilisierungsschaltungen dieser Art haben jedoch zwei Nachteile: Der erste Nachteil beruht auf der Inkonstanz der Schaltfrequenz. Die Schaltfrequenz hängt nämlich nicht nur von den Schaltungsparametern ab, sondern auch vom Verbraucherstrom, denn dieser bestimmt den Wert des Basisvorspannungsstromes, bei welchem die Umschaltung erfolgt. Die Schaltfrequenz nimmt daher mit zunehmender Belastung ab und die Frequenz kann sich zwischen Vollast und Leerlauf unter Umständen um den Faktor 10 ändern. Dies führt zu
echten Einschränkungen, wenn die Stabilisierungsschaltung
zur Speisung von Verbrauchern mit relativ stark ■-chwankender Leistungsaufnahme verwendet werden
soll, da dann die zur Beseitigung der Welligkeit der Ausgangsspannung erforderlichen Glättungsfilter sehr
aufwendig werden. Außerdem hat die Schaltung bei kleinen Belastungen, denen die höchrte Betriebsfrequenz
entspricht, einen schlechten Wirkungsgrad, da dann die Umschaltverluste am größten sind. Der zweite
Nachteil besteht darin, daß es eine untere Grenze für die mit der Stabükierungsschaltung herstellbare konstante
Spannung gibt, die höher liegt als es wünschenswert ist.
Das Vorhandensein einer solchen unteren Grenze beruht darauf, daß die Durchlaßzeit des Transistors, die
durch die Parameter der zugehörigen Schaltung und der Regelschaltung begrenzt wird, nicht beliebig verkürzt
werden kann. Bezüglich der Sperrzeit ergeben sich keine Probleme, da diese leicht steuerbar ist.
Eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art, bei der der Basis des Transistors eine in
Sperrichtung gepolte Vorspannung zugeführt wird, ist bereits aus der DE-AS 1155 850 bekannt Der
Rückkopplungstransformator der bekannten Schaltung hat zwei Sekundärwicklungen, die den Zweck haben,
durch eine zusätzliche Rückkopplung während der Durchlaß- und der Sperrzeit des Transistors in seinem
Emitter-Basis-Kreis verschiedene Übersetzungsverhältnisse der an den Wicklungen auftretenden Spannungen
zu ermöglichen. Dadurch können Probleme hinsichtlich Schaltfrequenzschwankungen und einer Spannungsbe- μ
schränkung nicht befriedigend gelöst werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben geschilderten Nachteile zu vermeiden,
nämlich den Bereich der herstellbaren stabilisierten Spannungen nach unten zu erweitern und die Frequenz- 3r>
Schwankungen in annehmbaren Grenzen zu halten, so daß der Wirkungsgrad auch bei kleinen Belastungen gut
ist und wirtschaftliche Glättungsfilter verwendet werden können.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einer ίο
Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zur Verringerung der Schwankungen
der Umschaltfrequenz durch Änderungen des Verbraucherstromes der Transformator außer einer
zwischen die Basis und den Emitter des Transistors geschalteten Rückkopplungswicklung, die zur Aufrechterhaltung
der Schwingungen dient, noch eine zweite, ebenfalls zwischen die Basis und den Emitter geschaltete
Kompensationswicklung aufweist, die eine Kompensationsspannung liefert, die der von der Rückkopplungswicklung
erzeugten Rückkopplungsspannung entgegengesetzt ist.
Die Rückkopplungs- oder Vorspannung und die Kompensationsspannung können durch die gleiche
Sekundärwicklung des Rückkopplungstransfonnators mit Hilfe eines Kondensators und eines Gleichrichters
erzeugt werden, welche mit der Sekundärwicklung verbunden und mit ihrem Verbindungspunkt an der
Basis des als Schalter arbeitenden Transistors angeschlossen sind. bo
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, es zeigt
F i g. 1 ein Schaltbild einer bekannten Stabilisierungsschaltung des hier interessierenden Typs, auf das bei der
Erläuterung der der Erfindung zugrundeliegenden Probleme Bezug genommen wird;
Fig. 2a und 2b graphische Darstellungen des Spannungsverlaufes an der Basis eines in der Schaltung
nach F i g. 1 enthaltenen, als Schalter arbeitenden Transistors bei Leerlauf bzw. Vollast;
Fig.3 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels dessen Ausgangsspannung in einem weiten Bereich
einstellbar ist;
F i g. 4 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels, bei dem die Schaltfrequenz weitgehend konstant gehalten
wird;
F i g. 5 eine graphische Darstellung des Spannungsverlaufes an der Basis des als Schalter arbeitenden
Transistors des Ausführungsbeispieles nach F i g. 4 und
Fig.6 ein Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels
der Erfindung, das sich sowohl durch konstante Schaltfrequenz als auch einen großen Einstellbereich
der Ausgangsspannung auszeichnet und eine Strombegrenzungsschaltung
zum Schutz gegen einen Kurzschluß der Ausgangsspannung enthält
Die in F i g. 1 dargestellte bekannte Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer konstanten Spannung enthält
einen Transistor T, der selbsttätig zwischen dem leitenden und dem gesperrten Zustand umschaltet
Hierfür ist der Kollektor des Transistors mit der Primärwicklung eines Transformators Tr verbunden,
dessen Sekundärwicklung in Reihe mit einem Kondensator Ci zwischen Emitter und Basis des Transistors
geschaltet ist Der Transformator Tr wirkt auch als Reaktanzspule, in der bei leitendem Transistor Energie
gespeichert wird, die bei gesperrtem Transistor über eine Diode D zu einem Glättungskondensator Ct
abfließt Die am Glättungskondensator auftretende Ausgangsspannung Vu der Schaltung wird in einer
Regelschaltung Ar mit einer stabilisierten Bezugsspannung verglichen, und das aus dem Vergleich resultierende
Fehlersignal wird in einem Regelverstärker Sa verstärkt und über einen aus zwei Widerständen R2 und
R] bestehenden Spannungsteiler der Basis des Transistors
T zugeführt. Das verstärkte Fehlersignal bewirkt eine Verlängerung bzw. Verkürzung der Durchlaßzeit
des Transistors T, je nachdem ob die Ausgangsspannung Vu infolge von Störeinflüssen zu klein oder zu groß ist,
so daß sie wieder auf den Soll-Wert gebracht wird.
