DE2033259C2 - Temperaturkompensierte Gleichspannungsteilerschaltung - Google Patents

Description

nungsteilerschaltung zu verdeutlichen.

In der US-PS 33 83 612 ist erwähnt, daß diese bekannte Gleichspannungsteilerschaltung so ausgelegt ist, daß sie Variationen im Pegel der Speisegleichspannung und auf die Schaltungsanordnung einwirkende Temperaturänderungen selbsttätig ausgleicht, so daß sich diese Einflüsse nicht nachteilig auf die Ausgangs-Gleichspannung (Vo) auswirken.

Zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit einer solchen bekannten Gleichspannungsteilerschaltung ist in der to US-PS 33 85 612 ein zweites Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem der Belastungstransistor in der Emitterfolgerschaltung durch mehrere in Kaskade geschaltete Belastungstransistoren ersetzt ist, die eine sog. Darlington-Schaltung bilden. Bei dieser zweiten Schaltungsanordnung, welche ausgangsseitig einen kräftigeren Laststrom bei der gleichen stabilisierten Teilerspannung (Vo) liefern kann, ist ebenfalls eine Gegeckopplungsverstärkerschaltung geeignet, wie sie beim ersten bekannten Ausführungsbeispiel einer Gleichspannungsteilerschaltung verwendet wird.

An ideale Gleichspannungsteilerschaltungen, die an ihrem Ausgang eine stabilisierte Gleichspannung (Vo) liefern, oder auch an Konstant-Gleichspaniiungsquellen stellt man allgemein die Forderungen, daß se auch bei den verschiedensten Betriebsverhältnissen — beispielsweise eine Unkonstanz der Temperatur, der Speisegleichspannung, der Belastung und Abweichungen der Bauteile von ihrer Soll-Charakteristik — deren nachteilige Einflüsse selbsttätig kompensieren und auch bei diesen ungünstigen Bedingungen die geforderte Soll-Gleichspannung (Vo) im Bereich des zulässigen Toleranzfeldes zur Verfügung stellen. Von den Gleichspannungsteilerschaltungen oder den Konstant-Gleichspannungsquellen sollen beispielsweise die nachgenann- ten Einflußfaktoren ausgeregelt werden, um eine stabile Ausgangsgleichspannung (Vo) zu erhalten: Insbesondere auf die Schaltungsanordnung einwirkende Temperaturänderungen, die besonders die Leitfähigkeit von Halbleiterbauelementen beeinflussen. Außerdem Pegel-Schwankungen, der die Schaltungsanordnung speisenden Gleichspannungsquelle sowie Änderungen der an den Spannungsausgang angeschlossenen Belastung. Bezüglich der Belastungsänderung — beispielsweise zwischen Leerlauf und Voll-Last — besteht die Forderung, daß die Ausgangs-Gleichspannung (Vo) ziemlich »steif« ist oder in anderen Worten erläutert: Die Spannungsteilerschaltung oder die Konstant-Gleichspannungsquelle soll, wenn sie von der Ausgangsseite betrachtet wird, einen möglichst kleinen dynami- so sehen Innenwiders tairrt aufweisen.

Eirde andere wesentliche Forderung, die man an neuzeitliche Spannungsteiler, bzw. Konstant-Gleichspannungsquellen stellt, besteht darin, daß die Schaltungsanordnung so ausgelegt ist, daß Abweichungen der Kenndaten νοκι vorgegebenen Nennwert, bzw. der Charakteristik von Bauelementen, aus denen diese Schaltungsanordnung besteht, zwangsläufig und selbsttätig kompensiert werden, so daß auch solche Spannungsteilerschaltungen an ihrem Ausgang eine stabilisierte Gleichspannung (V₀) liefern, die innerhalb der Töleranzgrenzen liegt Derartige Abweichungen der Kenndaten ergeben sich besonders bei Transistoren, die in monolithischen Schaltungsanordnungen integriert enthalten sind Diese Fertigungstoleranzen bzw. Abweichungen der Kenndaten vom Nennwert ergeben sich bei den Transistoren, wobei deren Verstärkungsfaktoren B oder die Bas'rEmitterspannung Vt_x um einen

Mittelwert streuen kann.

Um eine möglichst ideale Gleichspannungsteilerschaltung zu erhalten, die billig in Massenfertigung hergestellt werden kann, ist außer der Beherrschung des Fertigungsprozesses in monolithischer Technik eine ausgeklügelte Schaltungsanordnung zu schaffen, die durch verschiedene Rück- oder Gegenkopplungsmethoden oder Kompensationsschaltungen die vorstehend erwähnten nachteiligen Einflüsse eliminiert.

