DE2159060A1

DE2159060A1 - Aktive Siebkapazität

Info

Publication number: DE2159060A1
Application number: DE19712159060
Authority: DE
Inventors: James Joseph Apalachin; Walach Augustyn Zbigniew Endicott; N.Y. Rooney (V.St.A.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1970-12-21
Filing date: 1971-11-29
Publication date: 1972-07-13
Also published as: FR2119326A5; JPS5318098B2; GB1354590A; JPS4713026A; US3670230A

Description

Aktenzeichen der Anmelderin; Docket EN 970 O34

Aktive Siebkapazität

Die Erfindung betrifft eine aktive Siebkapazität für phasengesteuerte/ spannungsgeregelte Stromversorgungseinheiten.

Eines der Bauelemente, welches die Leistungsfähigkeit derartiger Stromversorgungseinheiten beschränkt und die Kosten insbesondere für relativ hochfrequent betriebene Einheiten erhöht,
ist der Siebkondensator. Insbesondere bei Stromversorgungseinheiten, die zum Betrieb von Speicheranordnungen verwendet werden, haben sich die gebräuchlichen Siebkondensatoren als wenig geeignet erwiesen. Um die hier erforderliche Siebwirkung zu erzielen, ist es erforderlich, eine große Anzahl von Kondensatoren parallel zu schalten. Diese Maßnahme erweist sich aber bei verringerter Zuverlässigkeit der Stromversorgungseinheit als
enorm aufwendig.

Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, üblich passive Siebkondensatoren durch eine aktive Siebkapazität zu ersetzen, die eine wesentlich bessere Siebwirkung aufweist. Außerdem soll das Ansprechen der mit der aktiven Siebkapazität ausge-

209829/0427

statteten Stromversorgungseinheit auf plötzliche LastSchwankungen verbessert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Ausgang eines eine niedrige Gleich- aber hohe Wechselspannungsverstärkung aufweisenden Verstärkers mit der Basis eines den Ausgang der Stromversorgungseinheit überbrückenden, bidirektional betriebenen Transistors verbunden ist und daß die Ausgangsspannung über eine positive Rückkopplungsschleife auf den Eingang des Verstärkers geführt ist.

Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel besteht darin, daß als Rückkopplungsschleife ein parallel zum Ausgang liegender Spannungsteiler aus einem ersten und einem zweiten Widerstand dient, dessen Abgriff mit dem positiven Verstärkereingang verbunden ist, daß der negative Verstärkereingang über die Parallelschaltung aus einem dritten Widerstand mit der Serienschaltung eines Kondensators und eines vierten Widerstandes mit dem negativen Ausgangspol der Stromversorgungseinheit verbunden 1st, daß der Verstärkerausgang über einen fünften Widerstand mit dem negativen Verstärkereingang verbunden ist und daß der erste, zweite, dritte und fünfte Widerstand gleich groß aber größer als der viert· Widerstand sind, wobei die Gleichspannung am Ausgang des Verstärkers und am Ausgang der Stromversorgungseinheit gleich groß ist und di· Wechselspannung am Ausgang des Verstärkers ein verstärktes Abbild der Wechselspannung an Ausgang der Stromversorgungseinheit ist. Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, daß der Transistor durch ein· Gegentaktstufe bestehend aus zwei in Reihe geschalteten komplementären Transistoren ersetzt ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele. Es zeigen:

Fig. 1 das Ersatzschaltbild eines passiven Kondensators, Docket EN 970 034 209829/0427

Fig. 2 das Schaltbild eines erfindungsgemäßen aktiven

Kondensators in Verbindung mit einer Induktanz L als Siebglied für ein geregeltes Stromversorgungsgerät ,

Fig. 3 den Verlauf der Eingangsspannung an dem aus

Siebdrossel und aktive Siebkapazität bestehenden Siebglied der Fig. 2,

Fig. 4 die Schaltung der aktiven Siebkapazität gemäß

Fig. 2 mit einer unterschiedlichen Anschaltung des verwendeten Nebenschluß-Transistors Tl,

Fig. 5 den Verlauf der Abhängigkeit der Impedanz von

der Frequenz bei der erfindungsgemäßen aktiven Siebkapazität gemäß Fig. 2,

Fig. 6 das Ersatzschaltbild der aktiven Siebkapazität

gemäß Fig. 2 und

Fig. 7 das Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer aktiven Siebkapazität bei ihrer Verwendung in Verbindung mit einer Gegentakt-Leistungsstufe.

