DE1463270B2 - STABILIZATION DEVICE WITH ONE Z-DIODE AND TWO TRANSISTORS - Google Patents
STABILIZATION DEVICE WITH ONE Z-DIODE AND TWO TRANSISTORSInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Stabilisierungseinrichtung mit einer Z-Diode und zwei Transistoren und hat zum Ziel, eine einfache Stabilisierungsschaltung, insbesondere zur Erzeugung einer Referenzspannung zu schaffen, deren Ausgangsspannung besonders unabhängig von der Versorgungsspannung ist.The invention relates to a stabilization device with a Zener diode and two transistors and aims at a simple stabilization circuit, in particular for generating a reference voltage to create whose output voltage is particularly independent of the supply voltage.
Die bisher bekannten Schaltungsanordnungen mit einer von der Versorgungsspannung besonders unabhängigen Ausgangsspannung haben den Nachteil, daß eine Stabilisierung mit zwei Z-Dioden, welche in irgendeiner Form in Kaskade geschaltet sind, erforderlich ist, was einen relativ schlechten Wirkungsgrad der Anordnung zur Folge hat. Da sich in mindestens einer Z-Diode der Strom stärker als proportional mit der Versorgungsspannung ändert, ändert sich die Verlustleistung in dieser Z-Diode und somit deren Kristalltemperatur. Dies wirkt sich infolge des Temperaturkoeffizienten der Z-Diode ungünstig auf die Stabilisierung aus. Die einzelnen Bauteile müssen außerdem entsprechend stark bemessen sein, was einen unverhältnismäßig großen Platzbedarf ergibt.The previously known circuit arrangements with one which is particularly independent of the supply voltage Output voltage have the disadvantage that a stabilization with two Zener diodes, which in some form of cascade is required, resulting in relatively poor efficiency the order results. Because the current in at least one Zener diode is stronger than proportional changes with the supply voltage, the power loss in this Zener diode changes and thus its Crystal temperature. This is due to the temperature coefficient the Z diode has an unfavorable effect on stabilization. The individual components must also be sized accordingly, what results in a disproportionately large space requirement.
Als typisches Beispiel für eine solche Schaltung kann die im Bild 5 auf S. 51 der Schweizerischen Technischen Zeitschrift, Nr. 4 vom 24. Januar 1963, dargestellte Stabilisierungsschaltung angesehen werden, die mit der Schaltung in F i g. 1 der vorliegenden Anmeldung übereinstimmt. Auch eine verbesserte Schaltung mit einer Konstantstromquelle, die in dem Buch »Transistortechnik« von R. F. Shea, erschienen 1960 im Verlag Berliner Union, Stuttgart, auf S. 415, beschrieben ist, bringt zwar eine Verbesserung, vermeidet aber diese Nachteile nicht. Diese Schaltung ist in Fig. 2 dargestellt.As a typical example of such a circuit, the one in Figure 5 on p. 51 of the Swiss Technical Journal, No. 4 of January 24, 1963, the stabilization circuit shown can be viewed, those with the circuit in FIG. 1 of the present application corresponds. Also an improved one Circuit with a constant current source, which is described in the book "Transistortechnik" by R. F. Shea, published in 1960 by Verlag Berliner Union, Stuttgart, on p. 415, does bring one Improvement, but does not avoid these disadvantages. This circuit is shown in FIG.
Die genannten Nachteile werden bei der erfindungsgemäßen Anordnung vermieden, indem der aufgenommene Gesamtstrom konstant gehalten wird und die Verlustleistung in der Z-Diode somit konstant bleibt. Selbst für den Fall, daß eine zweite Z-Diode verwendet wird — was einer weiteren Qualitätsverbesserung entspricht — wird selbst in dieser die Verlustleistung konstant gehalten.The disadvantages mentioned are avoided in the arrangement according to the invention by the recorded Total current is kept constant and the power loss in the Zener diode thus remains constant. Even in the event that a second Zener diode is used - which is a further improvement in quality corresponds - even in this the power loss is kept constant.
