DE2215015B2 - Spannungsregler - Google Patents

Spannungsregler

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Spannungsregler mit einerr Regeltransistor, dessen Kollektor-Emitter-Strecke zwischen einer Last und einem Eingangsanschluß einer ersten Gleichspannungsquelle angeordnet ist, und mit einer die Schwankungen der Ausgangsspannung des Regeltransistors erfassenden Schallung.
Ein derartiger Spannungsregler i»t aus der USA.-Patentschrift 2 114 802 bekannt.
Bei diesem Spannungsregler %veiüen zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit innerhalb der Regeleinrichtung mehrere Regler verwendet, deren Ausgänge parallel geschaltet sind. Jeder Regler wird dabei von einer gesonderten Gleichspannungsquelle gespeist und wird so eingestellt, daß er nur innerhalb eines engen, gegenüber den anderen Reglern verschiedenen Teilbereichs des gesamten Regelbereichs arbeitet. Durch die Vielzahl von Reglern ist die bekannte Regeleinrichtung technisch so aufwendig, so daß ein Einsatz bei Nachrichtensystemen mit einer Vielzahl von Regeleinrichtungen zu aufwendig wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung zu schaffen, bei der mit geringerem Aufwand eine leistungsfähige Regelung auch bei größeren Schwankungen der Eingangsspannung oder der Spannungen an der Last möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Die Erfindung beseitigt das Erfordernis mehrerer Regler durch eine einfache Maßnahme, welche in der Einfügung eines Transistors in den Schaltkreis des einzigen Reglers besteht. Trotz der Verringerung des baulichen Aufwandes sind der Reglerbereich und die Regeleigenschaften des eni,iJuu£".r°mäßen Span-
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60 nungsreglers mit denen der bekannten Regeleinrichtung mit mehreren Reglern vergleichbar.
Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Ansprüche 2 und 3 gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 ein elektrisches Prinzipschaltbild des erfindunsgemäßen Spannungsreglers,
F i g. 2 ein elektrisches Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Spannungsreglers und
Fig.3 ein elektrisches Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Spannungsreglers.
Der in F i g. 1 dargestellte Spannungsregler 11 wird von zwei Gleichspannungsquellen 14 und 16 versorgt. Die Gleichspannungsquelle 14 ist über eine in Richtung des Quellenstroms leitende Diode IS mit dem Kollektor eines Regeltransistors 21 (pnp-Transistors) verbunden.
Der Emitter des Regeltransistors 21 ist mit dem Ausgangsanschluß 20 des Spannungsreglers 11 verbunden, an welchen eine Last 22 angeschlossen werden kann. Zwischen der Basis des Regeltransistors 21 und der Gleichspannungsquelle 16 ist die Kollektor-Emitterstrecke eines Transistors 23 (npn-Transistois) angeordnet. Weiterhin ist zwischen dem Ausgangsanschluß 20 und Masse ein Potentiometer 31 vorgesehen, dessen Abgriff an die Basis eines Transistors 34 (npn-Transistors) führt. Die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 34 ist zwischen der Basis des Transistors 23 und einem Widerstand 33 angeordnet. Der Widerstand 33 ist mit seiner an den Emitter des Transistors 34 angeschlossenen Klemme über eine Zenerdiode 32 mit dem Ausgangsanschluß 20 des Spannungsreglers 11 verbunden, während die andere Klemme des Widerstandes 33 an Masse liegt. Die Serienschaltung des Widerstandes 33 und der Zenerdiode 32 dient zur Erzeugurs einer Spannung an dem Emitter des Transistors 34, welche um einen bestimmten Betrag kleiner als die Spannung an dem A'~Tangsan?chluß 20 ist. Und zwar wird die Zenerdiode 32 durch den Widerstand 33 in den Durchlaßbereich vorgespannt, so daß an der Zenerdiode eine verhältnismäßig konstante Spannung abfallt. Die an der Anode der Zenerdiode 32 und damit an dem Emitter des Transistors 34 anliegende Spannung ergibt sich somit aus der Differenz zwischen der schwankenden Spannung am Ausgangsanschluß 20 und der Spannung über der Zenerdiode, so daß diese Spannung den Schwankungen der Spannung am Ausgangsanschluß 20 folgt.
Die Funktionsweise des Fehlerspannungs-Transistors 34 stellt sich somit wie folgt dar:
Die Biasis des Transistors 34 sieht, da sie mit dem Abgriff des Potentiometers 31 verbunden ist, nur einen Teil der an dem Emitter anliegenden Schwankungen der Spannung am Ausgangsanschluß 20. Wenn daher die Spannung am Ausgangsanschluß 20 ansteigt, steigt die Emitterspannung des Transistors 34 in viel stärkerem Maße als dessen Basisspannung, so daß der Kollektorstrom des Transistors 34 und damit auch der Steuerstrom des Transistors 23 verringert wird. Der Transistor 23 wird dadurch weniger stromdurchlässig, wodurch wiederum der Steuerstrom des Regeltransistors 21 und damit der über die Kollektor-Emitterstrecke des Regeltransistors 21 flie-
ßende Laststrom verringert werden. Infolge der Verringerung des Laststroms wird der Tendenz der Spannung am Ausgangsanschluß 20, nämlich anzusteigen, entgegenwirkt.
