DE2256603C3

DE2256603C3 - Transistor-Regelschaltung zur Gewinnung einer konstanten Gleichspannung

Info

Publication number: DE2256603C3
Application number: DE19722256603
Authority: DE
Inventors: Reinmar Dipl.-Ing. 8000 Muenchen Huebner-Kosney
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-11-17
Filing date: 1972-11-17
Publication date: 1978-04-20
Also published as: DE2256603A1; DE2256603B2

Description

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 zusätzlich noch bekannt, die transistorierte Überstromschutzschaltung als bistabile Kippschaltung auszubilden, welche bei Kurzschluß der Last oder einem kurzschlußähnlichen Zustand den Leistungstransistor hochohmig steuert, doch wird der Nachteil der geringen Spannungsfestigkeit des einen Leistungstransistors durch diese Maßnahme nicht ausgeräumt.

Aus der DC-AS 12 26193 ist eine Schaltung zur Regelung einer Ausgangsspannung eines Netzgerätes bekannt, durch welche der vorstehende Nachteil beseitigt wird. Bei dieser Schaltung liegt im Längszweig zwischen den Ausgangsklemmen zum Anschluß des 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 unier Verwendung den einzelnen Leistungstransistoren zugeordneter Steuertransistoren gesteuert werden, die dem ersten Leistungstransistor die abgeleitete Steuerspannung zuführen. Die den Leistungstransistoren zugeordneten Steuertransistoren bilden eine parallel zur Leistungstransistorkette 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 Leistungstransistor 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 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.

Gemäß der Erfindung, die sich auf eine Transistorregelschaltung der eirgangs genannten, aus der DE-AS 12 26 193 bekannten Art bezieht, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Basis-Emitter-Strßcke jedes Leistungstransistors die Emitter-Kollektor-Strecke je eines Steuertransistors entgegengesetzten Leitfähigkeitsiyps 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

ίο 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 Spannung'- eilers der Regelstrecke darstellenden Widerstandskomi ination angeschlossen ist, derart, daß sie zusammen mit dem ersten Steuertransistor und dessen Basisvorwiderstand sowie dem ersten Leistungstransistor und dessen Emitter-

widerst*nd 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 Steuertransistoreni 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 Regelperät 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 Her Ausgangsspannung der Regelschaltung gespeisten, aus

do drei Widerständen und einer Referenzdiode bestehenden Brückenschaltung bilden. Zusätzlich läßt sich dann durch Parallelschaltung eines Kondensators zu der Zenerdiode, die bei Verwendung eines schaltuTigbgemäß übereinstimmenden integrierten Schaltkreises im allge-

f>5 meinen nicht zugänglich ist, die Rauschspannung auf einen sehr kleinen Wert herabsetzen. Als Referenzdiode wird zweckmäßig eine Zenerdiode oder eine Zenerdiodenreihenschaltung verwendet.

Vorteilhaft sind die l.eistungstransistoren 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.

Fig. I zeigt eine Regelschaltung nach der Erfindung, bestehend aus einer Regelstrecke, einem Regler und einem Überstromschutz.

Zur Regelstrecke gehören η in Reihe geschaltete Leiitungstransistoren Ts 1 ... Tsn mit den Basis-, Kollektor- und Emitter-Widerständen Rn, R_c, Rh, ferner η Steuertransistoren Ts\*... Tsn* sowie ein Eingangsspannungsteiler mit η Widerständen Rb* und zwei Widerständen R_n, und R₁. Als Regler dient ein Differenzverstärker mit zwd Transistoren Tu, Tv. Den Überstromschutz gewährleistet ein Transistor Tw-

Der dem Regelgerät zugel'ührte Strom verteilt sich

a) auf den Eingangsspannungsteiler η ■ Rb* + Rn,+ Ri,

b) auf die Reihe der Basiswiderstände R_n und der Steuertransistoren Ts\*... Tsn*,

c) auf die Reihe der Leistungstransistoren Ts t... Tsn sowie der Kollektorwiderstände R₁ und der Emitterwiderstände Re. Diese Widerstände nehmen einen Teil der Verlustleistung auf; dadurch verringert sich die Erwärmung der Leistungstransistoren Ts 1... Tsn.

Die unter b) und c) genannten Teilströme vereinigen sich am Geräteausgang und fließen einem Lastwiderstand Ri. sowie dem Differenzverstärker zu. Diese beiden Ströme durchlaufen außerdem noch einen Vorwiderstand Rv, der zweckmäßig die Größe des Emitterwiderstandes eines Leistungstransistors eines 7s 1... Tsn aufweist.