Es sei zunächst auf das Ersatzschaltbild eines Kondensators in Fig. 1 Bezug genommen. Bei Verwendung dieses Kondensators als Siebkondensator in einem Stromversorgungsgerät für 2 V/2OOA ±3 % müssen mindestens folgende Kondensatoreigenschaften eingehalten werden:

	0,25 F
ESR	2 rnß
ESL	20 nH
R - -	- - relativ unwesentlich

Docket EN 970 034 2 0 9 8 2 9 / 0 U 2 7

-A-

Dabei stellen ESR und ESL den Ersatz-Serienwiderstand und die Ersatzinduktivität des Kondensators dar.

Der beste, im Handel erhältliche Hochfrequenzkondensator ist ein polarisierter Kondensator mit folgenden Eigenschaften:

C	- - 0,013 F
ESR	40 πιΩ
ESL	- - 75 nH
R - -	IK Ω

Aus dieser Zusammenstellung ist zu ersehen, daß für ein Stromversorgungsgerät mit den oben angegebenen Daten etwa 20 dieser polarisierten, passiven Kondensatoren in Parallelschaltung erforderlich wären. Der Aufwand wäre zweiferllos extrem hoch und würde weiter erhöht werden, wenn eine Regelgenauigkeit von ±2 % oder sogar ±1 % verlangt würde. Die in Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße, aktive Siebkapazität ist dagegen den kommerziellen Kondensatoren in ihren Eigenschaften weit überlegen. Das Kernstück der aie erfindungsgemäße Kapazität bildenden Schaltung ist ein Operationsverstärker 10, ein NPN-Leistungstransistor Tl und ein Koppelkondensator Cl, Diese erfindungsgemäße Kapazität bildet zusammen mit einer Längsinduktivität L das Siebglied für ein eine phasengesteuerte Regeleinrichtung 11 enthaltendes Stromversorgungsgerät zur Speisung eines LastwiderStandes R_. Zwischen den Ausgangsklemmen des Stromversorgungsgerätes liegt die Kollektor-Emitterstrekke eines Transistors Tl mit einem Emitterwiderstand R4. Die an den Lastwiderstand R^ angelegte, geregelte Ausgangsspannung V₀ liegt also zwischen Kollektor des Transistors Tl und dem Emitterwiderstand R4. Die Basis des Transistors Tl ist über einen aus den Widerständen R2 und R3 bestehenden Spannungsteiler mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden, über einen einen Rückkopplungspfad bildenden Spannungsteiler mit den Widerständen R und R5 wird ein Teil der Ausgangsspannung V_ auf den positiven Eingang

Docket en 970 034 2 09829/0427

des Operationsverstärkers 10 zurückgeführt. Der negative Eingang des Verstärkers liegt an einem eine Vorspannung erzeugenden Widerstand R7,- zu dem die Reihenschaltung eines Kondensators Cl und eines Widerstandes Rl parallel geschaltet ist. Außerdem weist der Verstärker einen Rückkopplungspfad auf, der den Ausgang des Verstärkers über einen Widerstand R6 mit dem negativen Eingang verbindet.

Die von der Regelschaltung 11 gelieferte Eingangsspannung V_ETNG des Siebglieds ist in ihrem Verlauf in Fig. 3 dargestellt. In der über die Längsinduktiv!tat L im Punkt A fließende Strom kann dargestellt werden als 1=1+ I_. Die Widerstände R, R5, R6 und R7 sind gleich groß, um die am Verstärkerausgang B liegende Gleichspannung V gleich der Ausgangsspannung V des Siebglie-

a υ

des im Punkt A gleich groß zu halten. Die Verstärkerausgangsspannung V ist eine Funktion der dem positiven Eingang zugeführten

