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Hochspannungsstabilisierung mit MOSFET-Leistungstransistoren

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Es wird ein erprobter, kurzschlußsicherer, HF-fester, einstellbarer Spannungsregler auf der Basis vom MOSFET-Leistungstransistoren beschrieben. Der Regler stabilisiert Spannungen bis 950 Volt für die Anoden- oder Gitterversorgung von Linearverstärkern. Mit der vorgestellten Schaltung läßt sich jedes ungeregelte Netzteil bis maximal 1000 Volt nachträglich in ein stabilisiertes umbauen. Es werden keine weiteren Hilfsspannungen benötigt. Die Regelung selbst belastet das Netzteil zusätzlich nur mit wenigen Milliampere für die Referenzspannungsquelle und für den Spannungsteiler am Ausgang.

Abb 1
Abb. 1: Blick in das Innere des Spannungsreglers.

Mit den weiter zunehmenden Aktivitäten auf den Amateurfunkbändern im UHF- und SHF-Bereich gewinnen Linearverstärker mit Röhren für den Eigenbau wieder an Bedeutung.

Linearverstärker benötigen aber stabile Hilfsspannungen zur Einstellung des Arbeitspunktes. So sollte die Schirmgitterspannung der weit verbreiteten 4CX-Röhrenserie im Betrieb um nicht mehr als wenige Volt schwanken. Dieses läßt sich nur durch eine Stabilisierung der Spannungsversorgung erreichen.

Methoden der Spannungsstabilisierung

Schaltungen mit Stabilisatorröhren gehören endgültig der Vergangenheit an. Eine reine Zener-Dioden-Stabilisierung erreicht die geforderte Stabilität nicht. Überdies wird dabei im Vorwiderstand und den Dioden selbst eine untragbare Verlustwärme produziert.

Eine Reduzierung der Verluste läßt sich durch Hinzufügen einer in Serie geschalteten Transistorstute erreichen, wie in Abb. 2 gezeigt. In dieser Schaltung dient die Zenerdiode als Referenzspannungsquelle. Durch die Diode fließt dabei nur ein kleiner Strom. Daher können preiswerte Zenerdioden mit geringer Verlustleistung eingesetzt werden.

Abb 2
Abb. 2: Spannungsstabilisierung mit nachgeschalteter Transistorstufe.

Wegen des höheren Vorwiderstandes wird außerdem eine bessere Stabilisierung erreicht. Weiterhin sinkt aufgrund der Stromverstärkung des Transistors der Innenwiderstand der Spannungsquelle, wodurch die Spannungsänderung bei Belastung geringer wird.

Ausgangsspannung, die um die Schwellenspannung des Transistors unter der Referenzspannung liegt.

Eine noch weiter verbesserte Stabilität gegenüber Lastschwankungen und gegen Schwankungen der Eingangsspannung liefert eine Serienstabilisierung mit einem....

Die Schaltung nach Abb. 2 erzeugt eine Regelverstärker. Die Abb. 3 zeigt das Prinzip des Serienreglers.

Abb 3
Abb. 3: Prinzipschaltbild einer Serienstabilisierung mit Regelverstärker.

Der Regelverstärker V vergleicht die momentane Ausgangsspannung mit einer Referenzspannung und steuert das Se rienelement so an, daß die Ausgangsspannung konstant bleibt.

Ein weiterer Vorteil dieser Schaltung ist, daß die Ausgangsspannung über das Widerstandsverhältnis R 1, R 2 mit einem Potentiometer eingestellt werden kann.

Die Regelung läßt sich noch weiter verbessern, indem der Widerstand RV in Abb. 3 durch eine Konstantstromquelle ersetzt wird. Schwankungen von Uein wirken sich dann weit weniger auf die Referenzspannung Uref und damit auf die Ausgangsspannung Uaus aus.