Gleichspannungsteilerschaltungen, die an ihrem Ausgang eine stabilisierte Gleichspannung Vb liefern, werden beispielsweise in elektronischen Schaltungsanordnungen von Computern, Prozeßrechnern, Steuerungs- oder Fernmeldeanlagen in sehr großer Stückzahl verwendet Die vom Ausgang der Spannungsteiler gelieferte stabilisierte Gleichspannung (Vo) dient in diesen Schaltungsanordnungen entweder als Bezugsspannung oder sie wird für logische Schaltkreise benötigt, wo sie als Basis-Vorspannung verwendet wird. Diese stabilisierte Gleichspannung (VJ) darf bei den elektronischen Schaltkreisen, welche für eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit ai";jelegt sind, nur in engen Toleraüzgrenzer. streuen, um zuverlässige Betriebsverhältnisse zu bekommen. In logischen Schaltkreisen werden beispielsweise der stetig an einer Transistorbasis vorhandenen Vorspannung, die den Tran-istor-Arbeitspunkt festlegt und die der stabilisierten Gleichspannung (Vo) entspricht, sehr kurzzeitig einwirkende, kleinste Signalspannungen überlagert, um eine Schaltfunktion des Transistors zu bewirken. Schwankt diese Vorspannungs-Gldchspannung (Vo) stärker als der vorgegebene Toleranzbereich, dann können sich Fehlschaltungen und Funktionsstörungen ergeben. Eine konstante Bezugs-Gleichspannung wird beispielsweise auch bei Differenzialverstärkern oder anderen Vergleichsschallungen benötigt, wozu die stabilisierte Gleichspannung (Vo) vom Gleichspannungsteiler geeignet ist.

Um eine wirtschaftliche Massenfertigung bei relativ billigen Herstellungskosten zu erzielen und um eine große Packungsdichte zu erhalten, werden die Gleichspannungsteilerschaltungen oder Konstant-Gleichspan-.lungsquellen dem Trend zur Miniaturisierung folgend vorzugsweise in monolithischer Technik ausgeführt und meistens zusammen mit logischen Schaltkreisen in Moduls integriert Gleichspannungsteilerschaltungen, die eine stabilisierte Ausgangsgleichspannung (V₀) liefern, sind jedoch auch in konventionellen Schaltungsaufbauten zweckmäßig verwendbar.

Die durch die US-PS 33 83 612 bekannte Gleichspannungsteilerschaltung ist noch nicht zufriedenstellend, weil sie — wie später noch ausführlicher beschrieben wird — durch Temperaturänderungen bedingte Einflüsse, Abweichungen vom Soll-Wert der Ausgangs-Gieichsf.innung (V₀) nicht korrekt ausregelt Eine für den Fachmann durch geläufige Überlegung naheliegende Lösung zur Verbesserung des Regelunysverhaltens der bekannten Gleichspannungsteilerschaltung wäre, daß in die Reihenschaltung der Gegenkopplungs-Verstärkerschaltung zusätzlich eine Diode bzw. ein weiterer Vfte-Übergang eines Transistors eingefügt wird. Untersuchungen haben jedoch ergeben, daß bei einer Verwirklichung einer derartigen Lösung ein«·. Überkompensation durch die Regelungsschaltut.g erfolgt.

Diese bekannte Gleichspannungsteilerschaltung hat außerdem noch den Nachteil, daß sie ungünstigen Einflüsse nicht selbsttätig eliminiert, die sich bei einer Abweichung der Kenndaten vom Nennwert der

Bauteile — insbesondere des Verstärkungsfaktors β und der Basisemitterspannung Vt* der Transistoren ergeben. Dadurch wird der Spannungspegel der Ausgangs-Gleichspannung (Vo) ebenfalls beeinflußt und das Regelungsverhalten entspricht nicht den Erwartungen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, die durch die US-PS 33 83 612 bekannte Gleichspannungsteilerschaltung des ersten Ausführungsbeispieles hinsichtlich ihrer Temperaturkonstanz und der an die Qualität der Bauteile zu stellenden Anforderungen zu verbessern. Es sollen also die vorstehend erwähnten Nachteile vermieden werden. Die neue Gleichspannungsteilerschaltung soll eine genauere Regelungscharakteristik über einen größeren Bereich aufweisen und die nachteiligen Einflüsse von Temperaturänderungen auf die Schaltungsanordnung beseitigen. Außerdem soll die Schaltungsanordnung des neuen Gleichspannungsteilers so ausgelegt sein, daß sie Abweichungen der Kennwerte von Bauelementen, z. B. des Verstärkungsfaktors j) und des Spannungsabfalls V,,,. von Transistoren kompensiert, so daß die neue Gleichspannungsteilerschaltung an ihrem Ausgang eine stabilisierte Gleichspannung (Vo) innerhalb des vorgegebenen Toleranzbereiches liefert.

Diese Aufgabe wird bei einer Gleichspannungsteilerschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruches I durch die in dessen Kennzeichen genannten Merkmale gelöst.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung dieser verbesserten Gleichspannungsteilerschaltung, die an ihrem festen Ausgangsanschluß eine gut stabilisierte Teil-Gleichspannung (Va) liefert, ist durch die Merkmale in den UnteranSprüchen gekennzeichnet.

