DE1293306B - Strombegrenzungszweipol - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Strombegren- durch noch erheblich erweitern, daß an Stelle des zungszweipol, dessen einer Anschluß über einen Feldeffekthalbleiters seinerseits ein Stromregelzwei-Widerstand mit dem Emitter und über einen Span- pol gesetzt wird, wie ihn der Erfindungsgegenstand nungsstabilisator mit der Basis eines Transistors ver- darstellt. Der im Basiskreis des Transistors vorbunden ist, dessen Kollektor unmittelbar und dessen 5 gesehene Spannungsstabilisator kann durch eine oder Basis weiterhin über eine Impedanz mit dem anderen mehrere in Reihe geschaltete Zener- oder Silicium-Anschluß des Zweipols verbunden sind. dioden gebildet werden.

Bei einer bekannten derartigen Strombegrenzer- Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der folgenden

schaltung ist diese Impedanz ein normaler Wider- Beschreibung in Verbindung mit den Darstellungen stand. Gegenüber der Verwendung eines einfachen _ί0 zweier Ausführungsbeispiele. Es zeigt

Transistors als Stromregler oder Strombegrenzer Fig. 1 eine Schaltung des erfindungsgemäßen

erhöht sich durch das Hinzufügen eines solchen Wider- Stromregelzweipols und

Standes zu einer Schaltung der eingangs genannten F i g. 2 eine zur Regelung eines höheren Stromes

Art die Höchstgrenze, bis zu welcher der Strom ge- geeignete Kaskadenschaltung unter Verwendung der regelt oder konstant gehalten werden kann. Da der 15 Schaltung nach Fig. 1.

Stromfluß durch einen Widerstand jedoch propor- Stromregelung im Amperebereich läßt sich mit tional der an ihm liegenden Spannung ist, sind die einem Zweipol (Fig. 1) mit vier verhältnismäßig Regeleigenschaften dieser bekannten Schaltung trotz kleinen Bestandteilen erreichen: einem Leistungsdes höheren Maximalstromes nicht sehr befriedigend. transistor 12, einem Widerstand 13, einer Niedrig-Außerdem bedingt der Widerstand zusätzliche Ver- 20 spannungszenerdiode 14 oder gleichwertigen Vorluste in der Regelschaltung selbst. richtung und einem Feldeffekt-Halbleiterbauelement Als Stromregelelemente sind ferner Feldeffekthalb- 15, das den Strom bis auf wenige Milliampere genau leiter bekannt, deren waagerecht verlaufender Teil regelt. Dieses letzte Erfordernis erfüllt beispielsweise der Stromspannungskennlinie für die Konstanthaltung ein Feldeffekttransistor, dessen Steuerelektrode mit eines Stromes ausgenutzt wird. Der Regelbereich 25 der Quelle verbunden ist, oder ein Strombegrenzer, derartiger Halbleiter ist jedoch nur begrenzt und wie er in dem Aufsatz von R. M. Warner jr. u. a.: reicht für viele Anwendungsfälle nicht aus. »A Semiconductor Current Limiter«, Proc. IRE, Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung Bd. 47, Januar 1959, S. 44 bis 56, beschrieben ist. eines Stromregler- bzw. Strombegrenzerzweipols der In beiden Fällen wirkt die Vorrichtung als Stromeingangs genannten Art, der jedoch in einem weiten 30 begrenzer und soll eine niedrige Knickspannung Bereich eine wesentlich bessere und außerdem ver- haben, da dieser Parameter die Spannungsgrenze lustfreiere Regelung ermöglicht. Derartige Strom- erniedrigt, bei der die Regelung durch die Vier-Teileregler werden beispielsweise bei Rechenmaschinen Schaltung beginnt. Eine besondere Ausführungsform benötigt, bei denen Ströme außerordentlich genau der Schaltung mit ihrer J-F-Charakteristik ist nachvon einem räumlich möglichst kleinen Regler kon- 35 stehend beschrieben.

