Regelverstärker für Konstantspannungsquellen
Die einfache ungeregelte Konstantspannungsquelle mit einer Z-Diode ist nur für kleine Ausgangsleistungen geeignet. Eine Spannungsquelle sollte einen kleinen Innenwiderstand haben, damit die Ausgangsspannung bei wechselnder Last weitgehend konstant bleibt. Die Z-Diode im linearen Sperrbereich erfüllt diese Forderung recht gut. Für präzise Konstantspannungen sind die geringen Spannungsänderungen, die bei großen Lastschwankungen auftreten, noch zu hoch. Bei Leerlauf der Schaltung fließt der maximale Schaltungsstrom durch die Z-Diode und die damit verbundene Erwärmung und Belastung der Diode ist am höchsten. Die Temperaturänderungen bei Lastwechsel wirken sich negativ auf die Spannungsstabilität aus. Nachfolgend werden zur Spannungsstabilisierung erweiterte Schaltungen beschrieben, bei denen die Z-Diode die konstante Referenzspannungsquelle ist und die Ausgangsspannung der Belastung angepasst nachgeregelt wird.
Parallelstabilisierung mit Z-Diode und Transistor
Die Z-Diode kann durch einen Transistor mit größerer Stromverträglichkeit ersetzt werden. Sein variabler Kollektor-Emitter-Widerstand liegt parallel zum Lastwiderstand. Beide zusammen bilden mit dem Vorwiderstand ein konstant bleibendes Teilerverhältnis und so die konstante Ausgangsspannung. Zur Anwendung kommt eine Schaltung mit Z-Diode und Quertransistor.
Funktionsbeschreibung
Die Schaltung stellt einen Regelkreis dar. Wird sie durch einen kleineren Lastwiderstandswert RL höher belastet, dann nimmt der Laststrom IL zu. Da er Teil des Gesamtstroms I ist, nimmt proportional die Spannung am Vorwiderstand RV zu und würde die Ausgangsspannung um diesen Betrag senken.
Die Ausgangsspannung Ua ist die Summe der konstant bleibenden Z-Spannung UZ und der Steuerspannung UBE des Transistors, die sich in Abhängigkeit von der Ausgangslast ändert. Wird sie kleiner, so wird der Transistor weniger angesteuert und verringert seine Leitfähigkeit. Der Kollektorstrom IC wird kleiner und damit auch der Gesamtstrom I durch RV. Die Spannung am Vorwiderstand verringert sich proportional, sodass die Ausgangsspannung um diesen Betrag auf ihren ursprünglichen Wert wieder zunimmt. Der Regelkreis gleicht die Änderungen des Laststroms durch eine proportional gegenläufige Änderung des Kollektorstroms aus.
Geringe Änderungen der Eingangsspannung gleicht die Schaltung ebenfalls aus. Sollte Ue größer werden, dann kann auf der Eingangsseite des Transistors nur UBE zunehmen. Betrachtet man nur die Ströme, dann nimmt der Zenerstrom zu und der Transistor erhält mehr Basisstrom IB. Die Leitfähigkeit des Transistors nimmt zu und vergrößert mit seinem Kollektorstrom IC proportional den Gesamtstrom durch den Vorwiderstand RV. Die Spannung am Vorwiderstand erhöht sich um den Betrag der Spannungsänderung am Eingang. Die Ausgangsspannung bleibt konstant.
Die Parallelstabilisierung belastet die Quelle bei Lastwechsel immer mit dem gleichen Strom.
Von Nachteil ist die höchste Verlustleistung der Schaltung im Leerlauf.
Die Parallelstabilisierung mit Quertransistor und Z-Diode bringt keine Verbesserung hinsichtlich eines geringeren Innenwiderstandes oder des Stabilisierungsfaktors. Von Vorteil für die Z-Diode ist die jetzt um den Stromverstärkungsfaktor des Transistors viel kleinere Strombelastung. Durch den Kollektorwiderstand bleibt Spannung zwischen Kollektor und Emitter kleiner und verringert die Verlustleistung und Wärmebelastung des Transistors. Der Innenwiderstand der Konstantspannungsquelle wird überwiegend vom dynamischen Basis-Emitter-Widerstand rBE bestimmt. Sein Wert ist klein, da er durch den Stromverstärkungsfaktor des Transistors dividiert wird.
