DE1939459A1 - Schaltungsanordnung zur Regelung einer Gleichspannung - Google Patents
Schaltungsanordnung zur Regelung einer GleichspannungInfo
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Description
Tore Seem Elektronisk Verksted
Kirkeveien 7I, 1J44 Haslum, Norwegen
Schaltungsanordnung zur Regelung einer Gleichspannung
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Regelung
einer Gleichspannung« bestehend aus einem Steuergerät, einem Treibertransistor, wenigstens einem Schalttransistor, einem
Arbeitswiderstand, der sowohl im Emitterkreis des Treibertransistors als auch parallel zu der Basis-Emitter-Strecke
des Schalttransistors liegt, und einem Siebglied, z.B. mit einer Glättungsdrossel und einem Kondensator, wobei der Treibertransistor
durch Steuerimpulse, die das Steuergerät in Abhängigkeit von Schwankungen der zu regelnden Gleichspannung
abgibt, gesteuert wird und der Treibertransistor seinerseits den Schalttransistor auf- und zusteuert.
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Schaltungsanordnungen der eingangs beschriebenen Art werden
in erster Linie zur Regelung nach dem Impulslängenverfahren
verwendet, z.B. in Verbindung mit einer Oleichstromquelle
niedriger Spannung. Dabei wird die Gleichstromquelle« deren Oleichspannung oftmals erheblich schwankt, in Abhängigkeit
der Abweichung der geregelten Oleichspannung von einer Referenzspannung schlagartig mit dem Siebglied verbunden und von
^ dem Siebglied wieder getrennt, so daß im Ergebnis die Abweichung
der geregelten Gleichspannung von der Referenzspannung
in vorbestimmten Grenzen bleibt.
Olelohstromquellen niedriger Spannung mit Schaltungsanordnungen
zur Regelung der Gleichspannung, wie zuvor beschrieben, werden häufig als Stromversorgungseinheiten für integrierte
Schaltkreise verwendet, z;B. in elektronischen Datenverarbeitungsanlagen,
in denen eine große Anzahl von Halbleiter-Bauelementen mit Gleichstrom niedriger Spannung zu versorgen sind.
Dabei ist es von großer Wichtigkeit, den Leistungsverlust In
der Schaltungsanordnung zur Regelung der Gleichspannung so gering wie möglich zu halten, da die Gleichstromquellen sehr
kompakt ausgeführt sind und bereits geringe Temperaturänderungen das Verhalten der benachbarten Halbleiter-Bauelemente nachteilig beeinflussen.
Bei einer ersten Ausführungsform einer Schaltungsanordnung
zur Regelung einer Gleichspannung der eingangs beschriebenen
Art liegt im Köllektorkrels des Treibertransistors ein Widerstand,
um die iKollektorspannung des Treibertransistors zu stabilisieren*; Der an diesem Widerstand auftretende Leistungsverlust ist ein Nachteil dieser bekannten Schaltungsanordnung.
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In einer anderen bekannten AusfUhrungsform einer Schaltungsanordnung des eingangs beschriebenen grundsätzlichen Aufbaus 1st
der Widerstand im Kollektorkreis des Treibertransistors durch
eine im wesentlichen verlustlose Induktivität ersetzt, wobei
diese Induktivität induktiv an die Glättungsdrossel des Sieb-?
gliedes angekoppelt ist» Bei dieser AusfUhrungsform wird eine
Stabilisierung der Kollektorspannung 4es Treibertransistors
Jedoch nur bei geringen Schwankungen der zu regelnden Gleichspannung
erreicht. Sind die Schwankungen, denen die Gleichspannung
der Gleichstromquelle unterworfen ist, beträchtlich, so erhält der Treibertransistor entweder eine zu geringe
Kollektorspannung, wodurch im Ergebnis der Schalttransistor
nicht voll aufgesteuert wird, oder der Treibertransistor wird
mit einem unnötig hohen Gleichstrom betrieben. Im ersten Fall 1st der Leistungsverlust und der Spannungsabfall des Schalttransistors
zu groß, während im zweiten Fall im Treibertransistor ein beachtlicher Leistungsverlust auftritt«
Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, elfte Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Art so auszugestalten«
daß einerseits der in ihr auftretende Leistungsverlust möglichst
gering ist, daß andererseits gleichwohl auch bei beträchtlichen
Schwankungen der zu regelnden Gleichspannung die
Abweichung der geregelten Gleichspannung von einer Referenzspannung
innerhalb vorgegebener enger Grenzen bleibt»
Biese Aufgabe löst die Erfindung bei einer Schaltungsanordnung
der eingangs beschriebenen Art dadurch, daß im KoIlekterfcreis
des Schalttransistors die Parallelschaltung aus einer Induktivität
und einer Gleichrichteirdiode Megt, «©bei die
Patentanwälte Dr. W. Ändrejewski, Dr. M. Honke, 43 Essen, Kettwiger Straße
richterdiode in gleicher Richtung wie der Schalttransistor
leitend ist, und daß die Reihenschaltung Schalttransistor Parallelschaltung aus Induktivität und Gleichrichterdiode der
Reihenschaltung Arbeitswiderstand - Treibertransistor parallel geschaltet ist. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung läßt
sich sowohl mit NPN-Transistoren als auch mit PNP-Transistoren
verwirklichen, In Abhängigkeit davon, ob NPN-Transistoren oder PNP-Translstoren verwendet werden, ist gegebenenfalls sinnge-P
maß für "Kollektorkreis" "Emitterkreis", ...usw. zu lesen.