CL

rückgekoppelten Eingangsspannung und der Verstärkung zwischen den Punkten A und B, die von den gleich großen Widerständen R, R5, R6, R7 und dem Widerstand Rl und der Kapazität Cl gesteuert wird. Der Wert des Widerstandes Rl ist im Vergleich zu dem der übrigen Widerstände wesentlich niedriger. Die Gleichstromverstärkung des Operationsverstärkers ist 1, während die Wechselstromverstärkung wesentlich höher ist. Diese Tatsache kann folgendermaßen ausgedrückt werden:

Verstärkung^ = jf-f-"^ f^{1 +} H j ⁼

Verstärkung . -f⁵ -

Es wird also ein idealer Operationsverstärker angenommen, mit ei nem im den positiven Eingang fließenden Strom Ii_₀ und einer hohen Wechselstromverstärkung. Der Leistungstransistor Tl bildet einen wechselstrommäßig niederohmigen Nebenfluß und wird in line-

Docket EN 970 034 2 0 9 8 2 9/0427

arem Bereich betrieben.

Der Zweck der aktiven Siebekapazität ist, eine Siebwirkung herbeizuführen, so daß über den Lastwiderstand R lediglich Gleichstrom fließt und der Wechselstromanteil über den als Nebenschluß angeordneten Transistor Tl abgeleitet wird. Man ist bestrebt, im Transistor Tl lediglich den Gleichstrom fließen zu lassen, der erforderlich ist, um den gewünschten Betriebsbereich sicherzustellen. Unter der Annahme einer unendlich großen aktiven Siebkapazität liegt am Lastwiderstand keine Wechselspannung, da kein Wechselstrom durch ihn fließen kann.

Bei der Betrachtung der Wirkungsweise der Schaltung wird angenommen, es fließe ein geringer Wechselstrom durch den Lastwiderstand R , so daß der Ausgangsspannung V_n eine entsprechende Wechselspannung überlagert ist. Diese überlagerte Wechselspannung wird über den Widerstand R auf den positiven Eingang des Operationsverstärkers 10 rückgekoppelt. Wird weiterhin angenommen, daß bei der betrachteten Frequenz der Eingangsspannung V_EING am Eingang des Siebgliedes der Kondensator Tl einen Kurzschluß darstellt, dann ist die Verstärkung des Operationsverstärkers hoch und seine Ausgangsspannung V im Punkt B stellt ein verstärktes Abbild der Wechselspannung im Punkt A dar. Die Spannung V beeinflußt

el

den Transistor Tl derart, daß der über den Lastwiderstand R_L fließende Wechselstrom nunmehr über diesen Transistor abgeleitet wird. Die erfindungsgemäße aktive Siebkapazität besteht somit aus einer negativ rückgekoppelten Schaltung, bei der der Nebenschluß-Transistor die Wechselspannung am Ausgang um so mehr reduziert je höher sie ist.

Der Transistor Tl muß so gleichstrommäßig voreingestellt sein, daß er einen bidirektionalen Wechselstrom ziehen kann. Um dies zu erreichen, muß der Gleichspannungsanteil der Ausgangsspannung V₀ am Punkt A über den Widerstand R auf den Eingang des Verstärkers rückgeführt werden. Bezüglich der Gleichspannung stellt der Kondensator Cl eine Unterbrechung dar und der Operationsverstär-

Docket EN 970 034 2 0 9 8 2 9/0427

2159

ker weist eine Gleichstroiuverstärkung von 1 auf, so daß Gleichspannungsmäßig V ~ V., ist, Die Ausgangsspannung V wird durch den Spannungsteiler R2„ R3 reduziert und bildet die Vorspannung für den Transistor TX, Über den Widerstand R4 wird der gewünschte Strom im Transistor Tl eingestellt. Wie in Fig. 4 gezeigt, ist auch ©ine anders Anordnung sur Einstellung des Betriebszustandes mögil-ü. Dabei wird der Nebenschluß-Transistor Tl an seiner Basis über eine externe Spannungsquelle +V ^ „_m und einen Spannungsteiler ES, ES voreingestellt. Außerdem ist eine Wechsels tromkopplung ujt Hilfe eines Koppelkondensators C2 zwischen Basis und Viis'ark'srausgang vorgesehen. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß dir Hasisstrom des Transistors von der Gleichspannung der Schaltung sslbst unabhängig ist.