Zur Angabe der Güte einer Spannungsregelung definiert man den Stabilisierungsfaktor G:

G = ΔUein / ΔUaus (1)

Diese Zahl gibt an, um welchen Faktor Schwankungen der Eingangsspannung verkleinert werden. Für eine Stabilisierung mit Zenerdioden liegt G zwischen 10 und 100. Mit einer geregelten Stabilisierung nach Abb. 3 lassen sich Werte zwischen 1000 und 10000 erreichen. Schwankt die Eingangsspannung um 50 Volt, so bleibt dabei die Schwankung der Ausgangsspannung unter 50 mV.

In der Niederspannungstechnik werden in den gezeigten Schaltungen häufig normale bipolare Transistoren eingesetzt. Hochspannungsfeste bipolare Transistoren besitzen aber nur eine sehr geringe Stromverstärkung. Dadurch sinkt die Güte der Stabilisierung. Hier bieten sich Leistungs-MOS-Feldeffekt-Transistoren (MOSFET) mit ihrer extrem hohen Verstärkung an.

Das Serienelement, der Regelverstärker und die Konstantstromquelle können in einfacher Weise mit Leistungs-MOSFETs realisiert werden. Bei Verwendung der 1000-Volt-Typen können geregelte Netzgeräte aufgebaut werden, die fast alle in Röhrenverstärkern benötigten stabilisierten Hilfsspannungen liefern. Zudem sind geeignete MOSFETs kaum teurer als die in einer einfachen Stabilisierung mit Zenerdioden verwendeten Leistungsdioden.

Merkmale des MOSFETs

Mit dem Namen MOSFET verbinden viele den Gedanken an ein empfindliches Bauelement für Vor- und Mischstufen, das leicht durch statische Aufladungen zerstört werden kann. Zu hohe Spannungen am Gate führen bei MOSFETs zum Durchschlag der Oxidschicht und damit zum Ausfall des Transistors. Werden Schutzmaßnahmen gegen diese Gate-SourceÜberspannungen getroffen, so ist der MOSFET ein robustes Bauelement, das gegenüber Bipolartransistoren viele Vorteile aufweist.

Leistungs-MOSFETs sind extrem schnell, besitzen eine hohe Verstärkung und sind thermisch und elektrisch äußerst stabil.

Seit etwa zehn Jahren sind MOSFETs für Anwendungen bei hoher Leistung erhältlich, sogenannte Power-MOSFETs. Aus dieser Transistorfamilie finden die Niederspannungstypen bei Betriebsspannungen bis 100 V zunehmend Anwendung in HF-Verstärker-Endstufen(1). Diese Transistoren sind aufgrund ihrer vertikalen Halbleiterstruktur und einer V-förmigen Vertiefung in der Oberfläche des Halbleiterkristalls unter dem Namen VMOSFET bekannt.

In speziellen Diffusionsverfahren, die bei der Herstellung großflächiger integrierter Mikroprozessorschaltungen entwickelt wurden, lassen sich sehr leistungsfähige und sehr spannungsfeste MOSFETs herstellen. Wegen des doppelten Diffusionsprozesses bei der Herstellung werden diese Transistoren als DMOSFETs bezeichnet. Im europäischen Raum sind diese Transistoren als SIPMOS-Transistoren (Siemens-Power-MOS, eingetragenes Warenzeichen der Siemens AG) bekannt(2). Aquivalente Typen werden aber auch von vielen anderen Herstellern angeboten.

Verhalten von MOSFETs

Wie der Name der Feldeffekttransistoren besagt, wird der Stromfluß im Transistor durch ein veränderliches elektrisches Feld gesteuert. Das elektrische Feld wird durch Anlegen einer Spannung an die Steuerelektrode, das Gate, aufgebaut. Im Gegensatz dazu wird bei den "normalen" bipolaren Transistoren der Slromfluß durch einen dem Basisanschluß zugeführten Strom kontrolliert.

Bei der Familie der MOS-Feldeffekttransistoren ist das Gate aus Metall durch eine extrem dünne Oxidschicht vom eigentlichen Strompfad aus Silizium vollständig isoliert. Aus der Reihenfolge der Schichten Metall, Oxid, Semiconductor (Silizium) rührt der Name MOSFET.

