Informations- und Kommunikationstechnik

Regelverstärker zur Spannungsstabilisierung

Die schon beschriebene einfache Konstantspannungsquelle mit Längstransistor und Z-Diode als Referenz ist erweiterbar. Optimal ist eine von 0 Volt bis zum Maximalwert einstellbare und stabilisierte Ausgangsspannung. Der maximal entnehmbare Laststrom sollte ebenfalls einstellbar und die Schaltung kurzschlussfest sein.

Die Ausgangsspannung ist die Differenz aus der Referenzspannung und der Basis-Emitterspannung des Längs- oder Stelltransistors. Sie kann nur dann 0 Volt erreichen, wenn der Wert der Referenz, der Z-Spannung negativ ist. Zusätzlich zur Eingangsspannung ist dann eine negative Hilfsspannung notwendig. Da bei vielen Regelschaltungen Operationsverstärker verwendet werden, steht auch eine negative Betriebsspannung zur Verfügung. Die hier vorgestellten Regelverstärker sind einfachere Transistorschaltungen.

Für sehr stabile Ausgangsspannungen müssen auch kleine Störungen schnell ausgeregelt werden. Das gelingt mit einem Regeltransistor in Emitterschaltung der einen hochohmigem Kollektorwiderstand und eine große Stromverstärkung hat. Durch seinen Arbeitswiderstand R1 fließt auch der Basisstrom des Stelltransistors. Mit zunehmender Belastung nimmt sein Basisstrom zu und der Kollektorstrom des Regeltransistors entsprechend ab. Ohne zusätzliche Maßnahmen ist seine Verstärkung von der Belastung abhängig, was sich negativ auf die geforderte hohe Konstanz der Ausgangsspannung auswirkt.

Funktionsbeschreibung der Schaltung

Konstantspannungsquelle mit Regelverstärker

Beim Anlegen der Eingangsspannung ist die Basis des Stelltransistors über R1 positiver als sein Emitter. Der Transistor Q leitet und die Ausgangsspannung ist nur wenig niedriger als die Eingangsspannung. Durch R2 fließt Strom und am Emitter des Transistors K, dem Regelverstärker stellt sich die Referenzspannung Uref der Z-Diode als Sollwert ein.

Die Ausgangsspannung Ua ist der Istwert des Regelkreises und wird im Verhältnis des Basisspannungsteilers R3 und R4 zum reduzierten Istwert. An der Basis-Emitterstrecke, dem Steuereingang des Regelverstärkers findet der Vergleich zwischen Soll- und Istwert statt. Je höher die Ausgangsspannung ist, desto positiver wird das Basispotenzial von K und desto besser leitet der Transistor. Seine Kollektor-Emitterstrecke wird niederohmiger, sein Kollektorpotenzial, das gleichzeitig das Basispotenzial des Stelltransistors Q ist, wird kleiner.

Je besser der Regeltransistor K leitet, desto höher ist sein Kollektorstrom IC2 und der abhängige Basisstrom IB1 nimmt ab. Da der Regeltransistor besser leitet, nimmt die Spannung an seinem Arbeitswiderstand R1 zu und verringert die Basisspannung des Stelltransistors. Für den npn-Transistor Q bedeutet das, er leitet weniger gut und sein Emitterstrom nimmt ab. Dieser Strom verursacht die Ausgangsspannung, die sich dadurch auf einen konstanten Wert einstellt.

Die Funktionen eines Regelkreises werden an anderer Stelle eingehender erklärt. Der Regelablauf dieser Schaltung kann auch für Laständerungen beschrieben werden. Mit einem größeren Lastwiderstandswert verringert sich die Belastung am Ausgang und die Ausgangsspannung nimmt zu. Die Basisspannung des Regelverstärkers nimmt ebenfalls zu, während seine Emitterspannung von der Z-Diode konstant bleibt. Der Regelverstärker leitet besser und wird niederohmiger und durch seinen Arbeitswiderstand R1 fließt mehr Strom. Die Spannung an R1 nimmt zu und verringert entsprechend die Basisspannung des Stelltransistors. Mit einem geringeren Basisstrom wird Q weniger angesteuert und seine Kollektor-Emitterstrecke hochohmiger. Sein Emitterstrom und der daraus folgende Ausgangstrom IL nehmen ab. Die Ausgangsspannung verringert sich auf den konstant zu haltenden Wert.

Funktionsverbesserungen durch Erweitern der Schaltung

Die zu stabilisierende Ausgangsspannung kann innerhalb eines bestimmten Bereichs durch eine einstellbare Basisspannung des Regeltransistors vorbestimmt werden. Im Basisspannungsteiler ist der Widerstand R3 ein Poti, dessen Schleifer mit der Basis verbunden ist. Die Referenzspannung für den Regelverstärker K2 wird aus der Eingangsspannung und dem von der Belastung unabhängigen Zenerstrom durch den Widerstand R2 erzeugt.

einstellbare Konstantspannungsquelle

In der ersten Schaltung ist die Verstärkung des Regeltransistors von der Ausgangsbelastung stark abhängig. Mit zunehmender Belastung nimmt sein Kollektorstrom ab, und verringert dabei auch den Basisstrom des Stelltransistors. Für einen hohen Stabilisierungsfaktor muss der Stelltransistor Q immer genügend Basisstrom für eine hohe Stromverstärkung erhalten.

Abhilfe schafft jetzt eine Konstantstromquelle mit dem pnp-Transistor K1. Mit seiner eigenen Spannungsreferenz an der Basis und einen entsprechend dimensionierten Emitterwiderstand ist der Kollektorstrom IC1 fest eingestellt. Der hochohmige differenzielle rCE dieser Konstantstromquelle ist zudem ein idealer Kollektor-Arbeitswiderstand für den Regeltransistor.