Wird die Schaltung mit einem zweiten Transistor erweitert, verbessern sich die Stabilisierungseigenschaften und es sind höhere Ausgangsleistungen möglich. Sinnvoll ist die Parallelstabilisierung nur dann, wenn die Belastung möglichst hoch bleibt. Die Schaltung hat im Leerlauf einen hohen Leistungsumsatz und erwärmt sich dadurch stark.
Die einzige weitgehend von der Temperatur unabhängige Z-Diode ist die 6,2 V Referenzdiode. Bei allen anderen Z-Dioden kann die Temperaturdrift durch eine in Flussrichtung gepolte normale Diode kompensiert werden. Derartige Kombinationen sind als integrierte Referenzelemente (grau hinterlegt) erhältlich, können auch aus Einzeldioden nachgebildet werden.
Serienstabilisierung mit Z-Diode und Transistor
Bei der Serien- oder Längsstabilisierung bilden der Lastwiderstand und ein variabler Vorwiderstand eine Reihenschaltung. Der elektronisch geregelte Vorwiderstand im Spannungsteiler hält die Ausgangsspannung konstant. In der folgenden Schaltung ist die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors der variable Vorwiderstand. Die Steuerung erfolgt über die Basis-Emitterstrecke.
Jede Regelung benötigt eine Bezugsgröße oder Referenz. In dieser Schaltung bestimmt die konstante Spannung der Z-Diode das Basispotenzial des Transistors. Bei variabler Belastung ändert sich die Ausgangsspannung und parallel dazu die Emitterspannung. Sie ist Teil der Steuerspannung UBE des Transistors und folglich proportional zur Änderung der Ausgangsspannung. Der Transistor regelt innerhalb seines Arbeitsbereichs diese Änderungen so aus, dass die Ausgangsspannung von der Belastung unabhängig konstant bleibt.
Die Ausgangsspannung ist um die Basis-Emitterspannung niedriger als die Referenzspannung UZ. Ohne Kollektorwiderstand aber auch mit kleinen Werten für RC arbeitet der Transistor als Stromverstärker in der Kollektorgrundschaltung. Der Emitterwiderstand R2, der auch als Vorlastwiderstand bezeichnet wird, sorgt für das Funktionieren der Schaltung im Leerlauf ohne Lastwiderstand RL. Der Wert des Emitterwiderstands ist groß im Vergleich zum Lastwiderstand und folglich in der Parallelschaltung bei belastetem Ausgang vernachlässigbar.
Der Vorlastwiderstand gewährleistet eine konstante Ausgangsspannung auch bei sehr geringen Lastströmen. Bei sehr geringer Belastung ohne R2 ist der Emitterstrom und damit die UBE sehr klein. Durch die gekrümmte Arbeitskennlinie des Transistors nimmt mit zunehmender Belastung die UBE erst stärker und ab 0,7 V kaum noch zu. Dieses Verhalten wirkt sich direkt auf die Ausgangsspannung aus und verschlechtert den Stabilisierungsfaktor. Mit dem Emitter-Vorlastwiderstand wird der optimale Arbeitspunkt in den linearen Bereich der Steuerkennlinie des Transistors gelegt.
Mit zunehmendem Laststrom nimmt die Verlustleistung am Transistor zu und erreicht beim Kurzschluss am Ausgang ihren Höchstwert. Der Kollektorwiderstand ist so zu berechnen, dass der maximal erlaubte Kollektorstrom nicht überschritten werden kann. Die Schaltung stabilisiert die Ausgangsspannung, solange die Kollektor-Emitterspannung UCE am Transistor größer als seine UCEmin ist. Die Schaltung gleicht auch Schwankungen der Eingangsspannung aus.
