DE1134743B - Transistorierte Einrichtung zur Speisung eines Gleichstromverbrauchers mit konstanter Spannung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

kl. 21c 67/70

INTERNATIONALE KL.

H 02 j; G 05 f

S56336Vmb/21c

ANMELDETAG: 20. DEZEMBER 1957

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABEDER AUSLEGESCHRIFT: 16. AU G U S T 1962

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Spannung an einem Gleichstromverbraucher, der beispielsweise aus einer Quelle mit veränderlicher Spannung gespeist wird, konstant zu halten.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist schon vorgeschlagen worden, in Serie mit dem Verbraucher ein steuerbares Element, beispielsweise einen Transistor, zu schalten. Dieses Element wurde dann abhängig von der Abweichung der Verbraucherspannung von dem vorgeschriebenen Sollwert so gesteuert, daß die Differenz zwischen der Speisespannung und der am Verbraucher gewünschten Spannung an dem steuerbaren Element, also beispielsweise an dem Transistor, abfällt. Als Bezugsspannungsquelle wurde hierbei häufig eine Zenerdiode verwendet, die mit einem Widerstand in Serie den Ausgangsklemmen des Reglers parallel geschaltet ist. Die an einer solchen Diode abfallende konstante Spannung wurde mit einem einstellbaren Teil der Verbraucherspannung verglichen. Die Differenzspannung wurde beispielsweise der Steuerstrecke eines Verstärkerelements, beispielsweise der Emitter-Basis-Strecke eines Transistors, zugeführt, dessen Ausgangsgröße als Steuergröße dient.

Die beschriebenen Regler eignen sich nicht für alle Anwendungszwecke: So ist z. B. die steuerbare Leistung durch die maximal zulässige Transistorverlustleistung bestimmt, da ja der gesamte Laststrom über den Transistor fließt und die Speisespannung nie größer sein darf als die maximal zulässige Emitter-Kollektor-Spannung.

Zusätzlich müssen auch Schaltungsmaßnahmen getroffen werden, die den Serientransistor vor Überlastung schützen, wenn beispielsweise die Ausgangsklemmen des Reglers kurzgeschlossen werden. Man hat auch schon vorgeschlagen, mit der Belastung, deren Spannung geregelt werden soll, einen Widerstand in Serie zu schalten und der Belastung die Emitter-Kollektor-Strecke — gegebenenfalls über einen Widerstand — eines weiteren Transistors parallel zu schalten. Dieser Transistor wurde dann abhängig von der Abweichung der Lastspannung von dem Sollwert in der Weise gesteuert, daß bei steigender Verbraucherspannung der parallel geschaltete Transistor stromleitend gesteuert wurde. Der dann zusätzlich durch den Vorwiderstand fließende Strom erzeugt an diesem Vorwiderstand einen zusätzlichen Spannungsabfall, der der Erhöhung der Lastspannung entgegenwirkt.

Um die Leistungsfähigkeit einer solchen Einrichtung zur Speisung eines Gleichstromverbrauchers mit konstanter Spannung, bei der der Verbraucher über einen Reihenwiderstand gespeist wird und parallel Transistorierte Einrichtung

zur Speisung eines Gleichstromverbrauchers

mit konstanter Spannung

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen, Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Otto Werner, Berlin-Siemensstadt, ist als Erfinder genannt worden

zum Verbraucher ein Kondensator und die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors geschaltet sind, noch weiter zu erhöhen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den dem Verbraucher parallel geschalteten Transistor als Schalter zu betreiben, z. B. so, daß er gesperrt ist, solange die Verbraucherspannung kleiner als ein einstellbarer Grenzwert ist, und daß er in sehr kurzer Zeit vollkommen durchgesteuert wird, sobald die Verbraucherspannung den Grenzwert überschreitet.

Es erweist sich als zweckmäßig, die Regelabweichung, also die Differenz zwischen der Verbraucherspannung und dem vorgeschriebenen Sollwert, mit Hilfe einer Zenerdiode zu gewinnen und diese Spannung einer bistabilen Kippstufe zuzuführen, deren Ausgangsgröße den erwähnten, dem Verbraucher parallel geschalteten Transistor ein- und ausschaltet. Die Regelabweichung kann der Kippstufe selbst über eine oder mehrere Verstärkerstufen zugeführt werden. Mit sehr geringem Aufwand läßt sich der Erfindungsgedanke realisieren, wenn man den Regler so aufbaut, daß der dem Verbraucher parallel geschaltete Transistor zusammen mit einem weiteren Transistor eine monostabile Kippschaltung bildet. Die Regelabweichung steuert dabei jenen zweiten Transistor. In manchen Anwendungsfällen sind die in dem mit dem Verbraucher in Serie geschalteten Vorwiderstand verursachten zusätzlichen Verluste unerwünscht.

