DE1085203B

DE1085203B - Elektronisch stabilisiertes Netzgeraet

Info

Publication number: DE1085203B
Application number: DES57688A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Peter Honold; Dipl-Ing Hans-Norber Toussaint
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1958-04-02
Filing date: 1958-04-02
Publication date: 1960-07-14

Description

Elektronisch stabilisiertes Netzgerät Die Erfindung betrifft ein elektronisch stabilisiertes Netzgerät, insbesondere für hohe Spannungen unter Verwendung einer Regelschaltung mit einem Transistor als regelbaren Serienwiderstand zwischen Stromquelle und Verbraucher und einer Röhrenschaltung als Regelverstärker, wobei dem Eingang des Regelverstärkers die Differenzspannung zwischen der um eine konstante Bezugsspannung verringerten Ausgangsspannung und einer der Ausgangsspannung des Netzgerätes proportionalen Spannung zugeführt wird.
Zur Konstantbaltung von Gleichspannungen sind Schaltungen bekannt, die aus einer Bezugsspannungsquelle, einem Regelverstärker und einer Elektronenröhre als regelbaren Widerstand zwischen Stromquelle und Verbraucher bestehen. Der Wirkungsgrad 17 derartiger Anordnungen ist gering, er beträgt z. B. 25 %. Eine Untersuchung der gesamten Verlustleistung ergibt, daß allein an der Leistungsröhre, d. h. an der den geregelten Reihenwiderstand darstellenden Röhre, durch die Röhrenheizung und den inneren Leitungswiderstand RiL etwa 50% der von der Spannungsduelle gelieferten Leistung verlorengehen. Um diese Verluste zu vermeiden, sind Schaltungen bekannt, bei denen als regelbarer Widerstand ein Transistor Verwendung findet. Die Anwendung dieser bekannten Schaltungen ist jedoch auf Netzgeräte mit niedriger Ausgangsspannung beschränkt. Der Grund liegt darin, <laß die derzeitigen Transistoren im allgemeinen nur Betriebsspannungen bis zu 60 V zulassen.
In der Fig. 1 ist eine an sich bekannte Schaltung dargestellt, bei der als regelbarer Widerstand der Transistor Tr verwendet ist. Die Spannung am Verbraucher V soll z. B. konstant 150, V betragen. Verwendet man als regelbaren Widerstand einen Transistor Tr mit einer zulässigen Spannung UEC=60 V, so kann die Eingangsspannung bei vernachlässigbarer Restspannung des Transistors Tr zwischen 150 und 210 V schwanken, das sind ± 16% vom Mittelwert der an die Klemmen 1, 2 angelegten Eingangsspannung. Der Regelverstärker ist mit RV und die Bezugsspannungsquelle mit B bezeichnet.
In der Fig. 2 ist ein Beispiel für ein an sich bekanntes elektronisch stabilisiertes Netzgerät dargestellt; bei dem auch im Regelverstärker ein Transistor verwendet ist. Als Bezugsspannungsquelle ist der Gleichrichter G vorgesehen, der bei seiner Durchbruchspannung betrieben wird (»Zenerdiode«). Nachteilig bei dieser Schaltung ist, daß der als Regelverstärker dienende Transistor Tr' für eine größere Kollektorspannung ausgelegt sein muß als der Transistor Tr, da (UEC)2=(UEC)I+Uc ist. Bei Geräten mnit höheren Eingangsspannungen muß daher ein geeigneter Röhrenverstärker als Regelverstärker verwendet werden. Steigt die Eingangsspannung unzulässig hoch an, so muß aber auch der als regelbarer Widerstand verwendete Leistungstransistor Tr vor einer Zerstörung durch Überspannung geschützt werden. Für den Fall, daß der aus dem Gerät entnommene Strom sehr klein wird, z. B. größenoprdnungsmäßig 5% des maximal entnehmbaren Stromes beträgt, muß ferner bei erhöhter Umgebungstemperatur ein starkes Anwachsen des Ko.llektorsperrstromes des Leistungstransistors Tr verhindert werden.
Ferner ist auch eine Schaltungsanordnung bekannt, bei der eine Röhre als geregelter Längswiderstand und ein Transistor als Regelverstärker verwendet ist. Dabei dient eine gasgefüllte Röhre zur Erzeugung einer Bezugsspannung. Ein wesentlicher Nachteil dieser Schaltung ist jedoch, daß ihr Wirkungsgrad nur etwa 20 bis 25% beträgt, also sehr niedrig ist. Darüber hinaus ist es bei reinen Röhrenschaltungen auch bekannt, Differenzverstärker zur Gewinnung einer Regelspannung zu verwenden.
