DE102006056591A1 - Input voltage i.e. active parallel voltage, limiting circuit for e.g. two-wire measuring device, has reference diode arranged in transverse path, in which control transistor is arranged, and output of amplifier connected with base - Google Patents

Input voltage i.e. active parallel voltage, limiting circuit for e.g. two-wire measuring device, has reference diode arranged in transverse path, in which control transistor is arranged, and output of amplifier connected with base Download PDF

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    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
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    • H02H9/04Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
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Abstract

The circuit has a power transistor (LT) arranged in a transverse path (Q6), and including base connected with a connection (P3) that is arranged in another transverse path (Q5) before a control transistor (ST) and a reference diode (Z). The diode is arranged in the path (Q5), in which the control transistor is arranged. An operational amplifier (OP) is arranged between the paths and has two inputs that are respectively connected with a connection (P1) of a voltage divider and the connection (P3). An output of the amplifier is connected with a base of the control transistor.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Spannungsbegrenzung.The The invention relates to a voltage limiting circuit.

In der industriellen Messtechnik werden eine Vielzahl elektronischer Geräte, insb. Messgeräte, eingesetzt. Diese werden über eine Spannungsquelle mit Energie versorgt und weisen einen internen Verbraucher auf, dem diese Energie zur Erfüllung seiner Funktion zugeführt wird. Der Verbraucher ist beispielsweise ein Sensor, eine Mess- und/oder Regelschaltung, oder eine Signalverarbeitung. Für den einwandfreien Betrieb dieser Verbraucher ist es in der Regel erforderlich, die diesen zugeführte Spannung zuverlässig auf eine vorgegebene Regelspannung zu beschränken, die nicht überschritten werden darf. Die Regelspannung ist beispielsweise durch die Art des Verbrauchers vorgegeben, sie kann aber auch durch am Einsatzort des Verbrauchers geltende Sicherheitsvorschriften vorgegeben sein. Ein Beispiel für eine von der Art des Verbrauchers vorgegeben Regelspannung ist ein Mikroprozessor als Verbraucher, dessen Eingangsspannung eine vorgegebene Obergrenze nicht überschreiten darf, um eine Beschädigung dieses Bauteils zu vermeiden. Beispiele für durch Sicherheitsvorschriften vorgegebene Regelspannungen sind z.B. in den in vielen Industriezweigen geltenden Vorschriften zum Explosionsschutz angeführt. Dabei gilt es eine Funkenbildung, die unter Umständen eine Explosion auslösen könnte, zu vermeiden. So ist z.B. gemäß der Europäischen Norm EN 50 020 aus dem Jahr 1994 Explosionsschutz gegeben, wenn Geräte gemäß der darin definierten Schutzklasse mit dem Namen 'Eigensicherheit' (Ex-i) ausgebildet sind. Gemäß dieser Schutzklasse haben die Werte für die elektrischen Größen Strom, Spannung und Leistung in einem Gerät zu jeder Zeit jeweils unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes zu liegen. Die drei Grenzwerte sind so gewählt, dass im Fehlerfall, z.B. durch einen Kurzschluss, die maximal frei werdende Energie nicht ausreicht, um einen Zündfunken oder eine Überhitzung zu erzeugen.In Industrial metrology will be a lot of electronic Equipment, especially measuring devices, used. These are about powered by a voltage source and have an internal Consumers on whom this energy is supplied to fulfill its function. The consumer is for example a sensor, a measuring and / or Control circuit, or signal processing. For the proper operation of this Consumers, it is usually required, the voltage supplied to them reliable to limit to a predetermined control voltage that did not exceed may be. The control voltage is, for example, by the type prescribed by the consumer, but it can also by on site prescribed by the consumer. An example for one of the type of consumer specified control voltage is a Microprocessor as a consumer whose input voltage is a predetermined Do not exceed the upper limit allowed to damage to avoid this component. Examples of safety regulations predetermined control voltages are e.g. in many industries Regulations for explosion protection. It is a spark, the under circumstances cause an explosion could, to avoid. For example, e.g. according to the European standard EN 50 020 from 1994 Explosion protection given when devices in accordance with the therein defined protection class with the name 'intrinsic safety' (Ex-i) are formed. According to this Protection class have the values for the electrical quantities electricity, Voltage and power in one device at any time below each to be a predetermined limit. The three limits are chosen so that in case of error, e.g. by a short circuit, the maximum free Expected energy is insufficient to cause a spark or overheating to create.

Eine Begrenzung der Spannung auf eine vorgegebene Regelspannung erfolgt typischer Weise durch eine Schaltung zur Spannungsbegrenzung, die dem Verbraucher vorgeschaltet wird. 1 zeigt eine hierfür häufig verwendete Schaltungsanordnung mit einer Spannungsquelle 1, einer Schaltung zur Spannungsbegrenzung 3 und einem dieser nachgeschalteten Verbraucher 5.A limitation of the voltage to a predetermined control voltage is typically carried out by a circuit for limiting the voltage, which is connected upstream of the consumer. 1 shows a circuit arrangement often used for this purpose with a voltage source 1 , a circuit for limiting the voltage 3 and one of these downstream consumers 5 ,

Die Schaltung zur Spannungsbegrenzung 3 ist im einfachsten Fall eine diskrete Zener-Diode, die parallel zur Spannungsquelle 1 geschaltet wird. Hierdurch ist jedoch nur eine für viele Anwendungen zu ungenaue Spannungsbegrenzung erzielbar, und die Stromableitfähigkeit dieser direkten Parallelspannungsbegrenzung ist oft zu gering.The circuit for voltage limitation 3 is in the simplest case a discrete zener diode, which is parallel to the voltage source 1 is switched. As a result, however, only one too imprecise voltage limitation can be achieved for many applications, and the Stromableitfähigkeit this direct parallel voltage limitation is often too low.

