DE2015407C3 - Stromabhängige Steuerung mittels Transistoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf stromabhängige Steuerungen mittels Transistoren in Regeleinrichtungen, Verstärkern, Oszillatoren u. dgl.

In vielen Fällen besteht der Bedarf, eine stromabhängige Spannung zu erzeugen, um mit ihr gewisse Steuervorgänge auszulösen, wenn ein Strom eine gewisse Höhe erreicht oder überschreitet.

In diesen Fällen wird nach dem bisherigen Stand der Technik in den betreffenden Stromkreis ein Widerstand in Reihe eingeführt und der an diesem Widerstand durch den Sfromfluß entstehende Spannungsabfall wird für die Steuerungszwecke benützt.

In diesem Widerstand entsteht /.wangläufig ein Lcistungsverlust. Die verlorene Leistung erzeugt unter anderem noch zusätzliche schädliche Wärme. Auch der Spannungsabfali im Stromkreis ist oft unerwünscht, muß jedoch in Kauf genommen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in mit Transistoren bestückten Geräten diesen Leistungsverlust, die damit verbundene Wärmeentwicklung und den zusätzlichen Spannungsabfall zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß als stromabhängige Geberspp.nnung gat.z oder ^m Teil die Spannung über der Basis-Emitter-Ctrecke eines Transistors verwendet wird, über dessen Kollek· ir der steuernde Strom ganz oder zum Teil fließt. Es wird somit zum Zweck der stromabhängigen Steuerung die kollektorstromabhängige Spannungsänderung zwischen der Basis und dem Emitter eines Transistors ohne zusätzlichen Leistungsverbrauch verwendet. Hierbei wird von dem Umstand Gebrauch gemacht, daß die Spannung über der Basis-Emitter-Strecke vieler Transistortypen mit dem Anstieg des Kollektorstroms ebenfalls steigt, wobei die Spannung über der Basis-Emitter-Strecke oft in weiten Grenzen von der Kollektorspannung fast unabhängig ist. F i g. I zeigt als ein Beispiel die Änderungen der Spannung über der Basis-Emitter-Strecke an einem Transistor vom Typ 2N3055 bei Änderungen des durch ihn fließenden Kollektorstroms unter verschiedenen Arbeitsbedingungen. Die Kurve 1 zeigt die Spannung über der Basis-Emitter-Strecke in Abhängigkeit vom Kollektorstrom bei einem festen Basisstrom von 2 A und einer Kollektor-Sättigungsspannung. Die Kurve 2 zeigt die Spannung über der Basis-Emitter-Strecke in Abhängigkeit vom Kollekiorstrom bei einem festen Basisstrom von 1 A und einer Kollektor-Sättigungsspannung. Die Kurve 3 zeigt die Spannung über der Basis-Emitter-Strecke in Abhängigkeit vom Kollektorstrom bei einem festen Basisstrom von 0,5 A und Kollektor-Sättigungsspannung. Mit dem Ausdruck »Kollektor-Säüigungssp.innung« ist hier der Zustand beschrieben, bei welchem der Transistor durch den Basisstrom voll durchgcsteuert und der Kollektorstrom nur durch einen Widerstand im Kollektorstromkreis begrenzt ist. Die Kurve 4 zeigt die Spannung über der Basis-Emitter-Strccke in Abhängigkeit vom Kollektrostrom bei einem Basisstrom, der jeweils zum Hervorrufen des gegebenen Kollektorstroms erforderlich ist, bei einer Kollektorspannung, die zwischen 5 V und 30 V liegt. Mit anderen Worten, der Basisstrom für die Kurve 4 ist gleich dem Quotienten aus dem entsprechenden Kollcktorstrom und dem Strornverstärkungsfpktor des Transistors, wobei kein Widerstand im Kollektorstromkreis vorhanden ist. Um ein Zerstören des Transistors durch übermäßiges Erwärmen zu vermeiden, wurde die Kurve 4 dynamisch aufgenommen, mit kurzzeitigen sägezahnförmigen Basisstromimpulsen bei verschiedenen, stufenweise zwischen 5 V und 30 V veränderten Kollektorspannungen. Die Basisspannung änderte sich bei Verändern der Kollektorspannung so wenig, daß die einzelnen Kurven für verschiedene Kollektcrspannungen nicht getrennt voneinander gezeichnet werden konnten. Sie wurden deshalb zu einer gemeinsamen mittleren Kurve 4 zusammengefaßt. Die Kurven 1, 2 und 3 wurden statisch aufgenommen, da im Transistor unter diesen Bedingungen nur eine geringe Verlustleistung auftritt. Diverse andere Leistungstransistor-Typen zeigen sehr ähnliches Verhalten der Spannung über der Basis-Emitter-Strekke in Abhängigkeit vom Kollektorstrom.