Die erfindungsgemäße Gleichspannungsteilerschaltung, welche an einem festen Ausgangsanschlußpunkt die stabilisierte Teil-Gleichspannung (Vo) liefert und die vorteilhaft auch in monolithischer Bauweise hergestellt werden kann, wird wie die bereits vorstehend kurz beschriebene, durch das US-PS 33 83 612 bekannte. Gleichrichterteilerschaltung von einer Gleichstromversorgungsquelle (V(C. Vf/r) gespeist, deren Gleichspannung größer ist als die am festen Ausgang des Gleichspannungsteilers zur Verfügung stehende Teil-Gleichspannung (Vo). Auch die erfindungsgemäße Gleichspannungsteilerschaltung besteht, wie die bereits genannte bekannte Gleichspannungsteilerschaltung, aus einer bekannten Emitterfolgerstufe und einer Gegenkopplungs-Verstärkerschaltung. die beide von der gleichen Gleichstromquelle gespeist werden können. Augenfällig und im wesentlichen unterscheidet sich die erfindungsgemäße Gleichspannungsteilerschaltung von der bekannten Gleichspannungsteilerschaltung dadurch, daß die mit der bekannten Emitterfolgerstufe gekoppelte Gegenkopplungs-Verstärkerstufe eine andere Schaltungsanordnung aufweist, um den besseren Regelungseffekt zu erhalten. Diese Gegenkopplungs-Verstärkerschaltung besteht ebenfalls aus einer Reihenschaltung mit zwei äußeren Vorwiderständen, welche nachstehend als Kollektorvorwiderstand bzw. als Emittervorwiderstand bezeichnet werden. Von diesen beiden Vorwiderständen, die auch bei der bekannten Gleichspannungsteilerschahung vorhanden sind, ist jeweils einer an die ungleichnamigen Pole der Speise-Gleichstromquelle angeschlossen. Während bei der bekannten Schaltungsanordnung das Mittelteil der Reihenschaltung lediglich aus einem Steuertransistor besteht, wird bei der erfiridungsgemäßen Schaltungsanordnung das Mittelteil der Reihenschaltung aus zwei Darallelen Zweigen bzw. Strompfaden gebildet welche

verschiedene Impedanzen aufweisen. Der erste Strompfad besteht aus der Reihenschaltung eines ersten Steuertransistors und einem Teilerwiderstand. Dieser erste Steuertransistor ist mit seinem Kollektor an den Kollektorvorwiderstand angeschlossen und der Teilerwiderstand ist mit dem Emittervorwiderstand verbunden. Der zweite Strompfad besteht lediglich aus einem zweiten Steuertransistor, dessen Kollektor ebenfalls an dem Kollektorvorwiderstand angeschlossen ist und dessen Emitter mit dem Emittervorwiderstand verbunden ist. Der Steuerungs- bzw. Basisanschluß des zweiten Steuertransistors ist am Verbindungspunkt zwischen dem Emitter des ersten Steuertransistors und dem Teilerwiderstand angeschlossen. Die am Teilerwiderstand vorhandene Spannung steuert somit die Leitfähigkeit des zweiten Steuertransistors. Die neue Gegenkopplungs-Verstärkerschaltung ist mit der Emitterfol gerschaltung in gleicher Weise gekoppelt, wie die durch das US-PS 33 83 612 bekannte Gleichspannungsteilerschaltung, dem der Koiiekiuiki'ioienpuriki der Gegen kopplungs-Verstärkerschaltung mit dem Steuerungsbzw, ßasiseingang des Belastungstransistors vom Emitterfolger verbunden ist. Dadurch wirkt das an diesem Knotenpunkt vorhandene Spannungspotential auf den Belastungstransistor. Der Steuerungs- bzw. der BasisanschluD des ersten Steuertransistors ist mit dem Emitterknotenpunkt der Emitterschaltung verbunden, an der die stabilisierte Teiler-Gleichspannung (Vo) zur VerfüguKg steht.

Bei dieser neuen Schaltungsanordnung sind der Belastungstransistor, der erste und zweite Steuertransistor alle vom gleichen Leitfähigkeiutyp NPN; jedoch ist es möglich, mit anderen Transistoren eine entsprechende Gleichspannungsteilerschaltung zu schaffen, um den gleichen guten Regelungseffekt zu erzielen.

Bei der erfindungsgemäßen Gleichspannungsteilerschaltung erfolgt die Konstanthaltung der Ausgangs- Gleichspannung (Vo) bei der Einwirkung. — beispielsweise eine Erwärmung des Belastungstransistors im Emitterfolger durch äußere Einflüsse oder durch einen Anstieg der Belastung nach folgendem Regelungsprinzip:

Durch die Erwärmung des Belastungstransistors in der Emitterfolgerschaltung erhöht sich dessen Leitfähigkeit bzw. verschiebt sich dessen Spannungskennlinie, wodurch sich dessen Basis-Emitterspannung Vj* verringert Dies hat zur Folge, daß sich infolge der Temperaturerhöhung dadurch zunächst auch die Ausgangs-Gleichspannung (Vo) des Gleichspannungsteilers erhöht wie dies bereits bei der bekannten Gleichspannungsteilerschaltung dargelegt wurde. Diese erhöhte Ausgangs-Gleichspannung (Vo) liegt auch als Steuerspannu.ig an dem Steuerungseingang bzw. der Basis des ersten Steuertransistors in der Gegenkopplungsschaltung an und sie bewirkt, daß dieser erste Steuertransistor in bezug zum Anfangszustand leitfähiger wird und somit im ersten Pfad der Reihenschaltung einen größeren Strom leitet der am Teilerwiderstand einen größeren Spannungsabfall erzeugt Dieser erhöhte Spannungsabfall, der als Basis-Emittersteuerspannung auf den zweiten Steuertransistor einwirkt und auch diesen leitfähiger macht bewirkt daß auch dieser zweite Steuertransistor im zweiten Strompfad einen größeren Strom leitet Dieser zweite Steuertransistor wirkt somit als ein in seiner Leitfähigkeit steuerbarer Nebenschluß zum ersten Strompfad.

