DE1513491B2

DE1513491B2 - Schaltung zur begrenzung hoher gleichspannungen

Info

Publication number: DE1513491B2
Application number: DE19651513491
Authority: DE
Inventors: Josef DipL-Ing. 8000 München Preis
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1965-07-16
Filing date: 1965-07-16
Publication date: 1971-10-28
Also published as: DE1513491A1; CH452666A; DK134577C; AT263944B; JPS4525947B1; DK134577B

Description

Bei Konstantstromquellen oder Gleichspannungsquellen mit hohem Innenwiderstand, die z. B. zur Fernstromversorgung von Nachrichtenübertragungsstrecken mit Transistorverstärkern verwendet; werden, nimmt die Ausgangsspannung bei plötzlicher Vergrößerung des Lastwiderstandes sehr hohe Werte an. Diese Störung kann z. B. bei Streckenunterbrechung auftreten und dazu führen, daß die zum Schutz vorgesehenen Überspannungsableiter zünden.

Es ist bereits bekannt, die Ausgangsspannung in einfacher Weise durch Z-Dioden zu begrenzen. Das Ansprechen von Überspannungsableitern könnte auf diese Weise verhindert werden.

Zur Begrenzung hoher Gleichspannungen in der Größenordnung von 10² bis 10³ V müssen mehrere Z-Dioden in Reihenschaltung verwendet werden. Je größer die Summen- bzw. Zenerspannung einer Kette von Z-Dioden gewählt wird, um so stärker treten Zenerspannungstoleranzen der Z-Dioden, ihr Temperaturgang sowie ihr dynamischer Innenwiderstand nachteilig in Erscheinung. Diese Abhängigkeit hat zur Folge, daß ein enger Toleranzbereich von nur wenigen Prozenten bei hohen Summenzenerspannungen U₂ ohne zusätzliche Maßnahmen nicht eingehalten werden kann.

Die Summenzenerspannung U₂ einer Serienschaltung von Z-Dioden kann ebenso wie die Zenerspannung jeder einzelnen Diode der Hintereinanderschaltung in einem Streubereich um ± 10% schwanken. Da hohe Grenzspannungswerte im allgemeinen enger toleriert sind, muß eine entsprechende Z-Diodenkette auch Dioden niederer Zenerspannung zusätzlich enthalten, damit sie bei einem bestimmten Zenerstrom auf die gewünschte Grenzspannung U₂ abgeglichen werden kann. Anderenfalls müssen ausgesuchte Dioden verwendet werden.

In einer Z-Diodenkette für hohe Grenzspannungswerte U₂, z. B. 500 V, werden zweckmäßig Dioden mit möglichst hoher Zenerspannung (z. B. 150 V) eingesetzt, damit die Anzahl der hintereinandergeschalteten Dioden gering bleibt. Mit zunehmendem Zenerspannungswert der Dioden steigt jedoch auch deren Temperaturkoeffizient an, so daß im Mittel mit einem Temperaturkoeffizienten von + 1O~³/⁰ C gerechnet werden muß. Damit ergibt sich z. B. für U₂ = 500 V bei einer Erhöhung der Umgebungstemperatur von At = 40° C eine Erhöhung des Grenzwertes um

U₂-At-10-3 = 500 · 40 · ΙΟ-» = 20 V,

wenn man den gleichen Wert des Zenerstromes zugrunde legt, bei dem die Serienschaltung abgeglichen worden ist.

Dieser Nachteil läßt sich vermeiden, wenn man entweder die Kette mittels eines Thermostaten auf konstanter Temperatur hält oder viele Dioden niederer Zenerspannung (z. B. 6-V-Dioden) verwendet, die im Mittel einen wesentlich kleineren Temperaiurgang haben.

Bei einer Reihenschaltung von Z-Dioden ergibt sich dadurch, daß sich die dynamischen Innenwiderstände der einzelnen Dioden addieren und in der Summe einen beachtlichen Wert ergeben, ein weiterer Nachteil. Ein Anstieg des Zenerstromes über mehr als eine Größenordnung, der z. B. bei zu hochohmigem Abschluß einer mit einer Z-Diodenkette zur Spannungsbegrenzung beschalteten Konstantstromquelle auftreten kann, bewirkt deshalb eine erheb- < liehe Erhöhung der Zenerspannung U₂ der Kette.

Gemäß der Erfindung werden diese Nachteile mit einem relativ geringen Aufwand dadurch vermieden, daß in Abhängigkeit von der Spannungserhöhung an der Z-Diodenkette über den Sollwert hinaus ein elektronisch gesteuerter Nebenschluß zu einem Teil der Z-Diodenkette gebildet wird, indem die Kollektor-Emitter-Strecke eines vom Sperrzustand auf Verstärkerbetrieb übergehenden Transistors einer Z-Diode oder mehreren Z-Dioden parallel geschaltet ist.

