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Schaltung für eine elektronisch stabilisierte Hochspannungsquelle
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung für eine elektronisch stabilisierte
Hochspannungsquelle unter Verwendung einer Stabilisierungsschaltung mit einer Anzahl
in Reihe geschalteter Zenerdioden in einem Schaltungaquerzweig und mit einem Vorwiderstand
in einem Längszweig zwischen Stromquelle und Verbraucher.
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Für die Bezeichnung Zenerdiode wird in letzter Zeit der Ausdruck Z-Diode
verwendet Alles, was sich in dieser Schrift auf Zenerdioden bezieht, gilt entsprechend
auch für Z-Dioden.
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Figur 1 zeigt eine bekannte Stabilisierungsschaltung, bei der eine
Zenerdiode mit einem Vorwiderstand betrieben wird. Es können aber auch mehrere Zenerdioden
in Reihe geschaltet entsprechend einer gewünschten Ausgangsspannung, die stabilisiert
werden soll, verwendet werden. Dabei ist aber die zu stabilisierende Spannung, die
an der Zenerdiode oder der Reihenschaltung von Zenerdioden abgenommen wird, den
Änderungen des Temperaturlaufs der Zenerdioden sowie der bei sich ändernder Speisespannung
oder Belastung auftretenden Änderung des Diodenstromes unterworfen und schwankt
somit. Für eine Spannungsquelle, die beispielsWeise das Schirmgitter einer Senderbhre
mit 700 V bei einer Belastung von 0,1 A speisen soll, sind die sich ergebenden Schwankungen
zu hoch.
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Figur 2 zeigt eine weitere bekannte Stabilisierungsschaltung, bei
der Schwankungen der Ausgangsspannung, die ihre Ursache in veränderter Last oder
schwankender Eingangsspannung haben können, dadurch ausgeregelt werden, daß ein
Transistor mit seiner Kollektoremitterstrecke den beiden Eingangsklemmen der Schaltung
parallel geschaltet ist, wobei ein Vorwiderstand in einem Längszweig als Arbeitswiderstand
des Transistors dient, und der Basisemitterstrecke des Transistors bei z. B. steigender
Ausgangsspannung eine Steuerspannung derart zugeführt wird, daß sie den Transistor
aufsteuert, wodurch ein größerer Strom über die Kollektoremitterstrecke fließt,
der im Vorwiderstand einen soviel größeren Spannungsabfall zur Folge hat, daß die
Ausgangsspannung nahezu auf den Sollwert zurückgeführt wird. Bei sinkender Ausgangsspannung
wird der Transistor entsprechend mehr gesperrt,und es fließt ein geringerer Strom
über die Kollektoremitterstrecke; dadurch wird der Spannungsabfall am Vorwiderstand
ebenfalls geringer und die Ausgangsspannung steigt nahezu atif den Sollwert an.
Bei dieser Stabilisierungsschaltung wird die Steuerspannung durch einen Verstärker
der Basis des Transistors zugeführt, der die durch einen ausgangsseitigen Spannungsteiler
auf einen geeigneten Wert heruntergeteilte Ausgangsspannung als Regelgröße mit einer
Referenzspannung vergleicht und eine durch Spannungsabweichung auftretende Differenz
verstärkt.
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Zum Ausgleich des eigenen Temperaturganges enthält der Verstärker
ein temperaturabhängiges Bauelement, z.B. eine geeignete Diode.
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Diese Schaltung hat den Vorteil der Temperaturstabilität und den Votteil
einer weitestgehenden Ausregelung von Ausgangsspannungsschwankungen, deren Gütegrad
vom Aufwand im Verstärker abhängt.
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Aber diese Schaltung hat den Nachteil, daß die Höhe der Ausgangsspannung
durch den Wert der Spannungsfestigkeit (UCE) des Transistors begrenzt ist. Darum
ist die Schaltung mit einem preislich niedrig liegenden Transistor nur im Niederspannungsbereich
anwendbar.
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Bei höheren Spannungen muß ein sehr viel teurerer Transistor entsprechender
Spannungsfestigkeit verwendet werden, wobei die Grenze nach dem hettigen Stand der
Herstellungstechnik etwa bei 350 V liegt; darüber liegende stabilisierte Spannungen
sind mit einer Schaltung nach Figur 2 nicht erzielbar.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung vorzuschlagen, die die
Spannungsschwankungen, die eine Zenerdiodensitilisierung für sich allein noch aufweist,
für einen Hochspannungsverbraucher, wie er beispielsweise am Schluß des dritten
Absatzes angeführt warte, weitestgehend ausregelt.