stant gehalten werden müssen, der außerdem nur Bei Weglassen des Feldeffekttransistors oder angeringe Verluste und damit nur eine geringe Wärme- deren Strombegrenzers gemäß F i g. 1 ergibt sich entwicklung mit sich bringt. eine bekannte Schaltung, wie sie zur Stromregelung Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei der bis auf wenige Milliampere weitverbreitete Anwendung erwähnten Schaltung als Impedanz ein Feldeffekt- 40 findet. Die obere. Stromgrenze ist in diesem Falle Strombegrenzer, beispielsweise in Form eines Feld- etwa β · I_Cbo< wobei β die Gleichstromverstärkung effekttransistors, benutzt wird. Bei richtiger Wahl in Emitter-Grundschaltung und I_CB0 der Kollektordes Arbeitspunktes dieses Feldeffekttransistors sind Basis-Rückstrom ist. Der Strombegrenzer kann als die Änderungen des ihn durchfließenden Stromes um Quelle von zusätzlichem Kollektor-Rückstrom beeinige Größenordnungen geringer als die Änderungen 45 trachtet werden mit einem Stromwert I_D, wodurch der an ihm liegenden Spannung. Die Regeleigenschaf- die Grenze des geregelten Stromes auf etwa β · I_D ten werden durch diese Maßnahme gegenüber der gehoben wird. Es wird betont, daß die Wahl der bekannten Schaltung ganz erheblich verbessert. Ins- Werte des Widerstandes 13 und des Spannungsbesondere wird der Regelbereich erheblich erweitert, Stabilisators 14 den Strom bestimmt, bei dem die so daß die erfindungsgemäße Schaltung auch noch 50 Regelung tatsächlich stattfindet, während β ■ I^D die bei hohen Strömen sehr gut regelt, und die in der obere Begrenzung darstellt.

Schaltung selbst entstehenden Verluste werden stark Der Betrieb der Schaltung ist wie folgt: Die Spanherabgesetzt, nung an dem Widerstand 13 wird verhältnismäßig Zur Konstanthaltung von Spannungen ist zwar eine konstant auf einem Wert gehalten, der gleich der kon-Schaltung bekannt, die der eingangs besprochenen 55 stanten Spannung der Zenerdiode 14 abzüglich des Schaltung recht ähnlich ist und bei der die Impedanz verhältnismäßig konstanten Spannungsabfalles an durch einen dem ersten Transistor komplementären dem Emitter des Leistungstransistors 12 ist. Die zweiten Transistor gebildet wird; jedoch erfordert Zenerdiode muß selbstverständlich die Spannung diese Schaltung noch weitere Bauelemente, so daß auf einen höheren Wert als dem Spannungsabfall sie in Anbetracht der ohnehin nur wenigen Bau- 60 an dem Emitter des Leistungstransistors halten, elemente der erfindungsgemäßen Schaltung verhält- Somit können eine oder mehrere in Reihe geschaltete nismäßig aufwendig ist. Außerdem ist diese Schaltung Siliciumdioden statt der Zenerdiode in einer einen nicht zum Konstanthalten von Strömen geeignet. Germanium-Leistungstransistor aufweisenden Schal-• Eine Erweiterung des Regelbereichs der erfindungs- tung verwendet werden. Da die Spannung an dem gemäßen Schaltung nach kleineren Strömen zu wird 65 Widerstand 13 konstant ist, ist der Emitterstrom I_E ermöglicht, wenn der Emitterwiderstand des Tran- konstant. Der Kollektorstrom ist dann α · I_E + l_CB0, sistors veränderbar gemacht wird. Nach oben zu wobei α die Gleichstromverstärkung in Basisgrund- läßt sich der Stromregelbereich beispielsweise da- schaltung ist. I₂ ist der Strom durch die Zenerdiode

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und I₀ der Strom durch den Strombegrenzer. Der Ge- dert Ohm erforderlich. Dadurch wird der dynamische samtstrom in der Schaltung ist gleich der Summe Widerstand des Stromreglers so begrenzt, als wäre der beiden Zweigströme an der oberen und auch an der Widerstand unmittelbar an die Anschlüsse des der unteren Grenze. Eine Gleichung dieser beiden Reglers gelegt. Die von dem Regler verbrauchte

