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Die Erfindung betrifft eine Stromquellenanordnung, eine Schaltungsanordnung mit der Stromquellenanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Stromquelle.
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Stromquellen auf Basis von Feldeffekttransistoren, MOSFET, oder von Bipolartransistoren werden in unzähligen Anwendungen für die verschiedensten Zwecke verwendet. Von großer Bedeutung ist hier das Vermögen der Stromquelle, bei unterschiedlichen Lasten, unterschiedlichen Ausgangsspannungen und unterschiedlichen Versorgungsspannungen einen konstanten Strom liefern zu können. Um dies zu erreichen, ist die Stromquelle unter allen Bedingungen im richtigen Arbeitspunkt zu betreiben.
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In bekannten Realisierungen derartiger MOSFET-Stromquellen oder Bipolarstromquellen wird der richtige Arbeitspunkt dadurch festgelegt, dass eine Regelung des bereitgestellten Stroms durch Überwachung der zugeführten Versorgungsspannung, der bereitgestellten Spannung für eine elektrische Last oder einer Drainspannung bzw. Kollektorspannung der Stromquelle und eine darauf basierende Bewertung des Arbeitspunktes implementiert wird. Bei der Dimensionierung der Schaltung ist jeweils eine Reserve mit einzuplanen, um ein Fehlverhalten anzuzeigen und/oder um Korrekturmaßnahmen einzuleiten, die verhindern, dass die Stromquelle ihren Arbeitsbereich verlässt. Die Reserve bedingt jedoch, dass die Stromquelle nicht mehr im leistungsoptimalen Bereich arbeitet.
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Das Buch von Tietze, U.; Schenk, CH.: Halbleiter-Schaltungstechnik, 11. Aufl., Berlin [u. a.]: Springer, 1999, S. 610, 611, 821–823, 828 ISBN 3-540-64192-0, beschreibt unterschiedliche Präzisionsstromquellen auf Basis von Transistoren.
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Das Dokument
US 2002/0181180 A1 zeigt eine Überstromschutzschaltung.
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Eine zu lösende Aufgabe ist es, eine Stromquellenanordnung bereitzustellen, die unter allen Bedingungen im richtigen Arbeitspunkt betrieben werden kann.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
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In einer Ausführungsform weist eine Stromquellenanordnung eine Stromquelle, eine Arbeitspunkteinstelleinheit und eine Vergleichseinheit zum Bereitstellen eines Überwachungssignals auf. Die Stromquelle umfasst zwei Ausgangsanschlüsse und einen Steuereingang zum Zuführen einer Steuerspannung. Die Stromquelle ist zum Bereitstellen eines Stroms in Abhängigkeit einer Spannung an den Ausgangsanschlüssen und in Abhängigkeit der Steuerspannung eingerichtet. Der Arbeitspunkteinstelleinheit ist ein zu einem Istwert des Stroms proportionaler Istwert zugeführt. Die Arbeitspunkteinstelleinheit ist zum Bereitstellen der Steuerspannung in Abhängigkeit des Istwertes und eines vorgegebenen Zielwerts des Stroms eingerichtet. Die Vergleichseinheit ist mit dem Steuereingang der Stromquelle gekoppelt. Das Überwachungssignal ist in Abhängigkeit einer vorgegebenen Grenzspannung und der Steuerspannung bereitgestellt. Die Vergleichseinheit ist mit Hilfe des Überwachungssignals zum Einstellen einer Versorgungsspannung einer Versorgungseinheit zum Betreiben der Stromquelle vorgesehen. Zudem ist die Vergleichseinheit zum Erkennen eines offenen Zustands der anschließbaren elektrischen Last eingerichtet.
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Die Steuerspannung wird der Stromquelle zugeführt. Die Stromquelle stellt den Strom bereit, an ihren Ausgangsanschlüssen fällt die Spannung ab. Der Istwert, beispielsweise eine Istspannung, welcher beziehungsweise welche zum Istwert des Stroms proportional ist, wird der Arbeitspunkteinstelleinheit zugeführt. Ausgehend von dem Istwert und einem vorgegebenen Zielwert des Stroms stellt die Arbeitspunkteinstelleinheit die Steuerspannung bereit. Die Vergleichseinheit erfasst die Steuerspannung und vergleicht diese mit der vorgegebenen Grenzspannung. Wird die vorgegebene Grenzspannung unterschritten, so wird dies in Form einer Pegeländerung des Überwachungssignals angezeigt.