Im einzelnen gibt es verschiedene Möglichkeiten, die erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung auszugestalten und weiterzubilden,■ wobei insbesondere den Maßnahmen, die zu einer Verkürzung der
Schaltzeit des Schalttransistors führen, besondere Bedeutung zukommt. Eine insoweit bevorzugte Ausführungsform nach einer
weiteren Lehre der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät den Treibertransistor sperrt und den Arbeitswiderstand
kurzschließt, wenn der Schalttransistor zuzusteuern
ist, und umgekehrt, d.h., daß das Steuergerät den Treibertransistor öffnet und den Kurzschluß des Arbeitswiderstandes
wieder aufhebt, wenn der Schalttransistor aufzusteuern ist. W Dabei empfiehlt es sich weiter, dafür Sorge zu tragen, daß
das Steuergerät den Treibertransistor sperrt, bevor es den
Arbeitswiderstand kurzschließt,und umgekehrt, d.h. daß das
Steuergerät den Treibertransistor erst wieder öffnet, nachdem
es den Kurzschluß des Arbeitswiderstandes aufgehoben hat. Die zuvor beschriebenen Maßnahmen können im einzelnen schaltungstechnisch
dadurch verwirklicht werden, daß ein Kurzschlußtransistor vorgesehen ist, dessen Kollektf^-Emitter-Strecke
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dem Arbeitswiderstand parallel liegt und in dessen Basis Steuerimpulse eingespeist werden, die den Steuerimpulsen«
die in die Basis des Treibertransistors eingespeist werden
komplementär sind, und daß eine Rückführung, z.B. die Reihenschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators, zwlaohen
einerseits der Lastseite der Parallelschaltung aus der Induktivität und der Oleichrichterdiode und andererseits der Basis
des Kurzschlußtransistors vorgesehen ist.
Schließlich ist eine besondere AusfUhrungsform der erfindungsgeraäßen
Schaltungsanordnung, die mit Steuerimpulsen besonders niedrigen Pegels arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Steuertransistor vorgesehen ist, der dem Tr e τ hertransistor
im Aufbau komplementär ist (NPN-Typ,wenn der Treibertransistor vom PNP-Typ ist, und umgekehrt), dessen KollektjOr-Etaitter-Strecke
der Basis-Kollektor-Strecke des Treibertransistors parallel geschaltet ist und der die Steuerimpulse, die das
Steuergerät abgibt, an den Treibertransistor überträgt.
Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind zusammengefaßt
darin zu sehen, daß mittels der erfindungsgeraäßen Schaltungsanordnung
die Regelung einer stark schwankenden Oleichspannung
mit geringen, innerhalb vorgegebener enger Grenzen liegenden Abweichungenggelingt, wobei der Leistungsverlust
der Schaltungsanordnung äußerst gering ist. Oleichwohl ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung relativ einfach,
d.h. mit nur wenigen Bauelementen, aufgebaut und dadurch besonders
funktionssicher.
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Im folgenden wird die Erfindimg anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele
darstellenden Zeichnung, in Bezug auf in der Zeichnung ebenfalls dargestellte Ausführungsformen bekannter
Schaltungsanordnungen zur Regelung einer Oleichspannung, ausführlicher erläutert; es zeigen:
Pig. 1 eine erste Ausführungsform einer bekannten Schaltungsanordnung
zur Regelung einer Gleichspannung,
Fig. 2 eine andere Ausführungsform einer bekannten Schaltungsanordnung
zur Regelung einer Gleichspannung,
Fig. 3 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemHßen
Schaltungsanordnung zur Regelung einer Gleichspannung,
Fig. 4 eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung zur Regelung einer Gleichspannung.