Außerdem fließt über die Zener-Diode in der Regel auch im Sperrbereich ein mit ansteigender Spannung anwachsender Strom, der zur Folge hat, dass diese Ausführung der Schaltung zur Spannungsbegrenzung 3 auch unterhalb der Regelspannung Energie verbraucht, die dem Verbraucher 5 nicht mehr zur Verfügung steht.In addition, a current that increases with increasing voltage also flows through the Zener diode in the blocking region as a rule, with the result that this embodiment of the voltage limiting circuit 3 even below the control voltage consumes energy to the consumer 5 is no longer available.

Es gibt insb. in der Mess- und Regeltechnik eine Vielzahl von Anwendungen, bei denen es sehr wichtig ist, den für die Spannungsbegrenzung erforderlichen Energiebedarf zu minimieren. Ein Beispiel hierfür sind so genannte 2-Draht Messgeräte. Dies sind Messgeräte, bei denen sowohl die Versorgung des Messgeräts als auch die Signalübertragung über ein einziges Leitungspaar erfolgt. Beispielsweise werden solche Messgeräte mit 12 V gespeist und das Messgerät steuert einen über das Leitungspaar fließenden Strom in Abhängigkeit von einem momentanen Messwert. Das Messsignal ist bei diesen Messgeräten ein Signalstrom. Gemäß einem in der Mess- und Regeltechnik üblichen Standard wird der Signalstrom in Abhängigkeit von dem momentanen Messwert auf Werte zwischen einem minimalen Signalstrom von 4 mA und einem maximalen Signalstrom von 20 mA eingestellt. Da über das Leitungspaar sowohl die Versorgung als auch die Signalübertragung erfolgt steht dem Messgerät bei einer Speisespannung von 12 V und einem Signalstrom von 4 mA nur eine Leistung von 48 mW zur Verfügung. Entsprechend ist es gerade bei diesen Messgeräten sehr wichtig, eine durch die in der Regel zwingend erforderlich Schaltung zur Spannungsbegrenzung bedingte Verlustleistung zu reduzieren.It esp. in the measurement and control technology a variety of applications, where it is very important to have the voltage limit required To minimize energy consumption. An example of this are so-called 2-wire Measuring device. These are measuring devices, where both the supply of the meter and the signal transmission via a single line pair takes place. For example, such measuring devices with 12 V powered and the meter controls one over the line pair flowing Electricity depending on a current measured value. The measuring signal is on with these measuring devices Signal current. According to one usual in measuring and control technology Standard is the signal current as a function of the current Measured value to values between a minimum signal current of 4 mA and a maximum signal current of 20 mA. Because of that Line pair both the supply and the signal transmission takes place stands the meter at a supply voltage of 12 V and a signal current of 4 mA only a power of 48 mW available. Accordingly, it is straight with these measuring devices very important, one by which is usually mandatory Circuit for limiting voltage to reduce power loss.

2 zeigt ein weiteres Beispiel einer Schaltung zur Spannungsbegrenzung. Es handelt sich hierbei um eine aktive Parallelspannungsbegrenzung. Die Schaltung umfasst einen ersten Eingang E1 und einen zweiten Eingang E2, zwischen denen eine Eingangspannung UE anlegbar ist. Die Schaltung dient dazu, eine anliegende Eingangsspannung UE auf eine Regelspannung zu begrenzen. Die Schaltung weist einen ersten und einen zweiten Ausgang A1, A2 auf, zwischen denen eine gegebenenfalls durch die Schaltung begrenzte Ausgangsspannung UA abnehmbar ist. Es ist ein erster vom ersten Eingang E1 zum ersten Ausgang A1 und ein zweiter vom zweiten Eingang E2 zum zweiten Ausgang A2 führender Längszweig L1, L2 vorgesehen. Weiter umfasst die Schaltung vier parallel zueinander hintereinander angeordnete Querzweige Q1, Q2, Q3 und Q4, die jeweils den ersten Längszweig L1 mit dem zweiten Längszweig L2 verbinden. Im ersten Querzweig Q1 ist ein Spannungsteiler angeordnet, der aus zwei in Serie geschalteten Widerständen R1 und R2 besteht. Im zweiten Querzweig Q2 sind ein Widerstand R3 und eine Referenzdiode Z in Serie angeordnet. Im dritten Querzweig Q3 sind ein Widerstand R4 und ein Steuertransistor ST in Serie angeordnet, und im vierten Querzweig Q4 ist ein Leistungstransistor LT angeordnet. Zwischen dem zweiten und dem dritten Querzweig Q2, Q3 ist ein Operationsverstärker OP angeordnet, dessen erster Eingang mit einem zwischen den beiden Widerständen R1 und R2 des Spannungsteilers angeordneten Abgriff P1 verbunden ist. Ein zweiter Eingang des Operationsverstärkers OP ist mit einem zwischen dem Widerstand R3 und der Referenzdiode Z im zweiten Querzweig angeordneten Abgriff P2 verbunden. Ein Ausgang des Operationsverstärkers OP ist über einen weiteren Widerstand R5 mit einer Basis des Steuertransistors ST verbunden. Eine Basis des Leistungstransistors LT ist über einen Widerstand R6 mit einem zwischen dem Steuertransistor ST und dem ersten Längszweig angeordneten Abgriff P3 verbunden. 2 shows another example of a voltage limiting circuit. This is an active parallel voltage limitation. The circuit comprises a first input E 1 and a second input E 2 , between which an input voltage U E can be applied. The circuit serves to limit an applied input voltage U E to a control voltage. The circuit has a first and a second output A 1 , A 2 , between which an optionally limited by the circuit output voltage U A is removable. There is provided a first longitudinal branch L 1 , L 2 leading from the first input E 1 to the first output A 1 and a second from the second input E 2 to the second output A 2 . Continue around sums the circuit four parallel successively arranged transverse branches Q1, Q2, Q3 and Q4, each connecting the first longitudinal branch L 1 with the second longitudinal branch L 2 . In the first shunt Q1, a voltage divider is arranged, which consists of two series-connected resistors R1 and R2. In the second shunt Q2, a resistor R3 and a reference diode Z are arranged in series. In the third shunt Q3, a resistor R4 and a control transistor ST are arranged in series, and in the fourth shunt Q4, a power transistor LT is arranged. Between the second and the third shunt branch Q2, Q3, an operational amplifier OP is arranged, whose first input is connected to a tap P1 arranged between the two resistors R1 and R2 of the voltage divider. A second input of the operational amplifier OP is connected to a tap P2 arranged between the resistor R3 and the reference diode Z in the second transverse branch. An output of the operational amplifier OP is connected via a further resistor R5 to a base of the control transistor ST. A base of the power transistor LT is connected via a resistor R6 to a tap P3 arranged between the control transistor ST and the first longitudinal branch.