Durch die Erhöhung der beiden Pfadströme erfolgt auch ein Anstieg des den Kollektorvorwiderstand

durchfließenden Stromes /,, der sich am Kollektorknotenpunkt in die beiden Pfadströnie verzweigt. Durch diesen Stromanstieg ändert sich am Kollektorknotenpunkt und somit auch an dem Basisanschluß des Belastungstransistors des Spannungspotentials derart, daß sich die Steuerspannung bzw. die Basisemitterspannung Viw für den Belastungstransistor soweit verringert, daß dessen Leitfähigkeit zurückgeregelt wird und sich an des?-;) Emitter der Soll-Wert der gewünschten Ausgangs-Gleichspannung (Vo) einstellt.

Bei einer anderen Betrachtungsweise kann vereinfacht die Wirkungsweise der erfindunpr.gemäßen Gleichspannungsteilerschaltung auch so erklärt werden, daß der Spannung V^ vom Belastungstransistor im Emitterfolger zwei Spannungen VV vom ersten und zweiten Steuertransistor entgegenwirken und diese sich so einstellen, daß beim Soll-Wert der Ausgangs-Gleichspannung (Va) ein Gleichgewichtszustand besteht.

Im Vergleich zu der bekannten Gleichspannungsteilerschaltung weist die erfindunssEemäße Gleichspannungsteilerschaltung die Vorteile auf, daß sie die insbesondere durch Tetiperaturänderungen bewirkten Einflüsse korrekt ausregelt, so daß sich über einen wesentlich größeren Temperaturbereich keine Überbzw. Unterkompensation ergibt und daß am festen Teilerausgang der Soll-Wert der gewünschten Ausgangs-Gleichspannung (Vo) innerhalb des zulässigen Toleranzbereiches zur Verfugung steht. Ein anderer Vorteil ist der. daß Abweichungen der Kenndaten vom Nennwert der in der Gleichspannungsteilerschaltung verwendeten Bauelemente, insbesondere der Transistoren, in ihren Auswirkungen selbsttätig kompensiert werden, so daß dadurch die gewünschte Ausgangsgleichspannung (Vo) nicht von ihrem Soll-Wert abweicht. Diese vorteilhafte Eigenschaft ist besonders von Bedeutung, wenn die Gleichspannungsteilerschaltung in monolithischer Bauweise mit integrierten Bauteilen gefertigt wird. Noch ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die neue Gleichspannungsteilerschaltung mit festem Abgriff eine sehr steife, d. h. laststabile Ausgangs-Gleichspannung (Vo) liefert, weil von der Ausgangseite her betrachtet, der dynamische Innenwiderstand dieser Schaltungsanordnung klein ist.

Die Auslegung der Gleichspannungsteilerschaltung, die Dimensionierung der erforderlichen Bauelemente und die Optimierung für gegebene Erfordernisse kann nach bekannten Berechnungsverfahren oder Programmen erfolgen, auf deren Wiedergabe hier verzichtet wird.

Nachstehend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Gleichspannungsteilerschaltung mit stabilisierter Ausgangs-Gleichspannung (Vo) und dessen wesentliche Unterschiede im Vergleich zur durch das US-PS 33 83 612 bekannten Gleichspannungsteilerschaltung anhand von Prinzipschaltbildern — F i g. 1 und 2 — ausführlicher beschrieben. Von den Figuren stellt dar

F i g. 1 ein schematisches Schaltbild der bekannten Gleichspannungsteilerschaltung, die an ihrem festen Ausgang eine stabilisierte Ausgangs-Gleichspannung (Vo) liefert,

F i g. 2 das schematische Schaltbild der erfindungsgemäßen verbesserten Gleichspannungsteilerscbaltung, die an ihrem Ausgang eine genauere, stabilisierte konstante Ausgangsgleichspannung (Vo) liefert.

Die F i g. 1 zeigt das Prinzipschaltbild der bereits bei der Würdigung des Standes der Technik erwähnten, nach der US-PS 33 83 612 bekannten vorzugsweise in monolithischer Bauart ausgeführten Spannungsteilerschaltung zur Lieferung einer konstanten Ausgangsgleichspannung (Vo). Diese bekannte Schaltungsanordnung eines Gleichspannungsteilers wird von einer Gleichspannungsquelle gespeist, an deren ersten Pol (Vcc) einerseits die Kollektoren von zwei parallelen NPN-Belastungstransistoren 42, 44 angeschlossen sind und andererseits ein Vorwiderstand, der folgende Kollektorvorwiderstand 30 bezeichnet wird und der Bestandteil einer die Temperatureinflüsse kompensierenden Gegenkopplungsverstärkerschaltung 22 ist.

Die Belastungstransistoren 42, 44 vom Emitterfolger 20 empfangen ihre Basis-Steuerspannung von einem Kollektorknotenpunkt 24, der in der Gegenkopplungs-

_n >chaltung 22 den Kollektorvorwiderstand 30 mit den Kollektoren der doppelt vorhandenen parallelen NPN-Steuertransistoren 36, 38 verbindet. In der Emitterfolgerschaltung 20 sind die Emitter der beiden NPN-Belastungstransistoren 42, 44 und ein Vorlastwiderstand 40

_m an einen Emitterknotenpunkt 26 angeschlossen, von dem auch eine Verbindung zum festen Ausgang 28 des Gleichspannungsteilers besteht, der die stabilisierte Teil-Gleichspannung (V₀) liefert.