MOS-Feldeffekttransistoren bestehen im wesentlichen aus einem Strompfad, dem Kanal, dessen Widerstand in einem weiten Bereich durch eine angelegte Spannung gesteuert werden kann. SIPMOS-FETs besitzen drei elektrische Anschlüsse: Source, Gate und Drain. Der Kanalwiderstand zwischen Source und Drain kann durch eine Spannung zwischen Gate und Source vom Megaohm-Bereich im gesperrten Zustand bis zu wenigen Ohm im offenen Zustand gesteuert werden.

Am weitesten verbreitet sind N-KanalMOSFETs. Diese Typen können mit einer positiven Drain-Source-Spannung betrieben werden. Gesteuert werden sie durch eine positive Gate-Source-Spannung.

Die Abb. 4 zeigt das Schaltsymbol eines MOSFETs, in dem sich der Aufbau mit dem isolierten Gate widerspiegelt.

Abb 4
Abb. 4: Schaltsymbol fur einen N-Kanai-MOSFET.

In der Abb. 5 ist der Drainstrom eines typischen SIPMOS-Transistors als Funktion der Gate-Source-Spannung dargestellt. Die Kennlinie gleicht der einer Röhrentriode.

Abb 5
Abb. 5: Typische ubertragungscharakteristik eines Leistungs-MOSFETs.

Im Gegensatz zur Röhre ist der SIPMOS bei einer Gate-Source-Spannung von null Volt vollständig gesperrt. Es fließt nur ein sehr kleiner Sperrstrom. Er beträgt typisch einige Nanoampere. Eine negative Gate-Source-Spannung erhöht die Sperrfähigkeit nicht.

Feldeffekttransistoren mit dieser Eigenschaft werden als selbstsperrend bezeichnet. Steigert man die Gate-SourceSteuerspannung über die Schwellenspannung von typisch 3 Volt, so nimmt der Pfadwiderstand ab, und der Drainstrom nimmt entsprechend der Kennlinie in Abb. 5 zu.

Da die Gate-Steuerelektrode eines MOSFETs durch die Oxidschicht vollständig isoliert ist, fließt im stationären Betrieb kein Steuerstrom. Bei einer Anderung der Gate-Steuerspannung entstehen aber Umladeströme der internen Eingangskapazitäten.

Die Schaltzeit eines SIPMOS-Transistors wird nur durch das Umladen dieser Eingangskapazität bestimmt.

Die maximale Steuerspannung am Gate darf +/- 20 Volt auch kurzzeitig nicht überschreiten, da sonst die Isolationsschicht zerstört wird. Dieser Durchschlag kann mit dem Überschreiten der maximalen Nennspannung bei einem Kondensator verglichen werden.

Die SIPMOS-FETs werden vorwiegend für schnelle Schaltanwendungen bei hohen Spannungen in Motorsteuerungen und getakteten Netzteilen eingesetzt, da sie aufgrund ihrer sehr hohen Verstärkung und wegen ihrer extrem schnellen Schalteigenschaft einen fast idealen Schalter darstellen.

Weiterhin können die SIPMOS-FETs unmittelbar durch Mikrocomputer oder Logikbausteine angesteuert werden.

Die Abb. 6 zeigt eine typische Schaltanwendung mit einer Ansteuerung durch einen Standard-CMOS-Logikbaustein. Den für ein sehr schnelles Umschalten benötigten Ladestrom der Gatekapazität liefern vier parallelgeschaltete Inverter des CMOS-Bausteins CD4049.

Abb 7
Abb. 6: Einsatz eines MOSFETs als Schalter.

Anwendungen

Der Transistor wird nur im Ein- oder Aus-Zustand betrieben. Ein Betrieb des Transistors im linearen Bereich wird durch ein schnelles Durchlaufen des Triodenbereiches vermieden. Die Verlustleistung bleibt dadurch klein. Die integrierten Schutzdioden des Bausteins verhindern gleichzeitig eine Zerstörung des Leistungs-MOSFETs durch Gate-Überspannungen.

Weitere Anwendungen der Transistoren im Schaltbetrieb sind in den Applikationsschriften der Hersteller zu finden.(3),(4),(5)

In der im folgenden beschriebenen Stabilisierungsschaltung wird der MOSFET im Analogbereich angesteuert.