Übersteigt die Eingangsspannung UE die vorgegebene Regelspannung, für die die Schaltung ausgelegt ist, so wird die Referenzdiode Z leitend und bewirkt einen Spannungsabfall am zweiten Eingang des Operationsverstärkers OP. Der Operationsverstärker OP verstärkt die Differenz der an seinen Eingängen anliegenden Spannungen und liefert aufgrund des vorgenannten Spannungsabfalls eine Ausgangsspannung, durch die der Steuertransistor leitend wird. Dies hat einen Spannungsabfall am Abgriff P3 zur Folge, der bewirkt, dass auch der Leistungstransistor LT leitend wird, und die Spannung durch einen im Wesentlichen über den vierten Querzweig Q4 fließenden Strom begrenzt wird. Diese Form der aktiven Parallelspannungsbegrenzung bietet den Vorteil, dass über den Leistungstransistor LT sehr hohe Ströme fließen können. Sie weist damit eine hohe Stromableitfähigkeit auf.If the input voltage U E exceeds the predetermined control voltage for which the circuit is designed, then the reference diode Z becomes conductive and causes a voltage drop at the second input of the operational amplifier OP. The operational amplifier OP amplifies the difference of the voltages applied to its inputs and, due to the aforementioned voltage drop, provides an output voltage through which the control transistor becomes conductive. This results in a voltage drop at the tap P3 which causes also the power transistor LT to become conductive and the voltage is limited by a current flowing substantially across the fourth shunt Q4. This form of active parallel voltage limitation offers the advantage that very high currents can flow via the power transistor LT. It thus has a high Stromableitfähigkeit.

Für den Einsatz von Referenzdioden Z wird von deren Herstellern in der Regel in entsprechenden Datenblättern ein Mindestreferenzstrom vorgegeben, der über die Referenzdiode fließen muss. Dies lässt sich anhand von klassischen Strom-Spannungs-Kennlinien von Referenzdioden veranschaulichen, aus denen hervorgeht, dass durch Referenzdioden auch unterhalb von deren Durchbruchspannung ein mit steigender anliegender Spannung ansteigender Strom fließt. Der Mindestreferenzstrom fließt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel im zweiten Querzweig Q2 über den Widerstand R3 und die Referenzdiode Z und führt damit zu einer ständigen Leistungsaufnahme durch die Schaltung.For use of reference diodes Z is of their manufacturers usually in corresponding data sheets specified a minimum reference current that must flow through the reference diode. This leaves based on classical current-voltage characteristics of reference diodes illustrate that by reference diodes also below their breakdown voltage with increasing applied Voltage rising current flows. The minimum reference current flows in the illustrated embodiment in the second transverse branch Q2 via the resistor R3 and the reference diode Z and thus leads to a constant power consumption through the circuit.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Schaltung zur Spannungsbegrenzung anzugeben, die eine geringe Leistungsaufnahme aufweist.It It is an object of the invention to provide a voltage limiting circuit indicate that has a low power consumption.

Hierzu besteht die Erfindung in einer Schaltung zur Spannungsbegrenzung, die dazu dient eine daran anliegende Eingangsspannung auf eine Regelspannung zu begrenzen, mit

  • – einem ersten Eingang und einem zweiten Eingang, zwischen denen die Eingangspannung anlegbar ist,
  • – einem ersten und einem zweiten Ausgang, zwischen denen eine Ausgangsspannung abnehmbar ist,
  • – einem ersten Längszweig, der vom ersten Eingang zum ersten Ausgang führt, und
  • – einem zweiten Längszweig, der vom zweiten Eingang zum zweiten Ausgang führt,
  • – einem den ersten mit dem zweiten Längszweig verbindenden ersten Querzweig, in dem ein Spannungsteiler angeordnet ist,
  • – einem den ersten mit dem zweiten Längszweig verbindenden zweiten Querzweig, in dem ein Steuertransistor und eine Referenzdiode in Serie angeordnet sind,
  • – einem den ersten mit dem zweiten Längszweig verbindenden dritten Querzweig, in dem ein Leistungstransistor angeordnet ist,
  • – dessen Basis mit einem im zweiten Querzweig vor dem Steuertransistor und vor der Referenzdiode angeordneten Abgriff verbunden ist, und
  • – einem zwischen dem ersten und dem zweiten Querzweig angeordneten Operationsverstärker,
  • – dessen erster Eingang mit einem Abgriff des Spannungsteilers verbunden ist,
  • – dessen zweiter Eingang mit einem zwischen dem Steuertransistor und der Referenzdiode im zweiten Querzweig angeordneten Abgriff verbunden ist, und
  • – dessen Ausgang mit einer Basis des Steuertransistors verbunden ist.
For this purpose, the invention consists in a circuit for limiting the voltage, which serves to limit an input voltage applied to a control voltage, with
  • A first input and a second input, between which the input voltage can be applied,
  • A first and a second output, between which an output voltage is removable,
  • A first longitudinal branch leading from the first entrance to the first exit, and
  • A second longitudinal branch leading from the second entrance to the second exit,
  • A first transverse branch joining the first longitudinal branch, in which a voltage divider is arranged,
  • A second shunt arm connecting the first and the second longitudinal arm, in which a control transistor and a reference diode are arranged in series,
  • A third transverse branch connecting the first and the second longitudinal branch, in which a power transistor is arranged,
  • - The base is connected to a arranged in the second transverse branch in front of the control transistor and in front of the reference diode tap, and
  • A operational amplifier arranged between the first and second shunt branches,
  • Whose first input is connected to a tap of the voltage divider,
  • - The second input is connected to a arranged between the control transistor and the reference diode in the second shunt tap, and
  • - whose output is connected to a base of the control transistor.

