DE1217489B - Gleichspannungs-Konstanthalte-Einrichtung mit einem Schalttransistor - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES wlw PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

G05f

H 02p
Deutsche Kl.: 21c-67/70

Nummer: 1217 489

Aktenzeichen: C 26803 VIII b/21 c

Anmeldetag: 19. April 1962

Auslegetag: 26. Mai 1966

Die Erfindung betrifft eine Gleichspannungs-Konstanthalte-Einrichtung, die mit erhöhtem Wirkungsgrad die Speisung einer Last unter einer gleichbleibenden, gegenüber den Schwankungen der Stromquelle und der Last konstantgehaltenen Spannung sicherstellt. Diese Einrichtung ist verwendbar, wenn die Spannung der Stromquelle ungefähr 30 Volt nicht übersteigt.

Es sind Konstanthalte-Einrichtungen bekannt, in denen der gelieferte Strom eine veränderliche, im Verbraucherkreis in Reihe geschaltete Impedanz durchfließt; diese Impedanz besteht aus einer Röhre oder einem Transistor, dessen innerer Widerstand durch die Änderung der Polarisation des Eingangskreises derartig selbsttätig verstellbar ist, daß die an die Lastimpedanz gelegte Spannung den gewünschten Wert aufweist. Mit derartigen Einrichtungen werden gute Ergebnisse erzielt, aber ein beträchtlicher Teil der von der Stromquelle zugelieferten Energie wird in der in Reihe liegenden, veränderlichen Impedanz verbraucht, so daß ihr Wirkungsgrad gering ist.

Es sind auch Gasgleichrichterröhren mit selbsttätig gesteuertem Zündwinkel bekannt, die mit hohem Wirkungsgrad eine bestimmte Leistung unter einer konstantgehaltenen Gleichspannung erzielen können.

Ferner sind »Reihen«-Konstanthalter mit einem Schalttransistor bekannt, der von einem ungleich lange Impulse liefernden Multivibrator gesteuert wird, der seinerseits von einem als Ladewiderstand dienenden Transistor gesteuert wird und einerseits mit der Ausgangsspannung und andererseits mit einer Bezugsspannung beaufschlagt wird. Bei einer Einrichtung dieser Art wird der Multivibrator mit der ungeregelten Eingangsspannung gespeist, und bei einer anderen Einrichtung dieser Art wird der Multivibrator mit einer Hilfsspannung gespeist. Wegen der Speisung mit einer ungeregelten Spannung arbeitet die erste dieser beiden bekannten Einrichtungen nicht zufriedenstellend; bei der zweiten bekannten Einrichtung ist es von Nachteil, daß eine getrennte Hilfsspannungsquelle vorgesehen werden muß.

Durch die Erfindung sollen die Nachteile der bekannten Einrichtungen beseitigt werden, und es wird dazu vorgeschlagen, daß der Multivibrator einerseits über einen Widerstand am Eingang der Einrichtung liegt und andererseits über einen Gleichrichter am Ausgang der Einrichtung, so daß bei Inbetriebnahme der Einrichtung der Multivibrator von der nicht stabilisierten Eingangsspannung und im normalen Betrieb hauptsächlich durch die stabilisierte Ausgangsspannung gespeist wird.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Gleichspannungs-Konstanthalte-Einrichtungmit
einem Schalttransistor

Anmelder:

C. I. T. Compagnie Industrielle des

Telecommunications, Paris

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Leinweber

und Dipl.-Ing. H. Zimmermann, Patentanwälte,

München 2, Rosental 7

Als Erfinder benannt:

Joseph Leostic, Sevres, Seine-et-Oise

(Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 20. April 1961 (859 340)

Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung: In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigt

F i g. 1 das Schaltschema der Vorrichtung und

F i g. 2 eine graphische Darstellung der unterschiedlichen Wellenformen bei Punkt / des Schaltschemas nach F i g. 1, und zwar unter verschiedenen Betriebsbedingungen der Vorrichtung.

