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Stabilisierungsschaltung für Gleichspannung Die Erfindung betrifft
eine Stabilisierungsschaltung für Gleichspannung mit mindestens einem als voränderlicher
Serienwiderstand geschaltetem Transistor und einem diesen steuernden Verstärker
mit zwei Transistoren, dessen Eingang über i1fl vorzugsweise nichtlineares Koppelglied
an der stabilisierten Spannung liegt Es sind bisher eine Vielzahl von Stabilfsierungsschaljtungen
dieser Art bekannt geworden. Sie enthalten Jedoch Transistoren, die nicht mit der
vollen an sich möglichen J.oistungsverstärkung arbeiten. Als Beispiel sei der Differenz-Verstärker
genannt, der aus zwei Transistoren besteht, von denen einer nur der Kompensation
aber nicht der Verstärkung dient. Ein anderes Beispiel ist der Impedanzwandler mit
einem Transistor, der zwar eine Stromverstärkung aufweist, aber mit der Spannungsverstärkung
immer unter eins liegt. Bei gegebenem Aufwand bedeutet dies regelungstechnisch gesehen-eine
größere Regelabweichung und damit eine schlechtere Stabilisierung. Wird Jedoch durch
höheren Aufwand eine vergleichbare Regelabweichung erzielt, so bewirkt das regelungstechnisch
gesehen eine geringere Stabilität stegen der zusätzlichen Phasendrehungen durch
weitere aktive Bauteile.
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Die Verstärkung muß deshalb für hohe Frequenzen au bekannten Gründen
durch Kondensatoren herabgesetzt werden. Dies bedeutet sber wiederum echlechtere
Stabilisierung und damit einen höheren Innenwiderstand bei hohen Frequenzen. Dies
ist besonders bei Laststößen z.B. durch das Schalten von elektromagnetischen Bauteilen
wichtig, da dann kurzzeitige Störimpulse auf der stabilisierten Spannung überlagert
sind.
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Bei Batterie-betriebenen elektronischen Meßgeräten ist man daran
interessiert, die Batteriespannung möglichst weit auszunutzen, um die effektive
Kspasität der Batterie nicht unnötig
zu verkleinern. Dazu sind Stabilisierungsschaltungen
notwendig, die einen hohen Wirkungsgrad besitzen, d.h. die auch dann noch stabilisieren,
wenn die Batteriespannung fast die stabilisierte Spannung erreicht hat. Außerdem
muß die Leistungsaufnahme der Stabilisierungsschaltung klein sein.
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Es gibt Geräte, die in sehr hohen Stückzahlen hergestellt werden,
aber gleichzeitig hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Spannung stellen, so
zOBo Rundfunkgeräte mit elektronischer Senderwahl. Hier spielt der Aufwand eine
wesentliche Rolle, so daß: bisher Kompromisse zwischen Aufwand und Genauigkeit geschlossen
werden mußten.
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Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, diese völlig verschieden gearteten
Forderungen mit einer Schaltung zu erfüllen, d.h. bei einer minimalen Zahl von Bauteilen
bis zu sehr hohen Frequenzen einen kleinen Innenwiderstand zu erzielen, einen äußerst
hohen Wirkungsgrad zu erzielen und außerdem noch bei sehr kleinen zu stabilisierenden
Spannungen funktionsfähig zu bleiben. Regelungstechnisch besteht die Forderung nach
maximaler Stufenverstärkung, die bei Transistoren nur in Emitterschaltung erzielt
wird, wenn Jeweils die Basis eines Transistors mit dem Kollektor der vorhergehenden
Stufe verbunden ist. Da ein Transistor in Emitterschaltung das Signal umkehrt, ergibt
sich nach bekannten Gesetzen der Regelungstechnik eine ungerade Anzahl von Transistoren
für einen geschlossenen Regelkreis. Da ein Transistor noch keine ausreichende Verstärkung
besitzt, ist die minimal in Frage kommende Anzahl von Transistoren drei. Bei einer
größeren, Anzahl ergeben sich wiederum Stabilitätsprobleme.
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Erfindungsgemäß ist einer der drei, Transistoren komplementär zu den
beiden anderen, so daß auch die anderen Forderungen er füllt worden k6nnen.
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Fig.1 zeigt ein Ausfiihrungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltung.
(E) ist der Eingang der Schaltung für die unstabilisierte Spannung. Am Ausgang (A)
sieht die stabilisierte Spannung zur Verfügung. (0) ist das Bezugspotential für
beide Spannungen. Der Transistor (3) ist der eigentliche Arbeitstransistor, der
als veränderlicher Serienwiderstand die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung
aufnimmt. Er erhält seinen Basis-Strom über den Widerstand (7). Die Transistoren
(1) und (2)
bilden einen Verstärker mit zwei Stufen und (4) ist
ein Koppelglied zwischen Ausgang der Schaltung und Verstärker, vorzugsweise eine
Z-Diode. Liegt nun die Ausgangsspannung unterhalb der Schwellspannung der Z-Diode,
so fließt durch diese kein Strom.
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Der Transistor (1) erhält keinen Basisstrom und bleibt damit gesperrt,
so daß auch der Transistor (2) keinen Basisstrom erhält und ebenfalls gesperrt bleibt.
Damit fließt der durch den Widerstand (7) gegebene Strom in die Basis des Arbeitstransistors
und dieser schaltet durch, so daB Eingang und Ausgang der Schaltung verbunden sind.