Der Glättungs- und der Stabilisierungsfaktor
Je stabiler die Referenzspannung ist, desto konstanter bleibt die Ausgangsspannung bei Lastwechsel. Durch den Widerstand R1 fließen Basis- und Zenerstrom. Die Stromsumme ist konstant, solange die Eingangs- und die Referenzspannung konstant bleiben. Ändert sich der Basisstrom bei Lastschwankungen am Ausgang, so ändert sich gegenläufig der Strom durch die Z-Diode. Variiert die Eingangsspannung, so verändert sich ebenfalls der Diodenstrom IZ. Mit ΔIZ ergibt sich ein ΔUZ und daraus ein ΔUa. So wie für die Spannungsstabilisierung nur mit einer Z-Diode kann auch hier ein Glättungsfaktor aufgestellt werden:
Je kleiner der differenzielle Widerstand der Z-Diode ist, desto steiler verläuft ihre Kennlinie im Arbeitsbereich und desto besser werden Störungen ausgeregelt. Eine Konstantspannungsquelle kann auch zur Siebung einer gleichgerichteten Wechselspannung eingesetzt werden. Ist die Eingangsspannung der Schaltung mit einer Wechselspannungskomponente überlagert, so ist ihr Anteil am Ausgang um den Faktor 1/G kleiner. Wie gut eine Konstantspannungsquelle Eingangs- und Ausgangsspannungsänderungen ausregeln kann, ergibt sich aus dem relativen Stabilisierungsfaktor S:
Der dynamische Innenwiderstand
Eine Spannungsquelle sollte einen möglichst kleinen Innenwiderstand haben. In der Stabilisierungsschaltung arbeitet der Transistor als Stromverstärker. Vom Schaltungstyp her liegt eine Kollektorgrundschaltung vor, die sich durch einen geringen Ausgangswiderstand auszeichnet. Werden für zwei unterschiedliche Belastungen am Ausgang die Spannungs- und Stromänderungen bestimmt, so kann aus den Differenzen die Größenordnung des dynamischen Innenwiderstands errechnet werden.
Simulation einer dimensionierten Serienstabilisierung
Die oben dargestellte Schaltung einer Konstantspannungsquelle wird für vorgegebene Werte dimensioniert und anschließend per Softwaresimulation untersucht. Die Ausgangsspannung soll etwa 12 V betragen. Der maximale Laststrom soll nicht größer als 0,5 A sein. Für die Eingangsspannung sind 20 V vorgesehen, die mit einer sinusförmigen Brummspannung überlagert sein kann.
Für die Referenzspannung werden zwei in Reihe geschaltete 6,2 V Z-Dioden eingesetzt. Sie weisen keine Temperaturdrift auf und die Kennlinie verläuft steiler als die einer 12 V Referenzdiode. Der Zenerstrom soll 10 mA betragen. Er ist damit wesentlich größer als der maximale Basisstrom und wird durch diesen nicht beeinflusst. Zur Simulation wird der Transistor BD 137 gewählt. Er hat einen Stromverstärkungsfaktor von B = 100 und ist für einen maximalen Kollektorstrom von 2 A geeignet.
Die Berechnung der Bauteilwerte wird für eine Basis-Emitterspannung von 0,7 V vorgenommen. Durch den Vorlastwiderstand sollen 10 mA fließen. Bei maximaler Belastung am Transistor soll die bleibende Kollektor-Emitterspannung 1,5 V betragen. Die berechneten Widerstandswerte werden auf Werte der Normreihen angepasst.
Das Bild zeigt die dimensionierte Schaltung und rechts den Verlauf der Ausgangsspannung (blau) und der Kollektor-Emitterspannung (grün) am Längstransistor. Oberhalb der minimalen Kollektor-Emitterspannung UCEmin regelt der Transistor die Ausgangsklemmenspannung Ua mit einer Genauigkeit von 0,2 V aus, das entspricht einer Abweichung von 2%.
