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Anlage zur Patentanmeldung Gleichspannungsnetzgerät Die Erfindung
bezieht sich auf ein Gleichspannungsnetzgerät mit einem in eine Ausgangsleitung
eingeschalteten Transistorstellglied, mit einen das Transistorstellglied steuerndn
Regelverstärker, dessen eingang die Ausgangsspannung des Netzgeräts zugeführt wird,
und mit einer bei einem äußeren Kurzschluß wirksam werdenden, einstellbaren Strombegrenzungsstufe
zur Begrenzung dcr im Transistorstellglied anfallenden Verlustleistung.
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Bekannt sind geregelte Gleichspannungsnetzgeräte mit einer elektronischen
Sicherung, die beim auftreten eines äußeren Kurzschlusses
den J,ängstransistor,
der in einer Ausgangsleitung liegt, abschaltet. Diese Netzgeräte haben den Nachteil,
daß die elektronische Sicherung schon dann anspricht, wenn s.B.
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eine kapazitre Last an den Ausgang angeschlossen wird, und kurzzeitig
eine hoher Blindstrom in diese kapazitive Last fließt. Die Ausgangsspannung muß
anschließend von hand wieder eingeschaltet werden. Zur Vermeidung dieses Nachteils
ist es bekannt, anstelle der elektronischen Sicherung eine Kurzschlußstrombegrenzung
in das Netzgerät einzubauen. Im Falle eines Kurzschlusses wird der Höchst strom
des Netzgerätes auf einen unschädlichen Wert begrenzt. Der Längstransistor muß allerdings
so dimensioniert werden, daß er im Kurzschlußfall die gesamte Verlustleistung aufnehmen
kann, da dann die gesamte Spannung an ihm abfällt und der maximale Strom durch ihn
fließt.
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Diese Überdimensionierung des längstransistors ist nur bei Netzgeräten
mit kleiner Ausgangsstromstärke wirtschaftlich vertretbar. Um das Prinzip der Kurzschlußstrombegrenzung
auch auf Netzgeräte mit größerem Ausgangastrom auszudehnen, ist es bekannt, im Kurzschlußfall
in Reihe zum Längstransistor einen oder mehrere Widerstände zu schalten. Dafür sind
jedoch Schalttransistoren erforderlich, die ebenfalls für den hohen Ausgangsstrom
des Netzgeräts dimensioniert sein müssen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, eine Strombegrenzungsstufe für den ELurzschluß fall zu konstruieren, die
ohne zusätzlichen Aufwand an Leistungs transistoren auskommt. Eine besonders einfache
Lösung ergibt sich, wenn die trombegrenzungsstufe auf einen Höchst strom einstellbar
ist, dessen Wert durch die Impulsbelastbarkeit des Transistors des Stellglieds gegeben
ist, und wenn das Transistorstellglied durch eine bistabile Kippstufe sperrbar ist,
die von einer Verzögerungsstufe angesteuert wird, wobei die Verzögerungsstufe nach
einer Öffaungszeit von weniger als 10 Millisekunden nach dem Auftreten eines Kurzschlusses
einen Ausgangsimpuls abgibt und damit die bistabile Kippstufe auslöst und das Transistorstellglied
sperrt. Es wird also die Tatsache ausgemitzt,
daß ein Transistor
kurzzeitig stark überlastbar ist.
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Der im Transistorstellglied enthaltende Längstransistor kann daher
wesentlich schwächer dimensioniert werden. Nach Ablauf der Verzögerungszeit muß
dann allerdings eine elektronische Sicherung ansprechen, die den tängstransistor
vollständig sperrt.