Falls die den Verbraucher speisende Spannung durch Gleichrichtung einer Wechselspannung erzeugt wird, kann man dann, — an Stelle eines Wirkwiderstandes,

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in den Wechselspannungszuleitungen zu dem Gleichrichter einen Kondensator einschalten.

Weitere Einzelheiten und Vorteile sowie Funktionsweise der Erfindung werden an Hand zweier spezieller Ausführungsbeispiele nach. Fig.l und 2 erläutert.

In Fig. 1 bezeichnen la und 2a die Klemmen, an welchen eine Gleichspannungsquelle liegt, S und 6 die Klemmen am Ausgang der Anordnung, über welche ein Verbraucher gespeist wird, und 10 den Reihenwiderstand zum Verbraucher. Der Hilfsbelastungskreis wird gebildet durch die Reihenschaltung aus dem Transistor 11 und dem Widerstand 12. Diese Reihenschaltung aus Transistor 11 und Widerstand 12 gehört einer bistabilen Schaltung an, deren weitere Glieder der Transistor 13, der Widerstand 14 sowie die Parallelschaltung aus dem Widerstand 15 und dem Kondensator 16 sind. Diese bistabile Kippschaltung wird durch einen Transistor 17, der in Reihe mit einem Widerstand 18 liegt, über den Widerstand 19 gesteuert, der einerseits an die Verbindungsleitung zwischen dem Transistor 17 und dem Widerstand 18 und andererseits an die Basis des Transistors 13 angeschlossen ist. Der Transistor 17 wird an seiner Emitter-Basis-Strecke durch eine Spannung gesteuert, welche die Differenz aus der Spannung an dem Widerstand 21 und der Spannung an der Zenerdiode 20 ist. Der Widerstand 21 liegt in Reihe mit dem Widerstand 22 an den Klemmen 5 und 6 bzw. an der Verbraucherspannung. Die Widerstände 21 und 22 bilden also einen Spannungsteiler, und die an dem Widerstand 21 liegende Teilspannung wird für den Vergleich mit der an der Zenerdiode 20 liegenden Spannung benutzt, um die Steuerspannung für den Transistor 17 zu liefern. Weiterhin ist in der Schaltung noch ein Kondensator 24 vorgesehen. Dieser erfüllt die Funktion eines Energiespeichers. Er liefert Energie an den Verbraucher, sobald der Hilfsbelastungskreis eingeschaltet wird, und wird wieder aufgeladen, sobald der Hilfsbelastungskreis abgeschaltet ist. Wie bereits geschildert, wirkt bei dieser Anordnung die Zenerdiode 20 als Sollwertspannungsquelle. Damit sie diese Funktion erfüllen kann, muß an ihr dauernd ein entsprechender Spannungsabfall bestehen. Die Zenerdiode ist daher betriebsmäßig dauernd vorbelastet mit einem Strom, der zufolge der Spannung an den Klemmen la, 2a über den Widerstand 23, die Diode 20 und den Widerstand 22 fließt.

Die geschilderte Anordnung nach Fig. 1 arbeitet in der folgenden Weise. Sinkt z. B. die Verbraucherspannung an den Klemmen 5 und 6 aus irgendwelchen Gründen ab, so wird auch die an dem Spannungsteilerwiderstand 21 liegende anteilige Spannung kleiner. Hierdurch wird die Steuerspannung des Transistors 17 vermindert, so daß dieser an seiner Emitter-Kollektor-Strecke auf geringere Durchlässigkeit gesteuert wird. Dies hat zur Folge, daß der Transistor 13 über die Widerstände 19 und 18 einen entsprechenden Steuerstrom bekommt, der seine Durchlässigkeit vergrößert. Infolge der Kopplung seines Steuerkreises mit der Ausgangsstrecke des Transistors 11 und der Steuerstrecke des Transistors 11 mit der Ausgangsstrecke des Transistors 13 bedingt diese Änderung der Durchlässigkeit des Transistors 13 die volle Sperrung des Transistors 11. Der Hilfsbelastungskreis 11, 12 wird also durch das Absinken der Ausgangsspannung abgeschaltet. Die Folge ist, daß der als Energiespeicher benutzte Kondensator 24 durch einen Strom aufgeladen wird, der sich ungefähr als die Differenz zwischen dem Strom über den Reihenwiderstand 10 und dem Verbraucherstrom er-S gibt. Die Verbraucherspannung 5, 6 steigt entsprechend dieser Aufladung des Kondensators 24 wieder an, bis die an dem Widerstand 21 auftretende Spannung die Zenerspannung der Diode 20 so weit überschreitet, daß der dadurch auf größere Durchlässigkeit gesteuerte Transistor 17 den Transistor 13 sperrt und dadurch der Transistor 11 voll durchlässig wird, d. h. nach Art eines Schalters geschlossen wird. Durch diese Einschaltung des Hilfsbelastungskreises aus dem Transistor 11 und dem Widerstand 12 wird der Kondensator24 wieder entladen. Somit sinkt die Ausgangsspannung an den Klemmen 5 und 6 wieder ab. Eine Anordnung nach Fig. 1 läßt sich gemäß der Weiterbildung nach Fig. 2 vereinfachen und verbessern, indem der über eine Diode gesteuerte Transistor, welcher bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ein besonderer Transistor zur Steuerung der Kippschaltung ist, unmittelbar als integrierendes Schaltungselement in die Kippschaltung einbezogen wird. Weiterhin wird vermieden, daß dauernd ein Strom in Höhe des Steuerstromes des Transistors des Hilfsbelastungsstromkreises als eine nach Fig. 1 unvermeidbare Anordnung fließt. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 veranschaulicht eine Anordnung, die vom Wechselstromnetz als Stromquelle gespeist wird. Soweit in dieser Schaltung die gleichartigen Teile wie in Fig. 1 vorhanden sind, sind für die entsprechenden Teile unmittelbar die gleichen Bezugszeichen beibehalten worden, jedoch diese Zeichen zur Unterscheidung jeweils zusätzlich mit einem Strich versehen.

