DE2256603B2

DE2256603B2 - Transistor-regelschaltung zur gewinnung einer konstanten gleichspannung

Info

Publication number: DE2256603B2
Application number: DE19722256603
Authority: DE
Inventors: Reinmar Dipl.-Ing 8000 München Hübner-Kosney
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-11-17
Filing date: 1972-11-17
Publication date: 1977-08-25
Also published as: DE2256603A1; DE2256603C3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine nach dem Prinzip der Reihenregelung arbeitende, gegen Überlastung is unempfindliche Transistor-Regelschaltung zur Gewinnung einer an einem Lastwiderstand vorgeschriebenei Mindestgröße abfallenden, konstanten Ausgangs-Gleichspannung aus einer ungeregelten Eingangs-Gleichspannung, bestehend aus einem Regler, in

jo welchem die Ausgangsspannung mit einer konstanten Spannung verglichen und aus dem Vergleich eine Regelspannung gewonnen wird, aus einer Regelstrecke, die mehrere mit ihren Kollektor-Emitter-Strecken gleichsinnig in Reihe geschaltete und über jeweils einen

Steuertransistor angesteuerte Leistungstransistoren aufweist, und aus einer durch eine transistorierte bistabile Kippschaltung gebildeten Überstromschutzschaltung.

Bekannte Netzgeräte, deren Ausgangs-Gleichspannung auch bei Netzspannungsschwankungen und Laständerungen konstant bleibt, arbeiten entweder mit Parallelregelung oder mit Reihenregelung. Die in den Bauelementen der Regelschaltung verbrauchte Energie ist bei Parallelregelung meistens größer als bei entsprechender Reihenregelung, insbesondere dann, wenn die Ausgangsspannung auch bei großen Laständerungen konstant bleiben soll.

Es wird zwar bei Kurzschluß am Ausgang eines Gerätes mit Parallelregelung die Leistungsstufe des Regelverstärkers entlastet, aber der Ausgangsstrom beträgt dann ein Mehrfaches des Nennstromes. Demgegenüber läßt sich ein Gerät, welches mit Reihenregelung arbeitet, mit einem solchen Überstromschutz versehen, daß der Kurzschlußstrom nur einen Bruchteil des Nennstromes beträgt. Das Regelgerät nach der Erfindung arbeitet daher mit Reihenregelung.

Bekannte Gleichspannungsregler mit Transistoren und/oder integrierten Schaltkreisen weisen eine stetig rücklaufende Strombegrenzung auf. Bei der Regelung hoher Gleichspannungen treten längs einer solchen Strombegrenzungskennlinie Betriebszustände auf, in denen die Belastung der Regeltransistoren ein Mehrfaches der Belastung bei normalem Betrieb beträgt.
Aus der US-PS 36 71852 und der Zeitschrift »Electronic Engineering« August 1961, Seite 522 sind transistorierte Reihenregelschaltungen zur Gewinnung einer konstanten Gleichspannung mit einer Überstromschutzschaltung bekannt. Bei diesen bekannten Schaltungen kommen neben dem in der Zuleitung zum Lastwiderstand angeordneten Leistungstransistor noch ein oder mehrere Steuertransistoren zur Anwendung, über die der Widerstand des Leistungstransistors in Abhängigkeit von der durch Vergleich der Ausgangsspannung mit einer konstanten Spannung gewonnen Regelspannung beeinflußt wird. Diese Schaltungen weisen jedoch den Nachteil auf, daß sie von der geringen Spannungsfestigkeit des einen Leistungstransistors abhängig sind.

Aus den Zeitschriften »Funk-Technik« 1966, Nr. 17, Seite 621, »Elektronik« 1967, Heft 3, Seite 86 und »Elektronik-Industrie« 3 (1972), Seite 41 ist es zwar ,,usätzlich noch bekannt, die transistorierte Überstromschutzschaltung als bistabile Kippschaltung auszubilden, welche bei Kurzschluß der Last oder einem kurzschlußähnlichen Zustand den Leistungstran^stor hochohmig steuert, doch wird der Nachteil der geringen Spannungsfestigkeit des einen Leistungstransistors durch diese Maßnahme nicht ausgeräumt.

