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Schaltungsanordnung zur Konstanthaltung einer Ausgangsspannung Gegenstand
der Erfindung ist eine Schaltungsanordnung zur Konstanthaltung einer Ausgangsspannung
beim Anlegen stark unterschiedlicher Eingangsspannungen mit einem als steuerbarer
Widerstand wirkenden Längstransistor.
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Schaltungsanordnungen zur Konstanthaltung von Strömen oder Spannungen
mit Hilfe von Referenzdioden und Transistoren sind in vielen Varianten bekannt geworden.
Bei Spannungskonstanthaltern unterscheidet man grundsätzlich zwischen Schaltungen
mit einem parallel zur Last liegenden Leistungstransistor und Schaltungen,mit einem
als steuerbarer Widerstand wirkenden Leistungstransistor im Laststroskreis.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, Schaltungen der letztgenannten Art so
weiterzuentwickeln, daß sie beim Anlegen von im Verhältnis 1 : 10 oder gar 1 : 15
schwankenden Eingangsspannungen
eine konstante Ausgangsspannung
abgeben Die bisher bekanntgewordenen Spannungskonstanthalter sind dagegen lediglich
in der Lage, Spannungsschwankungen von etwa 20 bis 30 aus zu regeln.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird zunächst in Fig. 1 eine
bekannte Konstantstromquelle und in Fig. 2 eine bekannte Konstantspannungsquelle
beschrieben.
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In Fig. 1 sind mit D1 und D2 zwei in Reihe geschaltete Halbleiterdioden
bezeichnet, deren Summe der Spannungsabfälle in Durchlaßrichtung als Referenzspannung
dient. Diese Dioden bilden in Reihe mit einem Widerstand R1 einen ersten Spannungsteiler,
der mit den EinWangsklemmen E1 und K2 verbunden ist. Der Spannungsteiler wird von
einem Strom II durchflossen. Der Abgriff des Spannungsteilers liegt an der Basis
eines Transistors T7, dessen ritter über einen Widerstand R2 mit der Klemme K 1
und dessen Kollektor mit der Klemme K 2 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors
gibt einen Strom I2 ab, der konstant bleiben soll. Dies trifft jedoch nur für relativ
kleine Änderungen der i:ingangsspannung Ul su. Ändert sich nämlich die Eingangsspannung
U1 in weiten Grenzen, so ändert sich mit dem Strom I1 auch die Referenzspannung
an den Dioden D1,D2, deren gennlinie einen etwa logarithmischen Verlauf hat. Als
Folge davon schwankt die Spannung über dem Emitterwiderstand R2 des Transistors
T1 und damit auch der konstant zu haltende Ausgangsstrom I 2. Im Prinzip könnten
die Referenzdioden D1,D2
durch eine Zener-Diode mit geeigneter Durchbruchsspannung
ersetzt werden. Die Abhängigkeit des Ausgangsstromes I2 von der Eingangsspannung
U1 würde dadurch nur unwesentlich beeinflußt.
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Der Spannungskonstanthalter gemäß Fig. 2 besteht aus einem TZ -I Leistungstransistor
4N! in der Lastleitung, einem ersten Spannungsteiler R3, T3, D3 und einem zweiten
Spannungsteiler R4, P, R5. Der erste Spannungsteiler ist aus einem ohmschen Widerstand
R3, der Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors T3 und einer Zener-Diode D3
gebildet. Der zwischen dem Widerstand R3 und dem Kollektor eines Transistors T3
liegende Abgriff des Spannungsteiler ist mit der Basis des Transistors T2 verbunden.
Der zweite Spannungsteiler besteht aus den ohmschen Widerständen R4, R5 und einem
Potentiometer P, dessen Abgriff zur Basis des Transistors T3 geführt ist. Die Eingangsspannung
Ul liegt an den Klemmen K3 und K4, die Ausgangsspannung U2 an den Klemmen K5 und
EG.
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In dem ersten Spannungsteiler fließt ein Strom I3, der mit der Eingangsspannung
Ul ansteigt. Die Größe des Stromes I3 hängt außerdem von dem Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke
des Transistors T3 ab. Der Spannungsablall an der Kollektor-Emitter-Strecke des
Transistors T3 an durch Verstellung des Potentiometerabgriffes geändert werden.
Bei wachsender Eingangsspannung U1 erhöht sich der Spannungsabfall an den Widerstand
R3 und das Potential der Basis des Transistcrs T2 wird in negativer Richtung verschoben.
Dadurch erhöht sich der Kollektor-Emitter-Widerstand des Transistor T2 und die
an dieser Strecke abfallende Spannung. Der Transistor muß also
für eine Verlustleistung ausgelegt sein, die durch die Gleichung (U 1 max - U 2)
. I 4 gegeben ist.