In dieser Schaltung wird der Verbraucher, der an die Klemmen S' und 6' angeschlossen wird, vom Wechselstromnetz über den Kondensator 3 als Reihenwiderstand, den Gleichrichter 4 sowie die zur Siebung der Gleichspannung dienende Drossel 39 und den Kondensator 5 gespeist. Es ist wieder ein an der Verbraucherspannung liegender Spannungsteiler aus Widerständen 34 und 35 vorhanden. An dem Teilwiderstand 35 wird eine Spannung abgegriffen, die mit dem Spannungsabfall an der Zenerdiode 9 verglichen wird, um als Differenzwert beider Spannungen die Steuerspannung für die Steuerstrecke des Transistors 33 zu liefern. Die Vorbelastung der Diode 9 in der Weise, daß sie stets auf ihrem Zenerkennlinienteil arbeitet, erfolgt in diesem Fall über den Stromweg von der Klemme 5', den Widerstand 34, die Zenerdiode und die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 33 zur Klemme 6'. Der Transistor 33 wird nämlich bei der Arbeitsweise dieser Schaltung niemais vollständig gesperrt, so daß stets mindestens ein kleiner Strom über die Steuerstrecke des Transistors 33 fließt, der die entsprechende Vorbelastung der Zenerdiode 9 bis auf ihren Zenerkennlinienteil gewährleistet. Läßt sich eine ausreichende Vorbelastung der Diode auf diese Weise nicht erreichen, so kann der Diode ein Kondensator 40 parallel geschaltet werden.

Auch in diesem Falle liegt wieder eine Kippschaltungsanordnung vor. Dieser Kippschaltungsanordnung gehören außer dem erwähnten Spannungsteiler aus den Widerständen 34 und 35, der Zenerdiode 9 und dem Transistor 33 weiterhin die Schaltungselemente 26 bis 32 an. Der Transistor 26 hegt in Reihe

mit dem Widerstand 27 zwischen der Plus- und der Minusklemme. Die Verbindungsleitung zwischen dem Transistor 26 und dem Widerstand 27 ist über den Widerstand 32 mit der Verbindungsleitung zwischen den Widerständen 34 und 35 verbunden, so daß in dem System eine Rückkopplung auf den Steuerkreis des Transistors 33 entsteht. Die Transistoren 33, 28 und 26 bilden in der angeführten Folge eine Kaskadenschaltung. Die Transistoren 26 und 28 sind vom entgegengesetzten Leitungstyp wie der Transistor 33, d. h. vom p-n-p-Typ statt vom n-p-n-Typ.

