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Die
Erfindung betrifft einen Spannungsregler mit einem Leistungtransistor,
an dessen Emitter eine Eingangsspannung anliegt und an dessen Kollektor eine
geregelte Ausgangsspannung abnehmbar ist, wobei an den Emitter des
Leistungstransistors der eine Anschluss eines ersten Widerstandes,
der Emitter eines ersten und eines zweiten Transistors angeschlossen
sind, wobei die Basis des ersten Transistors und der andere Anschluss
des ersten Widerstandes mit dem Ausgang einer Spannungsschutzschaltung
verbunden sind, wobei die Basis des zweiten Transistors und der
Kollektor des ersten Transistors mit dem Ausgang einer Vorspannungsschaltung
verbunden sind, wobei die Basis des Leistungstransistors, der Kollektor
des zweiten Transistors und eines dritten Transistors miteinander
verbunden sind, dessen Emitter auf Bezugspotenzial liegt und dessen
Basis mit dem Ausgang eines Operationsverstärkers verbunden ist, an dessen
Eingang eine Referenzspannung liegt und dessen anderer Eingang mit
dem Abgriff eines Spannungsteilers aus einem zweiten und einem dritten
Widerstand verbunden ist, wobei der Kollektor des Leistungstransistors über den Spannungsteiler
auf Bezugpotenzial liegt.
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Ein
derartiger Spannungsregler wird z.B. in Kraftfahrzeugen eingesetzt,
um für
elektrische Steuergeräte,
sogenannte Electronic Control Units – ECU -, eine geregelte Versorgungsspannung
zu liefern, welche insbesondere ein Microcontroller und andere kritische
Baustufen benötigen.
Wegen einiger Besonderheiten beim Einsatz eines Spannungsreglers
in einem Kraftfahrzeug werden hohe Anforderungen an den Spannungsregler
gestellt.
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Weil
in einem Kraftfahrzeug die Eingangsspannung von sehr hohen positiven
und negativen Störspannungen überlagert
ist, muss der Längszweig
des Spannungsreglers einerseits geschützt werden, während andererseits
sein Ausgang möglichst
vollständig
von den Störspannungen
entkoppelt sein sollte.
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Ein
Spannungsregler der eingangs genannten Art ist beispielsweise in
der WO 98/58302 A1 beschrieben. Ein weiterer, der Anmelderin bekannter Spannungsregler
ist in 3 abgebildet.
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Der
zweite Transistor T3 arbeitet im Normalbetrieb als Stromquelle,
die bei Entlastung des Leistungstransistors T1 die Sperrströme des Leistungstransistors
T1 und der Ansteuerschaltung kompensiert, um ein Zusteuern des Leistungstransistors
T1 zu bewirken. Der erste Transistor T2 schaltet den zweiten Transistor
T3 bei Überspannungen
ab, was insbesondere bei hohen positiven Eingangsspannungen V1 erforderlich
ist, um den zweiten Transistor T3 vor Zerstörung zu schützen. Der erste Widerstand
R3 dient als Ausräumwiderstand
für den
Transistor T2.
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Liegt
am Eingang des Spannungsreglers eine negative Spannung V1 und gibt
der Spannungsregler an seinem Ausgang eine positive Spannung V2
ab, so wird der erste Transistor T2 durch den ersten Widerstand
R3 invers aufgesteuert, wodurch auch der zweite Transistor T3 invers
aktiv wird und zusammen mit dem ersten Transistor T2 und dem Leistungstransistor
T1 einen Trilington mit hoher Stromverstärkung bildet. Bei hohen negativen
Eingangsspannungen V1 werden hohe Inversströme erzeugt, die zur Überlastung
und sogar zur Zerstörung der
invers betriebenen Transistoren T1, T2 und T3 führen können. Am stärksten sind der erste und der zweite
Transistor T2 und T3 gefährdet.
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Außerdem ist
es unerwünscht,
dass während
kurzzeitiger Spannungseinbrüche,
sogenannten Microcuts, der Eingangsspannung V1 hohe Inversströme am Ausgang
des Spannungsreglers fließen, weil
ein Stützkondensator
am Ausgang des Spannungsreglers bei geringen Inversströmen Einbrüche der
Eingangsspannung V1 länger überbrücken kann. Mit
anderen Worten bedeutet dies, dass möglichst nur die Nutzlast Strom
aus dem Spannungsregler zieht.
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Der
unerwünschte
Inversstrom kann z.B. durch eine in den Längszweig des Spannungsreglers geschaltete
Sperrdiode vermieden werden. Jedoch wird durch diese Maßnahme der
minimale Spannungsabfall in nachteiliger Weise deutlich erhöht, so dass
der Funktionsbereich des Spannungsreglers erheblich eingeschränkt wird.
Eine einfache, aber teuere und daher nicht ideale Lösung, den
minimalen Spannungsabfall, der auch als Drop-Spannung bezeichnet
wird, von 0,7 V auf etwa 0,4 V zu verringern, sieht den Einsatz
von Schottky-Dioden vor.