Erreicht Jedoch die Ausgangsspannung :die Schwellspannung der Z-Diode, so erhält
der Transistor (1) Basisstrom und wird leitend. Über den Transistor (1) erhält nun
auch (2) Basisstrom und wird ebenfalls leitend. Der Transistor (2) übernimmt dadurch
den durch den Widerstand (7) fließenden Strom und der Arbeitstransistor sperrt,
weil er keinen Basisstrom mehr erhält. Damit sind Eingang und Ausgang getrennt.
Das bedeutet also, daß die Ausgangsspannung nicht über den Schwellwert der Z-Diode
steigen kann, sie wird auf den Wert der Schwellspannung von (4) stabilisiert. Der
Widerstand (7) liefert einen maximalen Strom in die Basis des Arbeitatransistore
(3), der nach dem Ohmschen Gesetz von der Eingangsapannung bestimmt wird.
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Dadurch kann der Arbeitstransistor nur einen Strom ziehen, der um
den Faktor seiner Stromverstärkung größer ist. Das bedeutet, die Schaltung hat strombegrenzende
Eigenschaften und ist Kurzschluß-sicher.
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In Fig.2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel gezeigt, daß sich demselben
Erfindungsgedanken unterordnet. (3) ist wieder der Arbeitatransistor, er erhält
jedoch seinen strom für die Basis von dem Transistor (2), der gegenüber der Schaltung
in Fig.1 komplementär ist. Ein Widerstand (8) liefert jetzt den Basisstrom für den
Transistor (2). Liegt die Ausgangsspannung unterhalb der Schwellspannung der Z-Diode
(4), so ist der Transistor (1) gesperrt und der Transistor (2) schaltet auf Grund
des Basisstromes über den Widerstand (8)in den leitenden Zustand.
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Dadurch erhält auch der Arbeitstransistor (3) Basisstrom, so daß wiederum
Eingang und Ausgang über den Arbeitstransistor durch geschaltet werden. Ubersteigt
die Ausgangsspan'nung die 8chwel1-spannung
der Z-Diode (4), so
wird der Transistor (1) leitend und übernimmt den Strom aus dem Widerstand (8).
Dadurch erhält der Transistor (2) keinen Basisstrom mehr und er und der Arbeitstransistor
(3) sperren, so daß der Ausgang vom Eingang abgeschaltet wird. Dies bedeutet wiederum,
die Ausgangsspannung kann nicht über den Schwellwert der Z-Diode (4) steigen und
wird auf diesem Wert konstant gehalten.
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Eine weitere Ausbildung der Erfindung wird in Fig.3 gezeigt Der Widerstand
(7) bzw. (8) ist hier durch einen Halbleiter (5) mit stromstabilisierender Kennlinie
ersetzt, z.B. einen Feld effekt-Transistor mit kurzgeschlossener Gate-Source-Strecke.
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Die in Fig.1 und Fig.2 gezeigten Schaltungen enthalten damit nur noch
Halbleiter und sind hervorragend für einen Aufbau in integrierter Technik geeignet.
Der Arbeitstransistor (3) kann für höhere Leistungen durch einen weiteren Transistor
(6) ergänzt werden. Der Transistor (6) erhält seinen Basisstrom aus der Kollektor-Emitterstrecke
des Transistors (3),, so daB beide zusammen als veränderlicher Serienwiderstand
wirken, jedoch Tran--sistor (6) eine um seine Stromverstärkung größere Leistung
verarbeitet. Als Koppelglied entnält die Fig.3 einen verä:nderlichen Spannungsteiler
(9), der sowohl aus nichtlinearen elementen wie auch aus einfachen ohmschen Widerständen
bestehen kann. Hierbei wird die bekanntermaßen nichtlineare Kennlinie des Transistors
in der ersten Verstärkerstufe (1) mit oür die Stabilisierung herangezogen; die Basis-Emitterstrecke
verhält sich wie eine Z-Diode mit sehr kleiner Schwellspannung. An der Basis des
Transistors (1) liegt nun eine Spannung, die sich aus dem Spannung teilerverhältnis
von (9) und der Ausgangsspannung ergibt. Unterhalb dieser Schwelle ist der Transistor
(1) gesperrt und Ein-und Ausgang sind wie vor beschrieben durchgeschaltet über den
Arbeitstransistor. Ubersteigt die Ausgangs spannung multipliziert mit dem Spannungsteilverhältnis
die Schwellspannung, so schaltet Transistor (1) durch und der Arbeftstransistor
(3) bzw. (6) sperrt. Damit wird die Ausgangsspannung auf einen Wert stabilisieht,
der von der Schwellspannung der ersten Verstärkerstufe und d>m Spannungsteiler
abhängt sie ist. mit den Spannungsteiler regelbar. Die klein.stmögliche Spannung
der Schaltung wird erreicht,
wenn die Basis von (1) direkt mit dem
Ausgang der Schattung verbunden wird die stabilisierte Spannung hat dann denselben
Wert wie die Schwellspannung des Transistor-Einganges.
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In Betracht gezogen Literatur: 1. Deutsche Auslegeschrift 1 205 162
2. "Voltage Stabilization", F.A. Benson, Verlag Macdonald, London.
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Hierzu 2 Blatt Patentansprüche