DE1930500A1 - Halbleiterkraftregler - Google Patents

Description

PATtNTANWALT DIPUING.

• HELMUT GÖRTZ

6 Frankfurt am Main 70 Schneckenhofstr. 27 - Tel. 51 70 79 .

11. Juni 1969 . . " " Gzu/Ra.

Union Carbide Corporation, New York, N.Y. 10017 / U.S.A.

Halbleiterkraftregler

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Kraftregler und bezieht sich insbesondere auf einen Festkörper-Gleichstromregler in Reihenschaltung.

Ein Regler sorgt für einen konstanten Ausgangswert an variable Lasten von einer gegebenen Kraftquelle her» Dort z,B», wo die Kraftquelle relativ teuer ist, wenn sie beispielsweise durch einen Stapel von Brennzellen oder Solarzellen dargestellt wird, und wo es auf Maß und Gewicht ankommt, ist es wesentlich, daß der Regler möglichst wenig Kraft von der Kraftquelle verbraucht} d.h. daß der Regler eine hohe Betriebseffektivität aufweist» Um niedrige Kraftverluste bei hohen Strömen in Festkörperreglern in Seriensehaltung zu erhalten, ist besonders darauf zu achten, daß bei dem Aufbau eine niedrige Emitter-Kollektor-Spannung über dem in Serie geschalteten Steuerelement liegt. Um dies zu erreichen, ist eine beachtliche Basisübersteuerung erforderlich« Eine niedrige Sattigungsspannung wurde deshalb auf Kosten der Gesamtreglereffektivität erhalten.

Es besteht daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Pestkörper-Gleichstromkraftregler in Serienschaltung extrem hoher Effektivität zu schaffen.

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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den beiliegenden Darstellungen von Ausführungsbeispielen sowie aus der folgenden Beschreibung.

Es zeigen:

Pig« 1 eine beispielhafte Regleranordnung in Serienschaltung bekannter Art mit einigen schematisch dargestellten Schaltungen, wobei das Übrige in Blockschaltung dargestellt ist, und

Fig. 2 die verbesserte Regleranordnung gemäß der Erfindung in Reihenschaltung.

In Figur 1 ist ein konventioneller Pestkörperregler 10 in Reihenschaltung dargestellt, der elektrisch verbunden ist zwischen der ßleichstromkraftquelle 12 und der Last 14. Die Gleichstromkraftquelle 12 ist von der üblichen Art, bei welcher eine Mehrzahl von Spannung erzeugenden Elementen oder Zellen a, b, c, d ... η In Serie liegen, um die gewünschte primäre Kraftquelle zu bilden. Sie Spannung erzeugenden Elements können eine Hehrzellbatterie oder eine Mehrzahl von Brennzellen, thermionischen Zellen oder Solarzellen usw. sein. Es sei bemerkt, daß eine elektrische Batterie per tiefinitionen aus zwei oder mehr in V-erbindung mit einander stellenden Zellen besteht, die chemische Energie in elektrische Energie umwandeln. Die Zelle ist die Einheit der Batterie. Die elektrische Ersatzschaltung einer Zelle besteht aus einer inneren EMK in Reihe mit einem inneren Widerstand. Die Regelung ist infolge des Abfalls der Gesamt-

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spannung über dem inneren Widerstand jeder Zelle in Abhängigkeit vom Anstieg der Stromdichte erforderlich.

Der hergebrachte Kraftregler 10 besteht aus einem Seriensteuerelement Q1, einem Erregerelement Q2, einer Komparatorschaltung 16, einer Bezugsquelle 18 und einem Abfrage- oder Probeelement 20. Die Regelung wird durch Vergleich eines Abfragewertes der Ausgangsspannung (V_ou+) mit der durch die Bezugsquelle 18 erzeugten Spannung bewirkt; ein vorliegender Fehler wird zu dem Erregerelement Q2 in geeigneter Phasenbeziehung geführt, um den Strom, der durch das'Seriensteuerelement Q1 geliefert wird, zu steuern. Das Erregerelement Q2 ist beispielsweise ein aus einem Transistor bestehender Verstärker, wie in Figur 1 gezeigt. Unter gewissen Umständen, im allgemeinen für erhöhte Empfindlichkeit, wird eine Mehrzahl von hintereinander geschalteten Verstärkern verwendet. Das Seriensteuerelement Q1 ist ein Leistungstransistor oder eine andere Festkörpervorrichtung, wie z.B. eine Tetrode. Das Steuerelement Q1 wird so ausgewählt, daß es den Anforderungen für die ursprüngliche Spannung und den Strom am Ausgang genügt. Zur Veranschaulichung: 15 Ampere wurden ausgewählt als gewünschter maximaler.Ausgangsstrom. Der Spannungsabfall vom Emitter 22 zum Kollektor 24, multipliziert mit dem Maximalstrom I- bestimmt die maximale, durch das Steuerelement Q1 verbrauchte Kraft. Um eine minimale Sättigungsspannung aufrechtzuerhalten und noch einen hohen Ausgangsstrom, wie z.B. 15 Ampere, vorzusehen, ist eine beachtliche Basiserregung erforderlich. Die erforderliche Höhe des Basiserregerstromes hängt von der Stromverstärkung des Seriensteuerelementes Q 1 ab. Wenn die Stromverstärkung h« des Steuerelementes Q1 gleich 15 ist, wird eine Basiserregung von einem Ampere notwendig sein. Praktisch haben die meisten, für den

