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Spannungsbegrenzer mit mindestens einem als Querglied geschalteten
Transistor Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungsbegrenzer mit mindestens
einem Transistor, dessen Basisstrom sich in Abhängigkeit von einem ein nichtlineares
Element durchfließenden Strom ändert und dessen Emitter-Kollektor-Strecke als Querglied
geschaltet ist. Solche Spannungsbegrenzer sind bekannt. Als nichtlineare Elemente
enthält ein solcher bekannter Spannungsstabilisator zwei Zenerdioden, und er enthält
ferner drei Transistoren, von denen zwei in Kaskade geschaltete Emitterverstärkertransistoren
sind, die bei kleineren Ausgangsströmen durch einen einzigen Emitterverstärkertransistor
ersetzt werden könnten.
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Es sind ferner mit einem Quertransistor versehene Stabilisierungsschaltungen
bekannt, bei denen der Quertransistor über den Verbindungspunkt eines Widerstandes
mit einer Zenerdiode gesteuert wird. Auch die Spannungsstabilisierung mit einer
Querröhre, deren Steuerelektrode über eine Bezugsspannungsquelle an einem Spannungsteiler
liegt, ist bekannt, ferner die Verwendung einer Kaskadenschaltung mit linearen und
nichtlinearen Widerständen zur Selbststabilisierung, jedoch ohne die Verbindung
der Kaskadenschaltung mit einem elektronischen Schaltelement. Bei Röhrenstabilisatoren
werden auch Längsröhren als Stellglied mit einer quergeschalteten Steuerröhre, die
von einem Spannungsteiler aus linearen und nichtlinearen Gliedern gesteuert wird,
verwendet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen verhältnismäßig einfachen und
billigen, aber sehr zweckdienlichen und insbesondere äußerst schnell wirksamen Spannungsbegrenzer
zu schaffen, bei dem die verhältnismäßig teueren Zenerdioden durch bedeutend billigere
nichtlineare Elemente ersetzt sind.
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Der Spannungsbegrenzer nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß dieser Begrenzer eine Kaskade von Spannungsteilern enthält, an welcher die zu
begrenzende Spannung angelegt ist und die je aus einem als Reihenelement geschalteten
spannungsabhängigen Widerstand und aus einem Parallelelement bestehen, und daß das
Parallelelement des letzten Spannungsteilers der Kaskade die in der Vorwärtsrichtung
geschaltete Basis-Emitter-Strecke des Transistors enthält, während das Parallelelement
jedes anderen Spannungsteilers der Kaskade ein linearer ohmscher Widerstand ist,
so daß, wenn die zwischen den Eingangsklemmen angelegte Spannung einen bestimmten
Wert überschreitet, der Transistor plötzlich leitend wird.
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Unter VDR- oder spannungsabhängigen Widerständen versteht man nichtgleichrichtende
Widerstände mit einem bei zunehmender Spannung abnehmenden Widerstandswert. Die
bekannten VDR-Widerstände sind keramische Widerstände.
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Es sind bereits viele Spannungsstabilisatoren mit VDR-Widerständen
bekannt, aber die dadurch erzielte Stabilisierung der Ausgangsspannung bei Eingangsspannungsschwankungen
ist für viele Anwendungen ungenügend.
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Ein solcher Stabilisator besteht aus einer Brückenschaltung mit zwei
in entgegengesetzten Zweigen eingeschalteten, üblichen Widerständen und zwei spannungsabhängigen
Widerständen mit einem Wert, der normalerweise bedeutend größer ist als der der
üblichen Widerstände. Die Eingangsspannung wird an zwei Diagonalpunkte gelegt, und
die Ausgangsspannung wird den übrigen Diagonalpunkten entnommen. Die Schaltung ist
somit in bezug auf Eingang und Ausgang symmetrisch. Bei kleinen Eingangsspannungen
nimmt die Ausgangsspannung mit der Spannung zu, in einem bestimmten Bereich wird
sie mehr oder weniger stabilisiert, und bei noch weiter zunehmender Eingangsspannung
nimmt die Ausgangsspannung wieder ab, ändert ihr Vorzeichen und nimmt anschließend
mit umgekehrtem Vorzeichen wieder zu.