Aus der DT-AS 12 26 193 ist eine Schaltung zur Regelung eir.er Ausgangsspannung eines Netzgerätes bekannt, durch welche der vorstehende Nachteil beseitigt wird. Bei dieser Schaltung liegt im Längszweig zwischen den Ausgangsklemmen zum Anschluß des _IS Lastwiderstands und dem Netzgleichrichter eine Kette von in ihrer Anzahl durch die Spannung am Netzgleichrichter und ihre Spannungsfestigkeit bestimmten, hintereinandergeschalteten Leistungstransistoren, die hinsichtlich des Spannungsabfalls zwischen Kollektor und Emitter in Abhängigkeit von einer aus einer Vergleichsspannung und der Ausgangsspannung gewonnenen Steuerspannung unter Verwendung den einzelnen Leistungstransistoren zugeordneter Steuertransistoren gesteuert werden, die dem ersten Lei- _2S stungstransistor die abgeleitete Steuerspannung zuführen. Die den Leistungstransistoren zugeordneten Steuertransistoren bilden eine parallel zur Leistungsuansistorkette liegende Reihenschaltung, die mit der abgeleiteten Steuerspannung gespeist wird. Die Steuertransistoren dieser bekannten Schaltung führen einerseits die am vorhergehenden Leistungstransistor zugeordneten Steuertransistor abgenommene Steuerspannung dem ihm zugeordneten Leistungstransistor zu und geben andererseits an den dem jeweiligen Le^! 'ungstransistor zugeordneten Steuertransistor eine Steuerspannung ab, deren Bezugspotential dem nachfolgenden Leistungstransistor entspricht. Bei der Anordnung nach Fig.5 dieser Patentschrift ist ein Überstromschutz vorgesehen, der als bistabile Kippstufe ausgebildet ist und bei Überschreiten eines bestimmten Spannungsabfalls an einem kleinen Längswiderstand den ersten Leistungstransistor aus der Leistungstransistorkette aufgrund des Kippvorgangs sperrt. Von Nachteil bei dieser bekannten Anordnung, bei welcher die Steuertransistoren in Kaskade geschaltet sind, ist, außer bei Kurzschluß am Ausgang die Potentialverteilung entlang dieser Kaskade von den Transistordaten der einzelnen Steuertransistoren abhängig ist und sich damit ohne weiteres keine gleichmäßige Spannungsverteilung an den einzelnen Leistungstransistoren ergibt. Die Steuerwerte zur Steuerung eines Leistungstransistors werden bei dieser Regelschaltung stets von der vorangehenden Stufe geliefert. Dies gilt auch beim Ansprechen der aus der bistabilen Kippstufe gebildeten Überstromschutzschaltung, da diese ebenfalls ausschließlich den ersten Steuertransistor ansteuert.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, aus einer Eingangs-Gleichspannung, die z. B. ein ungeregeltes (,o Netzgerät liefert, mit Hilfe eines Transistorgerätes eine geregelte Gleichspannung zu gewinnen, wobei in jedem Betriebszustand an den in der Regelstrecke verwendeten, in Reihe geschalteten Leistungstransistoren jeweils mit Sicherheit die gleiche Spannung abfällt. (15