Formeln für den Gesamtstrom ergibt 5 Energie nimmt ebenfalls infolge der I²R-Verluste im

ι -j +j \ A. τ — r + ι — ι (u Widerstand zu. Die Zenerdiode ist kein idealer Span-

(u /■ ceo) D-E ζ — ■ (I nungsstabilisator (insbesondere die Niederspannungs-·

Damit ist typen), so daß die größeren Schwankungen im Strom-

T,j _ j fuß durch die Zenerdiode, die sich durch Verwendung

I₁,. = —2——^ —. (2) ίο des Widerstandes ergeben, zu größeren Spannungs-

¹ ~ ^α Schwankungen an der Emitterverbindung führen,

wodurch die Reglerfähigkeit der Schaltung weiter

Einsetzen dieser Formel in die linke Seite der For- herabgesetzt wird. Da der Emitterstrom des Transi-

mel(l) ergibt für den Gesamtstrom stors sich exponentiell mit der Spannung verändert,

_u 15 ist diese Beeinträchtigung ziemlich bedeutend. Alle

/ = -j (I_D +1_CB0 — I_z) + I_D H- Icbo ■ (3) diese Wirkungen werden verstärkt, wenn Regelung bei

~~ ^a niedriger Spannung vorgenommen werden soll, da

Diese Gleichung gibt das Strommaximum an, bei dann eine Zenerdiode mit niedrigerer Spannung und dem die Schaltung regulieren kann, vorausgesetzt, daß ein Widerstand mit geringerem Wert verwendet wird, für I₂ das Stromminimum eingesetzt wird, bei dem 20 Die Anwendung der in Fig. 1 angegebenen Lödie Zenerdiode Spannung regeln kann. Um eine obere sung umfaßt auch eine Schaltung mit mehreren Tran-Grenze für / zu setzen, wird die Zenerdiode als Ideal sistoren, die sich für noch höhere Ströme eignet, angenommen, so daß I_z als gleich Null betrachtet Diese ist in Fig. 2 dargestellt, wo der innerhalb der werden kann. Dann ergibt sich aus (3) gestrichelten Linien liegende Abschnitt der Schal-

25 tung für die obere Grenze von etwa ßI_D der Strom-

Imax ⁼ Ud + IcBo)(ß + 1)· (4) regelung verantwortlich ist. Die Schaltung innerhalb

der gestrichelten Linien ersetzt den in Fig. 1 dar-

Wenn Icbo"^ ^d > was oft der Fall ist, dann ist gestellten Strombegrenzer bzw. das Feldeffekt-Halbleiterbauelement 15. Somit ist bei dieser Schaltung

I max — Id (ß + 1) ~ ßlß- (5) 30 die obere Grenze annähernd das Produkt der Strom

verstärkung des Leistungstransistors T₂ (12') und den

Da der geregelte Gesamtstrom / durch Erhöhen zur Kollektor-Basis-Strecke von T₂ parallel fließenden

von R oder Verringerung von V₂ fortlaufend unter den Strom, und daher wird die Stromgrenze auf etwa zulässigen Maximalwert verringert, nimmt der Strom I_max % ß₂ βχΙ_Β gehoben. So läßt sich durch Ver-

I₂ fortlaufend zu. Aus (2) ergibt sich 35 großem des parallel zur Basis-Kollektor-Strecke von

r _ / _n τ j. τ μ τ (f>\ T₂ fließenden geregelten Stromes eine Regelung in

ι ζ -\* i)i_E + i_DficBo W j_{edem gee}ig_neten Maß entsprechend den Strom-

^er ί_ί_ι\π/_τ/\ιΓιΓ ίπ\ kenn werten der Bauelemente erreichen. Wie vorher

ι ζ - (α i)(v_z ν _m) + 1 „ + 1_CB0, (I) _{ist Stromregelung} unterhalb des Maximalwertes durch

wobei V_BE der Basis-Emitter-Spannungsabfall im 40 Einstellung des in Reihe mit dem Emitter liegenden Transistor ist. Entsprechend läßt sich der geregelte Widerstandes 13' möglich.