Gemäß einer Ausgestaltung weist der Spannungsteiler zwei in Serie geschaltete Widerstände auf, zwischen denen der Abgriff angeordnet ist.According to one Embodiment, the voltage divider two connected in series resistors on, between which the tap is arranged.

Gemäß einer Weiterbildung wird der Operationsverstärker über eine zweiteilige Versorgungsleitung mit Energie versorgt, deren erster Teil vom ersten Längszweig zum Operationsverstärker führt, und deren zweiter Teil vom Operationsverstärker über die Referenzdiode zum zweiten Längszweig führt.According to a development of the operational amplifier is supplied via a two-part supply line with energy, the first part of the first longitudinal branch leads to the operational amplifier, and the two ter part of the operational amplifier via the reference diode leads to the second longitudinal branch.

Gemäß einer Weiterbildung wird ein Versorgungsstrom für den Operationsverstärker über die Referenzdiode geleitet.According to one Continuing will be a supply current for the operational amplifier over the Conducted reference diode.

Gemäß einer Ausgestaltung ist zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und der Basis des Steuertransistors ein Widerstand angeordnet.According to one Embodiment is between the output of the operational amplifier and the base of the control transistor arranged a resistor.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist dem Steuertransistor und der Referenzdiode ein Widerstand vorgeschaltet.According to one Another embodiment is the control transistor and the reference diode a resistor upstream.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist zwischen der Basis des Leistungstransistors und dem im zweiten Querzweig angeordneten mit der Basis des Leistungstransistors verbundenen Abgriff ein Widerstand angeordnet.According to one Another embodiment is between the base of the power transistor and the second transverse branch arranged with the base of the power transistor connected tap a resistor arranged.

Die erfindungsgemäßen Schaltungen zur Spannungsbegrenzung weisen den wesentlichen Vorteil auf, dass die Referenzdiode Z nur mit dem Mindestreferenzstrom versorgt wird, den die Schaltung tatsächlich für eine aktive Spannungsbegrenzung benötigt wird. Bei niedrigeren Eingangsspannungen, bei denen kein Regelungsbedarf besteht, wird weniger Energie verbraucht.The inventive circuits for voltage limiting have the significant advantage that the reference diode Z is supplied only with the minimum reference current, the circuit actually for one active voltage limitation required becomes. At lower input voltages, where no regulation needs exists, less energy is consumed.

Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert; gleiche Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.The Invention and further advantages will now be described with reference to the figures of Drawing in which two embodiments are shown, closer explains; like elements are indicated by the same reference numerals in the figures Mistake.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung mit einer Spannungsquelle, einer Schaltung zur Spannungsbegrenzung und einem dieser nachgeschalteten Verbraucher 1 shows a schematic representation of a circuit arrangement with a voltage source, a circuit for limiting the voltage and one of these downstream consumers

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung zur Spannungsbegrenzung; 2 shows an embodiment of a voltage limiting circuit;

3 zeigt eine erste erfindungsgemäße Schaltung zur Spannungsbegrenzung; und 3 shows a first voltage limiting circuit according to the invention; and

4 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Schaltung zur Spannungsbegrenzung. 4 shows a second circuit according to the invention for voltage limiting.

3 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltung zur Spannungsbegrenzung. Sie dient dazu eine an der Schaltung anliegende Eingangsspannung UE auf eine vorgegebene Regelspannung zu begrenzen, und liefert eine entsprechend begrenzte Ausgangsspannung UA. Es handelt sich hierbei um eine aktive Parallelspannungsbegrenzung. Die Schaltung umfasst einen ersten Eingang E1 und einen zweiten Eingang E2, zwischen denen die Eingangspannung UE anlegbar ist. Sie weist einen ersten und einen zweiten Ausgang A1, A2 auf, zwischen denen eine gegebenenfalls durch die Schaltung begrenzte Ausgangsspannung UA abnehmbar ist. Die erfindungsgemäße Schaltung wird typischerweise wie in 1 dargestellt verwendet. Dort wird die Schaltung zur Spannungsbegrenzung über die Eingänge E1 und E2 von der Spannungsquelle 1 gespeist und speist den nachgeschalteten Verbraucher 5 über die Ausgänge A1 und A2. 3 shows a block diagram of a voltage limiting circuit according to the invention. It serves to limit an input voltage U E applied to the circuit to a predetermined control voltage, and supplies a correspondingly limited output voltage U A. This is an active parallel voltage limitation. The circuit comprises a first input E 1 and a second input E 2 , between which the input voltage U E can be applied. It has a first and a second output A 1 , A 2 , between which an optionally limited by the circuit output voltage U A is removable. The circuit according to the invention is typically as in 1 shown used. There, the circuit for limiting the voltage via the inputs E 1 and E 2 of the voltage source 1 feeds and feeds the downstream consumer 5 via the outputs A 1 and A 2 .