Der erste Pol (Vcc) der Gleichstromquelle, der den Anschlußpunkt 32 aufweist, kann in bezug zum zweiten Pol (— Vee) der Gleichstromquelle positiv sein, oder er kann auch auf Erdpotential liegen. Zwischen dem zweiten negativen Pol (— Vef) und den beiden miteinander verbundenen Emittern der doppelt vorhan-

_J0 denen NPN-Steuertransistoren 36, 38 der Gegenkopplungsschaltung 22 ist ein Emitter-Vorwiderstand 34 angeordnet. Die beiden parallel geschalteten NPN-Steuertransistoren 36, 38 bilden somit eine Einheit und stellen elektrisch einen einzigen Spannungsabfall V^ in

)5 der Reihenschaltung der Gegenkopplungs-Verstärkerschaltung 22 dar. Diese Gegenkopplungsverstärkerschaltung 22 enthält somit in Reihe miteinander verbunden den Kollektorvorwiderstand 30, den doppelten Steuertransistor 36, 38 und den Emittervorwiderstand 34. Der Steuerungsanschluß bzw. die Basis des doppelten NPN-Steuertransistors 36, 38 ist mit dem Emitterknotenpunkt 26 verbunden. An den zweiten negativen Pol(— Vfc) der Gleichstrom versorgungsquel-Ie ist von der Emitterfolgerschaltung 20 das eine Ende eines Vorlastwiderstandes 40 angeschlossen, dessen anderes Ende, wie bereits erwähnt wurde, mit dem Emitterknotenpunkt 26 verbunden ist.

Die Fig. 2 zeigt das Prinzipschaltbild des Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Gleichspannungsteilerschaltung. Diese besteht ebenfalls aus einer bekannten Emitterfolgerschaltung 50 und einer damit gekoppelten Gegenkopplungsverstärkerschaltung 52. Die Emitterfolgerschaltung 50 dient ebenfalls als Gleichspanrujngsteiler, der einen festen Ausgangsan-Schluß 58 aufweist, an dem die stabilisierte Teiler-Gleichspannung (Vo) zur Verfügung steht Die Gegenkopplungsverstärkerschaltung 52 dient zur Kompensation von auf die Emitterfolgerstufe 50 einwirkenden Temperatureinflüssen. Diese neue Gleichspannungsteilerschaltung wird ebenfalls von einer Gleichstromquelle gespeist, die einen ersten Pol (Vcc) mit dem Anschlußpunkt 57 und einem zweiten Pol (— V_EE) mit dem Anschlußpunkt 54 aufweist In bezug zum zweiten negativen Pol ( - Vac) ist der erste Pol (V_Cc) positiv oder

- - er kann auch wieder Erdpotential aufweisen. Die beiden parallelen oder doppelten NPN-Beiastungstransistoren 72, 74 der Ernitterfoigerschaltung, welche elektrisch eine Einheit bilden, sind mit ihren Kollektoren an den

ersten Pol (Vcc) der Gleichstromquelle angeschlossen. Ihre Basis-Steuerspannung empfangen diese beiden NPN-Belastungstransistoren 72, 74 eingangsseitig von der Gegenkopplungsschaltung 52 über den sog. Kollektorknotenpunkt 56, der in der Gegenkopplungsverstärkerschaltung 52 die Kollektoren des ersten und zweiten Steuertransistors 62, 64 mit einem Kollektor-Vorwiderstand 70 verbindet. Die Emitterfolgerschaltung 50 liefe, t an ihrem festen Ausgangspunkt 58, der mit dem Emitterknotenpunkt 60 verbunden ist, die stabilisierte Ausgangs-Gleichspannung (Vo).

Die Gegenkopplungsschaltung 52 besteht aus der Reihenschaltung eines Kollektorvorwiderstandes 70, zwei parallel miteinander verbundenen Strompfaden verschiedener Impedanz und einem Emittervorwiderstand 68. Bei dieser Reihenschaltung ist das eine Ende des Kollektorvorwiderstandes 70 an den ersten Pol (V₍₍) der Gleichstromquelle angeschlossen und das eine Ende des Emittervorwiderstandes 68 ist mit dem 7wpitpn npcrativpn Pn] (— V_£A rjpr fllpirhstrnmniipllp verbunden. Von den beiden parallelen Strompfaden wird die Impedanz des ersten Strompfades aus der Reihenschaltung eines ersten NPN-Steuertransistors 64 und einem Teilerwiderstand 66 gebildet, die zusammen einen Spannungsteiler ergeben, dessen fester Abgriffspunkt die Verbindungsstelle am Emitter des ersten Steuertransistors 64 mit dem Teilerwiderstand 66 ist. Der Kollektor des ersten Steuertranbistors 64 ist durch den Kollektorknotenpunkt 56 mit dem Kollektor-Vorwiderstand 70 verbunden. Der Steuerungs- bzw. Basisanschluß vom ersten NPN-Steuertransistor 64 ist mit dem Emitterknotenpunkt 60 verbunden und empfängt von diesem als Steuerspannung die Ausgangs-Gleichspannung (Vo).

