DD277562A1 - CIRCUIT FOR CURRENT LIMITATION WITH FOLDBACK BEHAVIOR - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Strombegrenzung mit Foldback-Verhalten fuer stabilisierte Netzteile. Sie erfordert nur einen geringen Spannungsabfall ueber der Stabilisierungsschaltung und eignet sich besonders fuer batteriebetriebene Geraete. Dazu wird in einer Stabilisierungsschaltung mit einem Laengstransistor in Emitterschaltung und Ansteuerung durch einen Operationsverstaerker ueber den Querzweig der Schaltung, dessen Eingaenge an einer Referenzspannung sowie ueber einen Spannungsteiler an der Ausgangsspannung angeschlossen sind, ein zusaetzlicher Transistor an die Eingaenge des Operationsverstaerkers angeschaltet. Bei einsetzender Strombegrenzung und absinkender Ausgangsspannung erzeugt dieser Transistor einen Strom, der zusaetzlich in die Basis des vorhandenen Strombegrenzungstransistors eingespeist wird und so das Foldback-Verhalten ermoeglicht. FigurThe invention relates to a circuit for current limiting with foldback behavior for stabilized power supplies. It requires only a small voltage drop across the stabilization circuit and is particularly suitable for battery powered devices. For this purpose, an additional transistor is connected to the inputs of the operational amplifier in a stabilizing circuit with a Laengstransistor in the emitter circuit and control by a Operationsverstaerker over the shunt branch of the circuit whose inputs are connected to a reference voltage and via a voltage divider to the output voltage. With the onset of current limiting and decreasing output voltage, this transistor generates a current that is additionally fed into the base of the existing current limiting transistor, thus enabling the foldback behavior. figure
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Strombegrenzung mit Foldback-Verhalten, welche auf allen Gebieten der Elektronik in Stromversorgungseinrichtungen angewendet werden kann. Sie ist besonders für Geräte geeignet, die aus Batterien bzw. aus dem Bordnetz von Fahrzeugen versorgt werden.The invention relates to a circuit for current limiting with foldback behavior, which can be applied in all areas of electronics in power supplies. It is particularly suitable for devices that are supplied from batteries or from the electrical system of vehicles.
In den meisten elektronischen Einrichtungen ist es üblich, Schutzschaltungen zur Begrenzung der Versorgungsströme im Fehlerfall vorzusehen. Diese sind meist Bestandteil von elektronisch stabilisierten Netzteilen. Eine Auswahl davon ist u.a. im Buch „Halbleiter-Schaltungstechnik" von Tietze/Schenk enthalten. Dabei wird im allgemeinen der Spannungsabfall an einem Fühlwiderstand mit der Basis-Emitter-Flußspannung eines Transistors verglichen, der bei Überschreiten eines Grenzwertes den Längstransistor sperrt. Auf diese Weise wird der Laststrom auf einen Maximalwert begrenzt. Im Kurzschlußfall tritt dabei am Längstransistor eine Verlustleistung auf, die bis zum Vierfachen des Normalwertes betragen kann. Für diese Leistung müssen Transistor und Kühlkörper ausgelegt sein.In most electronic devices, it is common to provide protection circuits to limit the supply currents in case of failure. These are usually part of electronically stabilized power supplies. A selection of these is i.a. In the book "Semiconductor Circuit Technology" by Tietze / Schenk, the voltage drop across a sense resistor is generally compared with the base-emitter forward voltage of a transistor which blocks the series transistor when a limit value is exceeded In the event of a short circuit, this results in a power loss at the series transistor which can amount to four times the normal value, for which the transistor and the heat sink must be designed.
Weitere Möglichkeiten zur Reduzierung der Verlustleistung bestehen darin, die Ausgangsspannung im Kurzschlußfall abzuschalten. In der DD-PS 151833 wird dazu die Strombegrenzungsschaltung entsprechend dem kennzeichnenden Teil der vorliegenden Erfindung mit einer Unterspannungsabschaltung kombiniert. In ähnlicher Weise wird in der DD-PS 147430 bei Kurzschluß am Ausgang der Strombegrenzungstransistor aktiviert, so daß der Ausgang abgeschaltet wird. Diese SchaltungenOther ways to reduce the power loss are to turn off the output voltage in the event of a short circuit. In DD-PS 151833, the current limiting circuit according to the characterizing part of the present invention is combined with an undervoltage cut-off for this purpose. Similarly, in DD-PS 147430 when shorted at the output of the current limiting transistor is activated, so that the output is turned off. These circuits
aktiviert werden.to be activated.