An Stelle einer Diodenkette kann gegebenenfalls auch eine einzige Z-Diode entsprechender Zenerspannung verwendet werden. Der durch den in Verstärkerbetrieb arbeitenden Transistor gebildete Nebenschluß entlastet die geshuntete Z-Diode von einem Teil des Stromes in der Z-Diodenkette, wodurch deren Zenerspannung absinkt, wenn die Summenzenerspannung über den Sollwert hinaus ansteigen will.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird der den Nebenschluß bildende Transistor mit Hilfe eines zweiten Transistors gesteuert, der seinerseits die Steuerspannung von der Brückendiagonale einer aus zwei Spannungsteilern bestehenden Brückenvergleichsschaltung bezieht, der die Z-Diodenkette parallel geschaltet ist.

Der Nebenschlußtransistor kann in einer vereinfacht ausgeführten Schaltung auch unmittelbar von einem der Z-Diodenkette parallelgeschalteten Spannungsteiler gesteuert werden.

Eine weitere, besonders vorteilhafte Schaltung mit größerer Regelgenauigkeit wird durch Anwendung eines mit dem Nebenschlußtransistor in Verbund geschalteten Transistor erhalten, der von einem der Z-Diodenkette parallelgeschalteten Spannungsteiler gesteuert wird. Zur weiteren Verbesserung der Regelgenauigkeit der Schaltung können in einem Zweig des Spannungsteilers eine oder mehrere Z-Dioden verwendet werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der F i g. 1 bis 3 näher erläutert.

In F i g. 1 ist eine Spannungsbegrenzerschaltung dargestellt, in der die Z-Diodenkette mit einer Brükkenvergleichsschaltung kombiniert ist. Die Spannungsquelle mit hochohmigem Widerstand, deren Ausgangsspannung bei plötzlicher Änderung des Lastwiderstandes R_L begrenzt werden soll, ist mit E, Ri bezeichnet. Bei hohen Betriebsspannungen, z.B. 500V, ist eine Reihenschaltung von mehreren Z-Dioden Zl bis Zn erforderlich. Die Diodenkette liegt parallel zum Lastwiderstand R_L.

Die Brückenvergleichsschaltung besteht aus zwei Spannungsteilern mit den Widerständen R1 und R 2 bzw. R 3 und R 4 in Reihe mit einer Z-Diode ZB und aus einem Transistor, dessen Steuerkreis in der Brückendiagonale liegt. Die Z-Diode ZB dient der Erzeugung einer festen Bezugsspannung. Ihr dynamischer Innenwiderstand soll möglichst gering sein.

Die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Tl bildet einen steuerbaren Parallelwiderstand zum Widerstand R 3 des zweiten Spannungsteilers der Brückenschaltung. Dieser Spannungsteiler ZB, R3 und R 4 bestimmt gleichzeitig die Basisspannung eines weiteren Transistors T 2, dessen Emitter-Kollektor-Strecke einen steuerbaren Nebenschluß zu einem Teil (Z 2) der Z-Diodenkette bildet. Die Begrenzerschaltung ist so bemessen, daß bis zur Zener-

Einsatzspannung, die bei kleinem Querstrom über die Z-Diodenkette auf den gewünschten Wert U₂ abgeglichen wird, der Transistor Tl sperrt. In diesem Zustand ist die Basis des npn-Transistors Γ2 so stark negativ, daß der Transistor gesperrt ist. Der von der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Γ 2 gebildete Nebenschluß ist dabei so hochohmig, daß die Z-Diode Z 2 zunächst voll wirksam ist. Will die Summenzenerspannung der Kette infolge der Temperaturabhängigkeit der Dioden oder infolge eines größeren Zenerstromes über die Einsatzspannung U₂ hinaus ansteigen, so wird der Transistor Tl leitend und der Widerstand R3 niederohmig überbrückt. Dadurch wird das Basispotential des Transistors TI angehoben, so daß er ebenfalls leitend wird. Es entsteht ein wirksamer Nebenschluß zur Z-Diode Z 2, so daß die Spannung an dieser Z-Diode so weit absinkt, daß die Gesamtspannung der Kette nahezu auf dem Einsatzwert U₂ bleibt. Auf diese Weise wird die Zenerspannung der Kette auf einen nahezu konstanten Wert geregelt, wobei die Regelgenauigkeit durch die Bemessung der Brückenvergleichsschaltung bzw. die Stromverstärkung der verwendeten Transistoren gegeben ist. Innerhalb des Arbeitsbereiches der Schaltung wird bei konstanter Umgebungstemperatur ohne weiteres eine Regelgenauigkeit von ±2% erreicht.