Im zweiten Strompfad ist als Impedanz lediglich ein zweiter NPN-Steuertransistor 62 angeordnet, dessen Kollektor ebenfalls an den Kollektorknotenpunkt 56 angeschlossen ist und dessen Emitter mit dem Knotenpunkt verbunden ist, an dem auch der Emittervorwiderstand 68 und der Teilerwiderstand 66 angeschlossen sind. Der Steuerungseingang bzw. die Basis dieses zweiten Steuertransistors 62 ist an den festen Abgriffspunkt des Spcrsiungsteilers im ersten Strompfad angeschlossen, den der vorstehend erwähnte Verbindungspunkt des Teilerwiderstandes 66 mit dem Emitter des ersten Steuertransistors 64 bildet Die Kollektoren der beiden NPN-Steuertransistoren 62, 64 sind miteinander verbunden und an den Kollektorknotenpunkt 56 angeschlossen.

Das untere Ende des Teilerwiderstandes 66 und der Emitter des zweiten Steuertransistors 62 sind miteinander und mit dem oberen Ende des Emittervorspannwiderstandes 68 verbunden. Zwischen dem Kollektor knotenpunkt 56 und dem ersten Pol Vcc der Gleichstromquelle ist der Kollektorvorwiderstand 70 angeordnet Die beiden parallelen Belastungstransistoren 72,74 in der Emitterfolgerschaltung 50 sind mit ihren Emittern über den Emitterknotenpunkt 60 an den Vorlastwiderstand 76 angeschlossen.

Wirkungsweise

Bekanntlich führen Temperaturerhöhungen, die auf die Transistoren in einer Schaltungsanordnung einwirken, zur Senkung des Spannungsabfalls Vk an der Basis-Emitter-Verbindung einzelner monolithischer Transistorea Demzufolge verursacht ein Spannungsabfall V_1x an den Belastungstransistoren 42, *4 in der in F i g. 1 gezeigten bekannten Gleichspannungsteilerschaltung einen Anstieg der Leitfähigkeit dieser Belastungstransistoren 42, 44 und damit auch einen Anstieg der /«usgangs-Gleichspannung (Vo) am Anschlußpunlu 28. Eine Temperaturerhöhung bedeutet somit, daß diu Ausgangsgleichspannung (Vo) positiver wird, wenn die Basisspannung Vt_x der Belastungstransistoren 42 und 44 im Emitterfolger 20 abnimmt. Die durch die Gegenkopplungsverstärkerschaltung 22 gelieferte Basis-Steuerspannung V_bc ist zur vollständigen

Kompensation der Änderung nicht in der Lage, die Ausgangsgleichspannung (Vo) auf ihren früheren gewünschten Soll-Wert zurückzustellen.

Das Unvermögen dieser bekannten Schaltungsanordnung eines Gleichspannungsteilers zu einer zufriedenstellenden Kompensation des Einflusses von Temperaturänderungen geht aus der Tatsache hervor, daß eine erhöhte Ausgangsgleichspannung (V_n) auf der Ausgangsleitung zum Anschlußptinkt 28 die Steuertransistoren 36 und 38 mehr Steuerstrom führen läßt. Dieser

η erhöhte Steuerstrom macht aufgrund der Spannungsabfälle V(,_t in den Steuertransistoren 36 und 38 die Ausgangsgleichspannung (Vo) negativer. Diese bekannte Schaltungsanordnung eines Gleichspannungsteilers ist unterkompensiert, da sie auf einen Spannungsabfall Vbe begrenzt ist, wodurch die Ausgangsgleichspannung (Vo) positiver bleibt, als es der Soll-Wert erfordert. Dies bedeutet mit anderen Worten, daß bei einer Verwendung monolithischer Transistoren in der bekannten Gleichspannungsteilerschaltung eine Kompensation des Einflusses von Temperaturänderungen auf den Bereich des Spannungsabfalles Vh,eingeschränkt ist.

Wird zur Verbesserung der Regelungseigenschaft bzw. zur Verhinderung der Unterkompensation der bekannten Gleichspannungsteilerschaltung eine für den Fachmann naheliegende Lösung durchgeführt, derart, daß der gesamte Bereich der Spannungsabfälle V^ durch den Zusatz einer in der Gegenkopplungsverstärkerschaltung 22 in Reihe angeordneten Diode erhöht wird, dann ergibt sich ebenfalls keine genaue Ausregelung der Einflüsse eine Temperaturänderung. Bei einer solchen durch eine Diode modifizierten Gleichspannungsteilerschaltung werden die Einflüsse von Temperaturänderungen überkompensiert. Eine solche Überkompensation bewirkt, daß die Ausgangs-Gleichspannung (Vo) negativer wird als die gewünschte Soll-Spannung.