Die Wirkungsweise dieser Schaltungsanordnung ist die folgende: Bei einer kleinen Änderung der Steuerspannung am Transistor 33, die bedingt ist durch eine Spannungsänderung an den Verbraucherklemmen 5', 6', erfährt der Steuerstrom für die Kaskade aus den Transistoren 26 und 28 ebenfalls eine Änderung. Da sich hierdurch das Potential zwischen Transistor 26 und Widerstand 27 verschiebt, wirkt die Änderung über den Widerstand 32 auf den Spannungsteiler bzw. die Spannung am Widerstand 35 zurück, und zwar in einem solchen Sinne, daß die Steuerspannungsänderung an der Steuerstrecke des Transistors 33 vergrößert wird. Bei passender Bemessung des Widerstandes 32 bedingt daher eine kleine Änderung der Ausgangsspannung 5', 6' ein volles Öffnen bzw. Schließen der Transistoren 26 und 28 nach Art eines Schalters. So würde bei einer Erhöhung der Ausgangsspannung der Hilfsbelastungskreis aus dem Transistor 26 und dem Widerstand 27 eingeschaltet werden, wodurch die Spannung am Ausgang an den Klemmen 5', 6' entsprechend der Entladung der elektrischen Energiespeicher 39 und 25 wieder abnimmt, und bei kleiner werdender Spannung am Ausgang 5', 6' würde auf diese Weise der Hilfsbelastungskreis wieder abgeschaltet werden. Wie bereits behandelt, arbeiten die Transistoren 26 und 28 jeweils als Schalttransistoren, d. h., sie sind entweder voll geöffnet oder voll gesperrt.

Wie aus dieser Darstellung zu erkennen ist, sind als Energiespeicher im Sinne des Kondensators 24 nach Fig. 1 in Fig. 2 unmittelbar die zur Glättung des Verbraucherstromes dienenden Glieder, d. h. die Drossel 39 und der Kondensator 25, benutzt.

Um eine einwandfreie Sperrung der Transistoren 26 und 28 während der Sperrphase zu gewährleisten, ist in der Zeichnung noch eine Hilfseinrichtung vorgesehen. Diese enthält die Ventile 29 und 30, die den Steuerstrecken der Transistoren 26 und 28 parallel geschaltet sind. Über diese Ventile 29 und 30 wird während der Sperrzeit der Transistoren 26 und 28 ein Strom in Durchlaßrichtung geschickt, der durch den Widerstand 38 begrenzt wird. Als treibende Spannung für diesen Stromkreis dient die Spannung am Kondensator 37 abzüglich der Verbraucherspannung an den Klemmen 5', 6'. Die Spannung am Kondensator 37 wird in ihrer Höhe durch den Scheitelwert der Gleichspannung am Gleichrichter 4 bestimmt, indem das Ventil 36 eine Entladung des Kondensators über die Drossel 39 und den an den Klemmen 5', 6' liegenden. Verbraucherkreis verhindert.

Claims (9)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Einrichtung zur Speisung eines Gleichstrom-Verbrauchers mit konstanter Spannung, bei der der Verbraucher über einen Reihenwiderstand gespeist wird und parallel zum Verbraucher ein Kondensator und die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors — gegebenenfalls über einen Widerstand — geschaltet sind und der Transistor abhängig von der Abweichung der Verbraucherspannung von einer beispielsweise mittels Zenerdiode gewonnenen Sollspannung gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Verbraucher parallel geschaltete Transistor als Schalter gesteuert wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Verbraucher parallel geschaltete Transistor zusammen mit einem zweiten Transistor erne monostabile Kippschaltung bildet.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Paralleltransistor bzw. die Kippstufe mit der Ausgangsspannung eines weiteren Transistors gesteuert wird, dessen Durchlässigkeit von der Abweichung der Verbraucherspannung von dem vorgegebenen Sollwert abhängig ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerstrecke eines ersten Transistors (33) über eine Zenerdiode (9) an einen Abgriff eines an der Ausgangsspannung liegenden Spannungsteilers (34,35) angeschlossen ist und daß dieser Transistor (33) den dem Verbraucher parallel liegenden Transistor (26) steuert, dessen Ausgang über einen Widerstand mit einem Abgriff des Spannungsteilers (34, 35) so verbunden ist, daß sich eine positive Rückkopplungswirkung ergibt.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Verbraucher parallel liegende Transistor (26) mit weiteren Transistoren eine Kaskade bildet, derart, daß jeweils die Basis des folgenden mit dem Emitter des vorhergehenden und alle Kollektoranschlüsse miteinander verbunden sind und parallel zu der Basis-Emitter-Strecke aller Transistoren (26, 28) je ein Ventil (29, 30) geschaltet ist, dessen Durchlaßrichtung der der parallelen Emitter-Basis-Strecke entgegengerichtet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß alle Ventile (29, 30) in Serie an einer Zusatzspannung liegen, so daß alle Transistoren der Kaskade durch die an den Ventilen abfallende Spannung gesperrt werden, solange dem ersten Transistor (28) der Kaskade kein Durchsteuersignal zugeführt wird.

7. Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verbraucher ein Gleichrichter mit Siebkreis vorgeschaltet ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß als Reihenwiderstand ein ohmscher Widerstand, eine Drossel oder ein Kondensator dient.

9. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Siebkreis die Funktion des Energiespeicher übernimmt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2 751 549, 2 751 550.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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