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Im praktischen Betrieb kann es vorkommen, daß ein vorübergehender
äußerer Kurzschluß von melu als 10 Millisekunden Dauer auftritt. In diese Fall müßte
das Netzgerät erst abgeschaltet und wieder neu eingeschaltet werden. Das läßt sich
besonders einfach dadurch umgehen, daß in weiterer Ausgestaltung der Erfindung an
einen Ausgang der bistabilen Kippstufe eine monostabile Kippstufe angeschlossen
ist, die zum Rückstellen der bistabilen Kippstufe nach Ablauf einer Sperrzeit von
vorzugsweise etwa einer Sekunde dient, und daß bei einem Dauerkurzschluß das Transistorstellglied
von der Verzögerungsstufe und von der monostabilen Kippstufe abwechselnd sperr-
und öffenbar ist. Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Weiterbildungen sind nachstehend
anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben
und erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild des Netzgeräts und Fig. 2 den
Schaltplan des Regelteils des Netzgerätes nach Fig. 1.
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Das Neztgerät nach Fig. 1 enthält einen Netztransformator 13, dessen
Primärwicklung an zwei Klemmen 11 und 12 angeschlossen ist. An die Sekundärwichlung
des Netztran.s£ormators 13 ist eine Gleichrichterbrücke 14 angeschlossen. Die positive
Ausgangsleitung der Gleichnichterbrücke 14 ist an die Reglereingangsklemme 27
angeschlossen,
während die negative Ausgangsleitung der Gleichrichterbrücke 14 gleichzeitig die
Minusleitung 26 des Netzgerätes bildet. Die Reglereingangsklemme 27 ist über die
Reihenschaltung eines ransistorstellglieds 15 und eines Meßwiderstandes 16 mit einer
Plusleitung 25 des Netzgerätes verbunden.
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Den Steuereingang des Transistorstellglieds bildet eine Additionsstelle
17. An diese hdditionsstelle 17 sind erstens ein Regelverstärker 18, zweitens eine
bistabile Kippstufe 23 und drittens eine Strombegrenzungsstufe 19 angeschlossen.
Zwei Eingänge des Regelverstärkers 18 sind an die Plusleitung 25 bzw. die Minusleitung
26 angeschlossen. Dem Eingang der Strombegrenzungsschaltung 19 und einem Eingang
einer Abschaltstufe 20 wird jeweils die am Meßwiderstand 16 abfallende Spannung
zugeführt.
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Der Ausgang der Abschaltstufe 20 ist über einen Schmitt-'Rrigger 21
und eine Verzögerung stufe 22 mit einem Eingang der bist-abilen Kippstufe 23 verbunden.
Der Ausgang der bistabilen Kippstufe 23 ist über eine zweite Verzögerungsstufe 24
auf einen zweiten Eingang der bistabilen Kippstufe 23 zurückgeführt.
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Das Schaltbild in Fig. 2 zeigt den Schaltplan der im Blockschaltbild
nach Fig. 1 dargestellten Baugruppen: Das Transistorstellglied 15 enthält zwei parallel
geschaltete Längstransistoren 151 und 152, in deren Emitter-Zuleitungen Ausgleichswiderstände
16 und 161 liegen. Der erste Ausgleichswiderstand 16 wird als Meßwiderstand benützt.
Weiterhin enthält das Transistorstellglied 15 zwei zur Verstärkung dienende Transistoren
153 und 154, die so geschaltet sind, daß sie zusammen mit den Längstransistoren
151 und 152 eine Kette von Emitter-Folgern bilden. Der erste Transistor 154 dieser
Kette erhält seinen Basisstrom über einen Widerstand 155. Zur Unterdrückung von
Schwingungen der Regelverstärker ist ein Kondensator 156 vorgesehen.
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Der Regelverstärker 18 ist als Differenzverstärker mit den beiden
Transistoren 181 und 182 und dem gemeinsamen Emitterwiderstand 185 aufgebaut. Der
Regelverstärker 18 erhält seine Versorungsspannung über ein aus der Siebdrossel
31 und dem Siebkondensator 32 bestehendes 5iebglied. Zur Erzeugung einer Referenzspannung
für die Basis des einen Transistbrs 181 ist die Reihenschaltung eines Widerstandes
183 und einer Zenerdiode 184 vorgesehen. Die Basis des anderen Transistorss182 ist
an den Mittelabgriff eines Potentiometers 188 angeschlossen, das Teil eines Sparmungsteilers
mit den Widerständen 187 und 188 und 189 ist. Dieser Spannungsteiler liegt zwischen
der Plusleitung 25 und der-Minusleitung 26 und kann daher zur Messung der Ausgangs
spannung verwendet werden.
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Die Strombegrenzungsstufe 19 enthält den Transistor 191, einen aus
den Widerständen 192 und 194 bestehenden Basisspannungsteiler und eine Diode 193,
die zwischen dem Kollektor des Transistors 191 und der Additionsstelle 17 angeordnet
ist.
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Der Abschaltverstärker 20 enthält einen Transistor 201, eine Reihenschaltung
von Kollektorwiderständen 204, 206, 207 und einen aus dem \diderstand 203 und dem
einstellbaren Widerstand 202 bestehenden Emitterspannungsteiler.
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Der Schmitt-Trigger 21 ist in bekannter Weise aus zwei Transistoren
211, 212 und -aus Widerständen 213, 214, 215, 216 und 217 aufgebaut. Das Ausgangssignal
des Schmitt-Triggers 21 wird über einen Widerstand 225 und eine parallel dazu liegende
Reihenschaltung aus einem Widerstand 226 und einer Diode 227 der Verzögerungsstufe
22 zugeführt, die aus einem Uniäunctiontransistor 221, zwei Bssiswiderständen 222
und 223 und einem vom Emitter zur Minusleitung 26 führenden Kondensator 224 besteht.
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Das Ausgangssignal der Varzögerungsstule 22 wird über eine Diode 228
auf einen Eingang der bistabilen Kippstufe 23 übertragen.
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Diese bistabile Kippstufe 23 ist in bekannter Weise aus zwei Transistoren
231 und 232 und aus Widerständen 233, 234, 235, 236, 237 und 238, sowie einer Diode
239 aufgebaut.
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Ein Ausgang der bistabilen Kippstufe 23, nämlich der Kollektor des
Transistors 231 ist mit der Additonastelle 17 verbunden.
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Der andere Ausgang, nämlich der Kollektor des Transistors 232 ist
über einen Widerstand 245 mit der zweiten Verzögerungsstufe 24 verbunden, die aus
einem Unijunctiontransistor 241, zwei Basiswiderständen 242 und 243 und einem vom
Emitter zur Minusleitung führenden Kondensator 244 besteht. Vom Ausgang der zweiten
Verzögerungsstufe 24, nämlich der mit dem Widerstand 243 verbundenen Basiselektrode
des Uniåunctiontransist-ors 241, führt eine Diode 246 zum zweiten Eingang der bistabilen
Kippstufe 23, nämlich zur Basis des Transistors 232.
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Der Schmitt-Trigger 21, die Verzögerungsstufe 22, die bistabile Kippstufe
23 und die zweite Verzögerungsstufe 24 erhalten ihre Versorungsspannung über ein
aus dem-Widerstand 29 und einem Kondensator 30 bestehendes Siebglied. Desweiteren
enthält die Schaltung zur Unterdrückung unerwünschter Regelschwingungen zusätzliche
Kondensatoren: Einen Kondensator 156 zwischen Emitter und Kollektor des Transistors
154 im Transistorstellglied, einen Kondensator 186 im Regelverstärker 18 und einen
Kondensator 205 im Äbschaltverstärker 20 zwischen dem Widerstand 206 und der Minusleitung
26. Weiterhin enthält die Schaltung zur weiteren Siebung und Pufferung der Ausgangsspannung
zwischen der Plusleitung 25 und der Minusleitung 26 eine Parallelschaltung aus den
beiden Kondensatoren 33 und 34, von denen'der eine Kondensator indukativitätsarm
ausgebildet ist und zur Urterdrückung kurzer Strömimpulse dient und von denen der
andere als Elektrolytkondensator ausgebildet ist und als Pufferkondensator dient.
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Außerdem liegt zwischen der Plusleitung 25 und der flinusleitung 26
eine in Sperrichtung gepolte Diode, die bei der Abschaltung induktiver Lasten als
Freilaufdiode dient.
