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Spannungskonstanthalter
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Stand der Technik Die Erfindung betrifft einen Spannungskonstanthalter
nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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Aus der DE-OS 3C 10 618, Figur 1, ist bereits ein Scannungskonstanthalter
zur Stromversorgung eines Verbrauchers aus einem Netzgerät mit einer Regelschaltung
bekannt, die einen Dängstransistor und einen Steuertransistor enthält. Bei dieser
Regelschaltung ist der Längstransistor mit seiner Emitter-Xollektor-Strecke in einer
der beiden von dem Netzgerät zum Verbraucher führenden Betriebsstromleitungen angeordnet
und mit seiner Basis an die Kollektor-Emitter-Strecke des Steuertransistors angeschlossen,
die mit der anderen Betriebsstromleitung verbunden ist. Der Regelschaltung ist eine
Anlaufschaltung vorgeschaltet, die einen nicht linearen Spannungsteiler enthält,
der an die von dem Betzgerät gelieferte Eingangsspannung
der Regelschaltung
angeschlossen ist, durch die Reihenschaltung aus einem Kondensator und einem ohmschen
Widerstand gebildet wird und dessen Abgriff über einen zweiten ohmschen Widerstand
und eine Schaltdiode mit der Basis des Steuertransistors verbunden ist. Der Nachteil
dieses bekannten Spannungskonstanthalters besteht darin, daß die dort als dynamische
Anschwinghilfe wirkende Anlaufschaltung nach einem Kurzschluß am Ausgang des Spannungskonstanthalters
nicht mehr wirkt. Die Ausgangsspannung bleibt weiterhin auf dem Wert O. Ein weiterer
Nachteil dieses bekannten Spannungskonstanthalters besteht darin, daß positive Änderungen
der Eingangsspannung auf den Steuertransistor übertragen werden, wodurch der Innenwiderstand
des Längstransistors kurzzeitig herabgesetzt wird.
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Aus der DE-OS 3 010 618 sind ferner oereits Spannungskonstanthalter
nach der Gattung des Hauptanspruchs bekannt, bei denen der Abgriff des nicht linearen
Spannungsteilers mit dem Ausgang der Regelschaltung verbunaen ist, der durch den
Kollektor des Langstrsnsistors gebildet wird. Beim Ausführungsbeispiel nach Figur
2 der DE-OS 3 010 618 ist hierbei in die Verbindungsleitung zwischen dem Abgriff
des nicht linearen Spannungsteilers und dem Ausgang der Regelschaltung eine Schaltdiode,
beim Ausführungsbeispiel nach Figur 3 ein ohmscher Widerstand geschaltet. Diese
beiden Soannungskonstanthalter unterscheiden sich von dem nach Figur 1 dieser Entgegenhaltung
dadurch, daß bei Ihnen der nicht lineare Spannungsteiler der Anlaufschaltung aus
einem ohmschen Widerstand uni einer Z-Diode besteht und deshalb diese Anlaufschaltung
als statische Anschwinghilfe wirkt.
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Der Spannungskonstanthalter mit dieser Anlaufschaltung schwingt deshalb
zwar auch dann, wenn infolge eines Kurzschlusses am Ausgang der Ausgangsstrom abgeschaltet
worden ist, wieder an und ist auch bei stark schwankenden Eingangsspannungen funktionsfähig.
3ei ihm muß aber die Anlaufschaltung für verscniedene Verbraucher mit verschiedenen
Lastströmen unterschiedlich dimensioniert werden. Wird ein Spannungskonstanthalt
er für einen Yerbraucher gewünscht, bei dem der Laststrom den Wert 0 annehmen kann,
dann ist der Spannungskonstanthalter mit der so ausgebildeten Anlaufschaltung nicht
brauchbar.
