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Überlastungsschutz für elektronisch stabilisierte Netäte- . Die Erfindung
bezieht sich auf einen Überlastungsschutz für elektronisch stabilisierte Netzgeräte
mit einem Transistor als regelbaren Serienwiderstand im Längszweig zwischen Stromquelle
und Verbraucher, insbesondere für Netzgeräte mit einer Ausgangsspannung über etwa
100 V.
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Transistoren sind bekanntlich sehr empfindlich gegen Überlastung.
Insbesondere bei der Verwendung von Transistoren als durch entsprechende Regelverstärker
gesteuerte regelbare Serienwiderstände bei elektronisch stabilisierten Netzgeräten
besteht die Gefahr der Überlastung und damit Zerstörung des Transistors, da bei
Kurzschluß der Ausgangsklemmen eines derartigen Netzgerätes die gesamte Speisespannung
der Stromquelle über der Kollektor-Emitter-und/oder über der Kollektor-Basis-Strecke
des Reihentransistors liegt. Derartige Überspannungen am Reihentransistor können
auch bereits beim Einschalten des Netzgerätes infolge des beim Aufladen von Siebkondensatoren
od. dgl. wirksamen Wechselstromkurzschlusses entstehen. Da beim Kurzschluß die den
Regelverstärker steuernde Differenzspannung (Ausgangsspannung minus Vergleichsspannung)
den Reihentransistor voll aufsteuert, wird dieser nicht nur mit der vollen Speisespannung,
sondern auch mit einem sehr hohen Kurzschlußstrom belastet und dadurch augenblicklich
zerstört, da selbst sehr, flinke Sicherungen nicht in dieser Schnelligkeit wirksam
werden können.
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Zur Lösung dieses Problems wurden bereits verschiedene Schaltungen
vorgeschlagen. So ist es beispielsweise bekannt, zum Schutz derartiger Reihentransistoren
parallel zu diesen eine Zenerdiode mit entsprechend bemessener Durchschlagsspannung
anzuordnen. Zenerdioden sprechen jedoch bekanntlich infolge ihrer Sperrträgheit
sehr langsam an, so daß mit der bekannten Anordnung kein sicherer und schnell wirksamer
Schutz des Transistors gewährleistet ist. Im übrigen sind Zenerdioden selbst relativ
empfindlich gegen Stromüberlastung und bedürfen einer gewissen Strombegrenzung durch
Vorschalten eines Widerstandes od. dgl. Es ist auch bereits bekannt, durch Serienschaltung
eines Widerstandes den Eigenwiderstand der Spannungsquelle zu erhöhen, um so den
Transistor vor Überlastung zu schützen. Außerdem ist es bekannt, den Transistor
derartiger Netzgeräte gegen Überlastung durch Relais oder elektronische Schalter
zu - schützen, beispielsweise durch einen über ein RC-Glied gesteuerten Flip-Flop-Schalter,
welche beim Kurzschluß des Netzgeräteausgangs wirksam werden und eine Spannungsunterbrechung
bzw. Sperrung des Transistors bewirken. Weiterhin ist eine Schutzschaltung bekannt,
bei welcher ein Transistor mit einer gittergesteuerten Thyratronröhre gegen Überlastung
geschützt ist. Bei dieser bekannten Schaltung soll_bei einer bestimmten Spannung
am Gitter der Thyratronröhre dieses gezündet und damit der Transistor niederohnüg
überbrückt werden. Bei dieser bekannten Anordnung überbrückt jedoch die Thyrätronröhre
nicht die Reihenschaltung von Widerstand und Transistor, und der Transistor ist
demnach bei gezündetem Thyratron bis zum Ansprechen der Schmelzsicherung nicht gegen
Überlastung geschützt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen einfachen und billig realisierbaren
Überlastungsschutz für elektronisch stabilisierte Netzgeräte mit einem Transistor
als regelbaren Serienwiderstand zu schaffen, der mit Sicherheit eine Zerstörung
. des Reihentransistors durch Überspannung: und/oder Oberstrom verhindert.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kombination folgender
Einzelmerkmale gelöst, wobei Schutz nur für die gesamte Kombination, dagegen kein
selbständiger Schutz für einzelne Kombinationsmerkmale begehrt wird: a) in Reihe
zu dem Transistor ist in an sich bekannter Weise ein Widerstand, insbesondere eine
Drossel, geschaltet, b) im Längszweig des Netzgerätes ist in an sich bekannter Weise
eine Schmelzsicherung angeordnet, c) parallel zu der Reihenschaltung von Transistor
und Widerstand ist ein gasgefülltes Entladungsgefäß, insbesondere eine edelgas-
oder quecksilberdampfgefüllte Bogenentladeröhre, angeordnet, d) in Reihe zu dem
Entladungsgefäß ist ein vorgespannter Kondensator geschaltet.