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Im folgenden wird die Funktionsweise der beschriebenen Baugruppen
erläutert: Wenn die Spannung zwischen der Plusleitung 25 und der Minusleitung 26
ansteigt, steigt auch die Basisspannung des Transistors 182. Dieser leitet daher
stärker und übernimmt einen Teil des Basisstrons des Transistors 154, der daher
weniger gut leitet und somit auch den Innenwiderstand der beiden Längstransistoren
151 und 152 erhöbt, so daß die Ausgangsspannungniedriger wird. Dieser Spannungsregelung
ist eine Strombegrenzung durch die Strombegrenzungsstufe 19 überlagert. Der npn-Transistor
191 sperrt im normalen Betrieb. Wird dem Netzgerät ein hoher Strom entnommen, dann
fällt am Meßwiderstand 16 eine hohe Spannung ab. Der Transistor 191 kann jetzt leiten
und übernimmt einen großen Teil des Basisstroms des Transistors 154, so daß der
Strom in den Längstransistoren 151 und 152 begrenzt wird. Die maximale Ausgangsstromstärke
kann man dabei mit den beiden Widerständen 192 und 194 einstellen Wie eingangs schon
gesagt wurde, ist die Maximalstromstärke so eingestellt, daß die Längstransistoren
151 und 152 nur kurzzeitig mit der dabei auftretenden Maximalverlustleistung belastet
werden können.
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Nach ender Verzögerungszeit von etwa 3 Millisekunden werden dann die
Längstransistoren 151 und 152 vollständig gesperrt.
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Die hierzu vorgesehene Abschaltstufe 20 arbeitet folgendermaßen: Zwischen
Basis und Emitter des Transistors 2C1, der Teil der Abschaltstufe 20 ist, liegt
der Meßwiderstand 16.
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Die am Meßwiderstand 16 abfallende Spannung bringt Transistor 201
zum Leiten. Der Kollektorstrom des Transistors 201 fließt durch die Widerstände
204, 206 und 207. Illit dem SI)annungsabfall am Widerstand 207 wird der Schmitt-Trigger
21 angesteuert. Die Stromstärke im Widerstand IG, bei der die Schaltschwelle des
Schmitt-Triggers 21 überschritten wird, kann man mit Hilfe des einstellbaren Widerstandes
202 verändern Der Schmitt-Trigger 21 ist so geschaltet, daß im @uhezustand der Transistor
211 gesperrt ist und der Transistor (%I2 leitet.
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Die Kollektorelektrode des Transistors 212 liegt daher auf einem Potential,
das kleiner als die Zündspannung des Unijunctiontransistors 221 ist. Wenn die Schaltschwelle
des Schmitt-Triggers überschritten wird, sperrt der Transistor 212 und die Kollektorelektrode
des Transistors 212 liegt näherungsweise auf dem Potential der Versorungsstromleitung
28. Der Kondensator 224 wird j jetzt über die Widerstände 214 und 225 aufgelanden.,
bis die Zündspannung des Unijunctiontransistors 221 von etwa 6 Volt erreicht wird.
Die Schaltung wird so dimensioniert, daß dies nach etwa 3 Millisekunden eintritt.
Der Kondensator 224 entlädt sich jetzt über den Unijunctiontransistor 221. Dabei
fließt ein großer Strom über den Widerstand 223.
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Der dabei am Widerstand 223 auftretende positiv-e Spannungsimpuls
wird über die Diode 228 auf die Basis des Transistors 231 übertragen, der ein Teil
der bistabilen Kippstufe 23 ist.
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Die bistabile Kippstufe 23 ist so geschaltet, daß im Rubezustand der
Transistor 231 sperrt und der Transistor 232 leitet.
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Durch den von Unijunctiontransistor 221 kommenden Spannungsimpuls
wird die bistabile Kippstufe 23 gekippt und der Transistor 232 sperrt jetzt. Für
die' zweite Verzögerungsstufe 24 gilt j etzt dasselbe, was oben für die Verzögerungsstufe
221 gesagt wurde. Sobald der Transistor 232 gesperrt ist, wird der Kondensator 244
über die Widerstände 234 und 245 aufgeladen. Gleichzeitig leitet jetzt der Transistor
231 in der bistabilen Kippstufe 23 und übernimmt über die Leitung 17 den gesamten
Basisstrom des Transistors 154 im ransistorstellglied. Dadurch werden alle im Transistorstellglied
15 befindlichen Transistoren, gesperrt, und auch der Ausgangsstrom des Netzgeräts
wird somit abgeschaltet.