Jeder Leistungstransistor FsI, Ts 2 bzw. Tsn erhält seinen Basisstrom Ib über den zugehörigen Widerstand Rb, der an die Eingangsspannungsquelle Uo bzw. an den Ausgang der nächsthöheren Stufe angeschlossen ist. Der Widerstand Rb ist so bemessen, daß dem jeweiligen Leistungstransistor auch bei niedrigster Eingangsspannung der für den größten Laststrom / erforderliche Basisstrom zugeführt wird. Parallel zur Basis-Emitter-Strecke eines jeden Leistungstransistors liegt die Emitter-Kollektor-Strecke des zugehörigen Steuertransistors entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps TsI*, Ts 2* bzw. Tsn*. Die Basis eines jeden Steuprtransistors liegt an einem Abgriff des Eingangsspannungsteilers 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 Potentialdifferenzen bestehen, sind die Kollektor-Emitter-Spannungen Uce der in Reihe geschalteten Leistungstransistoren TsI ... Tsn stets gleich.

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

Ii₁,

R..

währen 1 zwischen dem Geräteausgang und der Basi des Transistors Tv die durch eine Zenerdiode ZL konstant gehaltene Vergleichsspannung Uv liegt. Zu sammen mit einem Widerstand R_c bilden die Widerstän de R₃, ^ und die Zenerdiode ZDeine Brückenschaltung Wird U_ü> Uv, so wird der Transistor Tu gesperrt unc zugleich der Transistor TV geöffnet. Der dadurcl anwachsende Kollektorstrom des Transistors Tv erhöh den Spannungsabfall an den Widerständen Rr* Infolgedessen sinkt die Ausgangsspannung U, bis da; Gleichgewicht U_a= Uv wieder hergestellt ist. Dei parallel zum Widerstand Rh liegende Kondensator C, erhöht die Regelgeschwindigkeit. Parallel zur Zenerdi ode ZD liegt zur Herabsetzung der Rauschspannung eil Kondensator C/.

Der Überlaststrom /= /„,", bei dessen Überschreiter der Überstromschutz ansprechen soll, fließt dann, wem der Lastwiderstand

ist. VerringeM sich der Lastwiderstand vom Wert Ri., auf einen Wert /?/.*, der nur ganz wenig kleiner als Ri.,, ist, so kippt das Regelgerät in den Überlastzustand. Ir diesem Zustand fließt über die Leistungstransistorer Ts 1 ... Tsn praktisch kein Strom, während di< Steuertransistoren TsI* ... Tsn * und der Überstrom schutztransistor Tw geöffnet sind. Aus dem Überlastzu

.15 stand kippt das Regelgerät in den Betriebszustand ers dann zurück, wenn der Lastwiderstand einen Wert
überschreitet, der zwischen dem Wert bei voller Las (Nennlast) und dem Wert /?/._mbei Überlast liegt.

In den Überlastzustand kippt das Regelgerät wi folgt: Die Widerstände /ffund R_n, sind so bemessen, da( im Falle /> I_n," zunächst Ue> U_n, wird und somit den Überstromschutztransistor Tw Basisstrom zufließt. Eit Teil des daraufhin einsetzenden Kollektorstromes de Transistors Tw fließt über die Basis des Steuertransi stors TsI*; infolgedessen wird der Emitterstrom de Transistors TsI* stärker also der Basisstrom de Leistungstransistors Ts 1 und damit auch dessei Emitterstrom schwächer. Demzufolge wird zwar sofor wieder Ue< U_m; da aber zugleich die vom Emitterstron des Transistors Ts 1 am Lastwiderstand Rl erzeugt Spannung U sinkt, bleibt die Basis-Emitter-Spannur· Uw am Transistor Tw positiv. Damit der Überstrom schutz seine Aufgabe erfüllt, muß der Basisstrom fawde Transistors Tw ansteigen, wenn die Spannung an Lastwiderstand Rl sinkt; der Endwert den der Stron /eivdabei annimmt muß ausreichen, um die Transistors Twund Ts 1* zu öffnen und damit den Transistor Ts 1 zi sperren. Mit dem Transistor Ts 1 sind im Überlastzu stand zugleich die übrigen Leistungstransistoren Ts 2..