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Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Schaltung
mit einer Anzahl in Reihe geschalteter Zenerdioden in einem Shaltungsquerzweig und
mit einem Vorwiderstand in einem Längszweig zwischen Stromquelle und Verbraucher
die Reihenschaltung einer Anzahl Zenerdioden und der Kollektoremitterstrecke eines
als steuerbarer Widerstand geschalteten Transistors parallel zu den Ausgangsklemmen
der Schaltung liegt, und daß der Basisemitterstrecke des Transistors eine von der
Ausgangsspannung abhängige Regelgröße zugeführt ist.
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Durch die erfindungsgemäße Anwendung der Spannungsstabilisierung mit
Querregelung mittels eines Transistors bei einer Stabilisierungsschaltung durch
Zenerdioden, bleiben die Vorteile jeder der bekannten Schaltungen in der Schaltung
nach der Erfindung bestehen. Diese ist kurzschlußfest wie jede der beiden bekannten
Schaltungen. Von der Zenerdiodenstabilisierung bleibt der Vorzug der Möglichkeit
einer Hochspannung als Ausgangsspannung und von der Stabilisierungsschaltung mit
Querregelung werden die Vorteile der Temperaturstabilität und die weitestgehende
Ausregelung der Ausgangsspannungsschwankungen voll genutzt. Es bestehen gegenüber
den bekannten Einzelschaltungen keine Nachteile.
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Durch die Anwendung der Spannungßstabilisierung mit Querregelung bei
einer Stabilisierungsschaltung durch Zenerdioden nach der Erfindung ergeben sich
neue Vorteile, welche die bekannten Schaltungen für sich nicht aufweisen. Es kann
eine Hochspannung mit einer weitestgehenden Ausregelung stabilisiert werden, wobei
die Spannungsschwankungen durch den Temperaturlauf der Zenerdioden ebenso ausgeregelt
werden wie die durch Laständerungen verursachte schwankende Zenerspannung. Ein weiterer
Vorteil ist die Verwendungsmöglichkeit eines preisgünstigen Niederspannungs transistors
zur Stabilisierung einer Hochspannung; dabei entspricht die erforderliche Spannungsfestigkeit
(UcE) des Transistors der Größenordnung des Schwankungsbereiches der Zenerspannung
durch Lastwechsel in den Zenerdioden und Temperaturschwankungen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figur 3 näher
erläutert.
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Ein npn-Transistor Te liegt mit seiner Kollektoremitterstrecke emitterseitig
an einem Längszweig der Schaltung mit negativem Potential und kollektorseitig ist
er mit der freien Anode einer in Reihe geschalteten Anzahl von Zenerdioden Zi.....n
verbunden.
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Die freie Katode dieser Zenerdiodenreihenschaltung ist mit einem Längszweig
der Schaltung mit positivem Potential verbunden. Der zwischen dieser Katode und
der positiven Eingangsklemme der Stabilisierungsechaltung liegende Vorwiderstand
R V ist der Arbeitswiderstand des Transistors und ist für die Begrenzung des Kurzschlußstromes
ausgelegt. Die Basis des Transistors Ts ist mit dem Ausgang eines Verstärkers V
verbunden. Eingangsseitig ist der Verstärker mit einem zu den Ausgangeklemmen parallel
geschalteten Spannungsteiler (R1,R2,R3) verbunden, wobei aus Gründen der Zweckmäßigkeit
statt des einstellbiren Widerstandes R3 auch der Widerstand R1 ein einstellbares
Widerstandselement sein kann.
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Die Arbeitsweise der Schaltung ist ähnlich derjenigen nach Figur 2,
jedoch ist durch die Zenerdioden dafür gesorgt, daß die Kollektoremitterspannung
(UCE) niemals größer werden kann als die Differenz zwischen der zu stFilisierenden
Ausgangsspannung und der geringsten Summe der Zenerspannungen.
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Auf diese Weise kann z.B. eine Verbraucherspannung von 1000 V mit
einem Niederspannungstransistor UCE = 120 V stabilisiert werden, wen die Zenerspannung
der in Reihe geschalteten Zenerdioden 940 V + 60 V beträgt. Netzspannungsschwankungen
können je nach Dimensionierung des Vorwiderstandes RV in beliebiger Höhe ausgeregelt
werden.