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Nach einer Zeit von etwa einer Sekunde - je nach Dimensionierung der
Schaltung - ist der Kondensator 244 soweit aufgeladen, daß die Zündspannung des
Unijunctiontransistors 241 in der zweiten Verzögerungsstufe 24 erreicht wird. Jetzt
tritt am Widerstand 243 ein positiver Spannungsimpuls auf, der über die Diode 246
auf die Basis des Transistors 232 übertragen wird, so daß jetzt zwei Transistor
232 wieder leitet und die bistabile Kippstufe 23 in ihren Ausgangszustand zurückgekippt
wird.
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Damit können auch die Längstransist-oren 151 und 152 wieder Strom
Tühren. Wenn die Kurzschluß jetzt noch vorhanden ist, wiederholt sich das gleiche
Spiel von neuem. Die Längstransistoren 151 ud 152 leiten für etwa 3 Millisekunden
den maximal zulässigen Strom und werden dann für eine Sekunde wieder abgeschaltet.
Das wiederholt sich periodisch solange, bis der Kurzschluß beseitigt ict. Ist dagegen
der Kurzschluß nach einer Sekunde schon verschwunden, dann bleiben die Längstransistoren
151 und 152 weiter eingeschaltet.
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Andererseits ist es auch möglich, daß z.B. beim Anschließen einer
kapazitiven Last der Kurzschluß noch kürzer als 3 Millisekunden dauert. Dann wird
der Kondensator 224 in der Verzögerungsschaltung 22 über die Diode 227 und den Widerstand
226 entladen, und die Schaltung befindet sich wieder im stationären Zustand.
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Am beschriebenen Ausführungsbeispiel st die Ausbildung der zweiten
Verzögerungsatufe 24 mit einem Uni äiLnctiontransi stor 241 besonders vorteilhaft,
weil nur dieser eine Transistor benötigt wird. Die dargestellte Schaltung eines
Unijunctiontransistors mit einem Kondensator von der Emitterelektrode zur Minusleitung
26 ist an sich eine astabile Kippschaltung. Erst dadurch, daß die Emitterelektrode
an einen ausgang einer bistabilen Kippstufe angeschlossen ist, erhält die Stufe
monostabile Schalteigenschaften.
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Uniäunctiontransi storen weisen im allgemeinen recht große Exemplarstreuungen
im Bezug auf die Zündspannung auf. Daher können die Zeitkonstanten der monostabilen
Kippstufe von Exemplar zu Exemplar um bis zu 30 % streuen. Bei der beschriebenen
hinwendung in Netzgeräten fällt jedoch diese Streuung nicht ins Gewicht, da es unwesentlich
ist, ob das Netzgerät eine Sekunde oder 1,3 Sekunden abgeschaltet wird. Sollte man
jedoch darauf Wert legen, daß diese Zeitkonstanten genau eingehalten werden und
daß keine Exemplarstreuungen auftreten, dann muß man an Stelle der monos-tabilen
Kippstufe 24 eine gewöhnliche monostabile Multivibratorschaltung einbauen. Ebenso
kann man an Stelle der Verzögerungsstufe 22 eine gewöhnliche monostabile Multivibratorschaltung
mit zwei Transistoren vorsehen.
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Wenn die Regelschaltung nach Fig. 2 wie beschrieben an einem Wechselstromtransformator
13 angeschlossen wird, ist es nötig zwischen der Gleichrichterbrücke 14 und der
Reglereingangsklemme 27 Siebmittel, wie z.B. RC-Glieder, anzuordnen. Auf diese Siebmittel
kann man verzichten, wenn als Netztransformator 13 ein Drehstromtransformator verwendet
wird.