Schaltungsbeschreibung

Aufgrund der hohen Spannungs- und Stromfestigkeit, des sehr hohen Eingangswiderstandes und aufgrund der thermischen Stabilität sind LeistungsMOSFETs ideal für den Einsatz in Hochspannungsregelungen geeignet. Die Abb. 7 zeigt eine einfache Stabilisierung nach dem Prinzip aus Abb. 2 mit Zenerdiode und nachgeschaltetem MOSFET. Es genügt eine Zenerdiode mit geringer Verlustleistung, da nur ein kleiner Strom von einigen Milliampere durch die Diode fließt.

Abb 7
Abb. 7: Schaltbild einer einfachen Serienstabilisierung mit einem Leistungs-MOSFET, dimensioniert fur eine teste Ausgangsspannung von 100 Volt.

Die Ausgangsspannung liegt um die Schwellenspannung des SIPMOS-FETs Uschweli 3 V unter der Zenerspannung. Die Zenerdiode D 2 schützt das Gate vor Überspannungen. In positiver Richtung begrenzt die Zenerdiode die Spannung auf +10 Volt, in negativer Richtung wirkt sie wie eine normale Diode und begrenzt bei -0,7 Volt.

SIPMOS-Transistoren sind sehr schnell und besitzen eine sehr hohe Verstärkung. Es können daher parasitäre Schwingungen im UKW-Bereich auftreten. Abhilfe schaffen hier Ferritperten auf dem Gate-Anschluß, ein Reihenwiderstand in der Gate-Ansteuerung oder, wie in der Schaltung nach Abb. 7, ein Kondensator C 2 zwischen Gate und Source.

Auch der 0,1-µF-Kondensator C 3 am Ausgang des Reglers dient der Stabilisierung gegen parasitäre Schwingungen und gegen HF-Einstrahlung.

Die Schaltung hat sich beim Verfasser als stabilisiertes 100-V-Netzteil für einen alten Batterie-Röhrenempfänger bewährt. Die Schaltung unter Verwendung eines 230-V-Transformators aus der Bastelkiste war preiswerter als die Anschaffung eines genau passenden Transformators.

Einstellbarer Spannungsregler

Die Abb. 8 zeigt eine erprobte Schaltung einer Spannungsstabilisierung mit Regelverstärker für die Schirmgitterspannung einer 4CX-Endstufe nach dem Prinzip aus Abb. 3. Bei einer Eingangsspannung von 450 V liefert die Schaltung in der angegebenen Dimensionierung eine stabilisierte, kurzschlußfeste, einstellbare Ausgangsspannung von 200 V bis 400 V.

Abb 8
Abb. 8: Schaltbild einer Serienstabilisierung mit Regelverstärker auf der Basis von Leistungs-MOSFETs, dimensioniert fur eine einstellbare Ausgangsspannung von 200 bis 400 Volt.

Die Gate-Source-Strecken aller SIPMOS-Transistoren sind mit einer 10-VoltZenerdiode gegen unzulässig hohe Spannungen geschützt. Der SIPMOS-Transistor T 3 bildet mit den ihn umgebenden Bauelementen eine Konstantstromquelle zur Versorgung der Referenz-Zenerdiode D1.

Der Konstantstrom wird durch den Widerstand R 5 bestimmt. Es gilt:

Iref ≈ 0,6V / R 5 (2)

In der angegebenen Dimensionierung fließt ein Strom von etwa 10 mA. Als Referenzdiode wird ein 5-Watt-Typ mit einer Zener-Spannung von 56 V verwendet.

Der SIPMOS-Transistor T 2 stellt den Regelverstärker dar. Über die Widerstände R 1, R 2 und das Potentiometer P 1 läßt sich die Ausgangsspannung einstellen. Mit den angegebenen Widerstandswerten sind Ausgangsspannungen zwischen 200 V und 400 V einstellbar. Die Eingangsspannung muß natürlich stets über der Ausgangsspannung liegen. Der Mindestspannungsabfall am Serientransistor T 1 sollte etwa 50 V betragen.