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Ist das Verhältnis U 1 max - U 2 sehr groß, so kann der Strom U 1
min - U 2 I 3 Werte annehmen, die zu einer Zerstgrung des Transistors T 3 und der
Diode führen.
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Selbst wenn man jedoch Bauelemente mit sehr großen Verlustleistungen
verwenden würde, könnte die Spannung U 2 nicht mehr ausreichend konstant gehalten
werden, wenn die Eingangsspannung U 1 im Verhältnis 1 : io oder gar 1 : 15 schwankt.
Derart unterschiedliche Eingangsspannungen treten beispielsweise auf, wenn elektronische
Geräte oder Baugruppen ohne die Zwischenschaltung von Transformatoren oder Gleichspannungswandlern
wahlweise an eine der üblichen Betriebsspannungen von 24, 60, 11o oder 220 V angeschlossen
werden sollen. In diesem Fall kann die minimale Eingangsspannung bei 19 V und die
maximale Eingangsspannung bei etwa 2?0 V liegen. Bei 15 V Ausgangsspannung muß also
der Spannungsabfall in der Schaltung zwischen 4 und 255 V variiert werden können.
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Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einer Schaltungsanordnung
nach dem Gattungsbegriff in dem anderen Zweig des Spannungsteilers eine Konstantstromquelle
liegt, deren Strom durch einen zusätzlichen Widerstand weitgehend stabilisiert ist.
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Gemäß der weiteren Erfindung ist die Konstantstromquelle mit einem
zusätzlichen Transistor ausgerüstet, der bei zu großem Laststrom die Referenzspannung
verkleinert und dadurch den Laststrom auf ungefährliche Werte begrenzt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand von Fig. 3 der Zeichnung
erläutert. Sie zeigt eine Konstantspannungsquelle, die zugleich das Prinzip der
Schaltungen gemäß Fig. 1 und Fig.2 verwendet. Einander entsprechende Bauelemente
sind daher mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die Schaltung des Leistungstransistors T2, des Steuertransistors T3,
der Zenerdiode D3 und des Spannungsteiler R4, P, R5 ist die gleiche wie in Fig.
2. Die Basis des Transistors T 2 ist jedoch nicht mit einem Widerstand R3 verbunden,
sondern sie liegt stattdessen am Ausgang einesStromkonstanthalters, der einen Strom
I2 liefert. Dieser Stromkonstanthalter weist als steuerndes Element einen Transistor
T1 auf, in dessen Emitter-Leitung ein Widerstand R2 liegt. Die Basis dieses Transistors
ist mit einem Spannungsteiler verbunden, der aus den Dioden D1,D2 und dem Widerstand
R1 besteht. Um bei hohen Eingangsspannungen die Strombelastung des Transistors T1
gering zu halten, ist sein Emitter über einen Widerstand RE mit der Minusleitung
verbunden. Mit wachsender Spannung fließt also ein erheblicher Teil des Stromes
über den Widerstand R 6 ab. Dieser mit I 5 bezeichnete Strom trägt dazu bei, daß
die Konstanz des Stromes I 2 verbessert wird.
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Die Schaltung weist als weitere Bauelemente einen Widerstand R7 in
der Lastleitung und einen Transistor T4 auf, dessen Emitter-Eollektor-Strecke parallel
zu der Reihenschaltung aus dem Widerstand R tZund den Dioden D7, D2 angeordnet ist.
Die Basis dieses Transistors liegt an dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand
R und der Diode Dl. An dem niederohmigen Widerstand R $ fällt eine Spannung ab,
die dem Laststrom I4 proportional ist. Sobald diese Spannung einen bestimmten Wert
erreicht, wird der Transistor T 4 aufgesteuert, wodurch die Spannung zwischen dem
Pluspol der Speisespannungsquelle und der Basis des Transistors T 1 unter die durch
die Dioden Dd, D2 festgelegte Referenzspannung absinkt. Als Folge davon wird der
an sich konstant zu haltende Strom I 2 verkleinert'und der Transistor T 2 in einen
Bereich höheren Widerstandes hineinflesteuert. Der Laststrom wird damit automatisch
auf einen bestimmten Wert begrenzt. Die höhe dieses Granzwertes ist durch den Wert
des Widerstandes R7 vorgegeben.
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Die Erfindung ermöglicht eine wesentliche Verbilligung der Spannungsversorgung
von elektronischen Geräten, die wahlweise an verschieine Netzspannungen anschließbar
stein sollen.
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Darüber hinaus wird die Typenzahl und Lagerhaltung von Spannungsversorgungseinheiten
verringert. Die zusätzliche Einrichtung zur automatischen Strombegrenzung schützt
die Schaltung vor einer Beschädigung beim versehentlichen Anschließen von Verbrauchern
mit zu niedrigem Widerstandswert.
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6 Seiten Beschreibung 3 Patentansprüche 1 Blatt Zeichnung