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Ein anderer, bekannter Stabilisator besteht aus einem Spannungsteiler
oder aus einer Kaskade von Spannungsteilern, die je einen Widerstand als
Reihenelement
und einen spannungsabhängigen Widerstand als Parallelelement enthalten. Die Belastung
wird parallel mit dem letztenVDR-Widerstand des letzten Spannungsteilers der Kaskade
geschaltet. Ähnlich wie im Falle des Brückenstabilisators sind die ohmschen Verluste
sehr hoch, und soll eine verhältnismäßig wirksame Stabilisierung erzielt werden,
so muß die Eingangsspannung erheblich größer sein als die gewünschte Ausgangsspannung
über der Belastung.
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Es ist weiter auch bekannt, einen spannungsabhängigen Widerstand in
Reihe mit der Belastung zu schalten, um den Einfluß von Impedanzänderungen dieser
Belastung zu verringern.
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Durch Anwendung einer Kaskade von Spannungsteilern, deren Reihenelemente
durch spannungsabhängige Widerstände gebildet sind, erhält man bei zunehmender Eingangsspannung
eine verstärkte Änderung des Stromes durch das Parallelelement des letzten Spannungsteilers
der Kaskade. Da dieses letzte Parallelelement durch den in der Vorwärtsrichtung
geschaltete Basis-Emitter-Kreis des Transistors gebildet ist, wird diese Wirkung
vollständig ausgenutzt, um den Transistor bei zunehmender Eingangsspannung plötzlich
leitend werden zu lassen, während diese Wirkung noch wesentlich vergrößert wird
infolge der Tatsache, daß der Basis-Emitter-Vorwärtswiderstand des Transistors bei
zunehmender Basis-Emitterspannung auch stark abnimmt.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert,
in der F i g. 1 das Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels des Spannungsbegrenzers
nach der Erfindung zeigt; F ig. 2 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise
des Ausführungsbeispiels nach F i g. 1; Fig.3 zeigt das Schaltbild eines zweiten
Ausführungsbeispiels, und F i g. 4 und 5 zeigen die Schaltbilder zweier Abarten
des Ausführungsbeispiels nach F i g. 3.
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Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 enthält ein;,. Kaskade von Spannungsteilern.
Der erste Spannungsteiler besteht aus einem als Reihenelement geschalteten, spannungsabhängigen
Widerstand oder VDR1 und aus einem als Parallelelement geschalteten ohmschen Widerstand
2. Der zweite Spannungsteiler der Kaskade besteht aus einem als Reihenelement geschalteten
VDR3 und aus einem als Parallelelement geschalteten ohmschen Widerstand 4. Die Kaskade
enthält einen dritten, letzten Spannungsteiler, der aus einem als Reihenelement
geschalteten VDR 5 und der als Parallelelement geschalteten Basis-Emitter-Strecke
eines Transistors 6 besteht. Die Kaskade der Spannungsteiler 1 bis 6 ist über einen
Widerstand 7 an die Klemmen 8 einer Quelle der zu stabilisierenden Gleichspannung
angeschlossen. Der Widerstand 7 kann unter Umständen weggelassen und durch den Eigenwiderstand
der Quelle 8 ersetzt werden. Der gemeinsame Punkt der Kaskade der Spannungsteiler,
d. h. der Widerstände 2 und 4 und des Emitters des Transistors 6 ist direkt mit
der Plusklemme der Spannungsquelle verbunden und bildet außerdem die Plusklemme
des Ausgangs 9 des Spannungsbegrenzers. Die negative Ausgangsklemme des Spannungsbegrenzers
ist an den gemeinsamen Punkt des Widerstandes 7 und des VDR 1 und außerdem an den
Kollektor des Transistors 6 angeschlossen. Der Transistor 6 wird durch die von der
Quelle gelieferte Eingangsspannung verhältnismäßig schwach in der Vorwärtsrichtung
betrieben, so daß sein Kollektorstrom bei dem Nennwert der Spannungsquelle z. B.