In der Regelschaltung des elektronisch stabilisierten Netzgerätes wird ein an sich; bekannter, aus zwei Elektronenröhren bestehender Differenzverstärker gemäß der Erfindung derart angeordnet, daß die Anode der einen Röhre mit der Basiselektrode des Transistors und die Anode der anderen Röhre über ein Bauelement mit nichtlinearer Stromspannungscharakteristik mit dem Emitter des Transistors verbunden ist, wobei der Kollektorbasisstrecke ein die Spannung begrenzendes Bauelement parallel geschaltet und ferner ein temperaturabhängiger Widerstand zwischen die beiden Röhrenanoden geschaltet ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird zur Erzeugung der Bezugsspannung eine in Sperrichtung bei der Durchbruchspannung betriebene Siliziumdiode verwendet. Zur Erzeugung der Bezugsspannung können jedoch auch andere Bauelemente verwendet werden. So kommen hierfür auch elektrolytisch wirkende Zellen konstanter Spannung, beispielsweise Stab-ilisationszellen - wie sie zur Zeit von der Firma Neumann hergestellt werden - in Betracht. Es ist ferner zweckmäßig, zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit der als Bezugsspannungsquelle dienenden Siliziumdiode einen temperaturabhängigen Widerstand vorzusehen, der die der Ausgangsspannung des Netzgerätes proportionale Vergleichsspannung beeinflußt. Für das in der Emitterzuleitung des Transistors befindliche Bauelement mit nichtlinearer Stromspannungskennlinie kann eine Halbleiterdiode in Durchlaßrichtung, insbesondere ein ein- oder mehrzelliger Selengleichrichter verwendet werden. Der Differenzverstärker kann beispielsweise aus zwei Trioden oder auch aus einer Doppeltriode bestehen. Dem Differenzverstärker können zur Erhöhung der Regelgenauigkeit des Netzgerätes auch ein oder mehrere weitere Verstärkerstafen, beispielsweise unter Verwendung von Halbleiter-Verstärkerelementen, vor- und/oder nachgeschaltet werden.
Die Erfindung wird an Hand des in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Als Regelverstärker dient eine Doppeltriode I/II in der sogenannten Differenzverstärkerschaltung. Diese Differenzverstärkerschaltung hat zwei hochohmige Eingänge. Dadurch wird es ermöglicht, als Bezugsspannungsquelle eine in Sperrichtung bei der Durchbruchspannung betriebene Siliziumdiode, eine sogenannte Zenerdiode, zu verwenden. Diese Zenerdiode G13 hat zusammen mit dem erforderlichen VorwiderstandRv eine wesentlich geringereLeistungsaufnahme als der in elektronisch stabilisierten Netzgeräten bisher übliche Glimmstabilisator und dessen Vorwiderstand. Durch den Heißleiter Th.1 kann eine Temperaturabhängigkeit der Bezugsspannungsquelle kompensiert werden.
Der Differenzverstärker arbeitet derart, daß bei einem Ansteigen der Spannung am Ausgang A der Regelschaltung der Anodenstrom der Triode II kleiner wird. Da dieser Anodenstrom laü aber gleichzeitig auch der Basisstrom des Transistors Tr ist, wird der Widerstand dieses Leistungstransistors Tr größer. Die Spannung am Ausgang A wird kleiner und wirkt der auslösenden Vergrößerung der Spannung entgegen.
Nun würde aber noch der Kollektorsperrstrom des Leistungstransistors Tr störend wirken. Dieser Leistungstransistor wird hier in Emitterschaltung betrieben. Bekanntlich fließt bei der Emitterschaltung noch ein Kollektorsperrstrom I', wenn der Basisstrom 0 ist. Dieser Kollektorsperrstrom ist zudem stark temperaturabhängig. Bei Erhöhung der Sperrschichttemperatur von 25 auf 75° C steigt I'" auf etwa den hundertfachen Wert. Praktisch heißt dies, daß in dem Regelgerät bei erhöhter Temperatur die Last erst einen bestimmten Strom aufnehmen muß, ehe die Regelung überhaupt wirksam wird. Es ist daher vorteilhaft, den Kollektorsperrstrom durch Anlegen einer Sperrspannung an die Emitterbas.isstrecke zu verkleinern. Durch diese Maßnahme tritt an die Stelle des Kollektorsperrstromes I'" in Emitterschaltung die Größe I" (Kollektorsperrstrom in Basisschaltung). I" ist aber größenordnungsmäßig um den Faktor 100 kleiner als f,0.
:Ulan könnte diese Sperrspannung an einem Widerstand in der Emitterleitung abgreifen. Dieser Spannungsabfall ist jedoch stromabhängig. Man verwendet daher zweckmäßigerweise die Schleusenspannung einer Siliziumdiode oder eines Selengleich:richters, die in Durchlaßrichtung geschaltet wird. An diesen tritt, nahezu unabhängig vom Strom, der erforderliche Spannungsabfall auf. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wird beispielsweise ein dreizelliger Selengleichrichter Gll verwendet mit einem Spannungsabfall von etwa 1,2 V. Diese Spannung gelangt über den zwischen den Anoden der beiden Röhren I und 11 befindlichen Heißleiter Th2 an die Basis des Transistors Tr. Sie verursacht einen Basisstrom, der den Kollektorsperrstrom I'" verringert. Mit dem Heißleiter Th2 erreicht man, daß dieser Gegenstrom bei steigender Temperatur, d. h. wenn der Kollektorsperrstrom 1'" ansteigt, ebenfalls größer wird.