Im angeführten Ausführungsbeispiel ist die konstantzuhaltende Spannung in bezug auf die Masse positiv, so daß der Schalttransistor 1 von der pnp-Bauart sein muß. Wenn der benötigte Strom verhältnismäßig stark ist, können mehrere Transistoren dieses Typs parallel geschaltet werden. Mit 2, 4 und 5 sind pnp-Transistoren, mit 3 ein npn-Transistor bezeichnet. Die Elemente 21 bis 32 stellen feste ohmsche Widerstände dar, 33 einen veränderlichen ohmschen Widerstand, 34 die Verbraucherimpedanz, 41 einen elektrochemischen Kondensator, 42 und 43 Kondensatoren, 5Ϊ eine Glättungsdrossel; 11 und 12 sind Kristalldioden, 13 ist eine Zenerdiode, die z. B. die Spannung Uk bei Punkt K auf +5 Volt konstant hält.

Der Schalttransistor 1 öffnet oder schließt den Stromkreis des Stroms, der vom positiven Potentialpunkt der Spannungsquelle U₁ unter konstantgehaltener Spannung U₀ in die Verbraucherimpedanz 34 geliefert wird. Die Transistoren 4 und 5 bilden den

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Multivibrator, dessen Ausgangsspannung in Form einer asymmetrischer!, rechtwinkligen Welle über den Widerstand 25 an die Basis des Transistors 3 gelegt wird. Die Transistoren 3 und 2 dienen als Verstärker für die bei / auf dem Transistorkollektor 4 anliegende Ausgangsspannung des Multivibrators, die der Basis des Schalttransistors 1 verstärkt zugeführt wird.

Für den Multivibrator 4, 5 dient der Transistor 6 als veränderlicher Widerstand, der das Verhältnis der Zeitdauer der hohen Stufe und der Zeitdauer der niedrigen Stufe der am Kollektor des Transistors 4 anliegenden Spannung verändert. Der innere Widerstand des Transistors 6 schwankt in Abhängigkeit von der Potentialdifferenz zwischen sginer Basis (Punkt L) und seinem Emitter (Punkt Z); wenn die Spannung bei Punkt L weniger positiv ist als die bei Punkt K, so ist der Transistor 6 blockiert, und seine innere Impedanz ist dabei praktisch unendlich; das gleiche gilt für den Transistor 5, dessen Basisstromkreis getrennt ist; daraus folgt, daß der Multivibrator nicht schwingt und daß der Transistor 4 ständig durchlassend ist. Wenn das Potential im Punkt L das Bezugspotential im Punkt K, z. B. 5 Volt, erreicht, nimmt die innere Impedanz des Transistors 6 einen endlichen Wert an, der jedoch noch immer sehr groß ist angesichts des Widerstandes 27. Der Multivibrator wird ausgelöst, und zwar mit einer hohen Stufe, die viel länger ist als die niedrige Stufe. Im gleichen Maße, wie die Potentialdifferenz Uj₁-TJk ansteigt, vermindert sich die innere Impedanz des Transistors 6. Für den in der Praxis verwendeten Gren2wert bleibt diese Impedanz höher als 22 000 Obm, der Wert des Widerstandes 27, d. h. .die Ausgangsspannung des Multivibrators bleibt asymmetrisch, wobei seine hohe Stufe geringfügig länger als seine niedrige Stufe ist.

Die Kollektorspannung des Transistors 4 wird über die Transistoren 3 und 2 zur Basis des Transistors 1 übertragen, Solange der Multivibrator nicht zündet, besteht keine Kpnstanthältewirkung: Die Ausgangs= spannung U₀ steigt ungefähr linear mit U₁ an. Wenn Ul den Wert Uz erreicht, wird der Multivibrator ausgelöst, und der S.phalttrans.i§tQr tritt in Wirkung: Die Spannung U₀ steigt also langsamer _{m a}i_? 4j_e Span* nung U₁. Je größer die Spannung U₁ wird, desto mejir hat die Spannung Jj^ das Bestreben anzusteigen. Daraus fplgtj daß bei Ansteigen der Differenz Ul-Uk durch Ansteigen vpn U₁ das Verhältnis von dh las§§n$i--nichtdyreiüa£§§pd<< kleiner wird, die Spannung U₀ viel langsamer als U₁ wächst und durch die Verstärkung in der Steuerschfeife sich, sobald U₁ um rund 2 Volt größer liegt als U₀, eine sehr zufriedenstellende Konstanthaltung ergibt.

