DE1144819B - Vorrichtung zur Verlustbegrenzung in einem Spannungsregler mit Transistoren - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

kl. 21 c 67/70

INTERNATIONALE KL.

H02j;G05f

S63858Vmb/21c

ANMELDETAG: 10. JULI 1959

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT: 7. MÄRZ 1963

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur selbsttätigen Begrenzung der Verluste in einem Reihentransistor einer Gleichstromregeleinrichtung von bekannter Bauart, bei der der Belastungsstrom über den Reihentransistor fließt und die einen Verstärker zur Steuerung des Reihentransistors umfaßt. Der Eingang dieses Verstärkers ist mit der Belastung verbunden und steuert den Reihentransistor derart, daß die Spannung an der Belastung im wesentlichen unabhängig von Belastungsänderungen wird und die Speisequelle allein in einem bestimmten Verhältnis zu einer Bezugsspannung aus einer Gleichspannungsquelle steht, die in den Verstärker eingeschaltet ist. Dieses Verhältnis ist durch bestimmte Widerstände in dem Verstärker festgelegt, von denen wenigstens einer so veränderbar ist, daß die Belastungsspannung mit Hilfe dieses Widerstandes auf einen bestimmten Wert innerhalb sehr weiter Grenzen eingestellt werden kann.

In dem Reihentransistor stellt sich ein Spannungs- ao abfall ein, der gleich der Differenz zwischen der Speisespannung und der Belastungsspannung ist. Wenn die Belastungsspannung ohne gleichzeitige Änderung der Speisespannung geändert wird, kann die an dem Reihentransistor liegende Spannung sehr hohe Werte annehmen, und die Verluste in dem Reihentransistor, das ist das Produkt dieses Spannungsabfalles mit dem Belastungsstrom, können sehr hoch werden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Mittel zur selbsttätigen Begrenzung dieser Verluste vorzusehen.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung enthält einen Differenzkreis zum Vergleich der an dem Reihentransistor hegenden Spannung mit einer Bezugsgleichspannung und Mittel, die auf die Differenzspannung ansprechen, um eine Stelleinrichtung zu steuern, die mit geringen Verlusten bei Regulierung der Speisespannung arbeitet, so daß Änderungen der Belastungsspannung zu entsprechenden Änderungen der Speisespannung führen.

Die Erfindung wird im folgenden mehr ins einzelne gehend beschrieben. In der Zeichnung sind der Stand der Technik und die erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, und zwar zeigt

Fig. 1 einen Schaltplan einer herkömmlichen Gleichspannungsreguliereinrichtung mit Transistoren,

Fig. 2 einen Schaltplan derselben Einrichtung, die gemäß der Erfindung abgewandelt worden ist,

Fig. 3 einen Schaltplan einer praktischen Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 4 einen Schaltplan einer weiteren praktischen Ausführungsform der Erfindung.

Vorrichtung zur Verlustbegrenzung in einem Spannungsregler mit Transistoren

Anmelder: Svenska Reläfabriken AB, Stockholm

Vertreter: Dipl.-Ing. H.Leinweber, Patentanwalt, München 2, Rosental 7

Beanspruchte Priorität: Schweden vom 29. August 1958 (Nr. 8107)

Bengt-Gunnar Magnusson, Stockhohn, ist als Erfinder genannt worden

Der in Fig. 1 dargestellte Stromkreis enthält einen Transformator T, einen Gleichrichter L, zwei Transistoren Ql und Ql, WiderständeR1, Rl und R3, Gleichstromquellen El und El, die konstante Bezugsspannungen liefern, und eine Belastung RB.

Ql ist der Reihentransistor, durch den der Belastungsstrom fließt. Der Transistor Q1, die Widerstände i?l, Rl und i?3 sowie die Spannungsquellen El und El bilden einen Steuerverstärker, der den Reihentransistor β 2 regelt. Bei einer hohen Verstärkung der Transistoren öl und Ql ist die an der Belastung liegende Spannung ungefähr gleich der Bezugsspannung von der Quelle El multipliziert mit dem Verhältnis des Widerstandes R1 zu dem Widerstand Rl. Der Widerstand Rl ist handverstellbar, und hierdurch kann die Belastungsspannung auf jeden gewünschten Wert innerhalb eines gewissen Spannungsbereiches, beispielsweise von 0 bis 50 Volt, eingestellt werden.