Die in den Figuren, und zwar sowohl in den Fig. 1 und 2 als
auch in den Fig. 3 und 4, dargestellten Schaltungsanordnungen
* dienen der Regelung einer Gleichspannung einer Gleichstromquelle
2 und sind zwischen der Gleichstromquelle 2 und einer Last 3 vorgesehen. In ihrem grundsätzlichen Aufbau bestehen
die dargestellten Schaltungsanordnungen 1 aus einem Steuergerät
4, einem Treibertransistor 5, einem Sehalttransistor 6 (Fig. 1 bis 3) bzw. zwei Sehalttransistoren 6,7 (Fig. 4),
einem Arbeitswiderstand 8, der sowohl im Bnitterkreis des
Treibertransistors 5 (Fig. 1 bis 3, in denen der Treibertransistor 5 vom NPN-Typ ist) bzw. im Kollektorkreis des Treiber-
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transistors 5 (Pig. 4, in der der Treibertransistor 5 vom
PNP-Typ ist) als auch parallel zu der Basis-Emitter-Streeke des Schalttransistors 6 (Fig. 1 bis 3) bzw. der Basis-Emitter-Strecken
der Schalttransistoren 6,7 (Fig. 4) liegt und einem Siebglied 9, das in den dargestellten AusfUhrungsbeispielen
aus einer Glättungsdrossel 10 und einem Kondensator 11 besteht.
In allen dargestellten AusführungsbeispielBn, d.h. sowohl bei
den in den Fig. 1 und 2 dargestellten zum Stand der Technik
gehörenden Schaltungsanordnungen 1 als auch bei den in den
Fig. 3 und 4 dargestellten erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen
1, wird der Treibertransistor 5 durch Steuerimpulse, die das Steuergerät 4 in Abhängigkeit von Schwankungen der
zu regelnden Gleichspannung, d.h. in Abhängigkeit von Abweichungen
der geregelten Gleichspannung von einer Referenzspannung, abgibt, gesteuert und steuert der Treibertransistor
seinerseits den Schalttransistor 6 (Fig. 1 bis 3) bzw. die Schalttransistoren 6,7 (Fig. 4) auf und zu. Außerdem weisen
die dargestellten Schaltungsanordnungen 1 jeweils eine Freilaufdiode
12 auf, die in den Augenblicken, in denen der Schalttransistor 6 (Flg. 1 bis 3) bzw. die Schalttransistoren 6,7
(Fig. 4) zugesteuert sind, den Gleichstrom der Last 3 führen.
Bei den in den Fig. 1 und 2 dargestellten zum Stand der Technik gehörenden Schaltungsanordnungen 1 liegt im Kollektorkreis
des Treibertransistors 5 ein Widerstand 13 (Fig. 1) bzw. eine
Induktivität 14 (Fig. 2). Im Gegensatz dazu liegt bei den in den Fig. 3 und 4 dargestellten erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen
im Kollektorkreis des Schalttransistors 6 (Fig.3) bzw. in den Kollektorkreisen der Schalttransistoren 6,7 (Fig.4)
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die Parallelschaltung aus einer Induktivität 15 und einer Oleichrichterdiode
16, wobei die Gleichrichterdiode 16 in gleicher Richtung wie der Schalttransistor 6 (Fig. 2) bzw. die Schalttransistoren
6,7 (Fig. 4) leitend ist, und ist die Reihenschaltung
Schalttransistor 6 (Fig. j5) bzw. Schalttransistoren 6,7 (Fig. 4) - Parallelschaltung aus Induktivität 15 und Gleichrichterdiode
16 der Reihenschaltung Arbeitswiderstand 8 - Trelbertransistor
5 parallel geschaltet.