Wird eine andere Ausgangsspannung benötigt, so müssen die Widerstände R 1 und R 2 neu berechnet werden. Wenn der Wert des Potentiometers vorgegeben ist und die minimale und maximale einstell bare Ausgangsspannung bekannt sind, so gilt zunächst für R 2:

R 2 = (Umin / (Umax - Umin)) × P 1 (3)

Dann kann man den gefundenen Wert für R 2 einsetzen und erhält für R 1:

R 1 = ((Umin - Uref) / Uref) × (R 2 + P 1) (4)

Man erkennt, daß die kleinste erreichbare Ausgangsspannung durch die verwendete Referenz-Zenerdiode bestimmt wird. Dann wird R 1 = 0 Ohm.

Die Referenz-Zenerdiode ist ein Bauteil mit einem großen Temperaturkoeffizienten. Alle Zenerdioden über 10 Volt besitzen einen positiven Temperaturkoeffizienten von etwa 0,1 0/0 pro Kelvin. Bei einer Temperaturerhöhung um 10 Grad ändert sich die Zenerspannung und damit auch die Ausgangsspannung des Reglers um 1 %!

Der Kondensator C 5 dient zur Frequenzkompensation des Regelverstärkers. Wie auch in der Schaltung nach Abb. 7 werden mehrere Kondensatoren am Eingang und Ausgang und Widerstände an den Gate-Anschlüssen gegen parasitäre Schwingungen und gegen HF-Einstrahlung eingesetzt.

Strombegrenzung

Der bipolare Transistor T 4 sorgt für eine Strombegrenzung im Kurzschlußfall. Die Ausgangsstromgrenze wird durch den Widerstand R 8 bestimmt. Der Grenzstrom berechnet sich analog zu Gleichung (2):

Igrenz ≈ 0,6V / R 8 (5)

Mit dem angegebenen Widerstand von 2,7 Ohm spricht die Strombegrenzung bei etwa 220 mA an.

Verlustleistung

Als Serientransistor T 1 wird ein BUZ 54 im TO204-Gehäuse verwendet. In diesem Transistor wird die Verlustleistung der Regelung

Pverlust = (Uein - Uaus) × Iaus (6)

in Wärme umgesetzt. Im Kurzschlußfall ist die Verlustleistung maximal, da Uaus auf Null abfällt.

Auch in anderen Transistoren tritt eine Verlustleistung auf. Die SIPMOS-Transistoren müssen daher auf einen Kühlkörper geeigneter Größe montiert werden. Die in den Datenblättern genannte Verlustleistung von zum Beispiel 125 W beim BUZ 84 gilt nur hei 25 °C.

Mit einem Kühlkörper, der die Transistoren auch in extremen Betriebsfällen unter 80 °C hält, ist als Richtwert dann nur noch die halbe Verlustleistung, also etwa 60 Watt, zulässig.

Da der Drain-Anschluß mit dem Gehäuse verbunden ist, müssen alle Transistoren isoliert montiert werden. Es wird dringend davon abgeraten, T 1 direkt zu montieren und den Kühlkörper auf die verwendete Eingangsspannung hochzulegen!

Bei sehr hohen Eingangsspannungen wird die übliche Isolierung der TO204-Gehause mit der Glimmerscheibe problematisch. Hier bieten sich die LeistungsMOSFETs in isolierten Gehäusen an. Die SIPMOS-Transistoren BUZ 48 (500 V), BUZ 88 (800 V) und BUZ 58 (1000 V) werden im T0238-Gehäuse geliefert. Beim T0238-Gehäuse sind alle Anschlüsse gegenüber der Bodenplatte isoliert.

Leider soll nach vorliegenden Informationen die Fertigung dieser für die hier gezeigte Applikation idealen Gehäuseform eingestellt werden. Dennoch werden die Transistoren im isolierten T0238-Gehäuse aber wahrscheinlich noch eine Zeitlang im Handel erhältlich sein. Leistungs-SIPMOS-Transistoren im 10204-, T0218-oder T0220-Gehäuse sind dagegen weit verbreitet und gut erhältlich.