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Bei
den sogenannten "Very-low-drop-Applikationen" ist diese Maßnahme aber
nicht erlaubt. In solchen Fällen
darf der Betrag negativer Eingangsspannungen einen vorgegebenen
Höchstwert
nicht überschreiten.
Anderenfalls ist die Leistungsstufe stärker zu dimensionieren, wodurch
jedoch die Herstellungskosten beträchtlich erhöht werden. Ausserdem ist der
Stützkondensator
wesentlich größer auszulegen.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Spannungsregler für die "Very-low-drop-Applikation" mit voller Verpolbarkeit
möglichst
preisgünstig
zu gestalten.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen dadurch,
dass die Eingangsspannung am ersten Eingang eines Vergleichers liegt,
dessen zweiter Eingang mit dem Kollektor des Leistungstransistors
und dem ersten Ausgang eines ersten und eines zweiten Treibers verbunden
ist und dessen Ausgang mit dem Steuereingang des ersten und des
zweiten Treibers verbunden ist, dass der zweite Ausgang des ersten
Treibers mit der Basis des ersten Transistors verbunden ist und dass
der zweite Ausgang des zweiten Treibers mit der Basis des zweiten
Transistors verbunden ist.
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Durch
die Maßnahme,
an geeigneten Stellen den bekannten Spannungsregler aus der 3 mit einem
Vergleicher und zweier Treiber zu ergänzen, werden ein für eine Very-low-drop-Applikation erforderlicher
minimaler Spannungsabfall sowie volle Verpolbarkeit erzielt.
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Der
Vergleicher und die Treiber sind preisgünstige Bauteile, die zusammen
mit den restlichen Bauteilen des erfindungsgemäßen Spannungsreglers in einem
Baustein integriert sein können.
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Die
Erfindung wird nun anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele
näher beschrieben
und erläutert.
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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3 ein
Spannungsregler gemäß dem Stand
der Technik und
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4 ein
Strom- und Spannungsdiagramm eines bekannten und des erfindungsgemäßen Spannungsreglers.
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In
der 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung
abgebildet.
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Am
Emitter eines Leistungstransistors T1 liegt eine Eingangsspannung
V1, während
am Kollektor des Leistungstransistors T1 eine geregelte Ausgangsspannung
V2 abnehmbar ist. Der Emitter des Leistungstransistors T1 ist über eine
Offsetspannungsquelle VDiff mit dem ersten
Eingang eines Vergleichers Comp, dem ersten Anschluss eines Widerstandes
R3 sowie dem Emitter eines Transistors T2 und eines Transistors
T3 verbunden. Die Basis des Leistungstransistors T1, der Kollektor
des Transistors T3 und der Kollektor eines Transistors T4, dessen Emitter
auf Bezugspotenzial liegt, sind miteinander verbunden. Der Kollektor
des Leistungstransistors T1 liegt über einen Spannungsteiler aus
einem Widerstand R1 und einem Widerstand R2 auf Bezugspotenzial.
Der Abgriff des Spannungsteilers aus den Widerständen R1 und R2 ist mit dem
ersten Eingang eines Operationsverstärkers OP verbunden, an dessen
zweitem Eingang eine Referenzspannung VREF liegt und dessen Ausgang
mit der Basis des Transistors T4 verbunden ist. Der Ausgang des
Vergleichers Comp ist mit dem Eingang eines Treibers D1 und eines
Treibers D2 verbunden. Der Ausgang einer Spannungsschutzschaltung
VS, der zweite Anschluss des Widerstandes R3, die Basis des Transistors
T2 und der erste Ausgang des Treibers D1 sind miteinander verbunden.
Der Ausgang einer Vorspannungsschaltung B, der Kollektor des Transistors
T2, die Basis des Transistors T3 sowie der erste Ausgang des Treibers
D2 sind miteinander verbunden. Der zweite Eingang des Vergleichers
Comp, der zweite Ausgang des Treibers D1 und des Treibers D2 sowie
der Kollektor des Leistungstransistors T1 sind miteinander verbunden.
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Im
Normalbetrieb sind der Vergleicher Comp und die beiden Treiber D1
und D2, deren Ausgänge hochohmig
sind, nicht wirksam. Dadurch ist sichergestellt, dass bei Überschwingen
der Eingangsspannung V1 oder der geregelten Ausgangsspannung V2 der
Vergleicher Comp sowie die beiden Treiber D1 und D2 nicht aktiv
werden und die Spannungsregelung störend beeinflussen.
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Wenn
die Eingangsspannung V1 um einen vorgegebenen Betrag negativer wird
als die Ausgangsspannung V2 am Kollektor des Leistungstransistors
T1 gibt der Vergleicher Comp ein Signal an den Treiber D1 und den
Treiber D2. Der Treiber D1 legt die Ausgangsspannung V2 an die Basis
des Transistors T2, während
der Treiber D2 die Ausgangsspannung V2 an die Basis des Transistors
T3 legt. Die beiden Treiber D1 und D2 sind so ausgelegt, dass die
Basis-Kollektorstrecken bei den Transistoren T2 und T3 wirksam geklemmt
werden.
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In
der 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung
gezeigt.