Wie aus der Fig. 3 ersichtlich ist, ergibt sich die am Kollektor des Transistors Tr auftretende Spannung aus der Differenz zwischen der am Eingang E angelegten Eingangsspannung und der am Ausgang A auftretenden Ausgangsspannung. Steigt die Eingangsspannung über den vorgesehenen Betriebsbereich, so muß der Transistor Tr vor Überspannung geschützt werden. Dasselbe gilt während des Aufheizens der Verstärkerröhren I und II. Solange Röhre II keinen Strom führt, ist Transistor Tr über Gll und Th2 praktisch gesperrt. Infolgedessen liegt am Transistor die Eingangsspannung des Netzgerätes. Einen einfachen Überspannungsschutz für den Transistor Tr bildet die Anschaltung der Zenerdiode G12 zwischen Basis und Kollektor. Übersteigt die Kallektorspannung des Transistors Tr den Wert der Durchbruchspannung dieser Siliziumdiode, so beginnt der Durchbruchstrom über die Emitterbasisstrecke zufließen, und damit wird ein weiteres Ansteigen der Kollektorspannung des Transistors Tr verhindert.
Vergleicht man ein nach dieser Schaltung aufgebautes Gerät mit einem elektronisch stabilisierten Netzgerät herkömmlicher Bauart mit Serienröhre unter Zugrundelegung der gleichen elektrischen Bedingungen, so zeigt sich, daß bei gleicher Belastung das Gerät mit Transistoren nach Fig. 3 einen Wirkungsgrad 17 = 55 °/o aufweist, während er bei dem Gerät herkömmlicher Bauart mit Serienröhre nur 24,4 % beträgt. Ein weiterer wesentlicher Vorteil liegt ferner darin, daß sich ein Gerät mit einer Schaltung nach Fig. 3 auch für höhere Ausgangsspannungen dimensionieren läßt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Elektronisch stabilisiertes Netzgerät, insbesondere für hohe Spannungen unter Verwendung einer Regelschaltung mit einem Transistor als regelbaren Serienwiderstand zwischen Stromquelle und Verbraucher und einer Röhrenschaltung als Regelverstärker, wobei dem Eingang des Regelverstärkers die Differenzspannung zwischen der um eine konstante Bezugsspannung verringerten Ausgangsspannung und einer der Ausgangsspannung des Netzgerätes proportionalen Spannung zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Regelschaltung ein an sich bekannter, aus zwei Elektronenröhren bestehender Differenzverstärker derart angeordnet ist, daß die Anode der einen Röhre mit der Basiselektrode des Transistors und die Anode der anderen Röhre über ein Bauelement mit nichtlinearer Strom.spannungscharakteristik mit dem Emitter des Transistors verbunden ist und daß der Kollektorbasisstrecke ein die Spannung begrenzendes Bauelement parallel geschaltet und ein temperaturabhängiger Widerstand zwischen die beiden Röhrenanoden eingeschaltet ist. 2. Elektronisch stabilisiertes Netzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Bezugsspannung eine in Sperrichtung bei. der Durohbruchspannung betriebene Siliziumdiode (»Zenerdiode«) verwendet ist. 3. Elektronisch stabilisiertes Netzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Bezugsspannung elektro,lytisoh wirkende Zellen konstanter Spannung verwendet sind. 4. Elektronisch stabilisiertes Netzgerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Bezugsspannungsquelle ein temperaturabhängiger Widerstand vorgesehen ist, der die der Ausgangsspannung des. Netzgerätes: proportionale Vergleichsspannung beeinfiußt. 5. Elektronisch stabilisiertes Netzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für das in der Emibterzuleitung des Transistors befindliche Bauelement mit nichtlinearer Stroinspannungskennlinie eine Halbleiterdiode in Durchlaßrichtung, insbesondere ein ein- oder mehrzelliger Selengleichrichter verwendet ist. 6. Elektronisch stabilisiertes Netzgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle der beiden im Differenzverstärker verwendeten Elektronenröhren eine Doppelr6hre, beispielsweise eine Doppeltriode, verwendet ist. 7. Elektronisch stabilisiertes Netzgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Differenzverstärker weitere Verstärkerstufen vor- und/ oder nachgeschaltet sind. g. Elektronisch stabilisiertes Netzgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dein Differenzverstärker vor- und/oder nachgeschalteten Verstärkerstufen mit Halbleiterverstärkerelementen ausgerüstet sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1011482; USA.-Patentschriften Nr. 2 693 568, 2 751549; Funkschau, 1956, H.
2 S. 65.