Gemäß der Erfindung, die sich auf eine Transistorregelschaltung der eingangs genannten, aus der DT-AS 12 26 193 bekannten Art bezieht, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Basis-Emitter-Strecke jedes Leistungstransistors die Emitter-Kollektor-Strecke je eines Steuertransistors entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps parallel geschaltet ist, daß die Basiselektroden der Steuertransistoren mit den Abgriffpunkten eines Spannungsteilers verbunden sind, welcher mit seinem einen Ende an die Eingangsspannungszuführung, mit seinem anderen Ende an den Ausgang der Regelschaltung angeschlossen und so bemessen ist, daß die gesamte an der Regelstrecke abfallende Spannung sich stets in gleiche Spannungswerte auf die Kollektor-Emitter-Strecken der einzelnen Leistungstransistoren aufteilt, daß zur Kontrolle des Ausgangsstromes zwischen den Emitter des ersten Leistungstransistors der Regelstrecke und den Ausgang der Regelschaltung ein Widerstand und eine Diode in Reihe geschaltet sind, und daß ein Transistor mit seinem Kollektor an die Basis des ersten Steuertransistors, mit seinem Emitter an den Ausgang der Regelschaltung und mit seiner Basis auf den Abgriff einer aus zwei Serienwiderständen bestehenden, den der Eingangsspannungszuführung abgekehrten Widerstand des Spannungsteilers der Regelstrecke darstellenden Widerstandskombination angeschlossen ist, derart, daß sie zusammen mit dem ersten Steuertransistor und dessen Basisvorwiderstand sowie dem ersten Leistungstransistor und dessen Emitterwiderstand die bistabile Kippschaltung der Überstromschutzschaltung bildet.

Neu ist demnach die Schaltung zur gleichmäßigen Aufteilung der Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangs-Spannung auf die in Reihe geschalteten Leistungstransistoren bei Normalbetrieb und bei Überlastung mit Hilfe von Steuertransistoren komplementären Typs und die Verwendung der Steuertransistoren als Bestandteil einer bistabilen Kippschaltung, welche die in Reihe geschalteten Leistungstransistoren sperrt, wenn der an den Reglerausgang angeschlossene Lastwiderstand unter einen vorgegebenen Mindestwert absinkt, und wieder öffnet, sobald der Lastwiderstand einen über dem Mindestwert liegenden »Rückkehrwert« überschreitet. Dabei sind aber die Steuertransistoren keiner höheren Spannungsbelastung ausgesetzt und werden nur vom ohmschen Spannungsteiler gesteuert. Abgesehen von den Leistungstransistoren der Regelstrecke enthält das Regelgerät nur Transistoren für niedrige Kollektor-Emitter-Spannungen.

Je höher die zu regelnde Spannung ist, desto größer ist bei gleicher relativer Schwankung die Differenz zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Wert der ungeregelten Gleichspannung am Eingang des Regelgerätes. Damit das auch für hohe Gleichspannungen vorgesehene Regelgerät größere relative Schwankungen der Eingangsspannung auffangen kann, ist zur Regelung der Ausgangsspannung statt eines integrierten Schaltkreises vorteilhaft ein Differenzverstärker vorgesehen, welcher zwei emittergekoppelte Transistoren aufweist, deren gegensinnig in Reihe geschaltete Basis-Emitter-Strecken die Diagonale einer von der Ausgangsspannung der Regelschaltung gespeisten, aus drei Widerständen und einer Referenzdiode bestehenden Brückenschaltung bilden. Zusätzlich läßt sich dann durch Parallelschaltung eines Kondensators zu der Zenerdiode, die bei Verwendung eines schaltungsgemäß übereinstimmenden integrierten Schaltkreises im allgemeinen nicht zugänglich ist, die Rauschspannung auf einen sehr kleinen Wert herabsetzen. Als Referenzdiode wird zweckmäßig eine Zenerdiode oder eine Zenerdiodenreihenschaltung verwendet.

Vorteilhaft sind die Leistungstransistoren jeweils mit einem Emitter- und einem Kollektorwiderstand versehen, so daß die Belastung der Leistungstransistoren reduziert wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.

F i g. 1 zeigt eine Regelschaltung nach der Erfindung, bestehend aus einer Regelstrecke, einem Regler und einem Überstromschutz.