Die Parallelschaltung aus der Induktivität 15 und der Gleichrichterdiode
l6 sorgt dafür, daß die SpannungsSchwankungen an dem Treibertransistor 5 gclnger sind als die Schwankungen der
Gleichspannung der Gleichstromquelle 2, d.h. die Parallelschaltung aus der Induktivität 15 und der Gleichrichterdiode 16
stabilisiert die Kollektorspannung (Fig. 3) bzw. die Emitterspannung
(Flg. 4) des Treibertransistors 5. Liegt die zu regelnde Gleichspannung der Gleichstromquelle 2 über der Referenspannung
und ist der Schalttransistor 6 (Fig. 3) bzw. sind die Schalttransistoren 6,7 (Fig. 4) aufgesteuert, so wird der Gleichstrom
in der Glättungsdrossel 10 schneller ansteigen als in der Induktivität 15, da ein steigender Gleichstrom in der Gleichrichterdiode
16 nur ein geringes Ansteigen des Spannungsabfalls an der Parallelschaltung aus der Induktivität und der Gleichrichterdiode
16 zur Folge hat. Wenn der Schalttransistor 6 (Fig.3) bzw. die Schalttransistoren 6,7 (Fig. 4) zugesteuert
sind, geht der durch die Gleichrichterdiode 16 fließende Gleichstrom
allmählich, und zwar nahezu linear, gegen Null. Dieses Verhalten ist bedingt durch die Strom-Spannungs-Kennlinie der
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Gleiehriohterdiode 16, die für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
1 vorteilhaft ist, und durch die Zeitkonstante der der Gleichrichterdiode 16 parallelgeschalteten Induktivität
Obwohl also in der erfindungsgeraäßen Schaltungsanordnung 1 nur
geringe Leistungsverluste auftreten, wird erreicht, daß die Kollektorspannung, genauer gesagt die Kollektor-Emitter-SpannungL
des Treibertransistors 5 und damit auch die zu regelnde
Gleichspannung nahezu konstant auch bei beachtlichen Schwankungen der Gleichspannung der Gleichstromquelle 2 bleibt.
Um den Leistungsverlust in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
1 weiter zu verringern, empfiehlt es sich, für eine Verkürzung der Schaltzeit des Schalttransistors 6 (Fig. >) bzw.
der Schalttransistoren 6,7 (Pig. ^) Sorge zu tragen. Dies wird
nach einer besonderen Lehre der Erfindung dadurch erreicht, daß das Steuergerät 4 den Treibertransistor 5 sperrt und den Arbeitswiderstand
8 kurzschließt, wenn der Schalttransistor 6 (Fig. 3)
bzw. die Schalttransistoren 6,7 (Pig. 4) zuzusteuern sind, und umgekehrt, d.h. daß das Steuergerät 4 den Treibertransistor 5
öffnet und den Kurzschluß des Arbeitswiderstandes 8 aufhebt, wenn der Schalttransistor 6 (Fig. 3) bzw. die Schalttransistoren
6,7 (Pig. 4) aufzusteuern sind. Vorzugsweise sperrt dabei das Steuergerät 4 den Treibertransistor 5, bevor es den Arbeitswiderstand
8 kurzschließt, und umgekehrt, d.h. öffnet das Steuergerät 4 den Treibertransistor 5 erst, nachdem es den
Kurzschluß des Arbeitswiderstandes 8 aufgehoben hat.
Die zuvor beschriebene Verkürzung der Schaltzeit ist in dem Ausführungsbeispiel nach Pig, 4 für die Schalttransistoren 6,7
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dadurch verwirklieht, daß ein Kurzschlußtransistor 17 vorgesehen
ist, dessen Kollektor-Emitter-Strecke dem Arbeitswiderstand 8 parallel liegt und in dessen Basis Steuerimpulse eingespeist
werden, die den Steuerimpulsen, die in die Basis des Treibertransistors 5 eingespeist werden komplementär sind, und daß
eine Rückführung 18, im dargestellten Ausführungsbeispiel als Reihenschaltung eines Widerstandes 19 und eines Kondensators 20,
zwischen einerseits der Lastseite der Parallelschaltung aus der Induktivität 15 und der Gleichrichterdiode 16 und andererseits
der Basis des Kurzschlußtransistors 17 vorgesehen ist. Außerdem ist in der Schaltungsanordnung 1, die in der Fig. 4 dargestellt
ist, ein Steuertransistor 21 vorgesehen, der dem Treibertransistor 5 im Aufbau komplementär ist (im dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der Steuertransistor 21 vom NPN-Typ, während der Treibertransistor vom PNP-Typ ist), dessen Kollektor-Emitter-Strecke
der Basis-Kollektor-Strecke des Treibertransistors 5 parallelgeschaltet
ist und der die Steuerimpulse, die das Steuergerät 4 abgibt, an den Treibertransistor 5 überträgt.