Eine weitere Verbesserung erreicht man, indem der Stelltransistor nicht direkt, sondern von dem Kleinleistungstransistor K3 in Kollektorschaltung angesteuert wird. Zusammen bilden sie eine Darlingtonschaltung mit sehr hoher Stromverstärkung bei einem kleinen Steuerstrom IB3. Die Stromschwankungen bei Lastwechsel sind um den Stromverstärkungsfaktor B des Zusatztransistors K3 geringer. Der Stabilisierungsfaktor verbessert sich um etwa diesen Faktor B.

Die Stromverstärkung von Leistungstransistoren wie dem Stelltransistor Q liegt oft unter 100. Sind sehr hohe Ausgangsströme gewünscht, lassen sich mit der Darlingtonschaltung problemlos Werte mit B > 150 erreichen. Der Stelltransistor Q hat nach Datenblatt die Stromverstärkung B = 80. Bei einem maximalen Emitterstrom von 3 A beträgt der höchste Basisstrom 38 mA. Der Transistor K3 mit B = 150 gibt diesen Steuerstrom schon bei einem Basisstrom IB3 = 255 μA ab. Nimmt die Ausgangsbelastung ab, so bleibt die Änderung des Kollektorstroms am Regeltransistor klein, da er nur einen Teil des ohnehin sehr geringen Basisstroms IB3 übernehmen muss. Seine Stromverstärkung und der Stabilisierungsfaktor sind nunmehr von der Belastung unabhängig und nahezu konstant.

Schutzschaltungen

Die maximale Verlustleistung des Stelltransistors darf nicht überschritten werden. Die aktuelle Verlustleistung errechnet sich zu P = UCE · IL und ist daher bei großen Lastströmen und eingestellter kleiner Ausgangsspannung besonders hoch. Ein Rechenbeispiel soll das zeigen:

Bei einer bleibenden minimalen Kollektor-Emitterspannung an Q mit UCE = 2 V und der maximalen Ausgangsspannung von 30 V muss die Eingangsspannung mindestens 32 V betragen. Bei maximaler Ausgangsspannung und einem Lastwiderstand von 10 Ω fließen 3 A Laststrom. Am Stelltransistor Q wird dabei die Leistung von P = 2V·3A = 6W in Wärme umgewandelt.

Im Kurzschlussfall am Ausgang steigt die Spannung an Q auf 32 V an. Der Laststrom, der jetzt nur vom Innenwiderstand der Primärquelle am Eingang begrenzt ist, soll beispielsweise 3,5 A betragen. Die Verlustleistung am Transistor Q nimmt den Wert P = 32V·3,5A = 112W an. Damit ist der in diesen Schaltungen oft verwendete Leistungstransistor 2N3055 überfordert.

Da eine normale Schmelzsicherung zu langsam reagiert, muss die Schaltung um eine schnelle elektronische Schutzschaltung erweitert werden. Geeignet ist eine Thyristorschaltung, die bei Überlast die Ansteuerung abschaltet. In der Rückleitung fließt der Laststrom durch einen Messwiderstand RK. Er wird so berechnet, dass beim Überschreiten des maximalen Ausgangsstroms die Spannung UGK den Thyristor zündet, wobei das Gate positiver als die Kathode sein muss.

Regelverstärker mit Thyristorsicherung

Nach dem Zünden ist die Anoden-Kathodenstrecke des Thyristors so niederohmig, dass die Kollektorspannung von K1 fast 0 V beträgt und der Steuerstrom des Regelverstärkers als IAK nach Masse abgeleitet wird. Die Darlingtonschaltung aus K3 und Q wird gesperrt und der Ausgang spannungsfrei. Nach dem Ansprechen bleibt die Schutzschaltung solange aktiv, bis sie nach der Beseitigung des Kurzschlusses am Ausgang durch den Taster S zurückgesetzt wird. Mit ihm überbrückt man die Anoden-Kathodenstrecke des Thyristors und unterbricht seinen Haltestrom. Die Konstantspannungsquelle kann wieder arbeiten.

Optimaler ist eine stetig arbeitende Strombegrenzung auf einen oftmals einstellbaren Maximalwert. Die Konstantspannungsquelle wechselt dabei in den Betriebszustand einer Konstantstromquelle. Der Thyristor wird durch einen Transistor ersetzt. Beim Erreichen des Maximalstroms beträgt die Spannung am Strommesswiderstand um 0,7 V. Der bei geringeren Lastströmen gesperrte Transistor K4 wird leitend und niederohmig. Er leitet einen Teil des Strom IC1 ab und verringert damit die Ansteuerung des Darlington-Stelltransistors K3 und Q. Die Kollektor-Emitterstrecke des Stelltransistors wird hochohmiger und der Ausgangsstrom nimmt ab. Diese Schutzschaltung arbeitet dynamisch und stabilisiert auf einen durch RK maximal bestimmten Ausgangsstrom, der selbst beim Kurzschluss nicht größer werden kann. Die Schaltung muss so berechnet sein, dass der Stelltransistor bei einem Kurzschluss am Ausgang noch unterhalb seiner maximal erlaubten Ptot Verlustleistung bleibt.

Regelverstärker mit Transistor-Stromsicherung

Der Strommesswiderstand RK und die Schutzschaltung mit K4 werden oft auch in die Emitterleitung des Stelltransistors gelegt. Die Kollektor-Emitterstrecke des K4 bildet dann einen Parallelschluss zur Basis-Emitterstrecke von Q. Wird die Schutzschaltung aktiv, so verringert sie die Basis-Emitterspannung des Stelltransistors. Er wird hochohmiger und begrenzt den Laststrom auf den berechneten zulässigen Wert.