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Vorteile der Erfindung Der erfindungsgemäße Spannungskonstanthalter
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil,
daß bei ihm für Verbraucher mit verschiedenen Lastströmen die Anlauschaitung gleich
dimensioniert werden kann, weil diese nicht mehr auf den Ausgang, sondern auf den
Eingang der Regelschaltung wirkt und somit keinen Einfluß mehr auf den Ausgangsstrom
hat. Wenn Spannungskonstanthalter mit Anlaufschaltungen für verschiedene Verbraucher,
die sich in ihrem Laststrom unterscheiden, und/oder für Verbraucher, die unterschiedliche
Lastströme führen können, gewünscht werden, dann ist der so gekennzeichnete erfindungsgemäße
Spannungskonstanthalter vom Standpunkt -der Fertigungstechnik aus gesehen besonders
vorteilhaft, weil dann ein und dieselbe Dimensionierung fur die unterschiedlichsten
Anwendungsfälle verwendet werden kann und so in der Fertigung mit einer einzIgen
Serie statt mit unterschiedlichen Serien gefahren werden kann. Ein weiterer Vorteil
ist,
daß der Spannungskonstanthalter auch dann, wenn infolge eines
Kurzschlusses am Ausgang der Laststrom abgeschaltet worden ist, wieder anschwingt
und daß er ach bei stark schwankenden Eingangsspannungen funktionsfähig ist.
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Zeichnung Drei Ausführungsbeispiee des erfindungsgemäßen Spannungskonstanthalters
sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen: Figur 1 den aus Figur 1 der DE-OS 30 10 618 bekannten Spannungskonstanthalter
und Figur 2 bis 4 je ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele Der in Figur 1 dargestellte
bekannte Spannungskonstanthalte dient zur Stromversorgung eines Verbrauchers aus
einem eine Eingangsspannung t; liefernden Netzgerät, das aus einem Übertrager Ü
und einem Gleichrichtergerät G besteht.
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Der Spannungskonstanthalter enthält eine dem Verbraucher RL vorgeschaltete
Regelschaltung S, die einen pnp-Längstransistor T2 enthält, dessen Emitter-Kollektor-Strecke
in der positiven Betriebsstromleitung des Verbrauchers RL angeordnet ist. Die Basis
des Längstransistors T2 ist an den Kollektor eines npn-Steuertransistors 1 angeschlossen,
dessen Emitter über einen Emitterwiderstand R3 mit der negativen Betriebsstromleitung
des Verbrauchers RL verbunden ist, die ihrerseits an Masse M
angeschlossen
ist. Zwischen den Emitter des Steuertransistors T 1 und den Kollektor des Längstransistors
T2 ist eine Z-Diode D1 geschaltet, deren Anode am Emitter des Steuertransistors
T1 liegt. Zwischen den Kollektor des Längstransistors T2 und die negative Betriebsstromleitung
ist ein aus zwei ohmschen Widerständen R1, R2 bestehender Spannungsteiler geschaltet,
an dessen Abgriff die Basis les Steuertransistors T1 angeschlossen ist.
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Wenn am Ausgang der Regelschaltung S kein Kurzschluß besteht, also
nur der Lastwiderstand (Verbraucher) Rt wirkt, dann wird die Ausgangs spannung der
Regelschaltung S auf einen konstanten Wert U geregelt.
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a Nimmt man an, daß sich die Ausgangsspannung U um erhöht, dann wird
der volle Betrag #Ua über die Z-Diode D1 auf den Emitter des Steuertransistors T1
übertragen, während ein Teilbetrag #Ua . R2/(R1 + R2) auf die Basis des Steuertransistors
T1 wirkt. Damit erhält der Steuertransistor T1 eine kleinere Basis-Emitter-Spannung
UBM. Der Steuertransistor T1 führt weniger Basisstrom und über die Stromverstärkung
auch weniger Kollektorstrom. Somit wird der Längstransistor T2 mit weniger Basisstrom
versorgt. Auf diese Weise wird der Kollektorstrom IL des Längstransistors T2 so
weit reduziert, daß der für die Erhöhung der Ausgangsspannung Ua angenommene Wert
#Ua kompensiert wird. Ein entsprechender Regelmechanismus läuft auch bei negativem
#Ua ab.
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Um zu verhindern, daß bei Inbetriebnahme des Spannungskonstanthalters
der Längstransistor T2 der Regelschaltung S gesperrt bleibt, dient die Anlaufschaltung
E, die der Regelschaltung S vorgeschaltet ist und ebenfalls Bestandteil des Spannungskonstanthalters
ist. Die Anlaufschaltung H umfaßt einen nicht linearen Spannungsteiler, der aus
einem Kondensator Ch und einem Widerstand R5 besteht. Der Kondensator Ch liegt mit
seinem einen Ende an der positiven Betriebsstromleitung, die zum Emitter des Längstransistors
T2 führt. Der Widerstand R 5 liegt mit seinem einen Ende an der negativen Betriebsstromleitung,
die ihrerseits an Masse M angeschlossen ist. Vom Abgriff F des nicht linearen Spannungsteilers
Ch, R5 zur Basis des Steuertransistors T1 führt eine Reihenschaltung aus einem Widerstand
R und einer mit ihrer Anode an den Widerstand R4 angeschlossenen Schaltdiode D2.