Falls die Spannung über der Basis-Emitter-Strecke allein in einzelnen Anwendiingsfällen nicht ausreicht.

kann in die Emitterzuleitung oder in die Basiszuleitung des Transistors noch zusätzlich ein Widerstand eingeführt werden, um den Spannungsabfall an ihm in Reihe mit der Spannung über der Basis-Emitter-.Sirecke für Steuerzwecke zu entnehmen. Der Widerstand und der Leistungsverbrauch in ihm werden in diesem Fall kleiner sein als sonst üblich.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil liegt darin. daß ein zusätzlicher Leistungsverlust für die Erzeugung einer stromabhängigen Spannung vermieden wird. Dadurch wird auch die im Gerät entstehende Wärme vorteilhafterweise vermindert. Auch ein zusätzlicher Spannungsverlust in dem den Steuerstrom führenden Stromkreis wird durch die Erfindung vermieden. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus dem Einsparen eines Widerstandes, der oft eine bedeutende Leistung vertragen und entsprechend groß dimensioniert werden mußte.

Zwei von den zahlreichen möglichen Anwendungsbeispielen sind in den Zeichnungen dargestellt und im folgenden näher erläutert.

F i g. 2 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild einer allgemein bekannten Spannungsstabilisierung. Neu in dieser Schaltung ist die Begrenzung des Ausgangsstroms nach der vorliegenden Erfindung mittels der Spannung über der Basis-Emiuer-Strecke des Längsregeltransistors 7.

F 1 g. 3 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild eines allgemein bekannten Sperrwandlers. Neu in dieser Schaltung ist, daß das Einleiten der Sperrphase des Oszillators und das Begrenzen des Kollektorspitzensiroms des Oszillatortransistors 9 nach der vorliegenden Erfindung mittels der Spannung über der Basis-Emitter-Strcckc des Transistors 9 erfolgt.

Die in der F i g. 2 gezeigte Spannungsstabilisicrung ist nur andeutungsweise dargestellt, soweit dies zur Erläuterung der Funktion der Erfindung erforderlich ist. Diese SpännlingsstäbHisicrung selbst ist allgemein bekannt und erfordert keine Erklärungen. In Punkten 20. 21 wird die unstabilisicrtc Speisespannung zugeführt und in den Punkten 22, 23 wird die stabilisierte Ausgangsspannung entnommen. Neu in der Schaltung ist. daß in ihr nach der vorliegenden Erfindung die Spannung über der Basis-Emitter-Strcckc des Längsregel transistors 7 zum Bcgrcn/en des Aiisgangsstronis dient.

um die Lqngsregeltransistoren 7 und 8 vor Zerstören bei einem Kurzschluß oder einer Überlastung im Ausgang zu schützen. Diese Längsregeltransistorengruppe muß nicht unbedingt aus zwei Transistoren bestehen, wie im Beispiel dargestellt. Sie kann auch mehr Transistören enthalten, die weiter in Kaskade oder auch in Parallelschaltung angeordnet sein können. Sie kann auch aus nur einem Längsregeltransistor bestehen.

Die erfindungsgemäße stromabhängige Steuerung funktioniert hier folgendermaßen: Sobald der zum größten Teil über den Kollektor von Transistor 7 fließende Ausgangssirom ansteigt, steigt auch die Spannung über der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 7 an. Ein Teil dieser Spannung wird über das Stellpotentiometer 6 der Basis eines Hilfstransistors 5 zugeführt. Wenn der mit dem Stellpotentiometer 6 eingestellte Teil der Spannung über der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 7 die Schwellenspannung des Transistors 5 überschreitet, beginnt der Transistor 5 den Erregungsstrom von der Basis des Transistors 8 abzuleiten. Auf diese Weise kann der Ausgangsstrom eine mit dem Potentiometer 6 eingestellte maximale Stromstarke nicht überschreiten. Der sonst in derartigen Schaltungen übliche Reihenwiderstand im Hauptstromkreis i^nd der durch diesen Widerstand bedingte Spannungsabfall und l.eistungsverbrauch entfallen durch die Verwendung der Erfindung.