Die abhängigkeit der Impedanz Z der aktiven Siebkapasität gemäß Fig. 2 von der Frequsns f ist in Fig. 5 wiedergegeben» Dabei bestimmten di-2 Frequansen f₂ und f_ die Bandbreite der Anordnung. Ein c^rartiger S psääÄSverlauf kann durch ein Ersatzschaltbild, wie es in Z?ig. 5 dargestellt ist, nachgebildet werden.

Ein® weitere wesentliche Funktion der aktiven Siebkapasität besteht in dar Verbesserung des Ansprechens der Stroarvsrsosgmigseiniieit auf änderungan im Lastwider stand. Wird mit Hilfe einer derartigen Stromversorgungseinheit beispielsweise eine Speicheranordnung betriebenf so bedingt eine Lese- oder Schreiboperation einen zusätzlichen, Laststrom. Diese Änderung des Laststroraes kann als plötzliche Verminderung des Lastwiderstandes IL. angesehen werden. Mit abnehmendem Lastwiderstand muß die Ausgangsspannuncf V₀ großer werden, daß die große Längsinduktivität R eine plötzliche Zunahme des Ausgangsstromes verhindert. Die schlagartige Abnahme der Ausgangsspannung wird über den Widerstand R rückgekoppelt und die Ausgleichsspajinung scheint im Punkt B verstärkt. Diese verstärkte Spannung wird der Basis des Transistors Tl angeführt, a ^ daß dieser geringer leitend wird und dadurch so iange Sir.sivsllstrom über den testwiderstand IL. abzweigt, bis die l£'lng-sir:duk"i"itat L einen srhöLten Laststrom suläßto Um die-

Docket en 970 034 2 0 9 8 2 9/0427

se Funktionsweise sicherzustelen muß der Einstellstrom des Transistors Tl mindestens so hoch sein, daß er die zu erwartende Stromänderung ausgleichen kann. Die Schaltung kann also als Stromspeicher angesehen werden, der bei plötzlichem Strombedarf wirksam wird.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 7 dargestellt. Dabei ist zwischen den Ausgängen der Stromversorgungseinheit eine Gegentaktstufe angeordnet, die sowohl als Stromquelle als auch als Stromsenke dienen kann. Als Gegentaktstufe dient ein komplementäres Transistorpaar, es sind jedoch auch andere Gegentaktstufen verwendbar. Es ist eine angepaßte Verstärkeranordnung vorzusehen, die ein Wechselspannungssignal am Lastwiderstand abfühlt, verstärkt und die Gegentaktstufe so steuert, daß das Wechselspannungssignal unterdrückt wird.

Der Verstärker 12 in der Anordnung gemäß Fig. 7 ist auf Massepotential bezogen und ist an ein Vorspannungsnetzwerk, bestehend aus Widerständen RIO, RIl, R12, R15 und einem Kondensator C3 angeschlossen. Ähnlich wie die Verstärker in den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen stellt der Verstärker 12 bezüglich der Gleichspannung eine Folgestufe und bezüglich der Wechselspannung einen Verstärker hoher Verstärkung dar. Die Gegentaktstufe besteht aus den zwei komplementären Transistoren T2 und T3 mit einer daran angeschlossenen Batterie, über Widerstände R13, R14 und Dioden Dl - D2 werden die Arbeitspunkte der Transistoren in linearen Bereich eingestellt. Solange kein Wechselspannungssignäl am Lastwiderstand R^ anliegt, sind beide Transistoren T2 und T3 gesperrt. Tritt ein positives Wechselspannungssignal am Lastwiderstand im Punkt A auf, so wird dieses Signal über den Widerstand RIO zum positiven Eingang des Verstärkers 12 rückgekoppelt. Das positive Ausgangssignal des Verstärkers steuert den Transistor T2 in den leitenden Zustand, während der Transistor T3 gesperrt bleibt. Der positive Spannungsausschlag im Punkt A resultiert in einem Spannungsabfall am Massepunkt B, so daß Transistor T2 nunmehr über den Lastwiderstand R- Strom zieht und somit die

