DE1939459B2

DE1939459B2 -

Info

Publication number: DE1939459B2
Application number: DE1939459A
Authority: DE
Inventors: Per Dipl.-Ing. Oslo Bugge-Asperheim
Original assignee: TORE SEEM ELEKTRONISK VERKSTED HASLUM (NORWEGEN)
Current assignee: TORE SEEM ELEKTRONISK VERKSTED HASLUM (NORWEGEN)
Priority date: 1968-08-05
Filing date: 1969-08-02
Publication date: 1974-08-15
Also published as: SE341201B; DE1939459C3; GB1255680A; NO119096B; FR2015076A1; US3599083A; DE1939459A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Regelung einer Gleichspannung, bestehend aus einem Steuergerät, einem Treibertransistor, wenigstens einem Schalttransistor, einem Arbeitswiderstand, der sowohl im Emitterkreis des Treibertransistors als auch parallel zu der Basis-Emitter-Strecke des Schalttransistors liegt, und einem Siebgiied, bestehend aas einer Glättungsdrossel und einem Kondensator, wobei der Treibertransisior durch Steuerimpulse, die das Steuergerät in Abhängigkeit von Schwankungen der zu regelnden Gleichspannung abgibt, gesteuert wird und der Treibertransistor seinerseits den Schalttransistor auf- und

zusteuert.

Schaltungsanordnungen der eingangs beschriebenen Ait (vgl. die DT-PS 1 155849, AEG-Mitteilungen 50 (I960), 1/2, Seite 50 (Bild 3) und Seite 51, 1. Sp, sowie Funk-Technik, Nr. 22/1962, Seiten 749/750) werden in erster Linie zur Regelung nach dem Impulslängen verfahren verwendet, z. B. in Verbindung mit einer Gleichstromquelle niedriger Spannung. Dabei wird die Gleichstromquelle, deren Gleichspannung oftmals erheblich schwankt, in Abhängigkeit der Abweichung der geregelten Gleichspannung von einer Referenzspannung schlagartig mit dem Siebglied verbunden und von dem Siebglied wieder getrennt so daß im Ergebnis die Abweichung der geregelten Gleichspannung von der Referenzspannung in vorbestimmten Grenzen bleibt.

Gleichstromquellen niedriger Spannung mit Schal tungsanordnungen zur Regelung der Gleichspannung, wie zuvor beschrieben, werden häufig als Stromversorgungseinheiten für integrierte Schaltkreise verwendet, z. B. in elektronischen Datenverarbeitungsanlagen, in denen eine große Anzahl von Halbleiter-Bauelementen mit Gleichstrom niedriger Spannung zu versorgen sind. Dabei ist es von großer Wichtigkeit den Leistungsverlust in der Schaltungsanordnung zur Regelung der Gleichspannung so gering wie möglich zu halten, da die Gleichstromquellen sehr kompakt ausgeführt sind und bereits geringe Temperaturänderungen das Verhalten der benachbarten Halbleiter-Bauelemente nachteilig beeinflussen.

Bei einer ersten Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zur Regelung einer Gleichspannung der eingangs beschriebenen Art liegt im Kollektorkreis des Treibertransistors ein Widerstand, um die Kollektorspannung des Treibertransistors zu stabilisieren. Der an diesem Widerstand auftretende Leistungsverlust ist ein Nachteil dieser bekannten Schaltungsanordnung.

In einer anderen bekannten Ausführungsform einer Schaltungsanordnung des eingangs beschriebenen grundsätzlichen Aufbaus ist der Widerstand im Kollektorkreis des Treibertransistors durch eine im wesentlichen verlustlose Drosselspule ersetzt wobei diese Drosselspule induktiv an die Glättungsdrossel des Siebgliedes angekoppelt ist. Bei dieser Ausführungsform wird eine Stabilisierung der Kollektorspannung des Treibertransistors jedoch nur bei geringen Schwankungen der zu regelnden Gleichspannung erreicht. Sind die Schwankungen, denen die Gleichspannung der Gleichstromquelle unterworfen ist, beträchtlich, so erhält der Treibertransistor entweder eine zu geringe Kollektorspannung, wodurch im Ergebnis der Schalttransistor nicht voll aufgesteuert wird, oder der Treibertransistor wird mit einem unnötig hohen Gleichstrom betrieben. Im ersten Fall ist der Leistungsverlust und der Spannungsabfall des Schalttransistors zu groß, während im zweiten Fall im Treibertransistor ein beachtlicher Leistungsverlust auftritt.

Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zügrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Art so auszugestalten, daß einerseits der in ihr auftretende Leistungsverlust möglichst gering ist daß an-

dererseits gleichwohl auch bei beträchtlichen Schwankungen der zu regelnden Gleichspannung die Abweichung der geregelten Gleichspannung von einer Referei»'spannung innerhalb vorgegebener eager Grenzen bleibt

Diese Aufgabe löst die Erfindung bei einer Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Art dadurch, daß im Kollektorkreis des Schalttransistors die Parallelschaltung aus einer Drosselspule und einer Gleichrichterdiode angeordnet ist, weich letziere in gleicher Richtung wie der Schalttransistor leitend ist, und daß die Reihenschaltung Schalttransistor-Paralleischahung aus Drosselspule und Gleichrichterdiode der Reihenschaltung Arbeitswiderstand — Treibertransistor parallel geschaltet ist Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung läßt sich sowohl mit NPN-Transistoren als auch mit PNP-Transistoren verwirklichen. In Abhängigkeit davon, ob NPN-Transistoren oder PNP-Transistoren verwendet werden, ist gegebenenfalls sinngemäß für »Kollektorkreis« »Emitte-kreis« ao usw. zu lesen.

Im einzelnen gibt es verschiedene Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung auszugestalten und weiterzubilden, wobei insbesondere den Maßnahmen, die zu einer Verkürzung der Schaltzeit des as Schalttransistors führen, besondere Bedeutung zukommt. Eine insoweit bevorzugte Ausführungsform nach einer weiteren Lehre der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät den Treibertransistor sperrt und den Arbeitswiderstand kurzschließt, wenn der Schalttransistor zuzusteuern ist, und umgekehrt, d. h, daß das Steuergerät den Treibertransistor öffnet und den Kurzschluß des Arbeitswiderstandes wieder aufhebt wenn der Schalttransistor aufzusteuern ist. Dabei empfiehlt es sich weiter, dafür Sorge zu tragen, daß das Steuergerät den Treibertransistor sperrt, bevor es den Arbeitswiderstand kurzschließt, und umgekehrt, d. h„ daß das Steuergerät den Treibertransistor erst wieder öffnet, nachdem es den Kurzschluß des Arbeitswiderstandes aufgehoben hat. Die zuvor beschriebenen Maßnahmen können im einzelnen schaltungstechnisch dadurch verwirklicht werden, daß ein Kurzschlußtransistor vorgesehen ist, dessen Kollektor-Emitter-Strecke dem Arbeitswiderstand parallel liegt und in dessen Basis Steuerimpulse eingespeist werden, die den Steuerimpulsen, die in die Basis des Treibertransistors eingespeist werden, komplementär sind, und daß eine Rückführung, bestehend aus der Reihenschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators, zwischen einerseits der Lastseite der Parallelschaltung aus der Drosselspule und der Gleichrichterdiode und andererseits der Basis des Kurzschlußtransistors vorgesehen ist.

Schließlich ist eine besondere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, die mit Steuerimpulsen besonders niedrigen Pegels arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuertransistor vorgesehen ist, der dem Treibertransistor im Aufbau komplementär ist (NPN-Typ, wenn der Treibertransistor vom PNP-Typ ist, und umgekehrt), dessen Kollektor-Emitter-Strecke der Reihenschaltung (F i g. 4) der Basis- Kollektor-Strecke des Treibertransistors und dem Arbeitswiderstand parallel geschaltet ist und der die Steuerimpulse, die das Steuergerät abgibt, an den Treibe rtransistor überträgt.

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind zu_:

. sammengefaßt darin zu sehen, daß mittels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung die Regelung einer stark schwankenden Gleichspannung mit geringen, innerhalb vorgegebener enger Grenzen liegenden Abweichungen gelingt wobei der Leistungsverlust der Schaltungsanordnung äußerst gering ist. Gleichwohl ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung relativ einfach d. h. mit nur wenigen Bauelementen aufgebaut und dadurch besonders funktionssicher.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung, in bezug auf in der Zeichnung ebenfaHs dargestellte Ausführungsformen bekannter Schaltungsanordnungen zur Regelung einer Gleichspannung, ausführlicher erläutert; es zeigt

F i g. 1 eine erste Ausführungsform einer bekannten Schaltungsanordnung zur Regelung einer Gleichspannung,

F i g. 2 eine andere Ausführungsform einer bekannten Schaltungsanordnung zur Regelung einer Gleichspannung,

F i g. 3 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Regelung einer Gleichspannung und

Fig.4 eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Regelung einer Gleichspannung.