In der erfindungsgemäßen Schaltung zur Spannungsbegrenzung ist ein erster vom ersten Eingang E1 zum ersten Ausgang A1 und ein zweiter vom zweiten Eingang E2 zum zweiten Ausgang A2 führender Längszweig L1, L2 vorgesehen.In the inventive circuit for limiting the voltage, a first is provided from the first input E 1 to the first output A1 and a second from the second input E 2 A 2 to the second output branch leading longitudinal L 1, L2.

Weiter umfasst die Schaltung drei Querzweige Q1, Q5 und Q6, die jeweils den ersten Längszweig L1 mit dem zweiten Längszweig L2 verbinden. In dem ersten Querzweig Q1 ist ein Spannungsteiler angeordnet. Dieser weist zwei in Serie geschaltete Widerstände R1 und R2 auf, über die die an der Schaltung anliegende Eingangsspannung UE abfällt. Zwischen den beiden Widerständen R1 und R2 befindet sich ein Abgriff P1, an dem eine von der Eingangsspannung UE abhängige Bezugsspannung UB abgegriffen werden kann. In dem zweiten Querzweig Q5 sind ein Widerstand R4, ein Steuertransistor ST und eine Referenzdiode Z in der angegebenen Reihenfolge in Serie angeordnet. In dem dritten Querzweig Q6 ist ein Leistungstransistor LT angeordnet, der über den Steuertransistor ST angesteuert wird. Hierzu ist eine Basis des Leistungstransistors LT über einen Widerstand R6 mit einem im zweiten Querzweig Q5 vor dem Steuertransistor ST und vor der Referenzdiode Z angeordneten Abgriff P3 verbunden. Der Abgriff P3 befindet sich zwischen dem Widerstand R4 und dem Steuertransistor ST.Furthermore, the circuit comprises three shunt branches Q1, Q5 and Q6, which each connect the first longitudinal branch L 1 to the second longitudinal branch L 2 . In the first shunt branch Q1, a voltage divider is arranged. This has two series-connected resistors R1 and R2, via which the voltage applied to the circuit input voltage U E drops. Between the two resistors R1 and R2 there is a tap P1, at which a reference voltage U B dependent on the input voltage U E can be tapped. In the second shunt Q5, a resistor R4, a control transistor ST, and a reference diode Z are arranged in series in the order indicated. In the third shunt branch Q6, a power transistor LT is arranged, which is controlled via the control transistor ST. For this purpose, a base of the power transistor LT is connected via a resistor R6 to a tap P3 arranged in the second shunt branch Q5 in front of the control transistor ST and in front of the reference diode Z. The tap P3 is located between the resistor R4 and the control transistor ST.

Zwischen dem ersten und dem zweiten Querzweig Q1 und Q5 ist ein Operationsverstärker OP angeordnet, dessen erster Eingang mit dem Abgriff P1 des Spannungsteilers verbunden ist, und dessen zweiter Eingang mit einem zwischen dem Steuertransistor ST und der Referenzdiode Z im zweiten Querzweig Q5 angeordneten Abgriff P4 verbunden ist. Der Operationsverstärker OP weist einen Ausgang auf, der über einen Widerstand R5 mit einer Basis des Steuertransistors ST verbunden ist.Between the first and the second shunt branch Q1 and Q5 is an operational amplifier OP whose first input is connected to the tap P1 of the voltage divider and whose second input is connected to a tap P4 arranged between the control transistor ST and the reference diode Z in the second shunt Q5. The operational amplifier OP has an output, which is connected via a resistor R5 to a base of the control transistor ST.