Durch
das funktionelle Zusammenwirken der erfindungsgemäßen Kombinationsmerkmale wird
mit einfachen schaltungstechnischen Mitteln einerseits ein schnelles und sicheres
Ansprechen des Entladungsgefäßes bei Überstrom und außerdem bis zum Wirksamwerden
der Schmelzsicherung ein sicherer Schutz des Transistors gegen Stromüberlastung
gewährleistet, da durch den Reihenwiderstand eine sehr günstige Stromaufteilung
zwischen Transistorzweig und Entladungsgefäß erzielt wird, ohne daß dabei im eigentlichen
Längszweig ein störender Begrenzungswiderstand eingeschaltet ist. Das möglichst
schnelle Ansprechen der Schmelzsicherung nach gezündeter Entladungsröhre wird dabei
bei der erfindungsgemäßen Schaltung durch den Reihenwiderstand nicht beeinflußt,
denn der Strom durch die Schmelzsicherung wird durch den Reihenwiderstand nicht
begrenzt. Durch die Reihenschaltung eines Kondensators zu dem Entladungsgefäß, was
für sich ebenfalls bereits bekannt ist, ist es möglich, mit Glimmlampen beliebiger
Zündspannung jede gewünschte Ansprechspannung einzustellen. Je nach Dimensionierung
eines entsprechenden Spannungsteilers kann nämlich der Kondensator positiv oder
negativ vorgespannt werden und dadurch die wirksame Zündspannung der Glimmlampe
erhöht oder verringert werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft
erwiesen, wenn parallel zu der Drossel ein ohmscher Widerstand geschaltet wird.
Die Kondensatorvorspannung kann auf beliebige Weise erzeugt werden, vorzugsweise
jedoch derart, daß parallel zu dem Entladungsgefäß und parallel zu dem Kondensator
je ein ohmscher Widerstand parallel geschaltet ist. Der erfindungsgemäße Überlastungsschutz
kann auch bei Netzgeräten für hohe Spannung mit Erfolg angewendet werden, wobei
dann ein aus zwei Elektronenröhren, insbesondere einer Doppeltriode, bestehender
Differenzverstärker und zwei oder mehr in Reihe geschaltete Transistoren im Längszweig
vorgesehen sind.
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Die Erfindung wird an Hand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt die Anordnung eines erfindungsgemäßen Überlastungsschutzes
bei einem üblichen elektronisch geregelten Netzgerät mit einem Transistor im Längszweig;
F i g. 2 zeigt die Anwendung eines erfindungsgemäßen Überlastungsschutzes bei einer
bevorzugten Ausführungsform eines elektronisch stabilisierten Netzgerätes.
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In F i g. 1 ist ein übliches elektronisch stabilisiertes Netzgerät
gezeigt, bei dem zwischen einer Gleichstromquelle 1 und einem Verbraucher
2 im Längszweig ein als regelbarer Serienwiderstand wirkender Transistor
3 angeordnet ist. Dieser Transistor 3 wird über seine Basis-Emitter-Strecke durch
einen Regelverstärker 4 gesteuert, der seinerseits durch die Differenzspannung zwischen
der am Verbraucher 2 anliegenden Ausgangsspannung U,4 und der Vergleichsspannung
UV der hochkonstanten Bezugsspannungsquelle 5 gesteuert wird.
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Erfindungsgemäß ist nun in Reihe zu dem Transistor 3 ein Widerstand
6 und parallel zur Reihenschaltung ein Entladungsgefäß 7 geschaltet. Der Widerstand
6, der im Hinblick auf die im Kurzschlußfalle sehr niederohmige Emitter-Kollektor-Strecke
des Transistors erforderlich ist und der so groß bemessen ist, daß bei einem auftretenden
Kurzschluß die Zünd-Spannung des Entladungsgefäßes 7 erreicht wird, kann dabei ein
ohmscher Widerstand oder eine Drossel od. dgl. sein. Das Entladungsgefäß 7 ist vorzugsweise
eine übliche Bogenentladungsröhre, beispielsweise eine edelgas- oder quecksilberdampfgefüllte
Röhre, die beim überschreiten ihrer Bogenspannung schlagartig unter Bildung einer
niederohmigen Bogenstrecke zündet. In Reihe zu dieser Parallelschaltung von Widerstand
6 und Transistor 3 einerseits sowie Entladungsgefäß 7 andererseits ist eine übliche
Oberstromsicherung 8, beispielsweise eine Schmelzsicherung, angeordnet.
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Bei Ausbildung des Widerstandes 6 als Drossel kann diese durch einen
ohmschen Widerstand 10 überbrückt sein, wodurch eventuelle unerwünschte Störschwingungen
vermieden werden. Um zu vermeiden, daß das Entladungsgefäß 7 bereits bei geringfügigen
Netzspannungsschwankungen bzw. Verbraucherschwankungen wirksam wird, ist in Reihe
zu dem Entladungsgefäß 7 ein entsprechend bemessener Kondensator 11, beispielsweise
ein Elektrolytkondensator, geschaltet, durch den nur bei merklichen und sprunghaften
Spannungsänderungen, wie sie im allgemeinen allein bei reinen Kurzschlüssen des
Verbrauchers auftreten, das Entladungsgefäß 7 gezündet werden kann.