Die Speisequelle gemäß Fig. 1 besteht aus dem Gleichrichter L, dem über den Transformator T Wechselstrom zugeführt wird. An dem Kollektor-Emitter-Zweig des Transistors Ql liegt eine Spannung, die im wesentlichen gleich der Differenz zwischen der Ausgangsspannung des Gleichrichters L und der an der Belastung RB liegenden Spannung ist. Wenn die Belastungsspannung auf einen niedrigen Wert eingestellt worden ist, so daß diese Differenz

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groß ist, fet folglich die Verlustleistung in dem Tran- gebildet ist, durchgelassen wird. Gemäß den bekann-

sistorß2 sehr hoch, ten Charakteristiken von Zenerdioden ist die an den

Ein bekanntes Verfahren zur Verringerung der Dioden D11 und D12 liegende Spannung konstant

Leistung in der Einrichtung gemäß Fig. 1 besteht und unabhängig von dem durch sie hindurchfließen-

darin, die Speis|quelle' mit einem handbedienbaren 5 den Strom. Die Dioden D11 und D12 bilden auf

Stellglied zu versehen, z. B. einem kontinuierlich ver- diese Weise eine Quelle konstanter Bezugsspannung

stellbaren Spartransformator, der an die Primärwick- entsprechend El in Fig. 2.

lung des Transformators T angeschlossen ist und Der Transistor β S ist der Reihentransistor ent-

dessen Steuerglied mechanisch mit dem des veränder- sprechend β 2 in Fig. 2. In dieser Ausführungsform

liehen Widerstandes R 2 so verbunden ist, daß sich io wird der Reihentransistor Q 5 jedoch nicht direkt von

die Speisespannung ebenso wie die Belastungsspan- dem Steuerverstärkertransistor β 3 gesteuert, sondern

nung in gleicher Weise ändern, wenn die Steuermittel von dem zwischenliegenden Transistor Q 4, der in

bedient werden. Diese Anordnung führt jedoch nicht Reihe mit dem Transistor β S geschaltet ist. Der

zu einer völlig zufriedenstellenden Verringerung der Transistor β 4 verstärkt den Steuerstrom für den

Leistungsverluste und ist vergleichsweise teuer. 15 Transistor β 5 so, daß eine bessere Steuerwirkung

Ein wirksameres Mittel zur Verringerung der Ver- erzielt wird.

luste in dem Reihentransistor wird durch die vorlie- Ein Meßinstrument / in Verbindung mit Widergende Erfindung, die schematisch in Fig. 2 veran- ständen R11 und i?12 und ein Schalter 52 sind in schaulicht ist, zur Verfugung gestellt. Die Vorrich- den Ausgangskreis so eingeschaltet, daß das Instrutung enthält einen Differenzkreis D zum Vergleich des 20 ment die an der Belastung liegende Spannung oder Spannungsabfalls in dem Transistor β 2 mit der kon- den durch die Belastung fließenden Strom je nach stanten Spannung aus der Gleichstromquelle E 2 und der Lage des Schalters 52 mißt, zur Lieferung einer Ausgangsspannung, die gleich Die Ausgangsleistung wird von einem Doppelwegoder proportional der Differenz dieser beiden Span- gleichrichter geliefert, der die Dioden Dl und Dl nungen ist. Diese Differenzspannung wird in dem 25 enthält, welche an einer Sekundärwicklung des TransVerstärker F verstärkt und einem Stellglied zur Regu- formators Tl angeschlossen sind. Ein Leistungstranlierung der EMK der Speisespannungsquelle züge- sistorß8 ist mit dem Emitter-Kollektor-Zweig in führt. In Fig. 2 ist die Speisespannungsquelle sehe- Reihe mit dem Belastungskreis des Gleichrichters matisch als EMKE mit einem Innenwiderstand Ri Dl-D 2 geschaltet. Der Transistor β 8 wird durch dargestellt, und das Stellglied ist durch den Pfeil 30 Ausgangsimpulse von einem Verstärker gesteuert, der durch E veranschaulicht. Die verstärkte Ausgangs- die Transistoren β 6 und β 7 enthält, so daß der spannung von D dient als Steuerspannung für das ' Transistor β 8 abwechselnd abgetrennt oder leitend Stellglied. Wenn die Belastungsspannung geändert gemacht wird. Der Transistor β 8 wirkt auf diese wird, strebt die Spannung an dem Reihentransistor Weise als ein Zerhacker oder Schalter, der abwechß2 danach sich zu ändern und somit auch die Diffe- 35 selnd den Belastungsstromkreis öffnet und schließt, so renzspannung von D. Die Änderung der Ausgangs- daß der Ausgang von dem Leistungsgleichrichter spannung von D betätigt das Stellglied. Dadurch wird Dl-D2 in Impulse zerhackt wird. Diese Impulse die Speisespannung auf eine solche Weise geändert, werden durch geeignete Filterglieder geglättet, die den daß die Veränderung der Spannung an dem Reihen- Widerstand Rl und den Kondensator C1 zur Hertransistor entgegengerichtet ist. Auf diese Weise an- 40 stellung einer gleichförmigen Gleichspannung entdert sich die Spannung an dem Reihentransistor nur halten. Der Wert dieser Spannung ist abhängig von geringfügig, sogar in dem Fall, daß große Ände- dem Ein-zu-Aus-Verhältnis des Schalttransistors β 8, rungen der Belastungsspannung auftreten. Die Vor- d. h. dem Verhältnis der Intervalle, während denen richtung ist vorzugsweise so ausgelegt, daß die am der Transistor leitend ist, zu den Intervallen, während Reihentransistor liegende Spannung ungefähr gleich 45 denen der Transistor abgetrennt ist. Dieses Verhältder Spannung von der Bezugsspannungsquelle El nis wird durch den Wiederholungsbetrag und die wird. Breite der Steuerimpulse bestimmt, die von dem