Docket EN 970 034 2 0 9 8 2 9 / 0 A 2 7

Spannung am Massepunkt anhebt und die Spannung im Punkt A absenkt. Eine Folge davon ist, daß das Wechselstromsignal unterdrückt wird.-

Ein negativ verlaufendes Wechselspannungssignal am Lastwiderstand im Punkt A wird in entsprechender Weise auf den positiven Eingang des Verstärkers geführt. Das negative Ausgangssignal des Verstärkers bewirkt nun, daß Transistor T2 gesperrt und Transistor T3 leitend wird. Transistor T3 liefert an Strom der die Spannung am Punkt A anhebt und die Spannung am Massepunkt B absenkt, so daß das Wechselstromsignal unterdrückt wird. Der Vorteil der Gegentaktanordnung ist, daß für die Vorspannung der Schaltung keine Leistung verbraucht wird. In den betrachteten, vorteilhaften Ausführungsbeispielen liefert die phasengesteuerte Stromversorgungseinheit die Leistung und regelt die Spannung an der Last. Die aktive, als Kapazität wirkende Schaltung bildet einen Siebkondensator für diese phasengesteuerte Stromversorgungseinheit. Es handelt sich hierbei um lediglich ein wesentliches Anwendungsgebiet für diese aktive Kapazität. Sie ist auch in anderen Stromversorgungseinheiten als Siebkondensator und ebenso in Logik- und Speicherschaltungen als Entkopplungskondensator verwendbar.

Docket EN 9 70 034 2 0 9 8 2 9 / 0 A 2 7

Claims

- ίο -

PATENTANSPRÜCHE

Aktive Siebkapazität für phasengesteuerte, spannungsgeregelte Stromversorgungseinheiten, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang eines eine niedrige Gleich- aber hohe Wechselspannungsverstärkung aufweisenden Verstärkers mit der Basis eines den Ausgang der Stromversorgungseinheit überbrückenden, bidirektional betriebenen Transistors verbunden ist und daß die Ausgangsspannung über eine positive Rückkopplungsschleife auf den Eingang des Verstärkers geführt ist.

Aktive Siebkapazität nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Rückkopplungsschleife ein parallel zum Ausgang liegender Spannungsteiler aus einem ersten und einem zweiten Widerstand dient, dessen Abgriff mit dem positiven Verstärkereingang verbunden ist, daß der negative Verstärkereingang über die Parallelschaltung aus einem dritten Widerstand mit der Serienschaltung eines Kondensators und eines vierten Widerstandes mit dem negativen Ausgangspol der Stromversorgungseinheit verbunden ist, daß der Verstärkerausgang über einen fünften Widerstand mit dem negativen Verstärkereingang verbunden ist und daß der erste, zweite, dritte und fünfte Widerstand gleich groß aber größer als der vierte Widerstand sind, wobei die Gleichspannung am Ausgang des Verstärkers und am Ausgang der Stromversorgungseinheit gleich groß ist und die Wechselspannung am Ausgang des Verstärkers ein verstärktes Abbild der Wechselspannung am Ausgang der Stromversorgungseinheit ist.

Aktive Siebkapazität nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Arbeitspunktes des Transistors im linearen Kennlinienbereich über die Gleichspannung am Ausgang des Verstärkers erfolgt.

Docket EN 970 034

209829/0427

21S9

4. Aktive Siebkapazität nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet daß die Einstellung des Arbeitspunktes des Transistors im linearen Kennlininebereich über eine externe Vorspannung an der Basis des Transistors erfolgt.

5. Aktive Siebkapazität nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Arbeitspunktes über einen Spannungsteiler erfolgt.

6. Aktive Siebkapazität nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor durch eine Gegentaktstufe, bestehend aus zwei in Reihe geschalteten komplementären Transistoren, ersetzt ist.

Docket en 970 034 209829/0427