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Die Wirkungsweise des in Figur 1 dargestellten, die Regelschaltung
S und die Anlaufschaltung H enthaltenden Spannungskonstanthalters ist folgende:
Beim Anlegen der Eingangsspannung Ue an die beiden Betriebsstromleitungen ist zunächst
der Kondensator entladen. Also ist die Spannung am Abgriff F des Spannungsteilers
Ch, R5, gleich der Eingangsspannung Ue. Es fließt ein Strom über die Schaltungselemente
R4, D2 in die 3asis des Steuertransistors T1 und bewirkt, daß dieser Transistor
und damit auch der Längstransistor T2 aufgesteuert und der Regelmechanismus in Gang
gesetzt wird. Gleichzeitig lädt sich jedoch der Kondensator 0h im wesentlichen über
den Widerstand R auf, und das potential am Abgriff F des Spannungsteilers Ch, R5
geht auf Massepotential, so daß die Diode D2 in Sperrichtung
gepolt
wird und somit die Anlaufschaltung ii von der Regelschaltung S elektrisch abtrennt.
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Dieser in Figur 1 dargestellte Spannungskonstanthalter hat aber den
Nachteil, daß nach Aufheben eines Kurzschlusses am Ausgang (R = O) die der Regelschaltung
t S vorgeschaltete Anlaufschaltung H nicht mehr wirkt.
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Der tängstransistor T2 bleibt gesperrt und die Ausgangsspannung U
weiterhin auf dem Wert 0. Ein weiterer a Nachteil besteht darin, daß bei positiven
Änderungen der Eingangsspannung Ue, wie sie bei Anwendung im Kraftfahrzeug häufig
auftreten (Verwendung einer Kraftfahrzeugbatterie anstelle des Netzgeräts J, G),
die Anlaufschaltung H diese Spannungsänderungen auf die Regelschaltung S überträgt
und damit den Regelmechanismus überspielt, so daß die Ausgangsspannung U era höht
werden kann.
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Ein Spannungskonstanthaiter, der erfindungsgemäß aufgebaut ist und
diese beiden Nachteile nicht aufweist, ist in Figur 2 dargestellt. Beim Ausführungsbeispiel
nach Figur 2 ist die in Figur 1 dargestellte Regelschaltung S unverändert beibehalten.
Deshalb sind für die Einzelelemente dieser Schaltung auch die gleichen Bezugs ziffern
wie in Figur 1 verwendet. Das die Eingangsspannung U e liefernde Gerat wird jedoch
beim Ausführungsbeispiel nach Figur 2 abweichend vom Ausführungsbeispiel naca Figur
1 durch eine Kraftfahrzeug-Starterbatterie gebildet, die In der Zeichnung nicht
dargestellt ist.
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Außerdem ist auch die Anlaufschaltung H abweichend von Figur 1 ausgebildet.
An die an die Regelschaltung S angelegte Eingangsspannung U , die von der nicht
dargestellten Starterbatterie eines Kraftfahrzeugs geliefert wird, ist ein nicht
linearer Spannungsteiler angeschlossen, der aus der Reihenschaltung aus einem Vorwiderstand
R7 und einer Z-Diode D3 besteht. Die Z-Diode D3 liegt dabei mit ihrer Anode an der
negativen Betriebsstromleltung, der Vorwiderstand R7 mit seinem nicht mit der Z-Diode
D3 verbundenen Ende an der positiven Betriebsstromleitung. An den mit der Kathode
der Z-Diode D3 verbundenen Ab griff F des nicht linearen Spannungsteilers R7, D3
ist ein aus zwei ohmschen Widerständen Rk und R6 bestehender linearer Spannungsteiler
angeschlossen, wobei das andere Ende dieses Spannungsteilers Rk, R6 an die negative,
mit Masse M verbundene Betriebsstromleitung angeschlossen ist. Vom Abgriff 1 des
linearen Spannungsteilers R4, R6 führt eine Schaltdiode D2 zur Basis des Steuertransistors
T1.