Die in den Figuren, und zwar sowohl in den F i g. 1 und 2 als auch in den F i g. 3 und 4, dargestellten Schaltungsanordnungen 1 dienen der Regelung einer Gleichspannung einer Gleichstromquelle 2 und sind zwischen der Gleichstromquelle 2 und einer Last 3 vorgesehen. In ihrem grundsätzlichen Aufbau bestehen die dargestellten Schaltungsanordnungen 1 aus einem Steuergerät 4, einem Treibertransistor 5, einem Schalttransistor 6 (F i g. 1 bis 3) bzw. zwei Schalttransistoren 6, 7 (Fig.4), einem Arbeitswiderstand 8, der sowohl im Emitterkreis des Treibertransistors 5 (F i g. 1 bis 3, in denen der Treibertransistor 5 vom NPN-Typ ist) bzw. im Kollektorkreis des Treibertransistors 5 (Fig.4, in der der Treibertransistor 5 vom PNP-Typ ist) als auch parallel zu der Basis-Emitter-Strecke des Schalttransistors 6 (F i g. 1 bis 3) bzw, der Basis-Emitter-Strecken der Schalttransistoren 6,7(Fi g. 4) liegt und einem Siebglied 9, das in den dargestellten Ausführungsbeispielen aus einer Glättungsdrossel 10 und einem Kondensator 11 besteht. In allen dargestellten Ausführungsbeispielen, d. h. sowohl bei den in den F i g. I und 2 dargestellten, zum Stand der Technik gehörenden Schaltungsanordnungen 1 als auch bei den in den F i g. 3 und 4 dargestellten erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen 1, wird der Treibertransistor 5 durch Steuerimpulse, die das Steuergerät 4 in Abhängigkeit von Schwankungen der zu regelnden Gleichspannung, d. h. in Abhängigkeit von Abweichungen der geregelten Gleichspannung von einer Referenzspannung, abgibt, gesteuert und steuert der Treibertransistor 5 seinerseits den Schalttransistor 6 (F i g. 1 bis 3) bzw. die Schalttransistoren 6, 7 (F i g.4) auf und zu. Außerdem weisen die dargestellten Schaltungsanordnungen 1 jeweils eine Freilaufdiode 12 auf, die in den Augenblicken, in denen der Schalttransistor 6 (F i g. 1 bis 3) bzw. die Schalttransistoren 6,7(Fi g. 4) zugesteuen sind, den Gleichstrom der cast 3 führen.

Bei den in den F i g. 1 und 2 dargestellten, zum Stand der Technik gehörenden Schaltungsanordnungen 1 liegt im Kollektorkreis des Treibertransistors 5 ein Widerstand 13 (Fig. 1) bzw. eine Drosselspule 14 (F i g. 2). Im Gegensatz dazu liegt bei den in den F i g. 3 und 4 dargestellten erfindungsgemäßen Schaltungsan-