einem Wert von 6 mA besitzt. Nimmt die Eingangsspannung an den Klemmen 8 der Quelle
zu, so nimmt der den ersten VDR 1 durchfließende Strom und die Spannung über dem
Widerstand 2 mehr als proportional zu. Der den zweiten VDR3 durchfließende Strom
und die Spannung über dem Widerstand 4 nehmen auch mehr als proportional zu mit
der Spannung über dem Parallelwiderstand2, und der den dritten VDR 5 und die Basis-Emitter-Strecke
des Transistors 6 durchfließende Strom nimmt auch wieder mehr als proportional mit
der Spannung über dem zweiten Parallelwiderstand 4 zu. Infolgedessen nimmt der Basis-
und auch der Kollektorstrom des Transistors 6 bei zunehmender Spannung über dem
ersten Spannungsteiler 1 bis 2 schroff zu. Dieser Kollektorstrom bildet eine über
die normale Belastung hinaus an den Ausgangsklemmen 9 des Begrenzers auftretende,
zusätzliche Belastung der Spannungsquelle. Diese zusätzliche Belastung nimmt plötzlich
zu und wirkt also einer Zunahme der Spannung an den Ausgangsklemmen 9 sehr stark
und zweckdienlich entgegen. Die ganze Begrenzerschaltung spricht besonders schnell
an, da sie keine Blindwiderstände enthält, so daß sie zum Beseitigen scharfer Spannungsimpulse
besonders gut geeignet ist. Zu diesem Sonderzweck, und wenn außerhalb des Eigenwiderstands
der Spannungsquelle ein Reihenwiderstand 7 vorhanden ist, kann der VDR 1 besser
direkt an die oberen der Klemen 8 der Quelle angeschlossen werden.
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F i g. 2 veranschaulicht die Wirkungsweise des Ausführungsbeispiels
nach F i g. 1. Die Kurve l dieser Figur stellt den zusätzlichen Belastungsstrom
dar, den ein an die Klemmen 8 der Quelle angeschlossener VDR-Widerstand hervorrufen
würde. Die Kurve 2 deutet den Strom an, der einen Widerstand von 2 kOhm durchfließen
würde, wenn dieser Widerstand in Reihe mit einem VDR-Widerstand als erster und einziger
Spannungsteiler an die Spannungsquelle angeschlossen wäre. Die Kurve 3 entspricht
der Kure 2, vorausgesetzt, daß der Widerstand von 2 kOhm durch die Basis-Emitter-Strecke
eines Transistors des Typs 0C 72 ersetzt ist. Die Kurve 4 entspricht der Kurve 3,
vorausgesetzt, daß die Basis-Emitter-Strecke des Transistors als Parallelelement
des zweiten Spannungstellers einer Schaltung nach F i g. 1, jedoch mit nur zwei
in Kaskade geschalteten Spannungsteilern, angeschlossen ist. Die Kurve 5 zeigt den
Verlauf des Basisstroms des Transistors 6 der Schaltung nach F i g. 1 als Funktion
der Spannung über den Ausgangsklemmen 9, und die Kurve 6 zeigt schließlich den Verlauf
des Kollektorstroms des Transistors 6 bei Änderung der Gleichspannung über den Klemmen
9. Die Spannung V über einem VDR-Widerstand als Funktion des Stroms 1 durch denselben
VGR-Widerstand entspricht annähernd der Gleichung: V-C1fl, wobei C und -ß die Konstanten
des VDR-Widerstandes bezeichnen. Die Kurven der F i g. 2 wurden für VGR-Widerstände
mit einem C von 100 und einem ß von 0,23 errechnet.
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Aus F i g. 2 ist ersichtlich; daß ein VGR, der an die. Klemmen 9 angeschlossen
ist, den Schwankungen
der Spannung über einer Belastung bereits
dadurch entgegenwirkt, daß er eine mit der Spannung stark veränderliche Belastung
bildet. Bei Zunahme der Spannung nimmt der den VDR durchfließende Strom jedoch nicht
plötzlich zu, so daß ein VDR allein sich nicht dazu eignet, eine eigentliche Begrenzung
hervorzurufen. Wird ein Widerstand von 2 kOhm in Reihe mit dem VDR geschaltet, so
ist die Stromzunahme bei zunehmender Spannung noch etwas schwächer (Kurve 2). Wird
dieser Widerstand durch die Basis-Emitter-Strecke eines Transistors - des Typs
0C72 ersetzt, so ist die Stromänderung wieder schroffer (Kurve 3). Bei einem
Begrenzer nach F i g. 1 jedoch mit nur zwei in Kaskade geschalteten Spannungsteilern
(z. B. Kurzschluß des VDR 1 und Weglassen des Widerstands 2) ist die Änderung des
Basisstroms des Transistors 6 bei zunehmender Spannung über den Klemmen 9 bereits
sehr schroff (Kurve 4). Das Hinzufügen eines dritten Spannungsteilers an die Kaskade
bringt eine wesentliche Verbesserung mit sich: Bei den Kurven 5 und 6 ist der »Knick«
(bei einer Spannung etwa gleich 80%) sehr scharf.
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Das zweite Ausführungsbeispiel nach F i g . 3 enthält eine Kaskade
von Spannungsteilern. Der erste Spannungsteiler besteht aus einem VDR3 und einem
Parallelwiderstand 4, und der zweite und letzte Spannungsteiler der Kaskade besteht
aus einem VDR5 und aus der als Parallelelement geschalteten Basis-Emitter-Strecke
des Transistors 6. Der Kollektor des Transistors 6 ist an die Minusklemme der Quelle
mit den Klemmen 8 über einen Kollektorwiderstand 10 angeschlossen, und diese Klemme
ist mit der negativen Ausgangsklemme 9 über die Kollektor-Emitter-Strecke eines
zweiten Transistors 11 verbunden, dessen Basis mit dem Kollektor des Transistors
6 verbunden ist.
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Der Teil der Schaltung mit den Elementen 3 bis 6 wirkt genau wie die
Schaltung nach F i g. 1, mit Ausnahme der Tatsache, daß diese Schaltung eine Kaskade
von nur zwei Spannungsteilern statt drei enthält. Die schroffen Änderungen des Kollektorstroms
des Transistors 6 bei Änderung der Eingangsspannung der Quelle werden jedoch mittels
des Widerstands 10 zum Steuern des Transistors 11 benutzt. Normalerweise ist der
den Kollektor-Emitter-Kreis des Transistors 6 durchfließende Strom verhältnismäßig
gering, z. B. gleich 6 mA. Der Widerstand 10 wird so groß gewählt, daß infolge
dieses Kollektorstroms allein der Spannungsabfall über ihm nicht zu groß ist, z.
B. 20 bis 50% der Eingangsspannung, so daß noch ein verhältnismäßig hoher Basisstrom
für den Transistor 11 von der Minusklemme der Quelle her über diesen Widerstand
fließen kann. Der Transistor 11 arbeitet wie ein Stromtor oder wie ein gesteuerter
Reihenwiderstand zwischen der Minusklemme der Quelle und der negativen Ausgangsklemme
9. Sobald der Strom durch die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 6 stärker
zunimmt, wird der Transistor 11 durch den Spannungsabfall über dem Widerstand 10
gesperrt, so daß er etwaige Spannungsspitzen nicht oder nur in sehr geringem Maße
nach der Ausgangsklemme 9 durchläßt. Die an die Klemmen 9 angeschlossene Belastung
»sieht« somit eine Quelle mit geringem Eigenwiderstand, da der Transistor 11 als
Emitterverstärkertransistor geschaltet ist.