Die Änderung der Verlustleistung wird in der erfindungsgemäßen Anordnung von zwei Transistoren aufgenommen, deren Parameter durch die schwankende Kristalltemperatur sich zwar ändern, was jedoch durch die Eigenschaften der Schaltung keinen direkten Einfluß auf die Stabilisierung ausübt. Der Wirkungsgrad ist gegenüber bisher bekannten Anordnungen größer, was neben einer guten Platzausnützung die Verwendung kleiner Bauteile ermöglicht. The change in the power loss is made in the inventive arrangement of two transistors recorded, the parameters of which change due to the fluctuating crystal temperature, what however, has no direct influence on the stabilization due to the properties of the circuit. Of the Efficiency is greater than previously known arrangements, which in addition to a good use of space allows the use of small components.
Die Erfindung ist bei einer Stabilisierungseinrichtung der eingangs genannten Art darin zu sehen, daß der eine Anschluß der Z-Diode, welche parallel zu den Verbraucherklemmen liegt, mit der Basis eines ersten Transistors verbunden ist, dessen Kollektor und Emitter über je einen Widerstand an den beiden Anschlüssen einer Spannungsquelle liegen, daß die Basis dieses Transistors an den Kollektor eines zweiten Transistors gelegt ist, welcher von der zum ersten Transistor entgegengesetzten Leitungstype ist, dessen Emitter über einen Widerstand so wie der Kollektorwiderstand des ersten Transistors an dem einen Anschluß der Spannungsquelle liegt, und dessen Basis mit dem Kollektor des ersten Transistors unmittelbar verbunden ist, so daß die Arbeitsspannung der Z-Diode als Basisspannung für den ersten Transistor dient und die Konstanthaltung von dessen Kollektorstrom bewirkt und daß die durch diesen Strom am Kollektorwiderstand des ersten Transistors erzeugte Spannung als Basisspannung für den zweiten Transistor verwendet ist und damit den Kollektorstrom dieses Transistors, zugleich den über die Diode fließenden Strom und damit die der Verbraucherspannung entsprechende Arbeitsspannung der Z-Diode konstant hält.The invention is to be seen in a stabilization device of the type mentioned in that one connection of the Zener diode, which is parallel to the consumer terminals, with the base of one first transistor is connected, the collector and emitter of which each have a resistor on the two Connections of a voltage source are that the base of this transistor to the collector of a second Transistor is placed, which is of the opposite line type to the first transistor, its Emitter via a resistor as well as the collector resistance of the first transistor at one terminal the voltage source is, and its base is directly connected to the collector of the first transistor is connected, so that the working voltage of the Zener diode as the base voltage for the first transistor serves and causes the collector current to be kept constant and that the current through this on Collector resistance of the first transistor generated voltage as the base voltage for the second transistor is used and thus the collector current of this transistor, at the same time that flowing through the diode Current and thus the working voltage of the Zener diode corresponding to the consumer voltage keeps constant.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Zeichnung erläutert, in welcher F i g. 1 und 2 den prinzipiellen Aufbau bisher verwendeter Stabilisierungsschaltungen und F i g. 3 das Prinzip der erfindungsgemäßen Stabilisierungseinrichtung zeigt.Further details of the invention are explained with reference to the drawing, in which FIG. 1 and 2 the basic structure of previously used stabilization circuits and FIG. 3 the principle of shows stabilization device according to the invention.
Bei der Stabilisierungsschaltung nach F i g. 1 istIn the stabilization circuit according to FIG. 1 is
ein aus einer Z-Diode DZi und einem Vorwiderstand Ry1 bestehender Ast quer zur Speisespannung gelegt.a branch consisting of a Z-diode D Zi and a series resistor Ry 1 is placed across the supply voltage.