Ordnungen im Kollektorkreis des Schalttransistors 6 (F i g. 3) bzw. in den Kollektorkreisen der Schalttransistoren 6. 7 (Fig.4) die Parallelschaltung aus einer Drosselspule 15 und einer Gleichrichterdiode 16, wobei die Gieichrichterdiode 16 in gleicher Richtung wie der Schalttransistor 6 (F i g. 3) bzw. die Schalttransistoren 6, 7 (Fig.4) leitend ist, und ist die Reihenschaltung Schalttransistor 6 (F i g. 3) bzw. Schalttransistoren 6, 7 (F i g. 4) — Parallelschaltung aus Drosselspule 15 und Gleichrichterdiode 16 der Reihenschaltung Arbeitswiderstand 8 — Treibertransistor 5 parallel geschaltet Die Parallelschaltung aus der Drosselspule 15 und der Gleichrichterdiode 16 sorgt dafür, daß die Spannungsschwankungen an dem Treibertransistor 5 geringer sind als die Schwankungen der Gleichspannung der Gleichstromquelle Z d. h, die Parallelschaltung aus der Drosselspule 15 und der Gleichrichterdiode 16 stabilisiert die Kollektorspannung (F i g. 3) bzw. die Emitterspannung (F i g. 4) des Treibertransistors 5. Liegt die zu regelnde Gleichspannung der Gleichstromquelle 2 Ober der Referenzspannung und ist der Schalttransistor 6 (F i g. 3) bzw. sind die Schalttransistorca 6.7(Fi g. 4) aufgesteuert so wird der Gleichstrom in der Glättungsdrossel 10 schneller ansteigen als in der Drosselspule 15. da ein steigender Gleichstrom in der Gleichrichterdiode 16 nur ein geringes Ansteigen des Spannungsabfalls an der Parallelschaltung aus der Drosselspule 15 und der Gleichrichterdiode 16 zur Folge hat. Wenn der Schalttransistor 6 (F i g. 3) bzw. die Schalttransistoren 6. 7 (Fig.4) zugesteuert sind, geht der durch die Gleichrichterdiode 16 fließende Gleichstrom allmählich, und zwar nahezu linear, gegen NuIL Dieses Verhalten ist bedingt durch die Strom-Spannungs Kennlinie der Gleichrichterdiode 16. die für die erfindungsgemäf Be Schaltungsanordnung 1 vorteilhaft ist und durch die Zeitkonstante der der Gleichrichterdiode 16 parallel geschalteten Drosselspule 15. Obwohl also in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1 nur geringe Leistungsverluste auftreten, wird erreicht daß die Kollektorspannung. genauer gesagt die Kollektor-Emitter-Spannung des Treibertransistors 5 und damit auch die zu regelnde Gleichspannung auch bei beachtlichen Schwankungen der Gleichspannungen der Gleichstromquelle 2 nahezu konstant bleibt

Um den Leistungsverlust in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1 weiter zu verringern, empfiehlt es sich, für eine Verkürzung der Schaltzeit des Schalttransistors 6 (F i g. 3) bzw. der Schalttransistoren 6. 7 (F i g. 4) Sorge zu tragen. Dies wird nach einer besonderen Lehre der Erfindung dadurch erreicht daß das Steuergerät 4 den Treibertransistor 5 sperrt und den Arbeätswiderstand 8 kurzschließt wenn der Schahtransistor 6 (Fig.3) bzw. die Schalttransistoren 6, 7 (F i g. 4) zuzusteuern sind, und umgekehrt d. h„ daß das Steuergerät 4 den Treibertransistor 5 öffnet und den Kurzschluß des Arbeitswiderstandes 8 aufhebt wenn der Schalttransistor 6 (F i g. 3) bzw. die Schalttransistoren 6,7(Fi g. 4) aufzusteuern sind. Vorzugsweise sperrt dabei das Steuergerät 4 den Treibertransisior 5, bevor es den Arbeitswiderstand 8 kurzschließt, und umgekehrt, d. h., öffnet das Steuergerät 4 den Treibertransi stor 5 erst, nachdem es den Kurzschluß des Arbeitswiderstandes 8 aufgehoben hat.

Die zuvor beschriebene Verkürzung der Schaltzeit ist in dem Ausführungsbeispiel nach FLg.4 für die

ίο Schalttransistoren 6, 7 dadurch verwirklicht, daß ein Kurzschluötransistor 17 vorgesehen ist dessen Kollektor-Emitter-Strecke dem Arbeitswiderstand 8 parallel Siegt und in dessen -Basis Steuerimpulse eingespeist werden, die den Steuerimpulsen, die in die Basis des

»5 Treibertransistors 5 eingespeist werden, komplementär sind, und daß eine Rückführung 18. im dargestellten Ausführungsbeispiel als Reihenschaltung eines Widerstandes 19 und eines Kondensators 20, zwischen einerseits der Lastseite der Parallelschaltung aus der Dros-

•b seispule 15 und der Gleichrichterdiode 16 und andererseits der Basis des Kurzschlußtransistors 17 vorgesehen ist. Außerdem ist in der Schaltungsanordnung 1. die in der F i g. 4 dargestellt ist ein Steuertransistor 21 vorgesehen, der dem Treibertransistor 5 im Aufbau komple-

«5 mentär ist (im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Steuertransistor 21 vom NPN-Typ. während der Treibertransistor 5 vom PNP-Typ ist), dessen Kollektor-Emitter-Strecke der Reihenschaltung aus der Basis-Kollektor-Strecke des Treibertransistors 5 und dem Arbeitswiderstand 8 parallel geschaltet ist und der die Steuerimpulse, die das Steuergerät 4 abgibt, an den Treibertransistor 5 überträgt.