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Die
Eingangsspannung V1 liegt am Emitter, dem Eingang des erfindungsgemäßen Spannungsreglers,
eines Leistungstransistors T1, an dessen Kollektor, dem Ausgang
des Spannungsreglers, die geregelte Ausgangsspannung V2 abnehmbar
ist. Der Emitter des Leistungstransistors T1, der erste Anschluss
eines Widerstandes R3 und eines Widerstandes R4 sowie der Emitter
eines Transistors T2 und eines Transistors T3 sind miteinander verbunden.
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Der
Ausgang einer Spannungsschutzschaltung VS, der zweite Anschluss
des Widerstandes R3, die Basis des Transistors T2 und der Kollektor
eines Transistors T6 sind miteinander verbunden. Der Ausgang einer
Vorspannungsschaltung B, die Basis des Transistors T3, der Kollektor
des Transistors T2 sowie der Kollektor eines Transistors T5 sind
miteinander verbunden. Die Emitter der Transistoren T5 und T6 sind
mit dem Kollektor des Leistungstransistors T1 verbunden, der über einen
Spannungsteiler aus einem Widerstand R1 und einem Widerstand R2
auf Bezugspotenzial liegt. Der Kollektor des Transistors T3 und
die Basis des Leistungstransistors T1 sind mit dem Kollektor eines
Transistors T4 verbunden, dessen Emitter auf Bezugspotenzial liegt
und dessen Basis mit dem Ausgang eines Operationsverstärkers OP
verbunden ist, dessen erster Eingang mit dem Abgriff des Spannungsteilers
aus den Widerständen R1
und R2 verbunden ist und an dessen zweitem Eingang eine Referenzspannung
VREF liegt.
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Der
Transistor T6 stellt den Treiber D1 und der Transistor T5 den Treiber
D2 dar. Die Basis-Emitter-Schwellspannung der Transistoren T5 und
T6 stellt die Offsetspannung VDiff dar.
Der Vergleicher Comp wird durch die Funktion der Transistoren T5 und
T6, die bei Erreichen der Basis-Emitter-Schwellspannung durchschalten, nachgebildet.
Der Widerstand R4 dient als strombegrenzendes Element zur Einstellung
des Basisstroms.
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Wenn
die Eingangsspannung V1 um etwa 0,7 V negativ gegenüber der
Ausgangsspannung V2 wird, werden die beiden Transistoren T6 und
T5 leitend, so dass die Ausgangsspannung V2 an die Basis des Transistors
T2 und des Transistors T3 gelegt wird. Dadurch werden die beiden
Transistoren T2 und T3 für
einen rückwärtigen Stromfluss
gesperrt. Der vom Transistor T6 gelieferte Emitter- bzw. Kollektorstrom
wird im Wesentlichen durch den Widerstand R3 und das Verhältnis der
Eingangsspannung V1 zur Ausgangsspannung V2 bestimmt. Weil der Widerstand
R3 verhältnismäßig hochohmig
ausgelegt ist – er
kann einige 10 kΩ betragen –, wird
der inverse Stromfluss durch den Transistor T3 wirkungsvoll verringert.
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Das
zweite Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Spannungsreglers
zeichnet sich durch besonders einfachen Aufbau aus, denn es ergibt
sich aus dem Stand der Technik durch Ergänzung mit zwei Transistoren
und einem Widerstand. Wie das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist auch das zweite zur Integration geeignet. Besonders vorteilhaft
lässt sich
das zweite Ausführungsbeispiel monolithisch
in bipolarer Technologie integrieren.
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In
der 4 ist ein Strom-Spannungsdiagramm abgebildet,
dass den Zusammenhang zwischen der Eingangsspannung V1 und dem inversen Strom
I beim Stand der Technik und bei der Erfindung zeigt. Bei dem erfindungsgemäßen Spannungsregler steigt
der inverse Strom bei zunehmend negativer Eingangsspannung nur schwach
an, während
er beim Stand der Technik verhältnismäßig steil
ansteigt und bei einem Wert der Eingangsspannung von etwa – 37 V zur
Zerstörung
der Transistoren führt.
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Der
erfindungsgemäße Spannungsregler
ist insbesondere zum Einbau in ein Kraftfahrzeug geeignet, wo extrem
scharfe Randbedingungen – wie
z.B. starke Temperaturschwankungen, sowie sehr hohe positive und
negative Störspannungen – zu berück sichtigen
sind, jedoch nicht auf diesen Einsatzbereich beschränkt.
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- B
- Vorspannungsschaltung
- Comp
- Vergleicher
- D1
- Treiber
- D2
- Treiber
- OP
- Operationsverstärker
- R1
- Widerstand
- R2
- Widerstand
- R3
- Widerstand
- R4
- Widerstand
- T1
- Leistungstransistor
- T2
- Transistor
- T3
- Transistor
- T4
- Transistor
- T5
- Transistor
- T6
- Transistor
- VREF
- Referenzspannung
- VS
- Spannungsschutzschaltung
- V1
- Eingangsspannung
- V2
- geregelte
Ausgangsspannung