Günstiger sind Schaltungen, welche nach Beseitigung des Kurzschlusses bzw. Überstroms selbsttätig in den Betriebszustand zurückkehren. So ist es möglich, in Strombegrenzungsschaltungen, bei denen der Längstransistor in Kollektorschaltung betrieben wird, durch Anschalten der Basis des Strombegrenzungstransistors an einen Spannungsteiler, der zwischen Emitter des Längstransistors und Bezugspotential liegt, eine Vorspannung des Strombegrenzungstransistors und dessen Mitkopplung zu erreichen, so daß sich mit einsetzender Strombegrenzung und abnehmender Ausgangsspannung der Laststrom verringert. Die sich daraus ergebende Kennlinie, die die am Längstransistor auftretende Verlustleistung begrenzt, wird als Foldback-Verhalten bezeichnet. Die damit ausgerüstete Schaltung ist durch die Applikationsschriften des Spannungsregler-Schaltkreises μΑ 723 zur Standardschaltung für Stromversorgungen geworden.Cheaper are circuits which automatically return to the operating state after removal of the short circuit or overcurrent. Thus, it is possible in current limiting circuits, in which the series transistor is operated in collector circuit, by turning on the base of the current limiting transistor to a voltage divider which is between the emitter of the series transistor and reference potential, a bias of the current limiting transistor and its positive feedback to achieve so that with decreasing current limiting and decreasing output voltage reduces the load current. The resulting characteristic, which limits the power loss occurring at the series transistor, is called foldback behavior. The thus equipped circuit has become the standard circuit for power supplies by the application notes of the voltage regulator circuit μΑ 723.
Nachteilig ist aber, daß bei maximalem Laserstrom allein aτι Fühlwiderstand die dreifache Basis-Emitter-Spennung, also etwa 2V, abfällt, wenn das Verhältnis Maximalstrom zu Kurzschlußstrom den Wert 3 aufweisen soll. Da außerdem 0,7V für die Basis-Emitter-Strecke des Längstransistors und eine zusätzliche Spannungsdifferenz zur Erzeugung des Basisstroms erforderlich ist, benötigt die Stabilisierungsschaltung bei maximalem Laststrom eine minimale Spannungsdifferenz von 3 bis 4 V. Durch den Einsatzeines PNP-Transistors in Emitterschaltung, wie in der μΑ723-ΑρρΜ3ϋοη angegeben, kann dieser Wert auf 3V verringert werden. Für viele Anwendungen ist aber dieser Spannungsabfall sowie die damit verbundene Verlustleistung zu hoch. Das gilt besonders für Gerate, die aus Batterion oder Fahrzeugnetzen gespeist werden, wo die erforderliche Eingangsspannung für den Stabilisierungstoil nicht erhöht werdon kann.The disadvantage, however, is that at maximum laser current alone aτι sensing resistor threefold base-emitter separation, ie about 2V drops, when the ratio of maximum current to short-circuit current should have the value 3. In addition, since 0.7V is required for the base-emitter path of the series transistor and an additional voltage difference for generating the base current, the stabilization circuit requires a minimum voltage difference of 3 to 4V at maximum load current. By employing a common emitter PNP transistor such as specified in the μΑ723-ΑρρΜ3ϋοη, this value can be reduced to 3V. For many applications, however, this voltage drop and the associated power loss is too high. This is especially true for appliances powered from battery or vehicle networks where the required stabilizer input voltage can not be increased.
Selbstverständlich ist es möglich, den Spannungsabfall am Fühlwiderstand wie in der DE-OS 2822897 zu verstärken und anschließend auszuwerten. Die für den Operationsverstärker erforderlichen Betriebsspannungen außerhalb des Bereichs der Eingangsspannung der Stabilisiorungsschaltung erhöhen jedoch den Aufwand beträchtlich. Einon goringon Spannungsabfall bonötigon Schaltungen, die zur Erzeugung positiver Ausgangsspannungen einen PNP-Transistor im Längszwoig vorwonden und dosson Basisstrom übor den Querzweig der Schaltung vom Bezugspotential her orzougon, wio in dor DE-AS 3407800 (für negative) Ausgangsspannungen gilt dies sinngemäß). Die dort angegebene Schaltung bositzt aber koin Foldback-Vorhalten.Of course, it is possible to increase the voltage drop at the sensing resistor as in DE-OS 2822897 and then evaluate. However, the operating voltages required for the operational amplifier outside the range of the input voltage of the stabilization circuit increase the cost considerably. Einon goringon voltage drop bonötigon circuits that vorwonden a PNP transistor in the Längszwoig for generating positive output voltages and dosson base current across the shunt branch of the circuit from the reference potential orzougon, wio in dor DE-AS 3407800 (for negative) output voltages, this applies mutatis mutandis). The circuit indicated there but koin Foldback-Vorhalten.