Aufbau

Die Abb. 9 und 1 zeigen den Versuchsaufbau der Schaltung aus Abb. 8. Dabei wurde für T 1 ein BUZ 58 im isolierten T0238-Gehäuse eingesetzt. Die beiden anderen SIPMOS-Transistoren sind isoliert über Glimmerscheiben montiert. Die Bauelemente wurden zwischen einer Lötleiste und den im Kühlkörper montierten Transistoren frei verdrahtet.

Abb 9
Abb. 9: Ansicht des fertigen Reglers.

An diesem Aufbau wurden die folgenden Daten gemessen:

Eingangsepannung ungeregeltUein = 450 V
Ausgangsepannung geregeltUaus = 325 V
Rauschen und Brumm (Iaus = 200 mA)Ustör < 50 mV
Maximale Abweichung der Ausgangsspannung:
Netzregelung (375 V < Uein < 450 V)ΔUaus < 50 mV
Lastregelung (0 mA < Ieaus < 200 mA)ΔUaus <100 mV

Abwandlungen der Schaltung

Die in Abb. 8 gezeigte Schaltung kann leicht für andere Ausgangsspannungen und höhere Ausgangsströme abgeändert werden. Hierfür müssen die Widerstände R 1, R 2 und P 1 neu berechnet werden. Bei Verwendung anderer Zenerdioden muß der Konstantstrom über R 5 angepaßt werden. Die maximale Eingangsspannung darf bei Verwendung der angegebenen Transistortypen 1000 Volt nicht überschreiten. Dann bleibt in allen Betriebszuständen die Drain-Source-Spannung der SIPMOS-Transistoren unter dem zulässigen Grenzwert.

Bei Erhöhung des maximalen Ausgangsstroms oder einer hohen Eingangs-/ Ausgangsspannungsdifferenz können zur Aufteilung der Verlustleistung mehrere SIPMOS-FETs T 1 parallelgeschaltet werden. Jeder Transistor bekommt dann einen eigenen Gate-Widerstand von etwa 82 Ohm gegen parasitäre Schwingungen und einen eigenen Source-Widerstand von einigen Ohm zur gleichmäßigen Aufteilung des Gesamtstroms.

Bei Verwendung der Schaltung als Gitterversorgung ist zu berücksichtigen, daß in Röhrenverstärkern negative Gitterströme durch Sekundärelektronenemission auftreten können. Zur Vermeidung dieses Betriebszustandes sollte am Ausgang des Reglers ein Widerstand als Vorlast angeschlossen werden. Lastströme von 10 mA bis 50 mA bei großen Endstufen reichen aus.

Der Lastwiderstand R 10 in Abb. 8 besitzt eine Belastbarkeit von 20 Watt. Für alle anderen Widerstände reichen 1-Watt-Typen aus. Alle Kondensatoren müssen natürlich eine ausreichende Spannungsfestigkeit besitzen.

Zum Abschalten der Ausgangsspannung In der Empfangsphase oder beim Ausfall der Anodenspannung kann ein weiterer SIPMOS-Transistor kleiner Verlustleistung (BUZ 50) eingesetzt werden. Der Drain wird am Drain von T 2 in Abb. 8 angeschlossen und der Source-Anschluß an Masse.

Das Gate des Schalttransistors kann mit einem Logiksignal nach Abb. 6 angesteuert werden. Dadurch wird die Steuerspannung des Serientransistors T 1 nach Masse gezogen, und die Ausgangsspannung wird abgeschaltet.

Literturhinweise

  1. Siliconix: MOSPOWER, Design Catalog.
  2. Siemens: SIPMOS Bauelemente, Datenbuch.
  3. Siemens: SIPMOS Leistungstransistoren. Technische Beschreibung und weitere darin enthaltene Literaturhinweise.
  4. Motorola Power MOSFET, Transistor Data.
  5. Valvo: POWERMOS-Feldeffekt-Transistoren, Datenbuch.

DK9OT, Dr. Martin Faust.