Tsn stromlos, da infolge der gleichmäßigen Verteilung der Spannung auf die einzelnen Leistungsstufen all Basiswiderstände Rb praktisch von dem gleichen Stron durchflossen werden wie der Basiswiderstand de gesperrten Transistors Ts I₁ also den übrigen Leistungs

f>> transistoren ebenfalls kein Strom entnommen wird Zum sicheren Kipper, des Regelgerätes in dei Überlastzustand und zum Rückkippen des Regelgerät bei Überschreiten eines über dem Mindestwert de

Lastwiderstandes R/ liegenden »Rückkehrwertes« ist in Reih«: zum Emitterwiderstand Ri des Transistors Ts 1 eine Diode D 1 geschaltet, deren Schwellenspannung Um dann wirksam wird. Solange der Überstromschutz arbeitet, bildet der in K i g. 2 abgebildete Teil der Regelschaltung einen Verstärker mit Rückkopplung. Die Eingangsgröße ist In ι. die Ausgangsgröße U.

Das ti/sterese-Verhalten des Regelgerätes beim Kippen in den Überlastzustand und Zurückkippen in

den Betriebszustand wird durch die Widerstandsschal· tung Ri,, die in F i g. 3 dargestellt ist, bestimmt. Die Widerstandsschaltung Rh besteht aus einem Widerstand Rh ι und einer zu Rt, ι parallelgeschalteteri Reihenschaltung eines Widerstandes Rh > und einer Diode ü.

Infolgedessen ist beim Kippen in den Übcrlastzustand der WiderstandswL'i ι von Ri, anfangs größer. Dadurch wird die Sperrung dor l.cistungstransistoren 7s I ... Tsη bei Überlastung beschleunigt.

I Ικί/ιι Γ! Bla

Claims

ι %

* net, daß die Leistungstransistoren (Ts \ bis Tsn)

Patentansprüche: jeweils mit einem Emitter- und einem Kollektorwiderstand (R& ^versehen sind,

K Nach dem Prinzip der Reihenregelung arbeiten- 5, Transistor-Regelschaltung nach einem der de, gegen Überlastung unempfindliche Transistor- 5 Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Regelschaltung zur Gewinnung einer an einem parallel zur Referenzdiode (ZD) ein Kondensator Lastwiderstand vorgeschriebener Mindestgröße ab- (C₂) geschaltet ist
fallenden, konstanten Ausgangs-Gleichspannung aus
einer ungeregelten Eingangs-Gleichspannung, bestehend aus einem Regler, in welchem die Ausgangs- ι ο

spannung mit einer konstanten Spannung verglichen
und aus dem Vergleich eine Regelspannung

gewonnen wird, aus einer Regelstrecke, die mehrere Die Erfindung bezieht sich auf eine nach dem Prinzip

mit ihren Kollektor-Emitter-Strecken gleichsinnig in der Reihenregelung arbeitende, gegen Überlastung

Reihe geschaltete und über jeweils einen Steuertran- 15 unempfindliche Transistor-Regelschaltung zur Gewin-

sistor angesteuerte Leistungstransistoren aufweist, n'-ing einer an einem Lastwiderstand vorgeschriebener

und aus einer durch eine transistorierte bistabile Mindestgröße abfallenden, konstanten Ausgangs-

Kippschaltung gebildeten Oberstromschutzschal- Gleichspannung aus einer ungeregelten Eingangs-

tung, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichspannung, bestehend aus einem Regler, in

Basis-Emitter-Strecke jedes Leistungstransistors 20 welchem die Ausgangsspannung mit einer konstanten

(Ts ί bis Tsn} die Emitter-Kollektor-Strecke je eines Spannung verglichen und aus dem Vergleich eine

Steuertransisrors (Ts 1 * bis 7Sn *) entgegengesetzten Regelspannung gewonnen wird, aus einer Regelstrecke,

Leitfähigkeitstyp parallel geschaltet ist, daß die die mehrere mit ihren Kollektor-Emitter-Strecken

Basiselektroden der Steuertransistoren (Ts 1* bis gleichsinnig in Reihe geschaltete und über jeweils einen

Tsn*) mit den Abgriff punkten eines Spannungstei- 25 Steuertransistor angesteuerte Leistungstransistoren

lers (n ■ Rb*, Rm. RJ verbunden sind, welcher mit aufweist, und aus einer durch eine transistorierte

seinem einen Ende an die Eingangsspannungszufüh- bistabile Kippschaltung gebildeten Überstromschutz-

rung (Uo), mit seinem anderen Ende an den Ausgang schaltung.

der Regelschaltung angeschlossen und so bemessen Bekannte Netzgeräte, deren Ausgangs-Gleichspan-

ist, daß die gesamte an der Regeistrecke abfallende 30 nung auch bei Netzspannungsschwankungen und