Bei niedrigen Eingangsspannungen UE unterhalb der Regelspannung sperrt der Steuertransistor ST und es fließt kein Strom über den dritten Querzweig Q5. Entsprechend tritt über diesen Querzweig Q5 keine Leistungsaufnahme auf. Ein Anstieg der Eingangsspannung UE führt nun dazu, dass die am ersten Eingang des Operationsverstärkers OP über den Abgriff P1 am Spannungsteiler anliegende Spannung ansteigt. Die Differenz zwischen den an den Eingängen des Operationsverstärkers OP anliegenden Spannungen steigt mit ansteigender Eingangsspannung UE an. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers OP steigt entsprechend dieser Differenz an und führt zu einer von dieser Differenz abhängigen Öffnung des Steuertransistors ST. Hierdurch wird der Steuertransistor ST leitend und im dritten Querzweig Q5 fließt ein Strom über die Referenzdiode Z. Dies führt zu einer Absenkung der Spannung am Abgriff P4 und damit zu einer Vergrößerung der Differenz der an den Eingängen des Operationsverstärkers OP anliegenden Spannungen, die wiederum ein Ausgangssignal bewirkt, durch das der Steuertransistor ST weiter geöffnet wird. Sowie der über den dritten Querzweig Q5 fließende Strom den Mindeststrom für den Betrieb der Referenzdiode Z erreicht hat, ist die Referenzdiode Z voll funktionsfähig und liefert die gewünschte für die Spannungsregelung durch die Schaltung erforderliche Referenzspannung. Die ansteigende Eingangsspannung UE und der hierdurch aufgrund der Zusammenschaltung des Operationsverstärker OP, des Steuertransistors ST und der Referenzdiode Z bewirkte ansteigende Stromfluss durch den zweiten Querzweig Q5 bewirkt einen Spannungsabfall am Abgriff P3, der zur Folge hat, dass auch der Leistungstransistor LT leitend wird. Wird die vorgegebene Regelspannung überschritten, so ist der Leistungstransistor LT vollständig durchgeschaltet, und die Spannung wird durch einen im Wesentlichen über den dritten Querzweig Q6 fließenden Strom begrenzt. Diese Form der aktiven Parallelspannungsbegrenzung bietet den Vorteil, dass über den Leistungstransistor LT sehr hohe Ströme fließen können. Sie weist damit eine hohe Stromableitfähigkeit auf.At low input voltages U E below the control voltage, the control transistor ST blocks and no current flows through the third shunt Q5. Accordingly, no power consumption occurs via this shunt branch Q5. An increase in the input voltage U E now leads to the voltage applied to the first input of the operational amplifier OP via the tap P1 at the voltage divider increasing. The difference between the voltages present at the inputs of the operational amplifier OP increases with increasing input voltage U E. The output signal of the operational amplifier OP increases in accordance with this difference and leads to an opening of the control transistor ST that depends on this difference. As a result, the control transistor ST is conductive and in the third shunt Q5 a current flows through the reference diode Z. This leads to a lowering of the voltage at the tap P4 and thus to an increase in the difference of the voltage applied to the inputs of the operational amplifier OP voltages, which in turn an output signal causes, through which the control transistor ST is opened further. As the current flowing across the third shunt Q5 has reached the minimum current for operation of the reference diode Z, the reference diode Z is fully functional and provides the desired reference voltage required for voltage regulation by the circuit. The rising input voltage U E and the resulting due to the interconnection of the operational amplifier OP, the control transistor ST and the reference diode Z increasing current flow through the second shunt Q5 causes a voltage drop at the tap P3, which has the consequence that also the power transistor LT is conductive. If the predetermined control voltage is exceeded, the power transistor LT is completely switched through, and the voltage is limited by a current flowing essentially across the third shunt branch Q6. This form of active parallel voltage limitation offers the advantage that very high currents can flow via the power transistor LT. It thus has a high Stromableitfähigkeit.

Im Unterschied zu dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Referenzdiode Z bei der erfindungsgemäßen Schaltung in dem zweiten Querzweig Q5 angeordnet, in dem auch der Steuertransistor ST angeordnet ist. Dies bietet den Vorteil, dass der durch die Referenzdiode Z fließende Strom über den Steuertransistor ST bereitgestellt wird. Der im Datenblatt vorgesehene Mindest-Referenzstrom für die Referenzdiode Z wird hierüber nur dann bereitgestellt, wenn die Eingangsspannung UE soweit ansteigt, dass die Potentialdifferenz am Operationsverstärker OP ausreicht, um eine Öffnung des Steuertransistors ST auszulösen. Tut sie das nicht, tritt auch keine durch die Vorhaltung des Mindest-Referenzstromes für die Referenzdiode Z bedingte Leistungsaufnahme auf. Sobald die Potentialdifferenz hierzu ausreicht, wird der Mindest-Referenzstrom für den Betrieb der Referenzdiode Z automatisch über den nun leitenden Steuertransistor ST bereitgestellt. Dies bietet den Vorteil, dass der Mindest-Referenzstrom nur dann vorgehalten wird, wenn die Eingangsspannung UE so hoch ist, dass die Referenzdiode Z tatsächlich benötigt wird. Damit weist die erfindungsgemäße Schaltung solange die Eingangsspannung UE unterhalb der Regelspannung liegt eine sehr viel geringere Leistungsaufnahme auf, als die in 2 dargestellte Schaltung.Unlike the in 2 illustrated embodiment, the reference diode Z is arranged in the circuit according to the invention in the second shunt branch Q5, in which the control transistor ST is arranged. This offers the advantage that the current flowing through the reference diode Z is supplied via the control transistor ST. The provided in the data sheet minimum reference current for the reference diode Z is provided here only if the input voltage U E increases so far that the potential difference on the operational amplifier OP is sufficient to trigger an opening of the control transistor ST. If it does not do so, no power consumption due to the provision of the minimum reference current for the reference diode Z occurs. As soon as the potential difference is sufficient for this, the minimum reference current for the operation of the reference diode Z is automatically provided via the now conductive control transistor ST. This offers the advantage that the minimum reference current is kept available only when the input voltage U E is so high that the reference diode Z is actually required. Thus, the circuit according to the invention as long as the input voltage U E below the control voltage is a much lower power consumption than in 2 illustrated circuit.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass in der Schaltung unterschiedliche Referenzdioden Z eingesetzt werden können, ohne dass eine Anpassung der Schaltung erforderlich ist. Die Schaltung stellt im Bedarfsfall automatisch den erforderlichen Mindest-Referenzstrom zur Verfügung ohne das eine Umdimensionierung anderer Bauteile erforderlich ist.One Another advantage is that different in the circuit Reference diodes Z can be used without any adjustment the circuit is required. The circuit provides automatically if necessary the required minimum reference current available without a resizing of other components is required.

Der Operationsverstärker OP benötigt Energie, die von der Schaltung bereit gestellt werden muss, und ebenfalls zur Leistungsaufnahme der Schaltung beiträgt. Die Energie wird üblicher Weise, wie in 2 und 3 dargestellt, über eine zweiteilige Versorgungsleitung bereit gestellt. Diese weist einen ersten Teil 7 auf, der vom ersten Längszweig L1 zum Operationsverstärker OP führt, und sie weist einen zweiten Teil auf, der vom Operationsverstärker OP zum zweiten Längszweig L2 führt. Bezogen auf den Verbraucher 5 ist die für den Betrieb des Operationsverstärkers OP benötigte Energie als Verlustleistung zu werten.The operational amplifier OP needs energy that must be provided by the circuit, and also contributes to the power consumption of the circuit. The energy becomes more usual, as in 2 and 3 represented, provided via a two-part supply line. This has a first part 7 on, which leads from the first longitudinal branch L 1 to the operational amplifier OP, and it has a second part, which leads from the operational amplifier OP to the second longitudinal branch L 2 . Relating to the consumer 5 the energy required for the operation of the operational amplifier OP is to be regarded as a power loss.