Die Drosselspule §1 ungl dgr elektrochemische Kondensator 41 bilden eine Filterzelle, die an D bzw. an den Verbrauche? eine gefilterte Gleichspannung abgibt die dem Mittelwert der Spannung am Punkt C

ίο entspricht. Während der nichtleitenden Rechteckspannungsstufen ist die Drosselspule 51 nicht mehr mit der Stromquelle verbunden. Die von ihr während der Zeitdauer der Rechteckspannung bei höchstem Potential aufgespeicherte Energie dient während der Zeitdauer der Rechteckspannung bei geringstem Potential zum Aufrechterhalten der Ladung des Kondensators 41 und zum Sicherstellen der Leistungsabgabe in die Verbraueheri.mpedan.z- Wenn die Verbindung mit der Stromquelle. U₁ unterbrochen ist,

ao schließt sich der Stromkreis während dieser Zeit wieder über den Gleichrichter 11. Der Stromdurchfluß in diesem Gleichrichter ruft einen derartigen Spannungsabfall hervor, daß ^ während die Reehteekspannung den niedrigen Wert besitzt — die Spannung bei Punkt C leicht negativ ist.

Es wird angenommen, daß der gewünschte konstant gehaltene Spannungswert z. B. 20 Volt beträgt. Solange U\ unter diesem Wert liegt, tritt die Konstant halte-E.inriphiung nicht in Wirkung, der Multivibrator schwingt nicht, und die Transistoren 1, 2, 3 sind stan* dig durchlassend.

Ist die Spannung U₁ der Stromquelle um ein ge^· WJsses Maß größer (einige zehntel Volt) als der Bezugs* wert, wird der Multivibrator ausgelöst, die Konstant halte-Einrichtung tritt in Wirkung, und die Ausgangs* spannung U₀ legt sieh mit einem erhöhten Mäherimgs=· wert auf den Bezugswert fest.

Nachstehend aufgeführte Tabelle zeigt beispielsweise die in VpIt angegebenen Spannungswerte an den verschiedenen Punkten/4 bis L des Stromkreises in drei charakteristischen Fällen: (a) vor Zündung des Multivibrators, wobei die Spannung U₁ niedriger ist als die vprbestimmte, kqnstantge.halte.ne 2Q>-Vplt-§pannung; (b) im Auslösezustand des Multivibrators, und bei effektiver Arbeitsweise der Konstantbalte^Einrich'-tung, mit leitendeni Sghalttransistor- (e) wie (b), jedoeh rnit blockiertem §chalttransjstpr;

	A	B	C	D	E	F	G	H	I	J	K	L
(a)	19	18,5	18,2	18	18,3	18,2	0,3	0,1	17,5	17	5	4,9
(b)	21	20,5	20,2	20	20,3	20,2	0,3	0,1	19,5	19	5	5,2
(C)	21	21	-0,5	20	21	21	21	0	19,5	0	5	5,2

Es wäre möglich, den Kollektor des Transistors 2 rnit der Masse zu verbinden, jedoch ist es vorteilhafter, ihn an den Punkt C, ά. h. an den Ausgang des Tran·! sistors 1 zu schließen; der Transistor 2 wird nun unter sphwacher Spannung gespeist, wodurch der von ihm. aufgenommene Strom verringert und der Wirkungsgrad der Einrichtung erhöht wird.

