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Elektronische Siebschaltung mit einem Transistorstellglied
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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Siebschaltung mit
einem im Längszweig zwischen einer Spannungsquelle und einem Verbraucher angeordneten-Transistorstellglied
und einem an der Eingangsspannung liegenden Spannungsteiler mit einem durch einen
Kondensator überbrückten Teilwiderstand.
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Eine derartige als Kollektorschaltung ausgebildete Schaltung ist bereits
bekannt (S.W. Wagner "Stromversorgung elektronischer Schaltungen und Geräte" 1964,
Seite 276). Ein Nachteil dieser ,Schaltung besteht darin, daß sie mit großen Verlusten
am Transistorstellglied behaftet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Gleichstromversorgungsgerät
eine ßlektronische Siebschaltung anzugeben, die unabhängig von Schwankungen der
Eingangsspannung und von der Entnahme pulsierender Ströme variabler Frequenz mit
geringen Verlusten behaftet ist und die in einem großen Frequenzbereich einen sehr
kleinen dynamischen Innenwiderstand aufweist.
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Bei einer elektronischen Siebschaltung der eingangs genannten Art
wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das in Emitterschaltung
arbeitende Transistorstellglied in Abhängigkeit von einem Spannungsvergleich der
gesiebten Teilspannung der Eingangsspannung und einer der Ausgangsspannung proportionalen
Teil spannung in einem Operationsverstärker gesteuert ist und daß die Erzeugung
der an getrennten Eingängen des Operationsverstärkers zugeführten Teil-
spannungen
mittels je eines hochohmigen Spannungsteilers erfolgt.
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Durch die Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltung sind nicht nur
die Verluste in den Spannungsteilern und an der Kollektor-Emitterstrecke des Transistorstellgliedes
reduziert; es ist auch der Spannungs abfall an der Kollektor-Emitterstrecke von
Schwankungen der Eingangsspannung nahezu unabhängig. Ein besonderer Vorteil besteht
darin, daß die Verwendung eines hochohmigen eingangsseitigen Spannungsteilers einen
Siebkondensator am Teilwiderstand des Spannungsteilers mit kleinem Kapazitätswert
und geringer Nennspannung zuläßt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann das Transistorstellglied
vom Operationsverstärker auch über eine Transistorstufe gesteuert werden, dessen
Kollektor-Emitterstrecke in Reihenschaltung mit einem Widerstand zwischen der Basis
des Transistorstellgliedes und einer Eingangs- bzw.
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Ausgangsklemme im Querzweig der Siebschaltung angeordnet ist.
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Ist zur Erzeugung einer bipolaren Spannung in jedem Spannungszweig
eine selbständige Siebschaltung vorgesehen, dann ist es in Ausgestaltung der Erfindung
vorteilhaft, die ausgangsseitigen Spannungsteiler der beiden Siebschaltungen in
Reihe zu schalten und an die Summenspannung führende Ausgangsklemren anzuschließen.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von in den Figuren
1 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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In den Figuren 1 und 2 sind Siebschaltungen für eine positive Ausgangsspannung
und unterschiedliche. Ausgangsleistungen dargestellt.
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Die Figuren 5 und 4 zeigen Siebschaltungen unterschiedlicher Ausgangsleistung
für eine negative Ausgangsspannung. i Siebschaltungen für unterschiedliche Ausgangsleistungen
und bipolare Ausgangsspannungen sind in den Figuren 5 und 6 dargestellt.
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Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird die einem Stromversorgungsgerät
entnommene durch ein LC-Sieb vorgeglättete Spannung U1 mittels eines hochohmigen
Spannungsteilers R1, R2 heruntergeteilt, die Teilspannung am Widerstand R2 nochmals
durch Parallelschaltung eines Kondensators C1 nachgesiebt und an den Negativeingang
eines Operationsverstärkers Ji geführt. Dem Positiveingang von J1 wird über einen
zweiten ausgangsseitigen Spannungsteiler R3, R4 eine der Ausgangsspannung U2 (Istwert)
proportionale Teilspannung angeboten. Ein zwischen dem Eingang der Siebschaltung
und einem Verbraucherwiderstand eingeschaltetes Transistorstellglied T1 wird vom
Operationsverstärker J1 gesteuert. Durch die Bemessung der beiden Spannungsteiler
R1, R2 und R3, R4 kann der mittlere Spannungsabfall an der Emitter-Kollektorstrecke
des Transistorstellgliedes T1 festgelegt werden. Infolge der Regelung ist am Transistorstellglied
T1 ein definierter Spannungsabfall gegeben, der eine unterschiedliche Bemessung
der Spannungsteiler kompensiert, so daß die Spannungen an den Widerständen R2 und
R4 abgesehen von der statischen Regelabweichung gleiche Absolutwerte annehmen. Da
die Spannung am Widerstand R2 infolge des RC-Gliedes R1, C1 sehr gut geglättet ist
und keine Resonanzstelle aufweist, ist über die Regelung sichergestellt, daß auch
bei pulsierender Belastung entsprechend der Verstärkung des Regelkreises und der
Güte der Siebung R1, Cl nur eine sehr kleine Welligkeit in der Ausgangsspannung
der Siebschaltung entstehen kann. Langzeitänderungen der Eingangs spannung U1 gelangen
dagegen zeitverzögert an den Ausgang. Der mittlere Spannungsabfall
an
der Emitter-Kollektorstrecke des Transistorstellgliedes T1 ändert sich hierbei proportional
mit der Eingangsspannung.