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Regelbetrieb verwendbaren Leistungstransistoren relativ kleine Stromverstärkungen. Unter der Annahme einer Spannung über dem Priroärzellenstapel oder der Eingangskraftquelle 12 von 28 Volt und einem erforderlichen maximalen Basiserregerstrom von einem Ampere wird bei der hergebrachten Schaltung nach Fig. 1 für den Sinlcwiderstand R ein Wert von nahezu 27 Ohm für den geeigneten Betrieb notwendig. Andererseits wird der Erregertransistor Q2 nicht in der Lage sein, genügend Strom für die Steuerung des Leistungstransistors Q1 zu ziehen. Wenn R-. auf der anderen Seite auf Null reduziert wäre, würde ein übermäßiger Stromwert gezogen, der die Regelfunktion zerstört und aller Wahrscheinlichkeit nach den Erregertransistor Q2 beschädigt. Für die ausgewählten Bedingungen würde R₁ einen I R-Kraftverlust von nahezu 10 ia des gewünschten Kraftausganges entwickeln und den Regler recht unwirksam machen.

Es ist festgestellt worden, daß die Wirksamkeit des Reglers erheblich dadurch verbessert werden kann, daß man nicht alle Eingangszellen als Sekundär- oder Hilfsspannungsspeisegerät für die Entwicklung der notwendigen Basiserregung benutzt. Eine derartige Anordnung ist in Fig. 2 dargestellt, welche die verbesserte Reglerform in Reihenschaltung gemäß der Erfindung zeigt. Obwohl dies zu einem Anwachsen des Gresamtstromes durch nur einen Teil des gesamten Zellenstapels führt, wird die Regelung nicht bemerkenswert beeinflußt. Der Betrieb der Schaltung der Figur 2 ist äquivalent der von Figur 1, wobei die Regelung in der gleichen Weise erreicht wird. Der Komparator 16, die Bezugsspannungsquelle 18 und das Abfrageelement 20 (gewöhnlich ein Spannungsteiler) sind übliche Schaltungen. Die Teilwerte der einzelnen Schaltkreise sind für den praktischen

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BAO

Betrieb der vorliegenden Erfindung nicht kritisch. Um die Be-. Schreibung klar und knapp zu halten und die Erfindung nicht zu überdecken, sind die Schaltkreise in Blockschaltung wiedergegeben. Der Unterschied zwischen dem Regler nach Pig. 1 und dem nach Pig. 2 beruht in der Verwendung nur eines Teils des gesamten Zellenstapels der Eingangskraftquelle 12 als Kraft-Hilfsquelle' für den Erregertransistor Q2. Nimmt man dieselben Betriebsbedingungen für die Steuer- und Erregerelemente Q1 und Q2 an, so wird der Widerstandswert von B... durch die an dem Primärzellenstapel der Eingangskraftquelle 12 abgegriffene Spannung bestimmt. Mithin kann beispielsweise ein Drei-Volt-Abgriff, der von der Wahl von Q2 abhängt, einen maximalen Basiserregerstrom Ip von einem Ampere liefern, wobei R₁ auf Null Ohm reduziert ist. In der Praxis würde R- bei einem gewissen sehr niedrigen Wert als Strombegrenzungsvorrichtung gehalten werden. Der I R-Verlust über diesen Widerstand wäre vernachlässigbar. Die Widerstände R₂, R* und R. und der Kondensator C₁ sind für den praktischen Betrieb der Erfindung nicht notwendig. Sie wurden zwecks einer vollständigeren Darstellung des Reglers, wie er tatsächlich konstruiert ist, hinzugefügt. R₂ wird für die Anpassung der Charakteristiken von Q1 an sehr niedrige Sättigungsspannungen benutzt. R- paßt die Charakteristiken von Q2 an, wobei 8r die gleiche Punktion wie R₂ bezüglich Q1 hat. R, hat» während der Spannungsregler im Normalbetrieb ist, keine nützliche Punktion} sein einziger Zweck besteht im Abschalten des Spannungsreglers, wenn die Eingangsspannung zunächst angelegt ist. Ohne den Widerstand R, kann der Transistor Q1 anfänglich nicht genug Strom führen, um den Strom I, zu liefern, der für die Erregung des Komparators 16, der Bezugsquelle 18 und des Abfragekreises 20 erforderlich ist. Unter

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derartigen Bedingungen kann die Erregerstufe Q2 in der Lieferung des Basisstromes nach Q1 ausfallen, mit dem Ergebnis, daß Q1 niemals angeschaltet werden kann, es sei denn, daß/für einen kurzen Augenblick vom Emitter zum Kollektor kurzgeschlossen wird oder andererseits mit einem Widerstand, wie z.B. R~, geshuntet wird. Zusätzlich ist der Kondensator C. zu einem Bypass um Q2 für das elektrische Rauschen eingebaut, was auf der anderen Seite zu einem verstärkten Rauschsignal führen kann, das am Ausgang von Q1 erscheint.