Parallel zur Z-Diode, an welcher eine gegenüber den Speisespannungsschwankungen bereits weitgehend vorstabilisierte Spannung U2 abfällt, ist ein zweiter ebenfalls aus einer Z-Diode DZ2 und einem Vorwiderstand RY2 gebildeter Ast angeordnet, wobei anA second branch, likewise formed from a Zener diode D Z2 and a series resistor R Y2 , is arranged parallel to the Zener diode, at which a voltage U 2 , which is already largely pre-stabilized with respect to the supply voltage fluctuations, drops, with on
den beiden Anschlüssen der zweiten Z-Diode die Verbraucherspannung Uv abgegriffen wird, welche stabilisiert ist. Jedoch ist bei dieser Stabilisierungsschaltung nur dann ein großer Stabilisierungsfaktor zu erreichen, wenn die Vorwiderstände groß gegenüber den Innen widerständen der Z-Dioden sind, was bedingt, daß die Speisespannung USp verhältnismäßig groß gegenüber Uz und Uz groß gegenüber Uv sein muß. the consumer voltage U v , which is stabilized, is tapped from the two connections of the second Zener diode. However, a large stabilization factor can only be achieved with this stabilization circuit if the series resistances are large compared to the internal resistances of the Zener diodes, which means that the supply voltage U Sp must be relatively large compared to U z and U z large compared to U v .
Eine Verbesserung in dieser Hinsicht kann erreicht werden, wenn der Vorwiderstand zur Z-Diode durch den Kollektorkreis eines Transistors ersetzt wird, dessen Emitter über einem Vorwiderstand an der Speisespannung liegt und dessen Basisspannung von einer zweiten Z-Diode stabilisiert wird, womit der Spannungsbedarf bei gleichzeitig gutem Stabilisierungsfaktor klein gehalten werden kann.An improvement in this regard can be achieved if the series resistor to the Zener diode through the collector circuit of a transistor is replaced, the emitter of which is connected to the Supply voltage is and its base voltage is stabilized by a second Zener diode, with which the Voltage requirement can be kept small with a good stabilization factor at the same time.
Eine in dieser Weise aufgebaute Schaltung zeigt im Prinzip die Fig. 2. An der Speisespannung USp liegt die Serienschaltung des Vorwiderstandes Rv mit der Z-Diode D21, an welcher die nur wenig schwankende Arbeitsspannung der Z-Diode U2 abfällt. Parallel zur Z-Diode ist die Emitter-Basis-Strecke des Transistors Tr mit dem Emitterwiderstand RE gelegt. Zwischen dem Kollektor des Transistors und dem Pluspol der Speisespannung liegt die Z-Diode D22, an der die Verbraucherspannung Uy abfällt.A circuit constructed in this way is shown in principle in FIG. 2. The series circuit of the series resistor R v with the Zener diode D 21 , at which the only slightly fluctuating working voltage of the Zener diode U 2 drops , is connected to the supply voltage U Sp. The emitter-base path of the transistor Tr with the emitter resistor R E is placed parallel to the Zener diode. Between the collector of the transistor and the positive pole of the supply voltage is the Zener diode D 22 , across which the load voltage U y drops.
Für diese Schaltung gilt die Beziehung: Wenn UBE <: URE, dann ist Ic konstant; wenn also die an der Emitter-Basis-Strecke abfallende Spannung wesentlich kleiner ist als die am Widerstand RE abfallende Spannung, so kann mit einem praktisch konstanten Kollektorstrom des Transistors und damit mit praktisch konstanter Verbraucherspannung trotz Schwankungen der Speisespannung USp gerechnet werden.The following relationship applies to this circuit: If U BE <: UR E , then I c is constant; So if the voltage drop across the emitter-base path is significantly smaller than the voltage drop across the resistor R E , a practically constant collector current of the transistor and thus a practically constant consumer voltage can be expected despite fluctuations in the supply voltage U Sp.
Obwohl diese Schaltung mit einer relativ geringen Speisespannung auskommt, ist der Stabilisierungsfaktor für viele Zwecke noch zu klein. Eine Verbesserung kann nicht ohne weiteres erzielt werden, da der Vorwiderstand Rv nicht beliebig vergrößert werden kann. Mit einer Vergrößerung der Spannung U2, die zu einem größeren Stabilisierungsfaktor führen würde, vergrößert sich aber gleichzeitig die notwendige Speisespannung USp. Although this circuit manages with a relatively low supply voltage, the stabilization factor is still too small for many purposes. An improvement cannot be achieved without further ado, since the series resistor R v cannot be increased as desired. With an increase in voltage U 2 , which would lead to a greater stabilization factor, the necessary supply voltage U Sp increases at the same time.