Spannung sich stets in gleiche Spannungswerte auf Laständerungen konstant bleibt, arbeiten entweder mit

die Kollektor-Emitter-Strecken der einzelnen Lei- Parallelregelung oder mit Reihenregelung. Die in den

stungstransistoren (Ts 1 bis Tsn) aufteilt daß zur Bauelementen der Regelschaltung verbrauchte Energie

Kontrolle des Ausgangsstrom.-s (I) zwischen den ist bei Parallelregelung meistens größer als bei

Emitter des ersten Leisiungstransistors (Ts 1) der 35 entsprechender Reihenregelung, insbesondere dann.

Regelstrecke und den Ausgang 'er Regelschaltung wenn die Ausgangsspannung auch bei großen Lastände-

ein Widerstand (Re) und eine Diode (D 1) in Reihe rangen konstant bleiben soll.

geschaltet sind, und daß ein Transistor (Tw) mit Es wird zwar bei Kurzschluß am Ausgang eines

seinem Kollektor an die Basis des ersten Steuertran- Gerätes mit Parallelregelung die Leistungsstufe des

sistors (Ts 1*), mit seinem Emitter an den Ausgang 40 Regelverstärkers entlastet, aber der Ausgangsstrom

der Regelschaltung und mit seiner Basis an den beträgt dann ein Mehrfaches des Nennstromes.

Abgriff einer aus zwei Serienwiderständen (R_m R,) Demgegenüber läßt sich ein Gerät, welches mit

bestehenden, den der Eingangsspannungszuführung Reihenregelung arbeitet, mit einem solchen Überstrom-

(U₀) abgekehrten Widerstand des Spannungsteilers schutz versehen, daß der Kurzschlußstrom nur einen

der Regelstrecke darstellenden Widerstandskombi- 45 Bruchteil des Nennstromes beträgt. Das Regelgerät

nation angeschlossen ist, derart, daß sie zusammen nach der Erfindung arbeitet daher mit Reihenregelung,

mit dem ersten Steuertransistor (TsI*) und dessen Bekannte Gleichspannungsregler mit Transistoren

Basisvorwiderstand (Rh) sowie dem ersten Lei- und/oder integrierten Schaltkreisen weisen eine stetig

stungstransistor (Ts 1) und dessen Emitterwider- rücklaufende Strombegrenzung auf. Bei der Regelung

stand (Re) die bistabile Kippschaltung der Über- 50 hoher Gleichspannungen treten längs einer solchen

Stromschutzschaltung bildet. Strombegrenzungskennlinie Betriebszustände auf, in
2. Transistor-Regelschaltung nach Anspruch 1, denen die Belastung der Regeltransistoren ein Mehrfadadurch gekennzeichnet, daß der Regler ein ches der Belastung bei normalem Betrieb beträgt.
Differenzverstärker ist, welcher zwei emittergekop- Aus der US-PS 36 71852 und der Zeitschrift pelte Transistoren (Tu, Tv)aufweist, deren gegensin- 55 »Electronic Engineering« August 1961, Seite 522 sind nig in Reihe geschaltete Basis-Emitter-Strecken die transistorierte Reihenregelschaltungen zur Gewinnung Diagonale einer von der Ausgangsspannung (U) der einer konstanten Gleichspannung mit einer Überstrom-Regelschaltung gespeisten, aus drei Widerständen schutzschaltung bekannt. Bei diesen bekannten Schal- (R* Rb, Rc) und einer Referenzdiode (ZD) bestehen- tungen kommen neben dem in der Zuleitung zum den Brückenschaltung bilden. fto Lastwiderstand angeordneten Leistungstransistor noch
3. Transistor-Regelschaltung nach Anspruch 1 ein oder mehrere Steuertransistoren zur Anwendung, öder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisvor- über die der Widerstand des Leistungstransistors in widerstand (R_h)des ersten Steuertransistors (Ts \*) Abhängigkeit von der durch Vergleich der Ausgangsaus der Parallelschaltung eines Widerstandes (Rh \) spannung mit einer konstanten Spannung gewonnen und eines zweiten, mit einer Diode (D) in Reihe fts Regelspannung beeinflußt wird. Diese Schaltungen liegenden Widerstandes (Ä/, 2) besteht. weisen jedoch den Nachteil auf, daß sie von der
4. Transistor-Regelschaltung nach einem der geringen Spannungsfestigkeit des einen Leistungstranvorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich· sistors abhängig .sind.