Die in der Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung eines bekannten Gleichspannungsteilers ist hinsichtlich ihrer Belastbarkeit nicht besonders stabil in der sog.

so Steifigkeit ihrer Ausgangs-Gleichspannung (V_o\ weil sie vom Ausgangsanschluß 28 her gesehen eine verhältnismäßig große dynamische Ausgangsimpedanz aufweist Außerdem ist diese bekannte Gleichspannungsteilerschaltung gemäß dem Prinzipschaltbild in

F i g. 1 gegenüber Änderungen der Stromverstärkung β bei den Transistoren ziemlich empfindlich, weil die Stärke dei Regelstromes durch den Kollektorvorwiderstand 30 im wesentlichen von der Leitfähigkeit der beiden parallel miteinander verbundenen Steuertransi stören 36,38 abhängt

Die neue, bessere Gleichspannungsteilerschaltung, deren Prinzipschaltbild die F i g. 2 zeigt, hat außer der Eigenschaft, daB sie Einflüsse, welche durch Temperaturänderungen, die auf die Schaltungsanordnung einwir- ken, genau ausregelt noch die günstige Eigenschaft, daB sie die durch die Toleranzabweichungen von den Kenndaten der Bauelemente'verursachten Einflüsse im Regelungsverhalten selbsttätig kompensiert Bei der

V!t'f:,iellung von monolithischen Schaltungsanordnungen ergeben sich bei den Baup.lementen Abweichungen von den Nenn-Kenndaten diesef Bauelemente, welche innerhalb eines breiten Toleranzfeldes streuen. Diese Abweichungen sind statistisch erfaßbar. Von den -, Transistoren ist bekannt, daß besonders ihre Stromverstärkungsfaktoren β und die Spannungsabfälle des Basis-Emitterüberganges Vj» beachtlich streuen können. Weil die V^-Werte benachbarter Transistoren bei statistischer Abweichung vom Nennwert nicht weit auseinander liegen, hat jede Streuung in den Vi_x- Werten denselben Einfluß auf die Ausgangs-Gleichspannung (Vo) wie Temperaturänderungen. Daher ist indirekt durch Temperatur-Kompensation diese neue Schaltungsanordnung eines Gleichspannungsteilers im we- sentlichen abhängig von Vj^-Abweichungen bei einer gegebenen Temperatur. Außerdem ist diese Schaltungsanordnung gegenüber ^-Abweichungen weniger empfindlich. Weil der Stromfluß durch den Kollektorvorwiderstand 70 nicht nur von einem Doppel-Transistor wie in F i g. I bestimmt wird, sondern daß dieser Regelstro-} /| auf die beiden Strompfade aufgeteilt ist, die aus den Regeltransistoren 62 und 64 sowie dem Teilerwiderstand 66 bestehen. Daher beeinflußt eine Abweichung des ^-Wertes vom Nennwert des ersten ₂i Steuertransistors 64 den durch den Koltektorvorwlderstand 70 fließenden Gesamtstrom /1 nicht so stark, W₁C in der bekannten Schaltungsanordnung nach Fig. 1.

Die in F i g. 2 dargestellte neue- Schaltungsanordnung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles eines stabilisierten Gleichspannungsteilers bietet außerdem bessere Eigenschaften hinsichtlich der Belastbar':iit ditser sog. Konstantspannungsquelle. Ein Lajtslrom /,. kann beispielsweise zur Speisung von acht voneinander unabhängigen Verbrauchern (z. B. Emitterfolgerstromschrtl- tern) dienen, bei einer sehr guten Regulierung unci Stabilisierung der Ausgangs-Gleichspannung (Vo). Dieser Vorteil der geringen Lastabhängigkeit ist teilweise auf die niedrige Impedanz der neuen Gleichspannungs wandlerschaltung zurückzuführen, die bei Betrachtung vom Ausgangsanschluß 58 her vorliegt und die ihrerseits zu einer höheren Verstärkung der Rückkopplung in der Gegenkopplungsschalüing 22 für die Belastungstransistoren 72 und 74 der Emitterfolgerschaltung 50 führt. Diese kann auch unter dem Gesichtspunkt betrachtet werden, da3 die Basis-Emitterspannung V_hc des zweiten Steuertransisiors 62 zusammen mit dem Teilerwidcrstand 66 im wesentlichen eine Konstantstromquellc darstellt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Temperaturkompensierte Gleichspannungsteilerschaltung, die an einem festen Ausgangsanschluß (28, 58) eine vorbestimmte, stabilisierte Teilspannung (Vo) der den Gleichspannungsteiler versorgenden Speise-Gleichspannung (Vco Vra) liefen, gebildet aus

a) einer Emitterfolgerschaltung (20,50) mit wenigstens einem an den ersten Pol (32, 57) der Gleichspannungsquelle angeschlossenen Belastungstransistor (42,44,72, 74), dessen Emitter an einem Knotenpunkt (26, 60) einerseits mit dem die stabilisierte Gleichspannung (Vo) liefernden Ausgangsanschluß (28, 58) und andererseits reihenförmig mit einem Vorlastwiderstand (40, 76) verbunden ist, der an dem zweiten Pol (54) der Gleichspannungsquelle angeschlossen ist,

b) einer aei den verschiedenen Betriebsverhältnissen die richtige erforderliche Basis-Emitterspannung (Vbc) liefernde und die Leitfähigkeit des Belastungstransistors (42, 44, 72, 74) regelnde Gegenkopplungsschaltung (22, 52) bestehend aus der Reihenschaltung eines an den ersten Pol (32, 57) der Gleichspannungsquelle angeschlossenen Kollektorwiderstandes (30, 70), einem Steuertransistor (36, 38, 64) und einem an den zweiten Pol der Gleichspannungsquelle angeschlossenen Emitterwiderstand (34, 68), w bei der Knotenpunkt (24, 56) zwischen dem Kollektorwiderstand (30, 70) und dem Steuertransistor (36,38,62,64) mit der Basis des Belastungstransistors (42,44,72,74) verbunden ist und die Basis des Steuertransistors (36, 38, 62,64) an den Knotenpunkt (26,60) angeschlossen ist,

dadurch gekennzeichnet,

c) daß die Gegenkopplungsschaltung (52) zwischen dem Knotenpunkt (56) beim Kollektorvorwiderstand (70) und dem Emitteirvorwiderstand (68) mit diesem in Reihe verbunden zwei parallele Strompfade verschiedener Impedanz enthält,

Ci) daß der erste Strompfad aus der Reihenschaltung des ersten Steuertransistors (64) und einem an dessen Emitter angeschlossenen Teilerwiderstand (66) gebildet ist,

C2) daß der zweite Strompfad aus einem zweiten Steuertransistor (62) besteht, dessen Kollektor mit dem Knotenpunkt (56) verbunden ist und dessen Basis an den Verbindungspunkt zwischen dem Teilerwiderstand (66) und dem ersten Steuertransistor (64) angeschlossen ist,

d) und daß die Transistoren (62,64, 72,, 74) in der Gegenkopplungsschaltung (52) und der Emitterfolgerschaltung (50) vom gleichen Leitfähigkeitstyp (vorzugsweise NPN) sind.

2. Gleichspannungsteilerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dall diese in integrierter monolithischer Schaltungstechnik ausgeführt ist

Die Erfindung bezieht sich auf eine temperaturkompensierte Gleichspannungsteilerschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Diese liefert an einem festen Ausgangsanschluß (auch bei verschiedenen variablen Betriebszuständen) eine vorbestimmte, innerhalb eines schmalen Toleranzfeldes stabilisierte Teilspannung (Vo), der den Gleichspaiinungsteiler speisenden Gleichspannungsquelle. Eine aolche aus der US-PS 33 83 612 bekannte Spannungsteilerschaltang besteht im wesentlichen aus einer Emitterfolgerschaltung, die in ihrem Knotenpunkt zwischen dem Belastungstransistor und dem Vorlastwiderstand die stabilisierte Teilspannung (Vo) als Ausgangs-Gleichspannung liefert Zum Ausgleich der

)5 durch die verschiedenen Betriebsverhältnisse auf die Gleichspannungsteilerschaltung nachteilig einwirkenden Einflüsse — insbesondere von Temperaturänderungen der Schaltungsanordnung — welche die Konstanz der Ausgangsgleichspannung (Vo) ungünstig beeinflus sen, wird die Leitfähigkeit des Belastungstransistors von der Emitterschaltung durch eine Gegenkopplungsverstärkerschaltung gesteuert Dort besteht die Gegenkopplungs-Verstärkerschaltung aus einer von der gleichen Gleichspannungsquelle gespeisten Reihen schaltung eines Kollektorvorwiderstands, eines Steuer transistors und eines Emittervorwiderstandes.

Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung sind die Emitterfolgerschaf oing und die Gegenkopplungs-Verstärkerschaltung so miteinander gekoppelt, daß von der Emitterfolgerschaltung der Knotenpunkt an dem die Teilerspannung (V₀) vorhanden ist mit dem Steuereingang, d.h., der Basis des Steuertransistors der Gegenkopplungs-Verstärkerschaltung verbunden ist Außerdem ist bei dieser bekannten Schaltungsanord nung der Steuereingang, d. h. die Basis vom Belastungs transistor der Emitterfolgerschaltung an dem Knotenpunkt zwischen dem Kollektorvorwiderstand und dem Kollektor des Steuertransistors der Gegenkopplungsverstärkerschaltung angeschlossen.

Die Wirkungsweise der Spannungsregelung bei dieser bekannten Schaltungsanordnung erfolgt dadurch: Ändert sich beispielsweise durch eine Temperaturänderung der Schaltungsanordnung zunächst die Ausgangs-Gleichspannung (Vo), dann bewirkt diese Spannungsab- weichung vom Soll-Wert eine entsprechende gleichsinnige Änderung der Leitfähigkeit des Steuertransistors. Dadurch ändert sich gleichsinnig auch der die Gegenkopplungs-Verstärkerschaltung durchfließende Strom und damit ändert sich auch die Spannungsabfäile

so am Kollektorvorwiderstand, dem Steuertransistor und am Emittervorwiderstand. Demzufolge tritt am Kollektorknotenpunkt der wie bereits erwähnt wurde, mit der Basis des Belastungstransistors in der Emitterfolgerstufe verbunden ist, eine entgegengesetzte Potentialände- rung auf. Somit ilndert sich auch die von dieser Potentialänderung abhängige Basis-Emitterspannung Vbe zur Steuerung der Leitfähigkeit des Belastungstransistors derart, daß sie dessen Leitfähigkeit so ändert, damit sich am Ausgang der Spannungsteilerschaltung der Soll-Wert der Verteiler-Gleichspannung (Vo) im Toleranzbereich einstellt

Die vorstehend kurz beschriebene, durch die US-PS 33 83 612 bekannte Gleichspannungsteilerschaltung wird noch ausführlicher im Beschreibungsteil des Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Spannungsteilerschaltung anhand eines Prinzipschaltbildes F i g. 1 erklärt, um die Unterschiede zwischen der bekannten und der erfindungsgemäßen Gleichspan-