Die Leistungsaufnahme der erfindungsgemäßen Schaltung lässt sich noch weiter reduzieren, indem ein Versorgungsstrom für den Operationsverstärker OP über die Referenzdiode Z geleitet wird. Dies geschieht bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel, in dem der Operationsverstärker OP über eine zweiteilige Versorgungsleitung mit Energie versorgt wird, deren erster Teil 11 vom ersten Längszweig L1 zu Operationsverstärker OP führt, und deren zweiter Teil 13 vom Operationsverstärker OP über die Referenzdiode Z zum zweiten Längszweig L2 führt. Hierdurch wird bewirkt, dass sich die in 4 dargestellte erfindungsgemäße Schaltung bei ansteigender Eingangsspannung UE selbsttätig in Betrieb nimmt. Liegt keine Eingangspannung UE an, so ist der Operationsverstärker OP unterversorgt und damit nicht einsatzbereit, und der Steuertransistor ST sperrt den zweiten Querzweig Q5. Ein Anstieg der Eingangsspannung UE bewirkt nun einen Anstieg der über den Operationsverstärker OP und die dazu in Reihe befindliche Referenzdiode Z. Hierdurch wird ein mit ansteigender Eingansspannung UE ansteigender Strom über die zweiteilige Versorgungsleitung und die Referenzdiode Z bewirkt. Sobald dieser Strom ausreicht, um den Operationsverstärker OP ausreichend zu versorgen, nimmt dieser seinen Betrieb auf, und liefert genau wie bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ein Ausgangssignal, dass von der an seinen Eingängen anliegen Spannungsdifferenz abhängt. Dies führt dann mit ansteigender Eingangsspannung UE zu einer Öffnung des Steuertransistors ST, über die dann automatisch eine ausreichende Stromversorgung für die Referenzdiode Z zur Verfügung steht. Dadurch, dass der Versorgungsstrom für den Operationsverstärker OP und der über den Steuertransistor ST geleitete Strom über die Referenzdiode Z fließen, wird der Mindestreferenzstrom für die Referenzdiode Z bereits bei niedrigeren durch den Steuertransistor ST fließenden Strömen erreicht. Dies führt zu einer weiteren Verringerung der Leistungsaufnahme der Schaltung unterhalb des Regelbereichs. 1 Spannungsquelle 3 Schaltung zur Spannungsgebrenzung 5 Verbraucher 7 erster Teil der Versorgungsleitung 9 zweiter Teil der Versorgungsleitung 11 erster Teil der Versorgungsleitung 13 zweiter Teil der Versorgungsleitung UE Eingangsspannung UA Ausgangsspannung E1 erster Eingang E2 zweiter Eingang A1 erster Ausgang A2 zweiter Ausgang L1 erster Längszweig L2 zweiter Längszweig Q1 erster Querzweig Q2 zweiter Querzweig Q3 dritter Querzweig Q4 vierter Querzweig Q5 zweiter Querzweig Q6 dritter Querzweig R1 Widerstand R2 Widerstand R3 Widerstand R4 Widerstand R5 Widerstand R1 Widerstand Z Referenzdiode ST Steuertransistor LT Leistungstransistor OP Operationsverstärker P1 Abgriff P2 Abgriff P3 Abgriff The power consumption of the circuit according to the invention can be further reduced by a supply current for the operational amplifier OP is passed through the reference diode Z. This happens at the in 4 illustrated embodiment, in which the operational amplifier OP is supplied via a two-part supply line with energy, the first part 11 from the first longitudinal branch L1 to the operational amplifier OP, and the second part thereof 13 from the operational amplifier OP via the reference diode Z to the second longitudinal branch L 2 leads. This causes the in 4 illustrated circuit according to the invention with increasing input voltage U E automatically starts up. There is no input voltage U E on, the operational amplifier OP is undersupplied and thus not ready for use, and the control transistor ST blocks the second shunt branch Q5. An increase in the input voltage U E now causes an increase in through the operational amplifier OP and its located in series reference diode Z. This is a cause of increasing input voltage U E rising current through the two-part supply line and the reference diode Z. As soon as this current is sufficient to supply the operational amplifier OP sufficiently, it starts its operation, and supplies exactly as in the 3 illustrated embodiment, an output signal that depends on the voltage applied to its inputs voltage difference. This then leads with increasing input voltage U E to an opening of the control transistor ST, via which then an adequate power supply for the reference diode Z is automatically available. Due to the fact that the supply current for the operational amplifier OP and the current conducted via the control transistor ST flow via the reference diode Z, the minimum reference current for the reference diode Z is already reached at lower currents flowing through the control transistor ST. This leads to a further reduction of the power consumption of the circuit below the control range. 1 voltage source 3 Circuit for voltage limiting 5 consumer 7 first part of the supply line 9 second part of the supply line 11 first part of the supply line 13 second part of the supply line U E input voltage U A output voltage E 1 first entrance E 2 second entrance A 1 first exit A 2 second exit L 1 first longitudinal branch L 2 second longitudinal branch Q1 first transverse branch Q2 second transverse branch Q3 third transverse branch Q4 fourth transverse branch Q5 second transverse branch Q6 third transverse branch R1 resistance R2 resistance R3 resistance R4 resistance R5 resistance R1 resistance Z reference diode ST control transistor LT power transistor operating room operational amplifiers P1 tap P2 tap P3 tap