Bei der Schaltungsanordnung 1 nach Pig. 4 werden der Steuertransistor
21 und der Treibertransistor 5 durch die Steuerimpulse des Steuergerätes 4 geöffnet bzw. gesperrt. Der Kurzschlußtransistor
17 arbeitet infolge der Rückführung 18 verspätet, so daß
der Treibertransistor 5 zuerst gesperrt wird, bevor der Arbeitswiderstand
8 durch den Kurzschlußtransistor 17 kurzgeschlossen wird, und umgekehrt. Durch die Anwendung beider Maßnahmen, des
Sperrens des Treibertransistors 5 "und des Kurzsehließens des Arbeitswiderstandes
8, bzw. umgekehrt, wird eine extrem kurze Schaltzeit der Schalttransistoren 6,7 erreicht. Die Schaltzeit
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Patentanwälte Dr. W. Andrejewski, Dr. M. Honke, 43 Essen, Kettwiger Straße
- 11 der Sehalttransistoren 6,7 liegt im Nanosekunden-Bereich.
Im übrigen kann das Steuergerät 4, was in den Figuren jedoch
nicht dargestellt ist, aus einer Vergleichsschaltung mit nachgeschalteten]
Schmidt-Trigger bestehen, wobei die Vergleichsschaltung die geregelte Gleichspannung mit einer festen oder
variabel einstellbaren Referenzspannung vergleicht und den Schmidt-Trigger jeweils veranlaßt, einen Steuerimpuls abzugeben,
so lange die geregelte Gleichspannung unter der Referenzspannung liegt.
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Claims (1)
- Patentanwälte Dr. W. Andrejewski, Dr. M. Honke, 43 Essen, Kettwiger Straße 36- 12 PatentansprücheSchaltungsanordnung zur Regelung einer Gleichspannung, bestehend aus einem Steuergerät, einem Treibertransistor, wenigstens einem Schalttransistor, einem Arbeitswiderstand, der sowohl im Emitterkreis des Treibertransistors als auch parallel zu der Basis-Emitter-Strecke des Sehalttransistors liegt, und einem Siebglied, z.B. mit einer Glättungsdrossel und einem Kondensator, wobei der Treibertransistor durch Steuerimpulse, die das Steuergerät in Abhängigkeit von Schwankungen der zu regelnden Gleichspannung abgibt, gesteuert wird und der Treibertransistor seinerseits den Schalttransistor auf- und zusteuert, dadurch gekennzeichnet, daß im Kollektorkreis des Schaltransistors (6,7) die Parallelschaltung aus einer Induktivität (15) und einer Gleichrichterdiode (l6) in gleicher Richtung wie der Schalttransistor (6,7) leitend ist, und daß die Reihenschaltung Schalttransistor (6,7) - Parallelschaltung aus Induktivität (15) und Gleichrichterdiode (l6) der Reihenschaltung Arbeitswiderstand (8) - Treibertransistor (5) parallel geschaltet ist.2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (4) den Treibertransistor (5) sperrt und den Arbeitswiderstand (8) kurzschließt, wenn der Schalttransistor (6,7) zuzusteuern ist, und umgekehrt.5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (4) den Treibertransistor (5) sperrt, bevor es den Arbeitswiderstand (8) kurzschließt, und umgekehrt.909887/1202Patentanwälte Dr. W. Andrejewski, Dr. M. Honke, 43 Essen, Kettwiger Straße- 13 -4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich- na, daß Kurzschlußtransistor (17) vorgesehen ist, dessen Kollektor-Emitter-Strecke dem Arbeitswiderstand (8) parallel liegt und in dessen Basis Steuerimpulse eingespeist werden, die den Steuerimpulsen, die in die Basis des Treibertransistors (5) eingespeist werden, komplementär sind, und daß eine Rückführung,z.B. die Reihenschaltung eines Widerstandes (19) und eines Kondensators (20), zwischen einerseits der Lastseite der Parallelschaltung aus der Induktivität (15) und der Gleichrichterdiode (16) und andererseits der Basis des Kurzschlußtransistors (17) vorgesehen ist.5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuertransistor (21) vorgesehen ist, der dem Treibertransistor (5) im Aufbau komplementär ist (NPN-Typ, wenn der Treibertransistor (5) vom PNP-Typ ist, und umgekehrt), dessen Kollektor-Emitter-Strecke der Basis-Kollektor-Strecke des Treibertransistors (5) parallel geschaltet ist und der die Steuerimpulse, die das Steuergerät (4) abgibt, an den Treibertransistor (5) überträgt.PAe Dr0 Andrejewski, Dr.Honke909887/1202
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