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Durch die Verwendung des linearen Spannungsteilers Rk, wird der an
die Basis-Emitter-Strecke des Steuer-0 transistors T gelegte Bruchteil der an der
Z-Dlode D3 abfallenden Z-Spannung U entsprechend dem Teilerverz hältnis R6/(R4 +
R6) dieses Spannungsteilers verringert.
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Es versteht sich, daß bei entsprechender Anpassung der Dimensionierung
der =-Diode D3 und/oder der Regelschaltung 5 auf den linearen Spannungsteiler Rk,
Rc auch verzichtet und die Anode der Schaltdiode D2 statt über diesen Spannungsteiler
R4, R5 direkt an den Abgriff w des nicht linearen Spannungsteilers R,, D3 angeschlossen
werden kann (vergleiche hierzu auch Figur 3).
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Im Gegensatz zu der in Figur 1 dargestellten dynamischen Anlaufschaltung
wirkt die Anlaufschaltung H nach Figur 2 statisch. Das bedeutet, daß auoh nach Aufheben
eines Kurzschlusses am Ausgang der Schaltung ( = 0) die Regelschaltung 5 wieder
in Betrieb gesetzt wird.
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Die Wirkungsweise ist dabei folgende: Nach Inbetriebnahme des Spannungskonstanthalters
oder nach Aufheben eines Kurzschlusses am Ausgang wäre ohne die Anlaufschaltung
H der Spannungsabfall U UBM am Widerstand R2 zunächst Null. Damit würden die Transistoren
T1 und T2 gesperrt bleiben. Ein Anlaufen des Spannungskonstanthalters wäre nicht
möglich. Das Anlaufen des Spannungskonstanthalters wird jedoch durch die in ihm
enthaltene Anlaufschaltung H wie folgt bewirkt: Beim Anlegen der Eingangs spannung
U fällt an der Z-3iode D3 e die Z-Spannung Uz ab. Der am Abgriff F1 des linearen
Spannungsteilers R4, R6 abgenommene Teil dieser Z-Spannung wird einer die Schaltdiode
D2 auf die Basis des Steuertransistors T übertragen. Damit werden die Transistoren
T1 und T2 aufgesteuert und die Regelschaltung S, wie weiter oben anhand der Figur
; beschrieben, in Betrieb gesetzt. Auf diese Weise wird die Ausgangsspannung auf
den gewünschten Wert U geregelt. Dabei steigt der a Spannungsabfall UBM am Widerstand
R2 auf einen Wert an, der größer als der am Abgriff 1 des linearen Spannungsteilers
RW, R6 abgenommene Teil der Z-Spannung U ist, wodurch die Schaltdiode 32 in Sperrichtung
gepolt wird und auf diese Weise wieder die Anlaufschaltung .R von der Regelschaltung
S elektrisch abgetrennt wird.
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Figur 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Spannungskonstanthalters
gemäß der Erfindung. Auch hier ist wie in Figur 2 die in Figur 1 dargestellte Regelschaltung
S unverändert beibehalten. Die Eingangsspannung U des Spannungskonstanthalters wird
hier wie e beim Ausführungsbeispiel nach Figur 2 von einer nicht dargestellten Starterbatterie
eines Kraftfahrzeugs geliefert. Bei dem an diese Eingangsspannung U angee schlossenen
nicht linearen Spannungsteiler R7, D3 ist hier die Z-Diode D3 aus Figur 2 durch
eine sogenannte "variable Z-Diode" ersetzt, die durch zwei zueinander in Reihe geschaltete
Widerstände R8 und Rg und einen npn-Transistor T3 gebildet wird, wobei die beiden
Widerstände R8 und R9 in ihrer Gesamtheit zum Widerstand R7 in Reihe liegen und
der npn-Transistor T3 mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke parallel zu diesem Spannungsteiler
R8, R9 gelegt ist und die Basis des npn-Transistors T3 an den Abgriff dieses Spannungsteilers
R8, Rg angeschlossen ist. Da die beiden zueinander in Reihe geschaiteten Widerstände
R8 und R9 als 9 abgleichbarer Spannungsteiler ausgeführt sein tonnen, kann bei diesem
Ausführungsbeispiel auf den aus den Widerständen Rh und R6 gebildeten zusätzlichen
Spannungsteiler aus Figur 2 verzichtet werden. Die von der "variablen Z-Diode" R8,
R T3 gelieferte modifizierte u T3 Z-Spannung Uz, die an der Emitter-Eollektor-Strecke
des npn-Transistors T3 abgenommen wird, ist nber die Schaltdiode D2 der Basis des
Steuertransistors T 1zugeführt.