Claims (7)

Schaltung zur Spannungsbegrenzung, die dazu dient eine daran anliegende Eingangsspannung auf eine Regelspannung zu begrenzen, mit – einem ersten Eingang (E1) und einem zweiten Eingang (E2), zwischen denen die Eingangspannung (UE) anlegbar ist, – einem ersten und einem zweiten Ausgang (A1, A2), zwischen denen eine Ausgangsspannung (UA) abnehmbar ist, – einem ersten Längszweig (L1), der vom ersten Eingang (E1) zum ersten Ausgang (A1) führt, und – einem zweiten Längszweig (L2), der vom zweiten Eingang (E2) zum zweiten Ausgang (A2) führt, – einem den ersten mit dem zweiten Längszweig (L1, L2) verbindenden ersten Querzweig (Q5), in dem ein Spannungsteiler angeordnet ist, – einem den ersten mit dem zweiten Längszweig (L1, L2) verbindenden zweiten Querzweig (Q6), in dem ein Steuertransistor (ST) und eine Referenzdiode (Z) in Serie angeordnet sind, – einem den ersten mit dem zweiten Längszweig (L1, L2) verbindenden dritten Querzweig (Q6), in dem ein Leistungstransistor (LT) angeordnet ist, – dessen Basis mit einem im zweiten Querzweig (Q5) vor dem Steuertransistor (ST) und vor der Referenzdiode (Z) angeordneten Abgriff (P3) verbunden ist, und – einem zwischen dem ersten und dem zweiten Querzweig (Q1, Q5) angeordneten Operationsverstärker (OP), – dessen erster Eingang mit einem Abgriff (P1) des Spannungsteilers verbunden ist, – dessen zweiter Eingang mit einem zwischen dem Steuertransistor (ST) und der Referenzdiode (Z) im zweiten Querzweig (Q5) angeordneten Abgriff (P3) verbunden ist, und – dessen Ausgang mit einer Basis des Steuertransistors (ST) verbunden ist.Circuit for limiting the voltage, which serves to limit an input voltage applied thereto to a control voltage, having - a first input (E 1 ) and a second input (E 2 ), between which the input voltage (U E ) can be applied, - a first and a second output (A 1 , A 2 ), between which an output voltage (U A ) is removable, - a first longitudinal branch (L 1 ), which leads from the first input (E 1 ) to the first output (A 1 ), and a second longitudinal branch (L 2 ) leading from the second input (E 2 ) to the second output (A 2 ), - a first transverse branch (Q5) connecting the first longitudinal branch (L 1 , L 2) to the second longitudinal branch Voltage divider is arranged, - a first with the second longitudinal branch (L 1 , L 2) connecting the second transverse branch (Q6), in which a control transistor (ST) and a reference diode (Z) are arranged in series, - a the first with the second longitudinal branch (L 1 , L 2 ) connecting the third transverse branch (Q6), in which a power transistor (LT) is arranged, - whose base is connected to a tap (P3) arranged in the second shunt branch (Q5) in front of the control transistor (ST) and in front of the reference diode (Z), and - one between the first and the second second transverse branch (Q1, Q5) arranged operational amplifier (OP), - whose first input is connected to a tap (P1) of the voltage divider, - whose second input with a between the control transistor (ST) and the reference diode (Z) in the second transverse branch ( Q5) arranged tap, and whose output is connected to a base of the control transistor (ST). Schaltung nach Anspruch 1, bei der der Spannungsteiler zwei in Serie geschaltete Widerstände (R1, R2) aufweist, zwischen denen der Abgriff (P1) angeordnet ist.The circuit of claim 1, wherein the voltage divider two series-connected resistors (R1, R2), between where the tap (P1) is arranged. Schaltung nach Anspruch 1, bei der der Operationsverstärker über (OP) eine zweiteilige Versorgungsleitung mit Energie versorgt wird, deren erster Teil (11) vom ersten Längszweig (L1) zum Operationsverstärker (OP) führt, und deren zweiter Teil (13) vom Operationsverstärker (OP) über die Referenzdiode (Z) zum zweiten Längszweig (L2) führt.Circuit according to Claim 1, in which the operational amplifier is supplied with energy via (OP) a two-part supply line whose first part ( 11 ) leads from the first longitudinal branch (L 1 ) to the operational amplifier (OP), and its second part ( 13 ) from the operational amplifier (OP) via the reference diode (Z) to the second longitudinal branch (L 2 ) leads. Schaltung nach Anspruch 1, bei der ein Versorgungsstrom für den Operationsverstärker (OP) über die Referenzdiode (Z) fließt.The circuit of claim 1, wherein a supply current for the operational amplifiers (OP) over the reference diode (Z) flows. Schaltung nach Anspruch 1, bei der zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers (OP) und der Basis des Steuertransistors (ST) ein Widerstand (R5) angeordnet ist.A circuit according to claim 1, wherein between the output of the operational amplifier (OP) and the base of the control transistor (ST) a resistor (R5) is arranged. Schaltung nach Anspruch 1, bei der dem Steuertransistor (ST) und der Referenzdiode (Z) ein Widerstand (R6) vorgeschaltet ist.A circuit according to claim 1, wherein the control transistor (ST) and the reference diode (Z) upstream of a resistor (R6) is. Schaltung nach Anspruch 1, bei der zwischen der Basis des Leistungstransistors (LT) und dem im zweiten Querzweig (Q5) angeordneten mit der Basis des Leistungstransistors (LT) verbundenen Abgriff (P3) ein Widerstand (R4) angeordnet ist.The circuit of claim 1, wherein between the base of the power transistor (LT) and in the second shunt branch (Q5) arranged connected to the base of the power transistor (LT) Tap (P3) a resistor (R4) is arranged.
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