Bei der Schaltungsanordnung 1 nach F i g. 4 werden der Steuertransistor 21 und der Treibertransistor 5 durch die Steuerimpulse des Steuergerätes 4 geöffnet bzw. gesperrt. Der Kurzschlußtransistor 17 arbeitet infolge der Rückführung 18 verspätet so daß der Trci bertransistor 5 zuerst gesperrt wird, bevor der Arbeitswiderstand 8 durch den Kurzschlußtransistor 17 kurz- geschlossen wird, und umgekehrt Durch die An wen dung beider Maßnahmen, des Sperrens des Treibertransistors 5 und des Kurzschließer des Arbeitswiderstandes 8. bzw. umgekehrt wird eine extrem kurze Schaltzeit der Schalttransistoren 6, 7 erreicht D<e Schaltzeit der Schalttransistoren 6. 7 liegt im Nanosekunden-Bereich.

Im übrigen kann das Steuergerät 4, was in den Figuren jedoch nicht dargestellt ist aus einer Vergleichsschaltung mit nachgeschaltetem Schmitt-Trigger beste- hen. wobei die Vergleichsschaltung die geregelte Gleichspannung mit einer festen oder variabel einstellbaren Referenzspannung vergleicht und den Schmitt-Trigger jeweils veranlaßt einen Steuerimpuls abzugeben, solange die geregelte Gleichspannung unter der

Referenzspannung liegt Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

■ Patentansprüche: I·: f \

1. Schaltungsanordnung zur Regelung einer Gleichspannung, bestehend aus einem Steuergerät, einem Treibertransistor, wenigstens einem Schalttransistor, einem Arbeitswiderstand, der sowohl im Emitterkreis des Treibertransistors als auch parallel zu der Basis-Emitter-Strecke des Schalttransistors liegt, und einem Siebglied, bestehend aus einer Glättungsdrossel und einem Kondensator, wobei der Treibertransistor durch Steuerimpulse, die das Steuergerät in Abhängigkeit von Schwankungen der zu regelnden Gleichspannung abgibt, gesteuert wird und der Treibertransistor seinerseits den Schalttransistor auf-und zusteuert, dadurch gekennzeichnet, daß im Kollektorkreis des Schalttransistors (6, 7) die Parallelschaltung aus einer Drosselspule (15) und einer Gleichrichterdiode (16) angeordnet ist, weiche letztere in gleicher ao Richtung wie der Schalttransistor (6, 7) leitend ist, und daß die Reihenschaltung Schalttransistor (6, 7) — Parallelschaltung aus Drosselspule (15) und Gleichrichterdiode (16) der Reihenschaltung Arbeitswiderstand (8) — Treibertransistor (5) parallel geschaltet ist (F i g. 3).

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (4) den Treibertransistor (5) sperrt und den Arbeitswiderstand (8) kurzschließt, wenn der Schalttransistor (6, 7) zuzusteuern ist, und umgekehrt.

3. Schaltungsapordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerä» (4) den Treibertransistor (5) sperrt, bevor es den Arbeitswiderstand (8) kurzschließt, und umgekehrt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kurzschlußtransistor (17) vorgesehen ist, dessen Kollektor-Emitter-Strekke dem Arbeitswiderstand (8) parallel liegt und in dessen Basis Steuerimpulse eingespeist werden, die den Steuerimpulsen, die in die Basis des Treibertransistors (5) eingespeist werden, komplementär sind, und daß eine Rückführung, bestehend aus der Reihenschaltung eines Widerstandes (19) und eines Kondensators (20), zwischen einerseits der Lastseite der Parallelschaltung aus der Drosselspule (15) und der Gleichrichterdiode (16) und andererseits der Basis des Kurzschlußtransistors (17) vorgesehen ist (F ig. 4).

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuertransistor (21) vorgesehen ist, der dem Treibertransistor (5) im Aufbau komplementär ist (NPN-Typ, wenn der Treibertransistor (5) vom PNP-Typ ist, und umgekehrt), dessen Kollektor-Emitter-Strecke der Reihenschaltung aus der Basis-Kollektor-Strecke des Treibertransistors (5) und dem Arbeitswideritand (8) parallel geschaltet ist und der die Steuerimpulse, die das Steuergerät (4) abgibt, an den Treibertransistor (5) überträgt (Fig. 4).