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Die Abart nach F i g. 4 entspricht dem Ausführungsbeispiel nach F
i g. 3, mit dem Unterschied, daß der Emitter-Kollektor-Kreis des Transistors 11
in diesem Fall zwischen der Plusklemme der Quelle 8 und der positiven Ausgangsklemme
9 geschaltet ist. Der Emitter ist direkt mit der Plusklemme des Klemmenpaares 8
der Quelle und mit dem Emitter des Transistors 6 verbunden, und der Kollektor ist
an die positive Ausgangsklemme 9 angeschlossen, während die Minusklemme 9 direkt
mit der Minusklemme der Quelle verbunden ist. Die an die Klemmen 9 angeschlossene
Belastung »sieht« somit eine Stromquelle mit einer verhältnismäßig hohen Eigenimpedanz,
da sie im Kollektorkreis des Transistors 11 eingefügt ist.
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Bei der Schaltung nach F i g. 3 wird die Basis des Transistors 11
über den Kollektor-Emitter-Kreis des Transistors 6 bei stark zunehmender Spannung
an die Plusklemme der Quelle gelegt. Man könnte sich vorstellen, daß die Steuerung
des Transistors 11 in der Schaltung nach F i g. 3 wirksamer ist als in der Schaltung
nach F i g. 4, wobei die Basis des Transistors 11 über den Kollektor-Emitter-Kreis
des Transistors 6 mit dessen Emitter verbunden wird. Der Spannungsabfall über der
Belastung im Emitterkreis des Transistors 11 der Schaltung nach F i g. 3 bewerkstelligt
jedoch eine negative starke Gegenkopplung. Andererseits spricht die Schaltung nach
F i g. 4 auf die Eingangsspannung an, und nicht auf die Ausgangsspannung wie die
Schaltung nach F i g. 3.
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Bei der Abart nach F i g. 4 ist außerdem die Basis des zweiten Transistors
11 mit dem Kollektor des ersten Transistors 6 über einen Widerstand 12 mit einem
hohen negativen Temperaturkoeffizienten verbunden. Dieser Widerstand, der gewöhnlich
kurz NTC-Widerstand genannt wird, hat einen bei zunehmender Umgebungstemperatur
stark abnehmenden Widerstandswert. Infolgedessen wirkt er den Arbeitspunktverschiebungen
des Transistors 11 infolge Temperaturschwankungen dieses Transistors, des ersten
Transistors 6 und des Parallelwiderstandes 4 entgegen, so daß der Wert der begrenzten
oder stabilisierten Spannung praktisch unabhängig ist von der Umgebungstemperatur.
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F i g. 5 zeigt eine weitere Abart der Schaltung nach F i g. 4. Bei
dieser Art ist der Transistor 6 durch die Parallelschaltung zweier Transistoren
6 und 6' entgegengesetzter Leitfähigkeitstypen ersetzt, wobei der Transistor 11
auch durch zwei parallelgeschaltete Transistoren 11 und 11' entgegengesetzter Leitfähigkeitstypen
ersetzt ist. Außerdem sind Dioden 13 und 13' bzw. 14 und 14' in die Basiskreise
der Transistoren 6 und 6' bzw. 11 und 11' in der Durchlaßrichtung eingefügt, um
einen Basis-Emitter-Durchschlag in jedem dieser Transistoren zu vermeiden. Durch
diese Maßnahmen ist die Schaltung nach F i g. 5 zum Begrenzen einer Wechselspannung
geeignet, die von einer Quelle mit den Klemmen 8' an eine Belastung geliefert wird,
die an die Ausgangsklemmen 9 angeschlossen ist.
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Selbstverständlich könnte die Maßnahme nach F i g. 5 auch bei der
einfacheren Begrenzungsschaltung nach F i g. 1 verwendet werden, d. h., die Transistoren
11 und 11' könnten weggelassen werden, die untere Ausgangsklemme 9
könnte mit den Emittern der Transistoren 6 und 6' verbunden und der Widerstand 10
könnte kurzgeschlossen werden. Die Begrenzungswirkung würde dabei wieder lediglich
auf einer zusätzlichen, bei zunehmender Spannung schroff zunehmenden Belastung beruhen.