Die Behebung aller der angeführten Nachteile gelingt mit Hilfe der erfindungsgemäßen Stabilisierungseinrichtung, deren Prinzip in F i g. 3 gezeigt ist.All of the disadvantages mentioned can be eliminated with the aid of the stabilizing device according to the invention, whose principle in FIG. 3 is shown.
An die zur Stromquelle führenden Leitungen sind über den Kollektorwiderstand RC1 der Kollektor und über den Emitterwiderstand REl der Emitter des ersten Transistors Tr1 gelegt. Dieser Transistor ist ein pnp-Transistor. Die Basis dieses Transistors ist mit der Anode der Z-Diode D2 verbunden, deren Kathode so wie der Emitterwiderstand REl des Transistors Tr1 an der einen Leitung der Stromquelle liegt. Mit der Basis des Transistors Tr1 und damit mit der Anode der Z-Diode ist der Kollektor des zweiten Transistors Tr2 verbunden, welcher ein Transistor der npn-Type ist. Die Basis dieses zweiten Transistors steht unmittelbar mit dem Kollektor des ersten Transistors Tr1 in Verbindung, während der Emitter des zweiten Transistors Tr2 über einen Widerstand RE2 an jener Leitung der Stromquelle liegt, an die auch der Kollektorwiderstand des ersten Transistors Tr1 angeschlossen ist. Die Ausgangsspannung U2 wird direkt an der Z-Diode abgegriffen.The collector is connected to the lines leading to the current source via the collector resistor R C1 and the emitter of the first transistor Tr 1 is connected via the emitter resistor R El . This transistor is a pnp transistor. The base of this transistor is connected to the anode of the Zener diode D 2 , the cathode of which, like the emitter resistor R El of the transistor Tr 1, is connected to one line of the current source. The collector of the second transistor Tr 2 , which is a transistor of the npn type, is connected to the base of the transistor Tr 1 and thus to the anode of the Zener diode. The base of this second transistor is directly connected to the collector of the first transistor Tr 1 , while the emitter of the second transistor Tr 2 is connected via a resistor R E2 to that line of the power source to which the collector resistor of the first transistor Tr 1 is also connected . The output voltage U 2 is tapped directly at the Zener diode.
Zur richtigen Funktion der Schaltung muß gelten, daßFor the correct function of the circuit it must apply that
J.J.
BlBl
U C2 ^ 1
«21, = —j » 1 » U C2 ^ 1
«21, = —j » 1 »
weiter, daß undfurther that and
Jbei « U2 Jbei « U 2
BE2 ^ UZBE2 ^ U Z
B 2B 2
v£'l v £ 'l
Unter diesen Voraussetzungen, daß also die Stromverstärkungsfaktoren h der beiden Transistoren wesentlich größer als 1 sind, daß die an der Basis-Emitter-Strecke des ersten Transistors abfallende Spannung wesentlich kleiner ist als die Arbeitsspannung der Z-Diode und daß die an der Basis-Emitter-Strecke des zweiten Transistors abfallende Spannung wesentlich kleiner ist als das Produkt ausUnder these conditions, that the current amplification factors h of the two transistors are significantly greater than 1, that the voltage drop across the base-emitter path of the first transistor is significantly smaller than the working voltage of the Zener diode and that that at the base-emitter -The voltage drop across the second transistor is much smaller than the product from
C1C1
UzUz
kann geschrieben werden:
Uz can be written:
Uz
JCi = J Ci =
Ä« 'Ä «'
«ei"egg
womit sich ergibtwhich results
J C2 = Jy, = J C2 = Jy, =