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Um definierte Potentiale an der Reihenschaltung des Entladungsgefäßes
7 und des Kondensators 11 zu erhalten und um die am Kondensator 11 anliegende
Spannung aufzuteilen, ist gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung parallel zu
dem Entladungsgefäß 7 ein Widerstand 12 und weiterhin parallel zu dem Kondensator
11 ein Widerstand 13 geschaltet.
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Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Überlastungsschutzes ist folgende:
Beim Kurzschluß des Verbrauchers 2 tritt an der Reihenschaltung von Transistor 3
und Widerstand 6 ein relativ hoher Spannungsabfall auf, durch den schlagartig das
Entladungsgefäß 7 gezündet wird und effektiv keine Überspannung an der Kollektor-Emitter-Strecke
des Transistors 3 auftritt, da im Augenblick des Zündens des Entladungsgefäßes eine
relativ niederohmige Entladungsstrecke parallel zum Transistor liegt und diesen
praktisch mit einem Kurzschluß überbrückt. Kurzzeitig nach der Zündung des Entladungsgefäßes
wird dann die Sicherung 8 wirksam und trennt das stabilisierte Netzgerät
von der Spannungsquelle.
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Der erfindungsgemäße Überlastungsschutz kann bei allen möglichen elektronisch
geregelten Netzgeräten Anwendung finden, die für relativ hohe Spannungen ausgelegt
sind und bei denen im Längszweig als regelbarer Widerstand ein oder bei Bedarf mehrere
in Reihe und/oder parallel geschaltete Transistoren angeordnet sind.
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Besonders zweckmäßig hat sich der erfindungsgemäße Überlastungsschutz
jedoch bei einem elektronisch stabilisierten Netzgerät erwiesen, das, wie in F i
g. 2 gezeigt ist, für hohe Ausgangsspannungen ausgelegt ist und bei welchem der
Regelverstärker 4
aus zwei Elektronenröhren 14, 15, beispielsweise
in Form einer Doppeltriode, ausgebildet ist.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel sind, um größere Spannungsschwankungen,
wie sie bei Netzgeräten mit höheren Ausgangsspannungen auftreten, ausregeln zu können,
zwei Transistoren 3 und 3' in Reihe geschaltet. Mit Hilfe eines Rückwärtsregelkreises
wird der Transistor 3' gsteuert, und zwar mit Spannungsäncerangen, die von Restschwankungen
der Ausgangs-
Spannung herrühren. Hierbei wird der Transistor 3
gleichzeitig mit Hilfe des Transistors 16 gerade so gesteuert, daß sich der an den
Transistoren 3 und 3' auftretende Gesamtspannungsabfall zu gleichen Teilen auf die
Emitter-Kollektor-Strecken beider Transistoren aufteilt. Hierzu werden die Widerstände
17 und 18 des die Basisspannung des Transistors 16 einprägenden Spannungsteils gleich
groß gewählt. Zur Steuerung des Transistors 3' dient der aus den Röhren 14, 15 und
dem Transistor 19 bestehende Verstärker. Die Eingangsstufe ist als Differentialverstärker
ausgebildet. Während die Röhre 15 nur mit einem kleinen Bruchteil der Ausgangsspannungsschwankung
gesteuert wird, da der Widerstand 26 klein gegenüber dem Widerstand 25 ist, wird
die Röhre 14 mit einem großen Anteil der Ausgangsspannungsschwankung gesteuert,
da die stabilisierte Spannungsquelle 22 (Referenz- oder Vergleichsspannungsquelle)
eine entsprechende Dimensionierung des Spannungsteiles aus den Widerständen 23 und
24 fordert. Die so zwischen den beiden Gittern der Röhre 14 und 15 wirksame kleine
Differenzspannung steuert den durch den Transistor 19 verstärkten Anodenstrom der
Röhre 14 derart, daß Schwankungen der Ausgangsspannung durch Basisstromsteuerung
des Längstransistors 3' ausgeregelt werden. Der parallel zum gemeinsamen Kathodenwiderstand
der Röhren 14 und 15 geschaltete Kondensator 27 sorgt ebenso wie der Kondensator
28 für eine noch höhere Wechselstromschleifenverstärkung des Regelkreises als sie
schon gleichstrommäßig herrscht. Damit der Anodenstrom des Transistors 14 möglichst
gut als Basisstrom des Transistors 19 eingeprägt ist, wird der Speisewiderstand
21 dieses Stromkreises entsprechend hochohmig dimensioniert. Dies wird durch die
Hilfsspannungsquelle 20 ermöglicht, die vorzugsweise durch eine Zenerdiode stabilisiert
ist.
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Die Widerstände 29 und 30 sorgen bei starker Erwärmung und hohem Spannungsabfall
an den Transistoren 3 und 3' für das in diesem Betriebsfall erforderliche Umpolen
der entsprechenden Basisströme. Zur Erhöhung des Spannungsabfalles an diesen Widerständen,
was wiederum eine höherohmige Dimensionierung und damit eine bessere Einprägung
der Basisströme zur Regelung erlaubt, ist eine Diode 31 vorgesehen, die hier in
Durchlaßrichtung betrieben einen Spannungsabfall verursacht, der weit weniger als
bei einem Widerstand vom Ausgangsstrom abhängt.