Die Schaltfrequenz des Transistors Γ hängt von den
Werten der Schaltungselemente C1, R\, R2 und vom
Kollektorstrom ab. Wie das für den Leerlauffall geltende Diagramm in F i g. 2a zeigt, muß die Basisspannung
Vbe den Wert Vo überschreiten, damit der
Transistor in den leitenden Zustand übergeht, während bei Vollast (Fig.2b) die Basisspannung den Wert V1,
der größer als Vo ist, überschreiten muß, damit der Transistor Tleiten kann. Da der Wert V1 später erreicht
wird als der Wert V0, ist die Schaltfrequenz bei Vollast
wesentlich kleiner als bei Leerlauf und man muß das zur Glättung der Ausgangsspannung dienende Filter dementsprechend
für eine niedrigere Frequenz auslegen. Bei der bekannten Schaltung ist außerdem die untere
Grenze der erzielbaren stabilisierten Spannung durch die Einschaltdauer des Transistors begrenzt, die sich bei
der bekannten Schaltung nicht beliebig verkürzen läßt.
F i g. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das bei gegebener Eingangsspannung Vi eine weitergehende Änderung
der Ausgangsspannung Vu ermöglicht als die bekannte Schaltung. Dies wird durch eine in Sperrichtung
gepolte Vorspannung E zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors erreicht Diese Vorspannung
unterbricht den Basisstrom des Transistors vorzeitig, so daß die Durchlaßzeit des Transistors T
kurzer wird als die kürzeste Zeit, die beim Verschwinden der vom Regelverstärker Sa erzeugten Spannung
erreichbar ist.
Fig.4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die
Sekundärseile des Transformators Tr zwei Wicklungen S1 und S2 enthält. Die Wicklung Si dient als Rückkopp
lungswicklung zur Aufrechterhaltung der das Schalten des Transistors bewirkenden Schwingungen, während
die Wicklung S? als !Compensations- oder Gegenkoppli:ng?wicklung
arbeitet, deren Aufgabe darin besteht, den Anstieg der Basisspannung steiler zu machen, damit
der Zeitpunkt genauer definiert ist, bei dem die Basisspannung den Schwellwert, bei dem der Transistor
zu leiten beginn·, überschreitet. Die Schaltfrequenz ist daher nicht mehr nennenswert vom Laststrom abhängig.
Wie F i g. 5 zeigt, steigt die Basisspannung V/,c
exponentiell auf den relativ hohen Wert Vran,so daß die
Kurve den Wert Vi,, bei dem der Transistor zu leiten
beginnt, mit Sicherheit überschreitet. Der Spannungsverlauf ist bei Leerlauf und bei Vollast nicht wesentlich
verschieden, so daß sich eine Frequenzänderung von höchstens 10% ergibt.
Das in Fig.6 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält eine Sperrschwingerschaltung mit
Transistoren Ti und T2 in Darlington-Schaltung, sowie
einen Transformator Tr, dessen Primärwicklung mit den Kollektoren der beiden Transistoren verbunden ist. Die
Sekundärwicklung S\ ist über eine Parallelschaltung aus einem Widerstand A3 und einer Diode Dj, sowie einen
Reihenkondensator C2 mit der Basis des Transistors T2
verbunden, um die Schwingungen aufrecht zu erhalten, während die Sekundärwicklung S2 über einen Kondensator
Cj und einen Widerstand R1 mit der Basis
desselben Transistors T2 verbunden ist, um dieser eine
Kompensationswechselspannung zuzuführen, die das entgegengesetzte Vorzeichen wie die von Rückkopplungswicklung
S\ erzeugte Rückkopplungsspannung hat. Zwischen den Verbindungspunkt des Widerstandes R\
und des Kondensators Cj einerseits und den Emitter des
Transistors T\ andererseits ist eine Diode D2 geschaltet,
die die in Sperrichtung gepolte Vorspannung für die Basis des Transistors T2 liefert.
Wenn der Transistor Tj gesperrt ist, fließt die im Transformator Trgespeicherte Energie über eine Diode
D\ zu einem Glätiungskondensator C\ ab, an dem die Ausgangsspannung Vu auftritt Der übrige Teil der
Schaltung, der zwei Transistoren Tj, Ta und eine
Zener-Diode Z enthält, bildet die Regelschaltung (entsprechend der Schalung Ar in Fig. 1,3 und 4), der
Regelverstärker (entsprechend dem Regeiverstärker Sz
in F i e. 1,3 und 4) und eine Strombegrenzungsschaltunp
die die Schaltungsanordnung gegen Kurzschlüsse schützt. Der Transistor Ti vergleicht die Ausgangsspannung
Vu, die seiner Basis über einen Spannungsteiler aus
Widerständen R% Rw und einem Potentiometer Pi
zugeführt wird, mit einer durch die Zener-Diode 2 erzeugten Bezugsspannung. Die Zener-Diode Z ist mit
dem Emitter des Transistors Ti verbunden und wird über einen Widerstand R5 gespeist. Der Kollektor des
Transistors T4 ist über den Widerstand R2 mit der Basis
des Transistors T2 verbunden und liefert an diese eine
Steuerspannung für den die Transistoren Tj und Ti
enthaltenden Sperrschwinger. Der Wert der Ausgangsspannung Vu läßt sich mittels des Potentiometers Pi
einstellen.
Die Strumbegrenzungsschaltung enthält einen der Zener-Diode Z parallelgeschalteten Transistor Tj
dessen Basis über einen Widerstand Rs mit dem
Schleifer eines Potentiometers P\ verbunden ist, das parallel zu einem in die Ausgangsleitung geschalteter
Widerstand Rf, liegt. Der Transistor 7j wird leitend
wenn der durch den Widerstand Rt, fließende Verbraucherstrom
einen Grenzwert überschreitet, weichet durch die Einstellung des Schleifers des Potentiometers
P\ einstellbar ist. Durch das Leiten des Transistors 7] wird die Zener-Diode Z kurzgeschlossen und die
Ausgangsspannung Vu bricht dann zusammen. Die
jo schaltende Emitter-Kollektorstrecke des Transistors Ti
die Primärwicklung des Transformators Tr und dei Widerstand Rf, sind mit einem Widerstand Rj überbrückt,
der beim Einschalten der Stabilisierungsschaltung gewährleistet, daß die Regelspannung auch danr
mit Strom versorgt wird, wenn die Schalttransistoren Tj und T2 sperren. Zwischen die Basis und den Emitter des
Transistors Tj ist ein Widerstand Ra, geschaltet, der der
Zweck hat, den Basisstrom dieses Transistors zu begrenzen.
Mit der beschriebenen Schaltungsanordnung kann aus einer Eingangsspannung von 40 bis 70 V eine
stabilisierte Ausgangsspannung bis herunter zu 12 V erzeugt werden, während die minimale Ausgangsspannung
bei den bekannten Stabilisierungsschaltungeri dieser Art 24 V beträgt.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer konstanten Spannung, mit einer astabilen Kippschaltung,
die einen als Schalter arbeitenden, selbsttätig periodisch öffnenden und schließenden Transistor
sowie einen zwischen den Kollektor und die Basis des Transistors geschalteten Rückkopplungstransformator
enthält, ferner mit einem zwischen den Transistor und einen Verbraucher geschalteten
Glättungsfilter, das bei leitendem Transistor durch diesen mit einer unstabilisierten Spannungsquelle
verbunden ist, und mit einer Regelschaltung, die die Ausgangsspannung des Glättungsfilter mit einer
Bezugsspannung vergleicht und eine entsprechende Fehlerspannung liefert, die das öffnen und Schließen
des Transistors im Sinne einer Verringerung der Fehlerspannung steuert, wobei der Basis des
Transistors (T; Tu T2) eine in Sperrichtung gepolte
Vorspannung (E) zugeführt ist, die einen vorzeitigen Abfall des Kollektorstroms des Transistors ermöglicht,
dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (Tr) zur Verringerung der Schwankungen
der Umschaltfrequenz durch Änderungen des Verbraucherstromes außer einer zwischen die
Basis und den Emitter des Transistors (T; Ti, T2)
geschalteten Rückkopplungswicklung (St), die zur Aufrechterhaltung der Schwingungen dient, noch
eine zweite, ebenfalls zwischen die Basis und den Emitter des Transistors geschaltete Kompensationswicklung
(S2) aufweist, die eine Kompensationsspannung liefert, welche der von der Rückkopplungswicklung (Si) erzeugten Spannung entgegengesetzt
ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsspannung
und die Vorspannung durch die gleiche Sekundärwicklung (S2) des Rückkopplungstransformators (Tr)
mit Hilfe eines Kondensators (Cz) und eines Gleichrichters (Eh), welche mit der Sekundärwicklung
verbunden und mit ihrem Verbindungspunkt an der Basis des als Schalter arbeitenden Transistors (T;
T], Tz) angeschlossen sind, erzeugt werden.
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