Gesamtstrom in Grundparametern ausdrücken, wie Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen

der Erfindung arbeiten mit pnp-Transistoren. npn-

/ _ (^z ~ Vbe) ,J₊T (o\ Transistoren sind ebenfalls geeignet, wenn die PoIa-

— a β τ D τ CBO \ > _{45 r}j_tg_t (Jg₁. Anschlüsse des Reglers und diejenigen der

Zenerdiode und des Feldeffekt-Halbleiterbauelements und als Näherung der geregelte Strom umgekehrt werden.

Die Bestandteile der erfindungsgemäßen Schaltung

/ ~ (^z~ Vbe) , τ mv sind verhältnismäßig klein. Die Schaltung gemäß

~ R ^D' ⁽ ' 50 Fig. 1 läßt sich ohne weiteres in einem Gehäuse

unterbringen, das nur wenig größer ist als das zur

Daraus wird deutlich, daß der Strombegrenzer Unterbringung des · Kristallelementes des Flächeneinen zusätzlichen Strom liefert und nicht einen, der transistors erforderliche. Bei monolithischer intedurch andere Schaltungsparamter multipliziert ist. grierter Schalttechnik kann ein erfindungsgemäßer Ferner ist deutlich, daß durch Versehen eines ver- 55 Stromregler in einem Gehäuse untergebracht werden, änderlichen Widerstandes 13 sich ein variabler Strom- das nicht größer ist, als es zur Unterbringung von regler im Bereich unterhalb von β · I₀ erzielen läßt. Siliciumdioden der gleichen Leitung notwendig wäre. Durch Ersetzen eines Feldeffekt-Halbleiterbauele- Die erfindungsgemäßen Schaltungen sind leistungs-

ments durch einen Widerstand läßt sich ebenfalls die fähige Stromregler. Beispielsweise regelt die Aus-Grenze des geregelten Stromes heben. Jedoch läßt 60 führungsform gemäß Fig. 1 einen Strom von 1,3 A sich Hochstrom nicht gut mit einem Widerstand bis auf ±180mA genau im Bereich von 7 bis 50 V regeln, da der Stromfluß durch den Widerstand ge- bei Verwendung eines Leistungstransistors aus Gergenüber Spannungsveränderungen um mehrere Grö- manium mit einer Belastbarkeit von 65 W bei entßenordnungen stärker von Spannungsschwankungen sprechender Wärmeableitung und mit einem β von abhängig ist als bei einem Feldeffekt-Halbleiter- 65 100, einem epitoxialen Feldeffekttransistor, durch bauelement nach Erreichen von dessen ,Regel- oder den ein Strom J_n von 13 mA fließt, einem 5-Ohm-Knickspannung. Zur Stromregelung in der Nähe im Widerstand und einer Zenerdiode mit einer Durch-Amperegebiet wäre ein Widerstand von einigen hun- bruchsspannung von 6,8 V.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Strombegrenzungszweipol, dessen einer Anschluß über einen Widerstand mit dem Emitter und über einen Spannungsstabilisator mit der Basis eines Transistors verbunden ist, dessen Koilektor unmittelbar und dessen Basis weiterhin über eine Impedanz mit dem anderen Anschluß des Zweipcls verbunden sind, dadurch ge- ίο kennzeichnet, daß die Impedanz ein Feldeffekt-Strombegrenzer (15) ist.

2. Strombegrenzungszweipol nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (13) zur Einstellung des Stromregelbereichs veränderbar ist.

3. Strombegrenzungszweipol nach Anspruch Γ oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsstabilisator eine oder mehrere in Reihe geschaltete Zenerdioden (14) aufweist.

4. Strombegrenzungszweipol nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz ihrerseits als Strombegrenzungszweipol nach Anspruch 1 ausgebildet ist (Fig. 2).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen