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Die Erfindung bezieht sich auf einen Konstantstromgeber für
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Hochspannung, bestehend aus einer Zweipolschaltung mit spannungsproportionalem
Gesamtwiderstand, die zwei parallele Stromzweige mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs
1 angegebenen Merkmalen aufweist: einen ersten Stromzweig mit einem Hochspannungstransistor
und einem stellbaren Emitterwiderstand, einen zweiten Stromzweig mit einem hochohmigen
Widerstand und einer Zenerdiode, in welchem der hochohmige Widerstand zur Basis-Kollektor-Strecke
des Hochspannungstransistors parallelgeschaltet ist, die Zenerdiode in Zenerrichtung
zur Basis-Emitter-Strecke desselben Transistors und zum stellbaren Widerstand parallelgeschaltet
ist.
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Eine als Zweipolschaltung ausgeführte sog. Konstantstromquelle mit
den vorangehend genannten Merkmalen ist bekannt durch Tietze Schenk: "Halbleiterschaltungstechnik",
Springer-Verlag, 1971, 2. Auflage, Seite 111.
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Die lediglich einen Hochspannungstransistor enthaltende Zwei.-polschaltung
der Konstantstromquelle gibt unter einer Betriebsspannung U kleiner als UCEO des
Hochspannungstransistors Ströme mit für die Hochspannungsversorgung bestimmter Verbraucher,
wie z.B. Corotrons, hinreichender Konstanz. Bei höheren Betriebsspannungen, also
U größer als UcEOrund verhältnismäßig kleinen konstantzuhaltenden Strömen treten
zusätzlich Hilfsströme sowie Sperrströme der Zweipolschaltung in dem Verbraucher
hinzu, wodurch die Genauigkeit der KonstantstromquelGe ungenügend wird.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht einmal in der
Verringerung der Abhängigkeit des konstantzuhaltenden Betriebsstromes von den erwähnten
zusätzlichen Strömen und des weiteren darin, die Genauigkeit der Konstantstromquelle
auch bei stark schwankenden Betriebsspannungen zu erhöhen.
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Die Lösung dieser in Bezug auf eine Zweipolschaltung mit den eingangs
angegebenen Merkmalen für einen Konstantstromgeber
gestellten Aufgabe
ergibt sich nach der im Patentanspruch gekennzeichneten Lehre, daß ein Transistor
mit seiner Emitter-Basis-Strecke in dem zweiten Stromzweig der Zweipolschaltung
angeordnet ist, wobei die Basis des Transistors mit der Zenerdiode, der Emitter
des Transistors mit dem hochohmigen Widerstand und zugleich mit der Basis des Hochspannungstransistors,
und der Kollektor des erwähnten Transistors mit dem stellbaren Widerstand und dem
Hochspannungstransistor der Zweipolschaltung verbunden sind.
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Derart eingeordnet in die Zweipolschaltung, bildet der erwähnte Transistor
einen einfachen Regelverstärker, dessen Wirkungsweise unten erläutert ist. Damit
werden vorteilhaft beide Teilaufgaben der oben dargelegten Gesamtaufgabe zugleich
gelöst.
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Um den Transistor als Regelverstärker in seinem Arbeitsbereich hoher
Stromverstärkung, Sättigung vermeidend, aussteuern zu können, ist entsprechend einer
weiteren Ausbildung der Erfindung nach Patentanspruch 2 eine Diode dem Emitter des
Hochspannungstransistors unmittelbar und gleichsinnig gepolt mit dessen Basis-Emitter-Strecke
nachgeordnet.
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Für den Betrieb eines Konstantstromgebers mit dem beschriebenen Regelverstärker
unter einer anliegenden Spannung, die z.B. von der Spannungsaufnahme der mit Konstantstrom
versorgten Verbraucher abhängig ist und somit sehr hoch werden kann, ist erfindungsgemäß
nach Patentanspruch 3 eine Kaskadenschaltung mit einer Anzahl Hochspannungstransistoren
im ersten Stromzweig der Zweipolschaltung vorgesehen, welche miteinander in Reihe
geschaltet und dem Stellwiderstand vorgeordnet sind, und eine gleichgroße Anzahl
hochohmiger Widerstände den Hochspannungstransistoren zugeordnet ist, die im zweiten
Stromzweig der Zweipolschaltung in Reihe geschaltet und der Emitter-Basis-Strecke
des zweiten Transistors vorgeordnet sind, und daß die Basiselektroden von äe zwei
im ersten Stromzweig benachbarten Hochspannungstransistoren über äe einen hochohmigen
Widerstand verbunden sind.
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Ein Vorteil dieser Maßnahme wird darin gesehen, daß, unabhängig von
der jeweils benötigten Anzahl der Hochspannungstransistoren, ein und nur ein zweiter
Transistor als Reglerelement gebraucht wird.
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Dem Transistor als Regelverstärker ist im ersten Stromzweig der Zweipolschaltung
der stellbare Widerstand in Wirkungsverbindung zugeordnet. Als solcher ist weiterhin
erfindungsgemäß nach Patentanspruch 4 ein Optokoppler mit einem Transistor als Lichtempfänger
verwendet. Diese Maßnahme eignet sich besonders für Konstantstromgeber unter hoher
Betriebsspannung, um den Konstantstrom berührungsfrei und somit gefahrlos unter
Zuhilfenahme elektronischer Mittel stetig einstellen zu können.
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Als stellbarer l!iderstand ist entsprechend einer Ausgestaltung der
Erfindung nach Patentanspruch 5 ferner eine Parallelschaltung mehrerer Stellwiderstände
verwendet, die einzeln oder in Kombinationen miteinander mittels Relaiskontakten
schaltbar sind.
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Die Erfindung wird nachstehend durch Ausführungsbeispiele anhand der
Zeichnung näher erläutert. Es zeigt Figur 1 die Schaltung einer Konstant stromquelle
des Standes der Technik; Figur 2 die Schaltung eines Konstantstromgebers gemäß der
Erfindung; Figur 3 die Schaltung nach Figur 2 mit einem Phototransistor als stellbaren
Widerstand; Figur 4 die Schaltung nach Figur 2 mit drei anstatt nur einem Hochspannungstransistor.
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Gleiche Elemente der Schaltungen haben in den Figuren der Zeichnung
gleiche Bezugszeichen.
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Die Schaltung einer Konstantstromquelle nach Fig.1 ist eine Zweipolschaltung
mit zwei parallelen Stromzweigen 1 und 2 und den eingangs angegebenen Merkmalen.
Im ersten Stromzweig 1 liegen ein Hochspannungstransistor T1 mit dessen Eollektor-Emitter-Strecke
und ein stellbarer Widerstand R1 in Reihe, im zweiten Stromzweig 2 ein hochohmiger
Widerstand R2, der zur Basis-Eollektor-Strecke von T1 parallelgeschaltet ist, und
eine Zenerdiode Z, die in Zenerrichtung zur Reihenschaltung des stellbaren Widerstandes
R1 und der Emitter-Basis-Strecke von T1 parallelgeschaltet ist. Ein- und Ausgangspol
der Zweipolschaltung sind mit E bzw. A bezeichnet.
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Der resultierende Widerstand (Gesamtwiderstand) der aus den beiden
Stromzweigen 1 und 2 bestehenden Zweipolschaltung ist proportional einer daran anliegenden
Spannung U. Diese Zweipol schaltung führt unter schwankender Spannung U einen konstanten
Strom I, dessen Größenwert durch den mit R1 eingestellten Widerstandswert und die
Spannung UZ der Zenerdiode Z bestimmt ist. In Reihenschaltung mit einem Hochspannungsverbraucher,
beispielsweise mit Corotrons in Kopiergeräten, an eine Betriebsspannung von einigen
Kilovolt Höhe angeschlossen, wirkt die Zweipolschaltung als passiver Konstantstromgeber
des Hochspannungsverbrauchers. In der Zweipolschaltung des Standes der Technik nach
Fig.1 stellt sich I als Summe eines durch R1 fließenden Stromes und des Zenerstromes
1Z durch die Beziehung
dar, worin
maßgeblich von der Differenz des Kollektor-Basis-Stromes ICB und des Basisstromes
1B des Transistors T1 abhängig ist. Die Ströme ICB und 1B treten als Sperrstrom
und als Hilfsstrom bei hohen Betriebsspannungen U und vergleichsweise geringen konstantzuhaltenden
Strömen I zusätzlich und einflußgebend im Verbraucher auf, wodurch die Genauigkeit
des Konstantstromgebers ungenügend wird. Insbesondere wird sie dadurch mangelhaft,
daß bei Betriebsspannungen U höher als UCEO die Differenz ICB - 1B etwa 0,3 I, das
heißt 30 % des Konstantstromes betragen kann.
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Die Ungenauigkeit des Konstantstromgebers wird verringert, indem erfindungsgemäß
ein zweiter Transistor 22, jedoch nicht ein Hochspannungstransistor, mit seiner
Emitter-Basis-Strecke in dem zweiten Stromzweig 2 einer Zweipolschaltung nach Fig.1
liegt, wobei dessen Basis mit der Zenerdiode Z, dessen Emitter mit dem hochohmigen
Widerstand R2 und zugleich mit der Basis des Hochspannungstransistors T1, und dessen
Kollektor mit dem stellbare Widerstand R1 und zugleich mit dem Emitter von T1 (über
eine Diode D) verbunden sind (s. Schaltung nach Fig. 2). Die Diode D ist unmittelbar
mit dem Emitter von T1 verbunden und ist mit dessen Emitter-Basis-Strecke gleichsinnig
gepolt. Der durch diese Zweipolschaltung (nach Fig.2) fließende konstante Strom
1 stellt sich als Summe wiederum der zwei oben bezüglich der Zweipolschaltung nach.Fig.1
erwähnten Teilströme dar durch 1 I = R1 (UZ + UBE2 - UBE1 - UD) + IZ , worin die
Durch.1.aßspannungen UBE1 und. UBE2 der Basis-Emi.tter-Strecken von T1 und T,9 praktisch
gleichgroß realisierbar sind und UD die Durchlaßspannung von D bedeutet und worin
sich IZ durch den Emitter-Kollektor-Strom IE2 reduziert um den Verstärkungsfaktor
02 des zweiten Transistors T2 darstellen läßt. Es gilt
Die rechte Seite dieser Beziehung enthält zwar wiederum die Differenz (IcB - IB)
der erwähnten zusätzlichen Ströme, die für die ungenügende Stromkonstanz ursächlich
sind, jedoch ist der Einfluß dieser Ströme nunmehr reduziert um den Faktor (1 +
2) wie überhaupt der Teilstrom 1Z im Stromzweig 2 der Zweipolschatrung um den gleichen
Faktor geringer ist. Der einer ungenügenden Stromkonstanz quantitativ entsprechende
sogo Konstantstromfehler wird bei der Schaltung nach Fig.2 durch die Mitwirkung
des stromverstärkenden Transistors T2
nach Maßgabe des zu Verstärkungsfaktors
ß2 vermindert. Die Verminderung des Konstantstromfehlers wird vorteilhaft auch bewirkt,
wenn der gemessene Basisstrom des Transistors Tl infolge einer hohen, zwischen Kollektor
und Emitter des Transistors liegenden Spannung negativ wird. Dann fließt der gemessene
Basisstrom über den Transistor ?2, teils über den stellbaren Widerstand R1 und teils
als sehr kleiner Strom über die Zenerdiode Z zum Verbraucher. ueberdies wirkt der
stromverstärkende Transistor T2 als Regler der Zweipolschaltung, wodurch der Konstantstrom
I mit hoher Genauigkeit auf einen vorgegebenen Wert geregelt werden kann.
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Bei der Zweipolschaltung nach Fig.3 ist der Stellwiderstand R1 im
Unterschied zu der Schaltung eines Konstantstromgebers nach Fig.2 elektronisch stellbar
ausgeführt unter Verwendung eines Optokopplers OK mit einem Transistor T3 als Lichtempfänger,
der im Stromzweig 1 an Stelle des Widerstandes R1 nach Fig.2 liegt. Der Optokoppler
ist im wesentlichen ein Lichtfaserleiter LL, wohindurch Licht, -das-von einer lichtemittierenden
Diode LED ausgeht und durch einen elektrischen Durchlaßstrom iD in der Diode erzeugt
wird, auf den Transistor T3 übertragen wird. Mit einem derart ausgeführten stellbaren
Widerstand wird der Größenwert des Konstantstromes I durch Einspeisung eines Stromes
D mit entsprechendem Größenwert eingestellt, und diese elektronische Einstellung
kann stetig vor sich gehen.
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Soll dagegen der Größenwert des Konstantstromes stufenweise eingestellt
werden können, dann ist hierfür eine Parallelschaltung mehrerer Einzelwiderstände
unterschiedlicher Größenwerte an Stelle eines stellbaren Widerstandes R1 geeignet,
bei welcher Parallelschaltung jedem Einzelwiderstand ein damit in Reihe liegender
Relaiskottakt zugeordnet ist. Es gibt damit einen durch den größten Widerstandswert
begrenzten Stellbereich für den Konstantstrom, in welchem die Anzahl der diskreten
Stromwerte durch die Anzahl der Kombinationen zugeschalteter Einzelwiderstände bestimmt
ist.
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In der Zweipolschaltung eines Konstantstromgebers nach Fig.
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sind drei Hochspannungstransistoren Tl, T1', T1 " anstatt eines ersten
Transistors T1 im Stromzweig 1 mit ihren Koll.ektor-Emitter-Strecken in Reihe geschaltet
und dem stellbaren Widerstand R1 vorgeordnet. Sie bilden mit zugeordneten drei hochohmigen
Widerständen R2, R2', R2", die in Reihenschaltung im Stromzweig 2 der Emitter-Basis-Strecke
des Reglertransistors T2 vorgeordnet sind, eine Kaskadenschaltung. Die Basiselektroden
von je zwei Hochspannungstransistoren Tl, T1'; T1', T11, die im Stromzweig 1 miteinander
benachbart sind, sind durch je einen von den hochohmigen Widerständen R2 bzw.
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R22 verbunden. Durch den in Fig.4 obers-ten Widerstand R2'' ist die
Basis von T1' mit dessen Kollektor verbunden. Mit gleichgroßen Widerständen R2 wird
die anliegende Spannung U auf die Hochspannungstransistoren gl.eichmäßig au fgetei
lt. Mit einer Konstantstromgeberschaltung nach Fig.4 wird unter einer mehrfach höheren
Spannungsbelastung der Zweipolschaltung ein konstantgeregelter Strom unter Verwendung
einer und der gleichen Reglerschaltung T2, Z, Pl, T1 und des Transistors T2 als
Reglerverstärker wie bei der Schaltung nach Fig.2 erzeugt.
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In den Stromzweigen 1 und 2 der Zweipolschaltungen nach Fig.2 bis
4 kann die gezeigte Reihenfolge der Stromzweigelemente T1, D, R1 und H2, T2, Z umgekehrt
werden, wenn für Tl und T2 sowie auch T3 in Fig.3 pnp-Transistoren verwend.et werden.