Zur Regelstrecke gehören η in Reihe geschaltete Leistungstransistoren Ts 1 ... Tsn mit den Basis-, Kollektor- und Emitter-Widerständen Rb, Rc, Re, ferner π Steuertransistoren Ts i* ... Tsn* sowie ein Eingangsspannungsteiler mit η Widerständen Rb* und zwei Widerständen R_m und R,. Als Regler dient ein Differenzverstärker mit zwei Transistoren Tu, Tv. Den Überstromschutz gewährleistet ein Transistor Tw-

Der dem Regelgerät zugeführte Strom verteilt sich

a) auf den Eingangsspannungsteiler π · R_B* + Rm+ Ri,

b) auf die Reihe der Basiswiderstände Rb und der Steuertransistoren Ti 1 *... Tsn*,

c) auf die Reihe der Leistungstransistoren Ts i... Tsn sowie der Kollektorwiderstände Rc und der Emitterwiderstände Re- Diese Widerstände nehmen einen Teil der Verlustleistung auf; dadurch verringert sich die Erwärmung der Leistungstransistoren 7i 1... Tsn.

Die unter b) und c) genannten Teilströme vereinigen sich am Geräteausgang und fließen einem Lastwiderstand Rl sowie dem Differenzverstärker zu. Diese beiden Ströme durchlaufen außerdem noch einen Vorwiderstand Rv, der zweckmäßig die Größe des Emittärwiderstandes eines Leistungstransistors eines Ts i... Tsn aufweist.

Jeder Leistungstransistor 7s 1, Ts 2 bzw. Tsn erhält seinen Basisstrom Ib über den zugehörigen Widerstand Rb, der an die Eingangsspnnnungsquelle U₀ bzw. an den Ausgang der nächsthöheren Stufe angeschlossen ist. Der Widerstand Rn ist so bemessen, daß dem jeweiligen Leistungstransistor auch bei niedrigster Eingangsspannung der für den größten Laststrom / erforderliche Basisstrom zugeführt wird. Parallel zur Bdsis-Emittcr-Strecke eines jeden Leistungstransistors liegt die Emitter-Kollektor-Strccke des zugehörigen Steuertransistors entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps 7s 1*, Ts 2* bzw. Tsn*. Die Basis eines jeden Steuertransistors liegt an einem Abgriff des Eingangsspannungstcilers η · Rb* + Rm+ Ri- Im normalen Betrieb übernimmt der Steuertransistor einen Teil des über den Basiswiderstand Rb fließenden Stromes und bewirkt, daß das Emitterpotential des Leistungstransistors stets gleich dem Potential am zugehörigen Abgriff des Eingangsspannungsteilers Ist. Da zwischen benachbarten Abgriffen gleiche Potentialdifferenzcn bestehen, sind die Kollektor-Emitter-Spannungen Ua- der in Reihe geschalteten Leistungstransistoren 71s 1 ... Tsn stets gleich.

Mit dem Potential am Abgriff zwischen den Widerständen Rm und Rn* regelt der Differenzverstärker die Ausgangsspannung U so, daß sie bei zulässiger Belastung den vorgegebenen Wert U" annimmt. Zum Differenzverstärker gehören die Transistoren Tu und Tv, Beide sind über den gemeinsamen Emitterwiderstand Rd gekoppelt. Zwischen dem Geräteausgang und der Basis des Transistors Tu liegt eine der Ausgangsspannung U proportionale Spannung, nämlich

U„

■ΙΛ

während zwischen dem Geräteausgang und der Basis des Transistors Tv die durch eine Zenerdiode ZD konstant gehaltene Vergleichsspannung Uv liegt. Zusammen mit einem Widerstand R₀ bilden die Widerstän-

iο de R_a, Rb und die Zenerdiode ZDeine Brückenschaltung. Wird U_a> Uv, so wird der Transistor Tu gesperrt und zugleich der Transistor Tv geöffnet. Der dadurch anwachsende Kollektorstrom des Transistors T_v erhöht den Spannungsabfall an den Widerständen Rb*.

Infolgedessen sinkt die Ausgangsspannung U, bis das Gleichgewicht U_a= Uv wieder hergestellt ist. Der parallel zum Widerstand Rb liegende Kondensator Cb erhöht die Regelgeschwindigkeit Parallel zur Zenerdiode ZD liegt zur Herabsetzung der Rauschspannung ein Kondensator Cz-

Der Überlaststrom /= /_m", bei dessen Überschreiten der Überstromschutz ansprechen soll, fließt dann, wenn der Lastwiderstand

R-R- ^U"

•111

ist. Verringert sich der Lastwiderstand vom Wert /?/.„, auf einen Wert /?u, der nur ganz wenig kleiner als Run

ist, so kippt das Regelgerät in den Überlastzustand. In diesem Zustand fließt über die Leistungstransistoren TsI ... Tsn praktisch kein Strom, während die Steuertransistoren TsI* ... Tsn * und der Überstromschutztransistor Tw geöffnet sind. Aus dem Überlastzustand kippt das Regelgerät in den Betriebszustand erst dann zurück, wenn der Lastwiderstand einen Wert Ri._r überschreitet, der zwischen dem Wert bei voller Last (Nennlast)und dem Wert «/.,„bei Überlast liegt.

In den Überlastzustand kippt das Regelgerät wie

folgt: Die Widerstände Rnund /?„, sind so bemessen, daß im Falle /> /„," zunächst Ui- > U_n, wird und somit dem Übcrstromschutztransistoir Tiv Basisstrom zufließt. Ein Teil des daraufhin einsetzenden Kollcktorstromes des Transistors Tw fließt über die Basis des Stcucrtransistors TsI*; infolgedessen wird der Emitterstrom des Transistors TvI* stärker also der Basisstrom des Leistungstransistors TsI und damit auch dessen Emitterstrom schwächer. Demzufolge wird zwar sofort wieder Ui. < U„,\ da aber zugleich die vom Emittcrstrom

s» des Transistors TsI am Lastwiderstand Ri. erzeugte Spannung U sinkt, bleibt die Basis-Emitter-Spannung Uw am Transistor Ttv positiv. Damit der Überstromschutz seine Aufgabe erfüllt, muß der Basisstrom Wdes Transistors Tw ansteigen, wenn die Spannung am

Lastwiderstand Rl sinkt; der Endwert, den der Strom Wdabei annimmt, muß ausreichen, um die Transistoren Ttv und Ts 1* zu öffnen und damit den Transistor Ts 1 zu sperren. Mit dem Transistor TsI sind im Überlastzustand zugleich die übrigen Leistungstransistoren Ts 2...

i'o Tsn stromlos, da infolge der gleichmäßigen Verteilung der Spannung auf die einzelnen Leistungsstufen alle Basiswiderstände R₀ praktisch von dem gleichen Strom durchflossen werden wie der Basiswiderstand des gesperrten Transistors Ts 1, also den übrigen Leistungs-

''S transistoren ebenfalls kein Strom entnommen wird. Zum sicheren Kippen des Regelgerätes in den Überlastzustand und zum Rückkippen des Regclgcräts bei Überschreiten eines über dem Mindestwert des

Lastwiderstandes Rl liegenden »Rückkehrwertes« ist in den Betriebszustand wird durch die Widerstandsschal-Reihe zum Emitterwiderstand Re des Transistors Ts 1 tung Rh, die in F i g. 3 dargestellt ist, bestimmt. Die eine Diode D1 geschaltet, deren Schwellenspannung Widerstandsschaltung Rh besteht aus einem Widerstand Ud\ dann wirksam wird. Solange der Überstromschutz Rh ι und einer zu Rh ι parallelgeschalteten Reihenschalarbeitet, bildet der in F i g. 2 abgebildete Teil der 5 tung eines Widerstandes Rh 2 und einer Diode D.
Regelschaltung einen Verstärker mit Rückkopplung. Infolgedessen ist beim Kippen in den Überlastzustand Die Eingangsgröße ist 1_B 1, die Ausgangsgröße U. der Widerstandswert von R_h anfangs größer. Dadurch Das Hysterese-Verhalten des Regelgerätes beim wird die Sperrung der Leistungstransistoren Ts\ ...Tsn Kippen in den Überlastzustand und Zurückkippen in bei Überlastung beschleunigt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Nach dem Prinzip der Reihenregelung arbeitende, gegen Überlastung unempfindliche Transistor-Regelschaltung zur Gewinnung einer an einem Lastwiderstand vorgeschriebener Mindestgröße abfallenden, konstanten Ausgangs-Gleichspannung aus einer ungeregelten Eingangs-Gleichspannung, bestehend aus einem Regler, in welchem die Ausgangsspannung mit einer konstanten Spannung verglichen und aus dem Vergleich eine Regelspannung gewonnen wird, aus einer Regelstrecke, die mehrere mit ihren Kollektor-Emitter-Strecken gleichsinnig in Reihe geschaltete und über jeweils einen Steuertransistor angesteuerte Leistungstransistoren aufweist, und aus einer durch eine transistorierte bistabile Kippschaltung gebildeten Übtrstromschutzschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß der Basis-Emitter-Strecke jedes Leistungstransistors (Ts 1 bis Tsn) die Emitter-Kollektor-Strecke je eines Steuertransistors(Ts 1* bis Tsn*)entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp parallel geschaltet ist, daß die Basiselektroden der Steuertransistoren (Ts 1* bis Tsn*) mit den Abgriffpunkten eines Spannungsteilers (n ■ Rb*, Rm, Ri) verbunden sind, welcher mit seinem einen Ende an die Eingangsspannungszuführung (Uo), mit seinem anderen Ende an den Ausgang der Regelschaltung angeschlossen und so bemessen ist, daß die gesamte an der Regelstrecke abfallende Spannung sich stets in gleiche Spannungswerte auf die Kollektor-Emitter-Strecken der einzelnen Leistungstransistoren (Ts 1 bis Tsn) aufteilt daß zur Kontrolle des Ausgangsstromes (I) zwischen den Emitter des ersten Leistungstransistors (Ts 1) der Regelstrecke und den Ausgang der Regelschaltung ein Widerstand (Re) und eine Diode (Di) in Reihe geschaltet sind, und daß ein Transistor (Tw) mit seinem Kollektor an die Basis des ersten Steuertransistors (TsI*), mit seinem Emitter an den Ausgang der Regelschaltung und mit seiner Basis an den Abgriff einer aus zwei Serienwiderständen (R_1n, Ri) bestehenden, den der Eingangsspannungszuführung (Uo) abgekehrten Widerstand des Spannungsteilers der Regelstrecke darstellenden Widerstandskombination angeschlossen ist, derart, daß sie zusammen mit dem ersten Steuertransistor (TsI*) und dessen Basisvorwiderstand (Rh) sowie dem ersten Leistungstransistor (Ts 1) und dessen Emitterwiderstand (Re) die bistabile Kippschaltung der Überstromschutzschaltung bildet.

2. Transistor-Regelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler ein Differenzverstärker ist, welcher zwei emittergekoppelte Transistoren (Tu, Tv) aufweist, deren gegensinnig in Reihe geschaltete Basis-Emitter-Strecken die Diagonale einer von der Ausgangsspannung (U) der Regelschaltung gespeisten, aus drei Widerständen (Ra, Rb, Rc) und einer Referenzdiode (ZD) bestehenden BrUckenschaltung bilden.

3. Transistor-Regelschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisvorwiderstand (Rh)des ersten Steuertransistors (TsX*) aus der Parallelschaltung eines Widerstandes (Rh ι) und eines zweiten, mit einer Diode (D) in Reihe liegenden Widerstandes (Rh 2) besteht.

4. Transistor-Regelschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungstransistoren (Ts 1 bis Tsn jeweils mit einem Emitter- und einem Kollektor widerstand (Re, ^versehen sind.

5. Transistor-Regelschaltung nach einem de Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, cla( parallel zur Referenzdio'de (ZD) ein Kondensaioi (C/Jgeschaltet ist.