Diosos realisort die Schaltung nach DE-PS 3523369, indem ein Widerstand zwischen der Ausgangsspannung und der Basis des Strombogrc-Mzungstransistors eingefügt ist, wolchor boi sinkender Ausgangsspannung einen zusätzlichen Basisstrom erzeugt und so den Ausgangsstrom vorringort.Diosos realisort the circuit according to DE-PS 3523369, by a resistor between the output voltage and the base of Strombogrc-Mzungstransistors is inserted, wolchor boi sinking output voltage generates an additional base current and thus vorringort the output current.
Diese Schaltung kann aber nicht in stabilisierten Netzteilen eingesetzt werden, da bei diesen generell eine unterschiedlich hohe Spannung über dem Längstransistor anliegt, welche den Strombegrenzungstransistor ansteuern und damit den Ausgangsstrom Undefiniert begrenzen würde.However, this circuit can not be used in stabilized power supplies, as these generally a different high voltage across the series transistor is applied, which drive the current limiting transistor and thus limit the output current undefined.
Es besteht auch die Möglichkeit, einen geringen Spannungsabfall an der Stabilisierungsschaltung durch Wegfall des Fühlwiderstandes und dessen Verlagerung in die Basiszuleitung des Längstransistors oder durch Begrenzung von dessen Basisstrom zu erreichen. Eine solche Schaltung, die sogar ein Foldback-Verhalten aufweist, ist in der DE-AS 2359845 angegeben Schaltungen dieser Art erfordern jedoch in jedem Fall eine individuelle Einstellung der Strombegrenzung, da die Stromverstärkung des Längstransistors exemplarabhängig ist. Außerdem ist durch die Temperaturabhängigkeit der Stromverstärkung keine hohe Stabilität der Strombegrenzung erreichbar.It is also possible to achieve a small voltage drop across the stabilization circuit by eliminating the sense resistor and its displacement in the base supply of the series transistor or by limiting the base current. Such a circuit, which even has a foldback behavior, is disclosed in DE-AS 2359845. However, circuits of this type always require an individual adjustment of the current limitation, since the current amplification of the series transistor is copy-dependent. In addition, no high stability of the current limit can be achieved by the temperature dependence of the current amplification.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine Schaltung anzugeben, welche einen wesentlich geringeren Aufwand als die bekannten Lösungen erfordert und durch ihre Eigenschaften universell einsetzbar ist.The object of the invention is to provide a circuit which requires a much lower cost than the known solutions and can be universally used by their properties.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltung zur Strombegrenzung zu schaffen, welcha ein Foldback-Verhalten aufweist, nur einen geringen Spannungsabfall benötigt, keine Einstellelemente erfordert und deren Parameter in einem weiten Bereich vorgebbar sind.The object of the invention is to provide a circuit for current limiting, which has a foldback behavior, requires only a small voltage drop, requires no adjustment elements and their parameters can be predefined within a wide range.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in einer Stabilisierungsschaltung mit einem Längstransistor, dessen Emitter über einon Fühlwiderstand mit der Eingangsspannung verbunden ist, einem Strombegrenzungstransistor, der über einen Basisvorwiderstand mit dem Fühlwiderstand verbunden ist und dessen Kollektor an die Basis des Längstransistors angeschlossen ist sowie einem Operationsverstärker, dessen Ausgang über einen Widerstand mit der Basis des Längstransistors verbunden ist, wobei der invertierende Eingang an einer Referenzspannungsquelle und der nichtinvertierende Eingang über einen Spannungsteiler an der Ausgangsspannung anliegt, ein Transistor entgegengesetzter Leitfähigkeit eingefügt ist, dessen Kollektor mit der Basis des Strombegrenzungstransistors verbunden ist, wobei die Basis mit der Referenzspannungsquelle und der Emitter mit dem Spannungsteiler verbunden ist.According to the invention the object is achieved in that in a stabilizing circuit with a series transistor whose emitter is connected via a sense resistor to the input voltage, a current limiting transistor which is connected via a base resistor to the sense resistor and whose collector is connected to the base of the series transistor and a Operational amplifier whose output is connected via a resistor to the base of the series transistor, wherein the inverting input is applied to a reference voltage source and the non-inverting input via a voltage divider to the output voltage, a transistor of opposite conductivity is inserted, whose collector is connected to the base of the current limiting transistor wherein the base is connected to the reference voltage source and the emitter is connected to the voltage divider.