Das Stellglied sollte natürlich von einer derartigen Transistor β 7 dem Transistor β 8 zugeführt werden. Bauart sein, daß es mit Meinen Verlusten arbeitet, Wie sich aus der folgenden Beschreibung ergeben damit die Verringerung der Verluste in dem Reihen- 50 wird, ist der Wiederholungsbetrag ein ganzes Vieltransistor nicht durch die Verluste in dem Stellglied faches der Frequenz der dem Transformator Tl geaufgehoben wird. Geeignete Stellglieder für den lieferten Wechselspannung, während der Breite der Zweck der Erfindung können von der Zerhackerbau- Impulse von der an dem Transistor β 5 liegenden form oder der magnetischen Bauform sein. Spannung abhängig ist.

Fig. 3 ist ein Schaltplan für eine Ausführungsform 55 Die erforderlichen Arbeitsspannungen für die Trangemäß der Erfindung mit einem Stellglied des elek- sistorenßö und β 7 werden von Gleichrichtgliedern Ironischen Zerhapkertyps. Die Gleichstromausgangs- mit den DiodenD4, DS, D6 und D7 geliefert, die klemmen sind auf der rechten Seite der Figur zu an eine zweite Sekundärwicklung des Transformators sehen und mit Plus- und Minuszeichen bezeichnet. Tl angeschlossen sind.

Der Transistor β 3 ist der Steuerverstärkertransistor 60 Ein Doppelweggleichrichter mit den Dioden DS

entsprechend dem Transistor ßl in Fig. 2. Der und D9, die an eine dritte Sekundärwicklung des

Widerstand R17 ist der veränderliche Widerstand, Transformators Tl angeschlossen sind, liefert eine

mit dessen Hilfe die Ausgangsspannung auf den ge- pulsierende Gleichspannung über einen Spannungs-

wünschten Wert eingestellt werden kann. DIl und teiler, der aus den WiderständenR8 und R9 besteht.

D12 sind zwei in Reihe geschaltete Zenerdioden, 65 Derselbe Gleichrichter lädt sich zusammen mit der

durch die der Gleichstrom von einer Gleichstrom- Gleichrichterdiode DlO ebenfalls den Kondensator

quelle, welche durch die Gleichrichterdioden D 3 und C 5 auf. An dem Kondensator C 5 ist auf diese Weise

eine Sekundärwicklung auf dem Transformator Tl eine gleichförmige Spannung vorhanden, mit der in

der Figur angegebenen Polarität, die als Bezugsspannung dient entsprechend derjenigen, die durch die Bezugsspannungsquelle £2 in Fig. 2 geliefert wird. Die Basiselektrode des Transistors β 6 ist mit der Verbindungsstelle der Widerstände R 8 und R 9 verbunden, und der Emitter des Transistors Q 6 ist an den Kollektor des Transistors QS geschaltet. Das Potential der Basis des Transistors Q 6 in bezug auf den Emitter desselben Transistors ist gleich der pulsierenden Spannung an dem Widerstand R 9 zuzüglich der Differenz zwischen der Spannung an dem Transistor β 5 und der Spannung an dem Kondensator C 5. Die letztere Spannung wird etwas größer gewählt als die normale Spannung an dem Transistor QS₁ und folglich ist diese Differenz negativ. Die Maximalamplitude der an dem Widerstand R9 liegenden pulsierenden Spannung ist größer als diese Differenz, und deshalb wechselt das Potential der Basis des Transistors β 6 in bezug auf seinen Emitter während jeder Halbperiode der dem Transformator Tl zugeführten Wechselspannung seine Polarität zweimal. Am Anfang und am Ende jeder Halbperiode ist die Polarität negativ und während eines dazwischenliegenden Intervalls positiv. Solange dieses Potential negativ ist, ist der Emitter-Kollektor-Zweig des Transistors β 6 leitend, wogegen, wenn das Potential positiv ist, der Transistor abgeschaltet ist. Folglich entstehen am Ausgang des Transistors β 6 Impulse, die durch den Transistor β 7 verstärkt und zur Steuerung der Schaltung dem Transistor β 8 zugeführt werden.