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Die Wirkungsweise der "variablen Z-Diode" R8, R9, T3 als Zweipol zwischen
den Anschlüssen F und M in der Schaltung nach Figur 3 entspricht der Wirkungsweise
der Z-Diode D3 nach Figur 2.
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Wenn die Eingangsspannung Ue einen derartigen Wert hat, daß die Spannung
am Abgriff F kleiner als die gewünschte Z-Spannung ist, wirkt die "variable Z-Diode"
R8, Rg, T3 als hochohmiger Widerstand aus der Reihenschaltung der Widerstände R8
und R9. Uber die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors T3 fließt kein Strom.
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Wenn bei weiterem Ansteigen der Eingangs spannung U der e Spannungsabfall
am Widerstand R a entsprechend dem Teilerverhältnis der Widerstände R7, R8, Rg den
Wert der Flußspannung UBE der Basis-Emitter-Strecke des Transistors T3 erreicht
hat, entspricht die Spannung am Abgriff F der gewünschten Z-Spannung UZ Bei weiterem
Ansteigen der Eingangs spannung U fließt ein e steigender Anteil des durch den Widerstand
R7 fließenden Gesamtstroms durch die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors T3,
so daß die an dieser Emitter-Eollektor-Strecke abfallende Spannung 7 konstant bleibt.
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Damit entspricht die Wirkungsweise der "variablen Z-Diode" R8, R9,
T3 im und oberhalb des Durchbruchgebiets der einer normalen Z-Diode Für die modifizierte
Z-Spannung der "variablen Z-Diode" R8, R9, T3 gilt, wenn die Stromverstärkung B
des Tran-3 sistors T3 sehr groß gegenüber 1 ist,
Für kleine Z-Spannungen (Zz < 5V) sind mit dieser modifizierten
Z-Diode steilere Kennlinien erreichbar als mit vergleichbaren echten Z-Dioden. Ein
weiterer Vorteil besteht darin, daß die Z-Spannung U über das z Teilerverhältnis
des Spannungsteilers R8, R9 entsprechend der oben angegebenen Gleichung einstellbar
ist. Der Spannungsteiler R8, R9 kann mit Festwiderständen bestückt werden. Statt
dessen ist es aber auch möglich, einen Abgleich am Widerstand R8 oder am Widerstand
R9 vorzunehmen. Ein weiterer Vorteil der hier verwendeten "variablen Z-Diode" R8,
R9, T3 besteht darin, daß ihr Temperaturkoeffizient normalerweise höher liegt als
der einer vergleichbaren echten Z-Diode. Dies hat zur Folge, daß bei niedriger Temperatur
der Anlauf bei niedrigerer Eingangsspannung Ue erfolgt als bei einer echten Z-Diode.
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In Figur 4 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines Spannungskonstanthalters
gemäß der Erfindung dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel.unterscheidet sich von
dem nach figur 3 dadurch, daß der Transistor m -3 der $"variablen Z-Diode" R8, Rg,
T3 als pnp-Transistor ausgebildet ist und daß, bedingt durch diese Änderung des
teitungstyps des Transistors T3, die Reihenfolge der Widerstände des Spannungsteilers
R8, R9 bei gleichem Teilerverhältnis in bezug auf sein mit dem Abgriff F und auf
sein mit der negativen Betriebsstromleitung verbundenes Ende vertauscht ist.
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Damit liegt wieder der Widerstand R parallel zur Emitter-Basis-Strecke
des Transistors T3. Der Spannungsabfall an diesem Widerstand R8 bestimmt wieder
das Einschaltverhalten des Transistors T3, so daß die Wirkungsweise der "variablen
Z-Diode" R8, R9, T3 nach Figur 4 dieselbe ist wie die der "variablen Z-Diode " R8,
R0, T3 nach Figur 3.
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L e e r s e i t e