Urn den Spannungsabfall über dem Regeltransistor 21 zur Erzielung einer hohen Leistungsfähigkeit klein zu halten, ist der Spannungsregler 11 so ausgelegt, daß er mir einen bestimmten Spannungsbereich der von der Gleichspannungsquelle 14 gelieferter! Speisespannung verarbeitet, d. h., die geregelte Spannung am Ausgangsanschluß 20 ergibt sich aus der Differenz zwischen einer minimalen Ausgangsspannung der Gleichspannungsquelle 14 und dem minimalen Spannungsabfall über dem Regeltransistor 21. Weiterhin werden größere Schwankungen der Ausgangsspannung der Gleichspannungsquelle 14 bzw. der Eingangsspannung des Spannungsreglers 11, wie sie beispielsweise bei dem Notstrombetrieb mit Reservebatterien während eines Ausfalls der Netzstromversorgung auftreten, dadurch vermieden, daß der Transistor 23 von der Gleichspannungsquelle 16 versorgt wird, deren Spannung höher als die am Ausgangsanschluß 20 benötigte Spannung ist. Wenn die Eingangsspannung an dem Regeltransistor 21 so weit absinkt, daß seine Kollektor-Emitterspannung an die obere Aussteuergrenze anstößt und der Regeltransistor 21 daher nicht den gesamten benötigten Laststrom zu liefern vermag, ist der von der Gleichspannungsquelle 16 gespeiste Transistor 23 noch nicht an seiner oberen Aussteuergrenze. Der Transistor 23 liefert in diesem Falle nicht nur den Steuerstrom für den Regeltransistor 21, sondern auch über die Basis-Emitter-Strecke des Regeltransistors 21 den fehlenden Teil des Laststroms, so daß trotz des Absinkens der Eingangsspannung des Spannungsreglers 11 dessen Ausgangsspannang konstant gehalten wird. Um diese »Durchgriffs«-Regelung zu erzielen, müssen selbstverständlich der Transistor 23 und die Basis-Emitter-Strecke des Regeltraniistors 21 jeweils in der Lage sein, im Bedarfsfalle den gesamten Laststrom zu führen. Ferner muß die Nennspannung der Gleichspannungsquelle 16 groß genug sein, um die benötigte Spannung am Ausgangsanschluß 20 jederzeit zu übersteigen, und zwar auch während der Zeitperioden, in denen die Ausgangsspannung der Gleichspannungsquelle unter den Wert der Spannung am Ausgangsanschluß 20 absinkt. Während dieser Zeitperioden fließt ein Leckstrom von der Gleichspannungsquelle 16 über den Transistor 23 und die Basis-Kollektor-Strecke des Regel transistors 21 in die Gleichspannungsquelle 14, sofern zwischen dem Ausgang der Gleichspannungsquelle 14 und dem Kollektor des Regeltransistors 21 keine Diode 15 angeordnet ist. Obwohl die Anordnung einer Diode 15 zur Vermeidung dieses Leckstroms und damit zur Verringerung der Belastung der Gleichspannungsquelle 16 vorteilhaft ist, wird die Funktionsweise des Spannungsreglers 11 von dem Fließen des Leckstroms nicht beeinflußt.
F i g. 2 zeigt ein elektrisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, welches sich besonders zur Regelung der Ausgangsspannung einer Anlage eignet, bei welcher Reservebatterien zur Notstromversorgung erdfrei mit der Netzstromversorgung verbunden sind. In den Schaltbildern nach F i g. 1 und 2 sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen. Die beiden Gleichspannungsquellen 14 und 16 werden bei dem Ausführungsbei spiel nach F i g. 2 von einem Gleichstrom-Gleichstrom-Umrichter 110 abgeleitet, welcher zwei Eingangsleitungen 112 und 113 zum Anschluß an eine Gleichspannungsquelle aufweist. Die Sekundärwicklung 117 des Umrichter-Transformators ist zur Nachbildung der beiden Gleichspannungsquellen 14, 16 mit einem Mittelabgriff 118 und zwei symmetrischen Abgriffen 119 versehen. An den Enden der Sekundärwicklung 117 sowie an jedem Abgriff 119 und
ίο dem Mittelabgriff 118 ist jeweils eine Diode 115 angeordnet, welche eine Vollwellengleichrichtung der anliegenden Wechselspannungen ermöglichen. Zwischen den Ausgängen 114 und 116 der Gleichspanriungsquellen 14 und 16 einerseits und Masse andererseits ist jeweils ein Filterkondensator 141 angeordnet, um die dem Spannungsregler 11 zugeführten Gleichspannungen zu glätten. Die Schaltung des Spannungsreglers 11 selbst ist bis auf eine Abweichung mit der in F i g. 1 dargestellten Schaltung identisch. Die genannte Abweichung betrifft den Transistor 142, welcher in stromverstärkender Darlingtonschaltung mit dem Transistor 23 verbunden ist, um eine ausreichend große Stromverstärkung in dem von der Zenerdiode 32, dem Widerstand 33, dem Transistör 34, dem Potentiometer 31 und dem Transistor 23 gebildeten Rückkopplungskreis für den Regeitransistor 21 zu erzielen. Das Darlington-Transistorpaar 23, 142 besitzt ansonsten außer der erwähnten Sti omverstärkung die gleiche Wirkung wie der Transistor 23 in F i g. 1.