Der über die Z-Diode fließende Strom, welcher die Arbeitsspannung an der Z-Diode erzeugt, wird demnach praktisch konstant gehalten, so daß bei dieser Schaltung auch die an sich ganz geringen Schwankungen der Arbeitsspannung der Z-Diode selbst vermieden werden. Diese so erzeugte, praktisch völlig unveränderte Spannung liegt an der Basis des ersten Transistors und verursacht damit einen konstanten Kollektorstrom an diesem Transistor; ein konstanter Kollektorstrom verursacht aber seinerseits wieder einen konstanten Spannungsabfall am Kollektorwiderstand RC1 dieses Transistors. Dieser Spannungsabfall bzw. die so erzeugte konstante Spannung liegt an der Serienschaltung von Emitterwiderstand und Basis-Emitter-Strecke des zweiten Transistors und ist Ursache für einen konstanten Kollektorstrom dieses Transistors. Dieser Strom fließt aber auch über die Z-Diode und erzeugt an dieser — wie bereits erläutert — eine praktisch unveränderliche Bezugsspannung zur Steuerung des ersten Transistors, welche auch gleichzeitig die Verbraucherspannung darstellt.The current flowing through the Zener diode, which generates the working voltage at the Zener diode, is therefore kept practically constant, so that with this circuit the very small fluctuations in the working voltage of the Zener diode itself are avoided. This practically completely unchanged voltage generated in this way is applied to the base of the first transistor and thus causes a constant collector current to this transistor; however, a constant collector current in turn causes a constant voltage drop across the collector resistor R C1 of this transistor. This voltage drop or the constant voltage generated in this way is due to the series connection of the emitter resistor and base-emitter path of the second transistor and is the cause of a constant collector current of this transistor. This current also flows through the Zener diode and generates - as already explained - a practically unchangeable reference voltage for controlling the first transistor, which at the same time also represents the load voltage.
Spannungsschwankungen der Stromquelle werden somit praktisch völlig ausgeglichen.Voltage fluctuations in the power source are thus practically completely compensated for.
Lediglich die in der obigen Berechnung vernachlässigte Spannungsrückwirkung in den Transistoren, die bei veränderter Speisespannung die Spannungen UBE1 und UBE2 verändert, begrenzt die Stab.ilisierungswirkung. Diese Spannungsrückwirkung ist jedoch sehr klein (10~3 bis 10~4 bei handelsüblichen Transistoren) und wirkt sich durch die Schaltungseigenschaften nurOnly the voltage reaction in the transistors, neglected in the above calculation, which changes the voltages U BE1 and U BE2 when the supply voltage changes, limits the stabilization effect. However, this voltage feedback is very small (10 ~ 3 to 10 ~ 4 for commercially available transistors) and only affects the circuit properties
sehr schwach auf die Arbeitsspannung der Z-Diode aus.very weakly on the working voltage of the Zener diode.
Da für einen großen Stabilisierungsfaktor der Widerstand RC1 möglichst klein sein soll, kann dieser natürlich durch eine Z-Diode ersetzt werden. Falls es jedoch nur darauf ankommt, den Stabilisierungsfaktor für Wechselspannungen zu vergrößern (z. B. zur Unterdrückung eines Restbrumms), so wird es genügen, den dynamischen Widerstand von RCI zu verringern. Since the resistor R C1 should be as small as possible for a large stabilization factor, it can of course be replaced by a Zener diode. However, if it is only a matter of increasing the stabilization factor for alternating voltages (e.g. to suppress residual hum), then it will suffice to reduce the dynamic resistance of R CI.
was durch Parallelschaltung eines Kondensators leicht erreicht werden kann.which can easily be achieved by connecting a capacitor in parallel.
Der erste Transistor kann natürlich auch von der npn-Typc sein, jedoch muH dann der /.weile Transistor von der entgegengesetzten Leilungstype, der pnp-Type. sein. Es ist klar, daß gleichzeitig die Speisespannung USp und die /-Diode D2 umgepolt werden müssen, womit auch die Ausgangsspannung Uz ihr Vorzeichen wechselt.The first transistor can of course also be of the NPN type, but then the transistor of the opposite division must be of the PNP type. be. It is clear that the supply voltage U Sp and the / -diode D 2 must be reversed at the same time, so that the output voltage U z also changes its sign.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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