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Der statische Spannungsabfall an der Kollektor-Emitterstrecke des
Transistorstellgliedes T1 so festzulegen, daß bei minimaler Eingangsspannung U1
die Siebschaltung noch in der Lage ist die Spitzenwelligkeit auszuregeln, die ohne
elektronische Nachsiebung auftreten würde. Ein Spannungsabfall von 1 bis 2 V ist
hierbei normalerweise ausreichend. Durch diese Werte ist auch bei Erhöhung der Eingangsspannung
sichergestellt, daß die Der luste am Transistorstellglied klein bleiben. Ein dem
ausgangsseitigen Spannungsteiler R3, R4 parallel geschalteter Kondensator C2 dient
zur Stabilisierung der Regelschaltung und zur Verringerung des dynamischen Innenwiderstandes
für sehr hohe Frequenzanteile einer pulsierenden Belastung, die über der Grenzfrequenz
der elektronischen Bauteile liegen.
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Zum Schutz der elektronischen Siebschaltung gegen Überlastung, z.B.
Kurzschluß, ist zwischen der Basis und dem Kollektor des Transistorstellgliedes
T1 eine Reihenschaltung, bestehend aus einer Zenerdiode Z1 und einem Widerstand
RS vorgesehen. Bei einem Kurzschluß der Ausgangsspannung U2 steigt der Ausgangsstrom
I2 auf den durch eine vorgeschaltete Stromversorgung gegebenen Grenzwert an, während
der Spannungsabfall an der Kollektor-Emitterstrecke des Transistorstellgliedes im
wesentlichen durch die Zenerspannung der Zenerdiode Z1 und den vom Basisstrom verursachten
Spannungsabfall am Widerstand R6 bestimmt wird. Die Reihenschaltung von Zenerdiode
und Widerstand ist im Normalbetrieb stromlos.
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Eine elektronische Siebschaltung, die für größere Ausgangsleistungen
geeignet ist, ist in Fig. 2 dargestellt. Der Basisstrom 131 des Transistorstellgliedes
T1 wird hier über einen Zusatztransistor T2 geführt, der lediglich zur Leistungsverstärkung
dient und daher auch in der Lage ist, den bei
Kurzschluß auftretenden
größeren Basisstrom IB1 abzuleiten, ohne daß der Spannungsabfall am Transistqrstellglied
T1 auf unzulässig hohe Werte ansteigen kann. Die Uberlastschutzschaltung mit der
Zenerdiode Z1 und dem Widerstand R6 kann hier daher entfallen. Alle übrigen Schaltungsteile
sind gegenüber der Schaltung nach Fig. 1 unverändert und mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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Bei der Erzeugung negativer Ausgangsspannungen ist es oft æweckmäfjigdas
Transistorstellglied in die Rückleitung zu legen und die elektronische Siebschaltung
gemäß den Ausführungsbeispielen nach Fig. 3 und 4 auszubilden. Der Basisstrom IB3
für das npn-Transistorstellglied T3 fließt über einen Widerstand R7 und eine Diode
Dl zu. Sein Absolutwert ist durch die Ansteuerung des invers arbeitenden Operationsverstärkers
12 bestimmt.
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Die Diode D1 ist infolge des Innenwiderstandes des Operationsverstärkers
J2 erforderlich, damit der Basisstrom bis auf Null reduziert werden kann.
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Die Schaltung nach Fig. 4 unterscheidet sich von der nach Fig. 3 dadurch,
daß sie für eine größere Ausgangsleistung geeignet ist. In der Basisleitung des
Transistorstellgliedes 3 ist hier eine weitere Diode D2 erforderlich. Parallel zur
Reihenschaltung, bestehend aus den beiden Dioden Dl und 52 sowie der Basis-Emitterstrecke
des Transistorstellgliedes T3 ist die Emitter-KolRektorstrecke eines Zusatztransistors
T4 parallel geschaltet, der vom Operationsverstärker J2 gesteuert wird. Die Funktion
der Schaltungen nach den Figuren 3 und 4 ist praktisch gleich der der Schaltungen
nach Fig. 1 und 2.
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Zur Erzeugung bipolarer Spannungen mit hohen Anforderungen hinsichtlich
ihrer Symmetrie kann diese durch die Verwendung zweier Siebschaltungen entsprechend
den Ausführungsbeispielen nach Fig. 5 und 6 verbessert werden. In diesen
Schaltungen
ist beiden Spannungszweigen eine eigene Siebschaltung zugeordnet, deren ausgangsseitige
Spannungsteiler R3, R4; R3', R4' jedoch in Reihe geschaltet und an die Summenspannung
der beiden Ausgangskreise angeschlossen ist. Der Vorteil dieser Schaltungen ergibt
sich vor allem bei alternierender Belastung der beiden Ausgangskreise. Die beiden
Ausführungsbeispiele nach Fig. 5 und 6 unterscheiden sich wiederum hinsichtlich
ihrer Leistungsfähigkeit. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 mit den Zusatztransistoren
T2 und T4 ist fiir größere Ausgangsleistungen geeignet.
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5 Patentansprüche 6 Figuren
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