Der gewöhnliche in Fig. 1 gezeigte Regler wie auch der verbesserte Regler nach Fig. 2 sind bezüglich einer positiven Erdspeisung gezeigt und beschrieben. Selbstverständlich ist die Erfindung in gleicher Weise auf eine negative Erdung anwendbar.

Im folgenden wird ein Beispiel der besonderen Wirksamkeit angegeben, die aus der Schaltung nach Fig. 2 erhalten wird, welche in einem 300 Watt, 28 Volt Kraftspeisegerät auf der Basis einer

eingebaut
Hydrazinluftbrennzelle/ Es gelten folgende Komponenten und Beschreibung:

Bauelement enwahl

Q₁ 2N3597 Transistor

Q₂ 2N2697 Transistor

R₂ 100 0hm Widerstand

R₁ 0,7 0hm Widerstand

R, 200 Ohm Widerstand

Die Spannungsquelle 12 ist ein Hydrazin-Luftbrennstoff-Zellenstapel von 38 Zellen. Die Stellung des Spannungsabgriffes für die Erreger stufe: 4- Zellen vom negativen Ende.

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Schaltgrößen

I₁ = 12,6 Ampere Spannung über dem Zellenstapel (V-) = 29,03V I= 0,9· Ampere Spannung über einem Vierzellenabgriff (V,) =

2,4 V

I= 0,04 Ampere Spannungsausgangswert über der Last (V _u+) =

28,5 V

An die äußere Last gelieferte llettoleistung = 28,5 V χ 12,6 Amp.

= 359,10 Watt

Bruttoleistung, die durch den Brennstoffzellenstapel erzeugt wird:

Primärleistung am Regler: 29,03 V χ 12,6 Amp. = 365,78 Watt Leistung für die Erregung von Q₂: 2,4 V χ 0,9 Amp,- 2,16 Watt Leistungsverlust im Komparator, Bezugsquelle und Abfrageelement: 28,5 V χ 0,04 Amp. = 1,14 Watt

Bruttoleistung = 369,08 Watt

β+ - Nettoleistungsausgang _ 359t1O _ _Q7 ·* ^ ät - Bruttoleistung ~ 369,08 - 97,3 £

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Claims (2)

1. Patentansprüche

   raftregler für Gleichstrom mit hoher Effektivität, gekennzeichnet durch ein Steuermittel, das in Serie mit einer Quelle für ein Erregerpotential liegt und/einer Last, wobei die Quelle für das Erregerpotential aus einer Mehrzahl einzelner in Serie liegender und miteinander verbundener Zellen besteht;

   ein Abfrage (Probe-)Element, das auf die Spannungsänderungen " über der Last anspricht;

   eine feste Bezugsspannungsquelle;

   einen Komparator für die Erzeugung eines Ausgangsfehlersignales, das proportional zur Spannungsdifferenz zwischen dem Ausgang des Abfrageelementes und der Bezugsspannung ist; und

   Mittel zur Erregung des Steuermittels in Abhängigkeit von dem Fehlersignal, wobei das erstgenannte Mittel zwischen einzelnen Zellen der Quelle für das Erregerpotential liegt.
2. 2. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Erregen des Steuermittels ein Transistor mit j Kollektor, Emitter und Basis ist, wobei der Kollektor

   zwischen den einzelnen Zellen der Quelle für das Erregerpotential liegt, um Strom von dort abzuziehen und das Steuermittel zu erregen.

   3ο Kraftregler für Gleichstrom mit hoher Effektivität, gekennzeichnet durch Steuermittel, die in Serie mit einer ersten Quelle für Erregerpotential und einer Last liegen, wobei die Quelle für das Erregerpotential aus einer Mehrzahl ein-

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   BAD ORKSfNAL

   zelner Zellen besteht, die in Reihe zueinander geschaltet sind;

   Mittel für die Erregung der Steuermittel, die einen Transistor mit einer Basis, einem Emitter und einem Kollektor aufweisen, wobei der Kollektor an einer Hilfsquelle für Erregerpotential liegt, die zumindest von einer, aber nicht von allen einer Mehrzahl von Zellen der Primärquelle gebildet wird; und

   Mittel, die abhängig sind von den Ausgangsspannungsänderungen über der Last, um ein proportional zu den Spannungsänderungen aber außer Phase mit ihnen*befindliohes Fehlersignal zu dem Erregermittel zu liefern.

   9 0 9 8 a -¹

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