Wenn der durch den Fühlwiderstand festgelegte Maximalstrom erreicht wird, sperrt der Strombegrenzungstransistor den Längstransistor. Mit sinkender Ausgangsspannung sinkt die Spannung am Emitter des zusätzlich eingefügten Transistors, so daß er einen zusätzlichen Strom in die Basis des Strombegrenzungstransistors einspeist. Dieser Strom steigt mit sinkender Ausgangsspannung, so daß der Ausgangsstrom im Kurschlußfall nur noch einen Teil des Maximalstromes aufweist.When the maximum current determined by the sense resistance is reached, the current limiting transistor blocks the series transistor. With decreasing output voltage, the voltage at the emitter of the additionally inserted transistor decreases, so that it feeds an additional current into the base of the current limiting transistor. This current increases with decreasing output voltage, so that the output current has only a part of the maximum current in Kurschlußfall.
Die erfindungsgemäße Schaltung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert.The circuit according to the invention will be explained in more detail with reference to a drawing.
Die Figur zeigt eine komplette Netzteilschaltung mit Spannungsstabilisierung und Strombegrenzung, entsprechend den effindungsgsmäßen Merkmalen des Patentanspruchs.The figure shows a complete power supply circuit with voltage stabilization and current limiting, according to the effindungsgsmäßen features of the claim.
Die Schaltung erzeugt eine positive Ausgangsspannung, kann aber durch Einsatz komplementärer Transistortypen auch für negative Spannungen eingesetzt werden.The circuit generates a positive output voltage, but can also be used for negative voltages by using complementary transistor types.
Zwischen Eingangsspannung Ue und Ausgangsspannung Ua befinden sich der Längstransistor 1 und der Fühlwiderstand 2.Between input voltage Ue and output voltage Ua are the series transistor 1 and the sensing resistor. 2
Am Fühlwiderstand 2 ist über den Widerstand 3 der Strombegrenzungstransistor 4 angeschlossen. Dessen Kollektor liegt an der Basis des Längstransistors 1, der seinen Basisstrom vom Operationsverstärker 5 über den Widerstand 6 erhält. Der Kollektor des Transistors 7 ist mit der Basis des Strombegrenzungstransistors 4 verbunden, seine Basis mit der aus Widerstand 8 und Z-Diode 9 erzeugten Referenzspannung, und der Emitter liegi an einem Spannungsteiler, der aus den Widerständen 10 und 11 besteht und an die Ausgangsspannung Ua angeschlossen ist.At the sensing resistor 2, the current limiting transistor 4 is connected via the resistor 3. Whose collector is located at the base of the series transistor 1, which receives its base current from the operational amplifier 5 via the resistor 6. The collector of the transistor 7 is connected to the base of the current limiting transistor 4, its base with the reference voltage generated from resistor 8 and Zener diode 9, and the emitter liegi on a voltage divider consisting of the resistors 10 and 11 and to the output voltage Ua connected.
Im Normalbetrieb arbeitet der Operationsverstärker 5 als Spannungsregler, der die mit den Widerständen 10 und 11 geteilte Ausgangsspannung am nichtinvertierenden Eingang mit der Referenzspannung am invertierenden Eingang vergleicht und über den Widerstand 6 den Längstransistor 1 ansteuert. Wenn der Spannungsabfall am Fühlwiderstand 2 etwa 0,7 V erreicht, wird der Strombegronzungstransistor 4 angesteuert. Er schließt den Basisstrom des Längstransistors 1 kurz und begrenzt so den Ausgangsstrom auf den durch den Fühlwidurstand 2 bestimmten Wert. Damit sinkt die Ausgangsspannung. Mit ihr sinkt auch die Emitterspannung von Transistor 7, so daß dieser leitend wird. Er erzeugt einen Strom, der durch die Widerstände 10 und 11 sowie die Höhe der Referenzspannung und der aktuellen Ausgangsspannung bestimmt wird und im Kurzschlußfall am größten ist. Dieser Strom erzeugt am Widerstand 3 einen Spannungsabfall, welcher zu dem am Fühlwiderstand 2 zu addieren ist.In normal operation, the operational amplifier 5 operates as a voltage regulator, which compares the divided with the resistors 10 and 11 output voltage at the non-inverting input to the reference voltage at the inverting input and the resistor 6 drives the series transistor 1. When the voltage drop across the sense resistor 2 reaches about 0.7 V, the current sourcing transistor 4 is driven. It short-circuits the base current of the series transistor 1 and thus limits the output current to the value determined by the sensor reference 2. This reduces the output voltage. With her also decreases the emitter voltage of transistor 7, so that it becomes conductive. It generates a current which is determined by the resistors 10 and 11 and the level of the reference voltage and the current output voltage and is greatest in the event of a short circuit. This current generated at the resistor 3, a voltage drop, which is to be added to the on the sense resistor 2.
Da aber die Gosamtspannung über der Basis-Emitter-Strecke von Transistor 4 während der Strombegrenzung konstant ist, bowirkt dies einen mit sinkender Ausgangsspannung abnehmenden Ausgangsstrom. Damit ist das gewünschte Foldback-Verholten erroicht.But since the Gosamtspannung is constant over the base-emitter path of transistor 4 during current limiting, this bowirkt a decreasing output voltage with decreasing output current. This is the desired foldback-fetched erroicht.
Dio Schaltung benötigt bei maximalem Ausgangsstrom eine Spannung von etwa 0,7V über dem Fühlwiderstand 2. Wenn für don Spannungsteiler am Emittor dos Transistors 7 nicht die Widerstände 10 und 11, sondern zwei zusätzliche Widerstände vorwondot worden, kann man clioso so dimonsionioren, daß bereits im normalen Botrieb der Schaltung ein Strom in den Wirtorstnnd 3 eingospoist wird. So kann orroicht wordon, daß in besonderen Fällen bereits bei Spannungen von 0,3 bis 0,4 V über dom Fühlwiderstand 2 und damit einem Gosomtspannungsabfall von 0,5V eine Strombegrenzung einsetzt.For a voltage divider at the emitter of transistor 7 not resistors 10 and 11 but two additional resistors have been pre-wired, so you can dimiosionioren so that already in the normal Botrieb the circuit is a current in the Wirtorstnnd 3 eingospoist. Thus, orroicht wordon, that in special cases already at voltages of 0.3 to 0.4 V via dom sensing resistor 2 and thus a Gomstspannungsabfall of 0.5V uses a current limit.
Den geringsten Aufwand erfordert aber die in der Figur dargestellte Schaltung, welche zusätzlich zur bekannten Stabilisierungsschaltung nur den Transistor 7 benötigt. Operationsverstärker 5 und Referenzspannungsquelle 9 können selbstverständlich Bestandteile eines integrierten Spannungsreglers, z. B. des erwähnten μΑ 723, sein. Damit ist die Aufgabe der Erfindung mit einfachsten Mitteln erfüllt. Din erfindungsgemäße Lösung erlaubt durch die Dimensionierung der Widerstände eine einfache Anpassung von Maximalstrom und Kurzschlußstrom an alle Anforderungen. Außerdem benötigt die Schaltung nur eine minimale Spannung über R1 ur. J Längstransistor von 0,6 bis 0,9 V. In der Praxis ist es so möglich, eine Stabilisierungsschaltung für 5 V Ausgangsspannung mit einer Eingangsspannung von 7 V zu betreiben, welche bei -15% Netzspannungsabweichung noch 5,9V beträgt und somit ausreichend ist. Herkömmliche Stabilisierungsschaltungen mit Foldback-Verhalten benötigen dagegen etwa 9,5V, die bei -15% auf 8V absinken. Damit kann die Verlustleistung der Stabilisierungsschaltung um 50% reduziert, bzw. der Arbeitsbereich batteriebetriebener Geräte wesentlich erweitert werden.But the least expense requires the circuit shown in the figure, which requires only the transistor 7 in addition to the known stabilizing circuit. Operational amplifier 5 and reference voltage source 9 can of course components of an integrated voltage regulator, z. B. of the mentioned μΑ 723, his. Thus, the object of the invention is met with the simplest means. Din solution according to the invention allows by the dimensioning of the resistors a simple adaptation of maximum current and short-circuit current to all requirements. In addition, the circuit requires only a minimum voltage over R1 ur. J Continuous transistor from 0.6 to 0.9 V. In practice, it is possible to operate a stabilization circuit for 5 V output voltage with an input voltage of 7 V, which at -15% mains voltage deviation is still 5.9 V and is therefore sufficient , On the other hand, conventional stabilizing circuits with foldback behavior require about 9.5V, which drops to 8V at -15%. Thus, the power loss of the stabilization circuit can be reduced by 50%, and the work area of battery-powered devices can be significantly expanded.
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