Man hätte den Multivibrator gleichermaßen mit der Eingangsspannung U₁ der Stromquelle speisen können, jedoch ist "es vorteilhafter, ihn mit der konstantgehal· tenen Spannung zu speisen, weil auf diese Weise die Wirkung der Spannungsveränderungen auf seine Frequenz ausgeschaltet wird, Da bei Inbetriebnahme keine kon§tantgehaltene Spannung vorhanden ist, muß, damit der Transistor 1 leitend ist, auch der· Transistor 4 leitend sein; der Abzweig über den Widerstand 24 gewährleistet die Speisung des Multivibrators bis zur Ladung des eLektroche.nris.ehen. Kondensators 41, Sobald bei JD die Spannung konstant wird, ruft der den Qleighrighter 12 durchfließende Speisestrom des Multivibrators einen sehr geringen Spannungsabfall hervor, und der den Widerstand 24 durchfließende Strom sinkt merklich ab,

Die Widerstände 2.1 und. 22 sind nicht unbedingt notwendig; ihre Verwendung ist jedoch sehr vorteil· haft, weil sie die Blockierungsbedingungen des Tran-

sistors 1 genau bestimmen. Wenn nämlich der Transistor 3 sicher blockiert ist, ist die Spannung bei Punkt F gleich U₁, d. h. im angeführten Beispiel 21 Volt. Wenn an die Basis des Transistors 2 21 Volt gelegt sind und der Emitter des letzteren nicht mehr positiv sein kann, ist dieser Transistor gleichfalls blockiert: Die an seinen Emitter gelegte Spannung beträgt 21 Volt und wird also gleichermaßen an die Basis des Transistors 1 gelegt. Unter diesen Bedingungen würde der geringste, in den Transistor 1 nießende Strom den Emitter negativer als die Basis machen: Der Transistor 1 befindet sich also in blokkiertem Zustand.

Wenn der innere Widerstand des Transistors 6 schwankt, verändert sich nicht nur der Nutzfaktor, sondern auch die Frequenz des Multivibrators; dennoch vermindert diese zusätzliche Wirkung in keiner Weise die Wirksamkeit der Konstanthalte-Einrichtung.

Die gesamte, sowohl in den Transistoren wie auch in den verschiedenen Widerständen und der Glättungsdrossel verbrauchte Energie ist sehr niedrig gegenüber der der Verbraucherimpedanz 34 zulieferbaren Energie. Für eine konstantgehaltene Spannung von 19 Volt wird bei einer Ausgangsspannung von 21 Volt ein Wirkungsgrad von 95% erreicht, der bei einer Ausgangsspannung von 30 Volt noch 85 % beträgt.

Die Konstanthaltewirkung ist gleichermaßen gut im Hinblick auf Belastungsschwankungen: z. B. schwankt die konstantgehaltene Spannung U₀ bei einer festgelegten Spannung U₁ zwischen 19,4 und 19,2 Volt für eine von 1 bis 10 A schwankende Belastung.

Der Wert der konstantgehaltenen Spannung wird durch Einstellen des veränderlichen Widerstandes 33 bestimmt; da das Potential bei PunktL für eine gegebene Zenerdiode stets nahe 5 Volt liegt, schwankt die Spannung bei Punkt D in Abhängigkeit vom Widerstand des Zweiges (32 + 33).

Wenn die Spannung U₁ von 22 bis 30 Volt schwankt, bleibt die Spannung U₀ unveränderlich bei 19,4 Volt, mit einer Abweichung von weniger als ungefähr 0,05 Volt. Für U₁ = 21 Volt ergeben sich noch immer U₀ = 19,1 Volt.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Konstanthalte-Einrichtung für die aus einer Gleichstromquelle gelieferte Spannung mit einem Schalttransistor, der in Reihe zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Einrichtung liegt und durch einen Multivibrator gesteuert wird, der eine Rechteckschwingung aus .Impulsen liefert, deren Dauer über einen Hilfstransistor durch die Differenz zwischen der Ausgangsspannung der Einrichtung und einer festen Bezugsspannung gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß derMultivibrator4,5emerseitsübereinenWiderstand (24) am Eingang der Einrichtung hegt und andererseits über einen Gleichrichter (12) am Ausgang der Einrichtung.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Österreichische Patentschrift Nr. 201 726;
   Telefunken-Zeitung, 31 (1958), Nr. 121, S. 172.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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