Da das Basis-Emitter-Potential des Transistors β 6 eine nichtrechtwinklige Wellenform besitzt, sind die Zeitpunkte, zu denen diese Änderung der Polarität eintritt, abhängig von der an dem Transistor β 5 liegenden Spannung. Unter der Voraussetzung, daß die Spannung an dem Transistor β 5 zunimmt, während die Spannung an dem Kondensator C 5 konstant bleibt, werden die Intervalle, während denen dieses Potential positiv ist, verlängert, während die negativen Intervalle entsprechend verkürzt werden. Folglich ist die Länge der Steuerimpulse, die dem Schalttransistor β 8 zugeführt werden, verkürzt, wodurch das Ein-zu-Aus-Verhältnis des Transistors β 8 verkleinert ist. Dies führt zu einer Verringerung der gesamten Ausgangsspannung des Speisegleichrichters Dl-D 2.

Das Anwachsen der Spannung an dem Reihentransistor β 5, das durch die Verringerung der Belastungsspannung hervorgerufen wird, ist deshalb mäßig, selbst wenn die Belastungsspannung um einen großen Betrag gesenkt wird.

Fig. 4 ist ein Schaltplan einer Ausführungsform gemäß der Erfindung mit einem verlustbegrenzenden Regler, der magnetischen Bauart. Das Stellglied enthält einen Transduktor TR bzw. gleichstromvormagnetisierte Drosselspulen, deren Wicklungen in Reihe mit den Klemmen der Sekundärwicklung des Speisetransformators T 2 und den Gleichrichterdioden D 20 und D 21 geschaltet sind. Die Ausgangsspannung von dem durch die Dioden D 20 und D 21 gebildeten Doppelweggleichrichter wird durch ein Filter geglättet, das den Widerstand J? 20 und den Kondensator C 20 enthält.

Die Gleichstromwicklungen des Transduktors TR liegen in Reihe mit dem Ausgang eines Gleichstromverstärkers F 2. Die an den Eingang des Verstärkers F 2 gelegte Spannung ist die Differenz zwischen der Bezugsspannung aus der Spannungsquelle E 22 und der Spannung an dem Reihentransistor β 22. Die Bezugsspannung von E 22 ist in bezug auf die normale Spannung an dem Transistor β 22 so gewählt, daß, wenn die letztere Spannung ansteigt, der Ausgangsstrom des Verstärkers F 2 verringert wird. Hierdurch wird die Impedanz der Wechselstromwicklungen des Transduktors TR erhöht und die Ausgangsspannung des Gleichrichters D 20-D 21 folglich verringert, so daß der Erhöhung der Spannung an dem Transistor β 22 entgegengewirkt wird.

Der Verstärker F 2 kann von jeder herkömmlichen Bauart sein, beispielsweise ein Transistorverstärker, der die notwendigen Arbeitsspannungen von einem Gleichrichter erhält, welcher von einer Zusatzwicklung auf dem Transformator Γ 2 gespeist wird.

Die notwendigen Bezugsspannungen, die durch £21 und E 22 in Fig. 4 bezeichnet sind, können auf gleiche Weise wie in der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform erhalten werden, d. h. mit Hilfe von Zenerdioden und des Kondensators, der an die Gleichrichter angeschlossen ist, welche von dem Speisetransformator gespeist werden.

Die vorbeschriebenen Ausführungsformen sind nur beispielsweise angegeben und können auf mancherlei Weise innerhalb des Erfindungsgedankens abgewandelt werden.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Vorrichtung zur selbsttätigen Begrenzung der Leistungsverluste in dem Reihentransistor einer Gleichstromregeleinrichtung, bei der der Belastungsstrom über den Reihentransistor fließt und die einen Verstärker umfaßt, der auf bekannte Weise den Reihentransistor steuert, so daß die Belastungsspannung im wesentlichen unabhängig von Belasrungs- und Speisespannungsänderungen wird, und der Mittel zur Einstellung der Belastungsspannung auf jeden gewünschten Wert innerhalb gewisser Grenzen umfaßt, ge kennzeichnet durch einen Differenzkreis zum Vergleich der an dem Reihentransistor anliegenden Spannung mit der Spannung einer Gleichstromquelle, die die Bezugsspannung abgibt, und eine mit geringen Verlusten arbeitende Stelleinrichtung, die durch die Differenzspannung des Differenzkreises gesteuert wird, um die Speisespannung so zu regeln, das Belastungsspannungsänderungen zu entsprechenden Änderungen der Speisespannung führen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verstärker zur Verstärkung der Differenzspannung vorgesehen ist, bevor sie der Stelleinrichtung zugeführt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinrichtung von der Zerhackerbauart ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinrichtung von der magnetischen Bauart ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2 751545, 2 819 352;
Siemens-Z., 31 (1957), S. 491 bis 497, Bild 8.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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