Der in der F i g. 3 gezeigte Sperrwandler-Oszillalor ist ebenfalls nur andeutungsweise dargestellt, soweit /ur Erläuterung der Funktion der Erfindung o.forderlieh. Solche Spcrrwandler-Oszillatoren sind allgemein bekannt, und ihre Funktion bedarf deshalb keiner näheren Erklärungen. In Punkten 20. 21 wird die Speisespannung zugeführt, und in Punkten 24, 25 wird die umgewandelte Ausgangsglcichspannung entnommen. Neu in der dargestellten Schaltung ist. dal3 in ihr /um Einleiten der Sperrphase des Oszillators und /um Begrenzen des Kollektorspitzensiroms im Oszillatortransistor 9 erfindungsgemäß die Spannung über der Basis-Emitter-Strecke desselben Transistors 9 dient.

Während uer Stromflußphase steigt der Kollektorstrom im Transistor 9 linear mit der Zeit an. Mit dem Anstieg des Kollektorstroms steigt auch die Spannung über der Basis-Emitier-Strecke des Transistors 9. Ein Teil dieser Spannung wird an dem Stellpoientioineter 6 abgegriffen und über den Wideistand 10 der Basis des Hillstransisiors 5 zugeführt. Sobald der mit dem Stellpotentiometer 6 eingestellte Teil der Spannung über der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 9 die Schwellenspannung des Transistors 5 überschreitet, leitet der Transistor 5 den Anregungsstrom von der Basis des Transistors 9 ab. Der Kollektorstrom des Transistors 9 kann nichi weiter ansteigen und dadurch wird die Sperrphase des Oszillators eingeleitet, die nach dem bisherigen Stand der Technik entweder durch die Sättigung des Transistors 9 oder durch die magnetische Sättigung des Transformatorkerns oder durch eine an einem Reihenwiderstand erzeugte stromabhängige Spannung eingeleitet wurde. Mit Hilfe der Erfindung wird hier auf einfache Weise der Wirkungsgrad des Sperrwan.dlers verbessert, da die Verluste im Transistor 9 oder \m Transformator kleiner werden oder die Verluste in dem Reihenwiderstand er-jllen.

in der dargesteiiten Schaltung wirci d τ Hiifstransistor 5 außerdem noch zum Begrenzen und zum Stabilisieren der Alisgangsspannung mitbenutzt. Ein Teil der Ausgangsspannung wird über ein Vergleichsspannung-Cilied 11 iusätzlich an die Basis des Transistors 5 gegeben. Wenn die Vergleichsspannung des Gliedes Il überschritten wird, fließt über das Glied 11 und den Widerstand 10 ein zusätzlicher Strom, der an dem Widerstand 10 eine zusätzliche Spannung bildet, die in R^'ihe mit dem über das Stellpotentiometer 6 abgegriffenen Teil der Spannung über der Basis-Emitter-Slrekke des Transistors 9 liegt. Dadurch wird die Sperrphase bei einer kleineren Spannung über der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 9 eingeleitet, also bei einem kleineren Kollektorspitzenstrom des Transistors 9. Die Ausgangsspannung kann nicht weiter ansteigen.

Um den von der Ausgangsspjnnung zu entnehmenden Regelstrom klein zu halten und ein steileres Kippen zu erreichen, ist es zweckmäßig, in Ausführungen für hohe Ansprüche dem Transistor 5 noch eine Verstärker- oder Kippschaltung vorzuschalten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Stromabhängige Steuerung mittels Transistoren, dadurch gekennzeichnet, daß als stromabhängige Geberspannung ganz oder zum Teil die Spannung über der Basis-Emitter-Strecke eines Transistors (7, 9) verwendet wird, über dessen Kollektor der steuernde Strom ganz oder zum Teil fließt.