Der Arbeitsbereich der Schaltung ist durch die maximale Sperrspannung der Transistoren bestimmt, die den Nebenschluß zu einem Teil der Z-Diodenkette bilden. Er läßt sich beliebig erweitern, wenn die Begrenzerschaltung durch weitere Transistorpaare sinngemäß ergänzt wird. Übersteigt die durch den inneren Widerstand und den Temperaturgang der Z-Dioden gegebene Erhöhung der Summenzenerspannung die Einsatzspannung um Werte, die größer als der Arbeitsbereich der Regelschaltung sind, so tritt nur die Differenz nachteilig in Erscheinung.

Eine weitere, besonders vorteilhafte Begrenzerschaltung ist in F i g. 2 dargestellt. Soweit diese Schaltung mit derjenigen nach F i g. 1 übereinstimmt, sind gleiche Bezugszeichen verwendet. Die Begrenzerschaltung besteht hier aus einem Spannungsteiler, der von den Widerständen RIO bis R12 und den Z-Dioden Z_T gebildet wird, und zwei npn-Transistoren Γ 3 und Γ 4, die in Verbund geschaltet sind. Der Transistor Γ 3, dessen Basis mit dem Spannungsteiler verbunden ist, wird bei steigender Ausgangsspannung leitend gesteuert. Die Kollektor-Emitter-Strecke des nachfolgenden Transistors TA bildet dann einen Nebenschluß zur Z-Diode Z 2, wodurch die Spannung an Z 2 und damit an der ganzen Diodenkette reduziert wird.

Sowohl die Verwendung eines Verbundtransistors T 3 als auch die Einschaltung einer oder mehrerer Z-Dioden Z₇ in den Spannungsteiler dienen der Verbesserung der Regelgenauigkeit. Jede dieser Maßnahmen kann auch allein zur Anwendung kommen.

Zur Erzielung einer möglichst genauen Steuerung des Nebenschlusses wird für die im Steuerkreis der Verbundtransistoren liegende Z-Diode Zl ein möglichst niedriger dynamischer Innenwiderstand gefordert. An Stelle der Z-Diode Zl kann mit gleichem Vorteil eine Diode mit niedrigem Durchlaßwiderstand in Durchlaßrichtung eingesetzt werden.

An Hand der F i g. 3 wird der Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen Begrenzerschaltung B erläutert. Die Schaltung nach Fig. 3 zeigt, daß die Begrenzerschaltung B nur dann ansprechen kann, wenn die Spannung des Generators E größer ist als die Einsatzspannung U₂. Wenn der Lastwiderstand R_L einen bestimmten Wert überschreitet, wird die Ausgangsspannung U_L in ihrer Höhe auf die Spannung U₂ begrenzt, wobei die Differenzspannung

E-U₂ = (J₂ + JJ-Ri

am Innenwiderstand Ri abfällt. Die Spannungsbegrenzerschaltung mit der beschriebenen Schaltung läßt sich also bei allen Spannungsquellen durchführen, bei denen die auftretende Differenzspannung E-U₂ an ihrem Innenwiderstand abfallen kann, ohne daß dabei die Z-Dioden überbeansprucht werden. Die Konstantstromgeräte als Spannungsquellen mit großem Innenwiderstand aufgefaßt werden können,

zo kann die Begrenzerschaltung vorteilhaft in solchen Geräten eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltung zur Begrenzung hoher Gleichspannungen unter Verwendung von einzelnen oder einer Reihenschaltung von mehreren Z-Dioden, die in Sperrichtung parallel zur Spannungsquelle angeordnet sind, dadurch g e kennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der Spannungserhöhung an der Z-Diodenkette über den Sollwert hinaus ein elektronisch gesteuerter Nebenschluß zu einem Teil der Z-Diodenkette gebildet ist, indem die Kollektor-Emitter-Strecke eines vom Sperrzustand auf Verstärkerbetrieb übergehenden Transistors (Γ2) einer Z-Diode (Z 2) oder mehreren Z-Dioden parallel geschaltet ist (Fig. 1).

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der den Nebenschluß bildende Transistor (T 2) mittels eines zweiten Transistors (T 1) gesteuert ist, dessen Steuerspannung von der Brückendiagonale einer aus zwei Spannungsteilern bestehenden, de?Z-Diodenkett©(Zl-Zn) parallelgeschalteten Brückenvergleichsschaltung abgeleitet ist (F i g. 1).

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenschlußtransistor (Γ4) unmittelbar von einem zur Z-Diodenkette parallelgeschalteten Spannungsteiler (/?10, All, R12, Z₇-) gesteuert ist (F i g. 2).

4. Schaltung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem Nebenschlußtransistor (Γ4) in Verbund geschalteter Transistor (T 3) vorgesehen ist, der von einem der Z-Diodenkette parallelgeschalteten Spannungsteiler gesteuert ist (F i g. 2).

5. Schaltung nach Anspruch 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Zweig des Spannungsteilers eine oder mehrere Z-Dioden (Z₇-) eingeschaltet sind (F i g. 2).

6. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Z-Diodenkette mehrere Nebenschlußtransistoren parallel geschaltet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen