DD283226A5

DD283226A5 - Schaltungsanordnung zur spannungsstabilisierung mit foldbackcharakteristik

Info

Publication number: DD283226A5
Application number: DD32841489A
Authority: DD
Inventors: Reinhard Thieme; Uwe Fruehauf
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1989-05-09
Filing date: 1989-05-09
Publication date: 1990-10-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Spannungsstabilisierung, bei der im Falle der UEberlastung durch Kurzschlusz oder durch UEberschreiten eines vorgegebenen Stromgrenzwertes eine Foldbackcharakteristik der U-I-Kennlinie bewirkt und somit zuverlaessiger Schutz sowohl des Lastwiderstandes als auch des Laengsreglers erreicht wird. Gleichzeitig ist nach Wegfall der UEberlastungsursache das Wiedereinschalten mit geringer Rueckschalthysterese gesichert. Die Foldbackcharakteristik mit selbstaendigem Wiedereinschalten des bei UEberlast gesperrten Laengsreglers erfolgt durch Umschalten des Strommeszwiderstandes in Verbindung mit der Bereitstellung einer zweiten Referenzspannung fuer einen Komparator, der nach Eintritt normaler Lastbedingungen das Rueckschalten in den Betriebszustand gewaehrleistet. Fig. 1{Spannungsstabilisierung; Foldbackcharakteristik; UEberlastschutz; Kurzschluszschutz; Laengsregelung; geringe Rueckschalthysterese; Wiedereinschalten; Strommeszwiderstand; Umschaltung; zweite Referenzspannung}

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung ist anwendbar für alle Gebiete der Stromversorgungstechnik, bei denen eine sichere Strombegrenzung auf einen sowohl für den Lastwiderstand als auch für die Spannungsquelle unkritischen Wert erforderlich ist und gleichzeitig das Wiedereinschalten in den normalen Betriebsbereich nach Wegfall der Überlastung gewätn 'eistet-sein muß.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Für Spannungsstabilisierungsschaltungen mit Strombegrenzung im Überlastfall kommen als Vergleichsstand zwei Grundtypen in Betracht. Erstens die Strombegrenzung mittels Längsregler, wobei ein Strommeßwiderstand im Lastkreis unmittelbar zur Gewinnung der Regelgröße dient. Ein Transistor T2 wird beim Überschreiten der Schwellspannung von 0,6V leitend und begrenzt den Ausgangsstrom auf einen Wert, der vom Strommeßwiderstand bestimmt wird. Im Kurzschlußfall muß der Längsregler die gesamte Verlustleistung I₁ η,,, · U, umsetzen, wobei U, die Eingangsgleichspannung und I, _mlx der durch den Strommeßwiderstand begrenzte maximal zulässige Laststrom ist. Der Strommeßwiderstand muß im Interesse eines geringen Spannungsabfalls bei maximal zulässigem l.aststrom möglichst klein sein. Das hat zur Folge, daß bei Kurzschluß der Längsregler entweder zerstört wird bzw. so überdimensioniert sein muß, daß er dem Kurzschlußfall zumindest zeitbegrenzt widersteht. Elektronische Abschalteinrichtungen lösen, dieses Problem, erfordern aber gleichfalls einen Strommeßwiderstand zur Erfassung des Laststrom-Ist-Wertes.

Die zweite technische Lösung beinhaltet eine rückläufige Strombegrenzung, die Foldback-Kennlinie. Die Ausgangsspannung wird bis zum maximalen Laststrom konstant gehalten. Im Kurzschlußfall sinkt der Laststrom auf einen Wert ab, der wesentlich unter dem maximalen Laststrom liegt, so daß die durch den Längsregler umgesetzte Verlustleistung unkritische Werte annimmt.

Der Nachteil einer solchen Lösung besteht darin, daß die Stromversorgung nach einem Überlastungsfall zum Wiedereinschalten entweder kurzzeitig unterbrochen werden muß oder aber zusätzliche Mittel zum Wiedereinschalten des gesperrten Längsreglers vorgesehen sind.

DD-WP 147430 beschreibt ein elektronisches Spannungsregelteil mit Kurzschlußabschaltung, bei dem ein Differenzverstärker eine Referenzspannung mit einer der Ausgangsspannung äquivalenten Teilspannung vergleicht und einen Längstransistor auf eine konstante Ausgangsspannung einregelt. Der Spannungsabfall über dem Strommeßwiderstand wird kompensiert. Im Kurzschlußfall wird ein auf Ausgangspotential liegender Kondensator entladen. Sinkt die Ausgangsspannung unter den Wert einer Bezugsspannung, die an der Basis eines im Normalfall gesperrten ersten Transistors liegt, wird dieser Transistor leitend. Damit liefert er einem zweiten Transistor Basisstrom, der seinerseits sofort den Längstransistor sperrt. Diese Sperrung bleibt auch nach Wegfall der Überlast erhalten, so daß über den Lastwiderstand maximal der Reststrom des gesperrten Längstransistors fließt. Zum Wiedereinschalten ist ein Schalter erforderlich, der für den. -sten Transistor einen Sperrimpuls liefert, so daß für den zweiten Transistor kein Basisstrom mehr fließt und der Längstransistor wieder öffnet und über die Referenzspannung und den Differenzverstärker das ursprüngliche Ausgangspotential wiederaufgebaut wird. Nachteilig ist, daß ein selbständiges Wiedereinschalten mit dieser Schaltungsanordnung nicht realisiert wird.

Eine rückläufige Strombegrenzung wird in der Fachliteratur beschrieben, z. B. in „Elektronische Schaltungstechnik", Kost η er, Möschwitzer, Verlag Technik Berlin, 1982, S. 226ff. Sie wird durch ein Rückkoppelnetzwerk zwischen Längstransistor und Strommeßwiderstand erreicht, wobei entsprechend dem gewählten Teilerverhältnis im Kurzschlußfall der Kurzschlußstrom auf den Wert l_k = l_am(„/k abfällt und damit die Verlustleistung, die der Längstransistor umsetzen muß, sich um den Faktor ¹A vermindert. Nachteilig wirkt, daß die Belastung des Strommeßwiderstandes um diesen Faktor steigt. Gleichzeitig erhöht sich der Mindestspannungsabfall am Strommeßwiderstand um diesen Faktor. Ein weiterer Nachteil ist die große Rückschalthysterese der Schaltung, so daß ein selbständiges Wiedereinschalten in den Betriebszustand nicht möglich ist.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat das Ziel, eine Spannungsstabilisierung zu schaffen, die mit einfachen elektronischen Mitteln einen zuverlässigen Kurzschluß· und Überlastungsschutz sichert und ein selbständiges Wiederanlaufen der Schaltung nach Entfall der Überlastung garantiert.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zur Spannungsstabilisierung anzugeben, die sowohl den Vorteil der Foldbackcharakteristik, eine geringe thermische Belastung des Längsreglers, im Kurzschluß und Überlastungsfall aufweist als auch ein selbständiges Wiedereinschalten nach dem Wegfall der Überlastursache realisiert, wobei der Spannungsabfall am Strommeßwiderstand und die thermischen Verluste gering sein sollen.

Erfindungsgemäß wird bei einer Schaltungsanordnung zur Spannungsstabilisierung mit Foldbackcharakteristik, bestehend aus einem Spannungsregler mit Längstransistor und Strommeßwiderstand, einem Komparator, dessen erster Eingang auf Ausgangspotential liegt und dessen zweiter Eingang mit einer ersten Referenzspannung verknüpft ist, dadurch gelöst, daß der Strommeßwiderstand in die Teilwiderstände R_m1 und R_m2 aufgeteilt und der Teilwiderstand R_n,₂ im Betriebsfall durch einen Schalter S₁ kurzgeschlossen ist sowie ein Umschalter vorhanden ist, wobei im Betriebsfall die erste Referenzspannung, im Überlastungs- oder Kurzschlußfall dagegen eine zweite Referenzspannung mit dem zweiten Eingang des Komparator verbunden und in diesem Fall gleichzeitig der Schalter S_t geöffnet ist.

Der Schalter S) ist dabei günstig als Halbleiterschalter aufgebaut und die zweite Referenzspannung wird im Interesse eines geringen Bauelemente- und Schaltungsaufwandes als Teilspannung der ersten Referenzspannung bereitgestellt, wobei die erste Referenzspannung gleichzeitig die Bezugsspannung für den Spannungsregler und den Komparator darstellt. Vorteilhaft ist dabei, daß der erste Teilwiderstand R_m ι so klein gehalten werden kann, daß der Spannungsabfall über dem Strommeßwiderstand vernachlässigbar bleibt, während im Überlast- oder Kurzschlußfall durch Öffnen des Schalters S₁, damit Hinzuschalten des Teilwiderstandes R_m2, der Kurzschlußstrom um den Faktor

vermindert wird. Gleichzeitig wird durch das Umschalten des Komparators auf die zweite Referenzspannung die Schaltschwelle soweit abgesenkt, daß nach Wegfall der Überlastung bereits ein geringfügiger Anstieg der Spannung am Ausgang zum Wiedereinschalten führt und damit eine sehr geringe Rückschalthynterese erreicht wird. Im Kurzschlußfall begrenzen R_n, ι + R_m2 gemeinsam den Kurzschlußstrom so, daß die zulässige Verlustleistung des Längstransistors nicht überschritten wird. Im Normallastbereich kann durch das Kurzschließen des Teilwiderstandes R_mJ der zulässige Kollektorstrom des Längsreglers im vollen Umfang ausgeschöpft werden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung f.oll abschließend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. Dazu zeigt

Fig. 1: die Schaltungsanordnung im Blockschaltbild und Fig. 2: die realisierte Kennlinie und das Schaltverhalten.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besteht die Schaltungsanordnung aus den bekannten Baugruppen Spannungsregler 1 mit dem Längstransistor T1 und der Strombegrenzungsschaltung mit dem Strommeßwiderstand 3 und dem Transistor T2. Die Referenzspannung U„₍₁ liefert den Soll-Wert für den Spannungsregler 1 und liegt über dem Umschalter S 2 gleichzeitig am zweiten Eingang eines Komparators 2, während dessen erster Eingang auf Ausgangspotential liegt. Das Ausgangspotential liegt ebenfalls als Ist-Wert am Eingang des Spannungsreglers 1. Erfindungsgemäß ist der Strommeßwiderstand 3 in die Teilwiderstände R_n,, und R_n, ₂ aufgeteilt, wobei der Teilwiderstand R_m2 im Normalfall durch den Schalters 1 kurzgeschlossen ist. Weiterhin ist eine Referenzspannung U„f₂ vorhanden, die mittels Umschalters S2 an den zweiten Eingang des Komparators 2 gelegt werden kann. Über den Komparatorausgang wird im Kurzschluß- oder Überlastfall ein Umschaltvorgang ausgelöst, der den Schalter S1 öffnet und damit den Teilwiderstand R_m2 für den Laststromkreis wirksam macht und gleichzeitig über den Umschalter S 2 die zweite Referenzspannung U_ter₂ an den zweiten Eingang des Komparators 2 legt. Damit wird der Ausgangsstrom I, „,„ um den Faktor ¹A reduziert, und sinkt sprunghaft auf den Wert l_k. Der Wert Vk ergibt sich aus

k R_n,).

Durch Umschalten des zweiten Komparatoreingangs auf die zweite Referenzspannung wird die Rückschalthysterese soweit verringert, daß der beim Entfall der Überlastung geringfügige Anstieg der Ausgangsspannung zum selbständigen Wiedereinschalten führt. Umschalter S 2 schaltet den zweiten Eingang des Komparators 2 und den Spannungsregler 1 wieder an die für den Betriebsfall erforderliche Referenzspannung U„_M, gleichzeitig wird der Teilwiderstand R_mj durch den Schalter S1 wieder kurzgeschlossen.

Auf diese Weise ist der Längstransistor T1 bis zum zulässigen maximalen Kollektorstrom belastbar, ohne daß eine thermische Gefährdung im Kurzschlußfall droht.

In Fig. 2 ist das erreichte Regelverhalten erkennbar. Nach Erreichen des maximalen Ausgangsstromes l_amax beginnt die Ausgangsspannung zu sinken. Wird der Wert der ersten Referenzspannung U„_M unterschritten, erfolgt schlagartig der Umschaltvorganij mit der Begrenzung auf den Strom l_k und den Spannungswert

Die zweite Referenzspannung U„,₂ liegt geringfügig über diesem Wert, so daß nach Entfall der Überlast der Anstieg der Ausgangsspannung mit sehr geringer Rückschalthysterese das Zurückschalten auf den normalen Betriebsfall bewirkt.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Spannungsstabilisierung mit Foldbackcharakteristik, bestehend aus einem Spannungsregler mit Längstransistor und Strommeßwiderstand, einem Komparator, dessen erster Eingang auf Ausgangspotential liegt und dessen zweiten Eingang mit einer ersten Referenzspannung verknüpft ist, gekennzeichnet dadurch, daß der Strommeßwiderstand (3) in die Teilwiderstände'R_m1 und R_m2 aufgeteilt und der Teilwiderstand R_m2 im Betriebsfall durch einen Schalter (S₁) kurzgeschlossen ist sowie ein Umschalter (S₂) vorhanden ist, wobei im Betriebsfall die erste Referenzspannung (U_ren), im Überlastungs- oder Kurzschlußfall dagegen eine zweite Referenzspannung (U_ref2) mit dem zweiten Eingang des Komparator verbunden und in diesem Fail gleichzeitig der Schalter (S₂) geöffnet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Schalter (S₁) als Halbleiterschalter aufgebaut ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die zweite Referenzspannung (U_rer₂) eine Teilspannung der ersten Referenzspannung ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Referenzspannung (UrSf₁) gleichzeitig für den Spannungsregler und den Komparator die Bezugsspannung darstellt.