Die Messwerte in der Tabelle zeigen, dass die Schaltung bei nur geringer Belastung die Ausgangsspannung mit einem Vorwiderstand besser nachregeln kann als ohne ihn. Ohne Vorlastwiderstand und sehr kleinem Laststrom arbeitet der Transistor im Bereich seiner stark gekrümmten Eingangskennlinie. Die Änderungen der Basis-Emitter-Steuerspannung UBE wirken sich direkt auf die Ausgangsspannung aus.
ohne Vorlastwiderstand RVL | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|
RL/kΩ | 10 | 5 | 2 | 1 | 0,8 | 0,6 |
Ua/V | 11,85 | 11,83 | 11,81 | 11,79 | 11,78 | 11,77 |
mit Vorlastwiderstand RVL | ||||||
Ua/V | 11,79 | 11,79 | 11,78 | 11,77 | 11,77 | 11,76 |
Der dynamische Widerstand rz der Referenzdiode wurde für zwei Belastungspaare durch Messungen von ΔUZ und ΔIZ errechnet. Bei hoher Ausgangsbelastung zwischen 25 Ω und 50 Ω lag der Wert bei rz = 2,6 Ω. Bei geringerer Belastung zwischen 100 Ω und 500 Ω wurde rz = 2,3 Ω ermittelt. Das ergibt einen durchschnittlichen Glättungsfaktor von G = 193.
Für die Ausgangslast 50 Ω soll eine DC-Eingangsspannung von 18 V um ±2 Volt variieren können. Gemessen wurden die Änderungen der Referenzspannung an den Z-Dioden mit 31 mV und der Ausgangsspannung mit 32 mV. Das ergibt einen Glättungsfaktor von 127, der in der Größenordnung zum oben bestimmten Glättungsfaktor liegt. Für die Gesamtschaltung interessiert eher der relative Stabilisierungsfaktor. Hat er einen hohen Wert, machen sich Eingangsstörungen am Ausgang fast nicht bemerkbar. Der durchschnittliche Stabilisierungsfaktor dieser Konstantspannungsquelle wurde bei der Belastung mit 50 Ω und ΔUe = ±2 V zu S = 81 bestimmt.
Die beiden folgenden Simulationsdiagramme zeigen, wie gut die Konstantspannungsquelle die mit Wechselspannung überlagerte Eingangs-DC ausregeln kann. Das linke Oszillogramm in DC-Kopplung stellt eine Gleichspannung von 19 V dar, die mit einer 50 Hz Sinuswechselspannung von 2 Vss überlagert ist. Die Ausgangsspannung (blau) ist eine konstant gute Gleichspannung.
Das rechte Oszillogramm zeigt die Signale bei AC-Kopplung der Eingangs- und Ausgangsspannung. Der noch nachweisbare Anteil der Wechselspannung am Ausgang beträgt nur 13 mVss. Der Stabilisierungsfaktor bei nur halb so großer Eingangsstörung hat sich auf den Wert 100 verbessert.
Von besonderem Interesse ist der dynamische Innenwiderstand der Konstantspannungsquelle, der möglichst niedrig sein sollte. Die experimentelle Bestimmung erfolgt für unterschiedliche Belastungen des Ausgangs nach der Methode ΔU zu ΔI. Es wurde ein durchschnittlicher Wert von 0,4 Ω ermittelt.
Die Ausregelzeit einer Störung wird durch das Messen der Sprungantwort ermittelt. Zur Bestimmung wurde die Eingangsspannung von 18 V wird mit einem ±2 V Rechtecksignal überlagert. Dargestellt ist das Eingangs- (grün) in DC-Kopplung und das Ausgangsoszillogramm (blau) in AC-Kopplung. Die Ausregelzeit ist mit 3 ms für jede Richtung kurz. Der Versuch zeigt, dass man mit wenigen Bauteilen mit einer einfachen Schaltung ein gutes Ergebnis erreichen kann.