Die erdfrei mit den Eingangsleitungen 112, 113 verbundenen Reservebatterien wirken als große Filter und schaffen daher von sich aus eine gewisse Sparmungsregulierung. Die Spannungsschwankung an dem Ausgang 114 des Umrichters 110 ist daher nicht sehr groß, solange die Netzstromversorgung am Eingang nicht unterbrochen ist. Die Sekundärwicklung 117 des Umrichter-Transformators ist dabei so ausgelegt, daß die minimale Nennspannung am Ausgang 114 bei Netzstromversorgung etwa 1 Volt höher ist als die benötigte Spannung am Ausgangsanschluß 20 des Spannungsreglers 11. Es sind jedoch genügend Windungen in der restlichen Sekundärwicklung 117 vorhanden, so daß selbst für den Fall, daß die Netzstromversorgung für mehrere Stunden ausfällt, die Spannung am Ausgang 116 immer noch um einige Volt höher ist als die benötigte Spannung am Ausgangsanschluß 20.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Spannungsreglers, bei dem ausschließlich npn-Transistoren verwendet werden, ist in F i g. 3 dargestellt. Von dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 unterscheidet sich der Spannungsregler nach Fig. 3 in drei Merkmalen, welche sich auf Grand der Verwendung der npn-Transistoren ergeben. Das erste unterschiedliche Merkmal besteht darin, daß der Transistor 242 zur Steuerung des Transistors 23 auf Grund seiner Polarität etwas mehr Reservespannung benötigt. Es ist folglich an eine Spannungsquelle 243 mit noch höherer Ausgangsspannung als die Gleichspannungsquelle 16 in F i g. 1 bzw. 2 angeschlossen, wofür die Spannungsquelle 243 zusätzliche Windungen 244 auf der Sekundärwicklung des Umrichter-Transformators besitzt.
Das zweite unterschiedliche Merkmal besteht in der Anordnung eines Transistors 246 und eines Widerstandes 247 zwischen den Transistoren 242 und 23 zur Strombegrenzung. Da nämlich der Tran-
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sistor 242 von einer Gleichspannungsquelle mit höherer Spannung gespeist wird, würde der Transistor 242 im Falle der Spannungsbegrenzung des Transistors 23 und der damit verbundenen Hinderung des Transistors 23 an der Lieferung des fehlenden Teils des Laststroms versuchen, nun seinerseits diesen fehlenden Teil des Laststroms über die Basis-Emitter-Strecke des Regeltransistors 21 zu liefern. Dieser Effekt wird durch den Transistor 246 und den Widerstand 247 verhindert. Während nämlich der Emitterstrom des Transistors 242 ansteigt, erhöht sich der Spannungsabfall am Widerstand 247, so daß der Transistor 246 voll leitend wird und den Transistor 242 kurzschließt. Das dritte unterschiedliche Merkmal betrifft schließlich die Zenerdiode 232, welche in
s F i g. 3 zwischen dem negativen Ausgangsänschlüß des Spannungsreglers und dem Emitter des Transistors 34 angeschlossen ist. Dadurch wird eine Spannung, welche um die über der Zenerdiode 232 abfallende Spannung größer als die Spannung an dem
ί Ausgangsänschlüß des Spannungsreglers ist, an den Emitter des Transistors 34 angelegt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Spannungsregler mit einem Regeltransistor, dessen Kollektor-Emitter-Strecke zwischen einer Last und einem Eingangsanschbjß einer ersten Gleichspannungsquelle angeordnet ist, und mit einer die Schwankungen der Ausgangsspannung des Regeltransistors erfassenden Schaltung, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsregler (11) einen weiteren Transistor (23) aufweist, dessen Kollektor-Emitter-Strecke zwischen der Basis des Regeltransistors (21) und einem Eingangsanschluß einer zweiten Gleichspannungsquelle (16) liegt und dessen Basis mit der die Schwankungen der Ausgangsspannung des Regeltransistors (21) erfassenden Schaltung (31, 32, 33, 34; 31, 34, 232, 233) verbunden ist.
2. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Basis des weiteren Transitors (23) und der die Schwankungen der Ausgangsspannung des Regeltransistors (21) erfassenden Schaltung ein zur Stromverstärkung eingeschalteter Transistor (142, 242) liegt.
3. Spannungsregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des zur Stromverstärkung eingeschalteten Transistors (242) und der Basis des weiteren Transistors (23) ein Strombegrenzer (246, 247) angeordnet ist.
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