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Die Stromquellenanordnung überwacht die Steuerspannung der Stromquelle. Bei einer Pegeländerung des Überwachungssignals können von einer übergeordneten Steuerung entsprechende Korrekturmaßnahmen eingeleitet werden oder es kann das Fehlverhalten der Stromquelle angezeigt werden. So wird dafür gesorgt, dass die Stromquelle immer im richtigen Arbeitspunkt betrieben wird. Durch die Überwachung der Steuerspannung kann die Stromquelle bis in den Übergangsbereich vom Stromquellenbetrieb in den linearen Betrieb betrieben werden, bevor aufgrund des Überwachungssignals eine Korrekturmaßnahme eingeleitet wird beziehungsweise ein Fehlverhalten signalisiert wird. Dadurch ist es mit Vorteil möglich, eine optimale Effizienz des Stromquellenbetriebes zu erreichen. Es sind zudem keine zusätzlichen Reserven mehr bei der Festlegung der Spannungspegel in der Überwachung notwendig, um Prozess- und Parameterschwankungen von Bauelementen oder Funktionsblöcken sowie Temperatureinflüsse zu berücksichtigen. Die Stromquellenanordnung passt sich diesen variablen Gegebenheiten mit Vorteil automatisch an.
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In einer weiteren Ausführungsform ist einer der Ausgangsanschlüsse zum Verbinden mit einer elektrischen Last eingerichtet.
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Der Strom wird der anschließbaren elektrischen Last zugeführt.
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In einer Weiterbildung ist einer der Ausgangsanschlüsse zum Erfassen des Istwertes beziehungsweise der Istspannung mit der Arbeitspunkteinstelleinheit gekoppelt.
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Die Arbeitspunkteinstelleinheit ist adaptiv. Sie stellt die Steuerspannung aufgrund des Istwertes für den gewünschten Arbeitspunkt der Stromquelle bereit.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die anschließbare elektrische Last mindestens eine Diode.
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Die mindestens eine Diode ist beispielsweise eine Leuchtdiode.
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Die Versorgungseinheit stellt die Versorgungsspannung bereit. Das Überwachungssignal ermöglicht das Einstellen der Höhe der Versorgungsspannung, mit der die Stromquelle betrieben wird.
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Das Überwachungssignal zeigt an, wenn ein Anschluss der anschließbaren elektrischen Last offen ist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Stromquelle als Feldeffekttransistor, z. B. als NMOS- oder PMOS-Transistor ausgeführt.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Stromquelle als Bipolartransistor ausgeführt. Dieser kann als NPN-Typ oder PNP-Typ ausgeführt sein.
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In einer Ausführungsform, in der die Stromquelle einen p-Kanal MOSFET oder einen n-Kanal MOSFET umfasst, sind die zwei Ausgangsanschlüsse folglich Drain- und Sourceanschluss, der Steuereingang ist der Gateanschluss des Feldeffekttransistors.
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In einer Ausführungsform umfasst eine Schaltungsanordnung eine Stromquellenanordnung wie oben beschrieben sowie eine Versorgungseinheit und eine elektrische Last. Die elektrische Last und die Stromquelle bilden Elemente einer Reihenschaltung. Die Versorgungseinheit ist zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung für diese Reihenschaltung eingerichtet. Die Reihenschaltung ist auf einen Bezugspotentialanschluss bezogen.
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Die Versorgungseinheit stellt die Versorgungsspannung für die Stromquelle beziehungsweise die Last bereit. Der elektrischen Last wird der von der Stromquelle erzeugte Strom zugeführt. Dabei wird der Steuereingang der Stromquelle entsprechend des vorgegebenen Zielwerts des Stroms und der Arbeitspunktsituation der Stromquelle eingestellt.
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Dadurch dass direkt die Steuerspannung der Stromquelle überwacht wird, ist es mit Vorteil möglich, eine vorausschauende Regelung der Stromquelle zu implementieren. Es wird eine optimale Effizienz der Stromquelle erreicht, weil im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren keine Reserven mehr eingeplant werden müssen und die Spannung an den Ausgangsanschlüssen der Stromquelle möglichst gering sein darf.
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In einer Ausführungsform weist ein Verfahren zum Betreiben einer Stromquellenanordnung folgende Schritte auf:
- – Bereitstellen einer Steuerspannung für eine Stromquelle mit zwei Ausgangsanschlüssen,
- – Bereitstellen eines Stroms der Stromquelle in Abhängigkeit einer Spannung an den Ausgangsanschlüssen der Stromquelle und in Abhängigkeit der Steuerspannung,
- – Erfassen eines zum Strom proportionalen Istwertes,
- – Einstellen der Steuerspannung in Abhängigkeit des Istwertes und eines vorgegebenen Zielwerts des Stroms,
- – Erfassen der Steuerspannung und
- – Bereitstellen eines Überwachungssignals in Abhängigkeit einer vorgegebenen Grenzspannung und der Steuerspannung,
- – Einstellen einer Versorgungsspannung einer Versorgungseinheit zum Betreiben der Stromquelle mit Hilfe des Überwachungssignals,
wobei das Überwachungssignal dazu geeignet ist, einen offenen Anschluss einer an die Stromquelle anschließbaren elektrischen Last anzuzeigen.
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Das Überwachungssignal zeigt an, wann die Steuerspannung nicht weiter erhöht werden kann und der Ausgangsstrom der Stromquelle abzusinken droht. Folglich kann beispielsweise ein entsprechendes Nachregeln einer von einer Versorgungseinheit bereitgestellten Versorgungsspannung als Korrekturmaßnahme erfolgen. Dadurch wird verhindert, dass die Stromquelle in den Bereich des Schalterbetriebs gerät.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Funktions- beziehungsweise wirkungsgleiche Bauelemente und Schaltungsteile tragen dabei gleiche Bezugszeichen.
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Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Stromquellenanordnung in einer Schaltungsanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
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2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Stromquellenanordnung in einer Schaltungsanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
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3 beispielhafte Kennlinien einer Stromquellenanordnung gemäß 2,
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4 eine beispielhafte Anwendung einer Stromquellenanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip, und
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5 eine weitere beispielhafte Anwendung einer Stromquellenanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
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1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Stromquellenanordnung in einer Schaltungsanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Stromquellenanordnung umfasst eine Stromquelle B, eine Arbeitspunkteinstelleinheit E und eine Vergleichseinheit A. Die Stromquelle B weist einen Steuereingang 101, einen ersten Ausgangsanschluss 102 und einen zweiten Ausgangsanschluss 103 auf. Der erste Ausgangsanschluss 102 der Stromquelle B ist mit einem Anschluss der Arbeitspunkteinstelleinheit E gekoppelt. Ein weiterer Anschluss der Arbeitspunkteinstelleinheit E ist mit dem Steuereingang 101 der Stromquelle B gekoppelt. Die Vergleichseinheit A ist ebenfalls mit dem Steuereingang 101 der Stromquelle B verbunden. Des Weiteren weist die Vergleichseinheit A einen Anschluss 104 zum Zuführen einer vorgegebenen Grenzspannung VG auf. Die Grenzspannung VG gibt den Spannungsabstand zwischen einer maximal möglichen Steuerspannung an dem Steuereingang 101 und einer Versorgungsspannung VDD der Stromquellenanordnung an. Der optimale Wert der Grenzspannung VG ist von der Implementierung der Arbeitspunkteinstelleinheit E abhängig. An einem Ausgang der Vergleichseinheit A ist ein Überwachungssignal 100 bereitgestellt. Die Grenzspannung VG ist von einer auf einen Bezugspotentialanschluss 10 bezogenen Spannungsquelle DC bereitgestellt. Zwischen den Ausgangsanschlüssen 102 und 103 der Stromquelle B fällt eine Spannung Vds ab.
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Die Stromquelle B wird von der Arbeitspunkteinstelleinheit E über den Steuereingang 101 geregelt. Die Steuerspannung Vgs ergibt sich aus der Differenz der Spannungen am zweiten Ausgangsanschluss 103 und am Steuereingang 101. Die Stromquelle B liefert einen definierten Strom I. In der Arbeitspunkteinstelleinheit E wird der Steuereingang 101 der Stromquelle B entsprechend den Stromvorgaben und der Arbeitspunktsituation der Stromquelle B eingestellt. In der Arbeitspunkteinstelleinheit E, die auch als adaptive Biaskontrolle bezeichnet werden kann, wird ein Istwert Vi, welcher dem Strom I proportional ist, erfasst. Der Istwert Vi ist beispielsweise eine Istspannung. In Abhängigkeit dieses Istwertes Vi und der Vorgaben für den Strom I stellt die Arbeitspunkteinstelleinheit E die Steuerspannung Vgs bereit. Die Vergleichseinheit A vergleicht den Zustand des Steuereingangs 101 mit der vorgegebenen Spannung VG am Anschluss 104. Das Ergebnis des Vergleichs wird mit einem entsprechenden Logikpegel des Überwachungssignals 100 angezeigt.
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Die Stromquellenanordnung wird in der Schaltungsanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip betrieben. Dies umfasst eine Versorgungseinheit D zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung VDD sowie eine elektrische Last C, die zur Stromquelle B in Reihe geschaltet ist. Der Strom I der Stromquelle B wird der elektrischen Last C zugeführt.
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Die Stromquelle B ist in diesem Ausführungsbeispiel als p-Kanalfeldeffekttransistor, PMOS, implementiert. Die Steuerspannung Vgs ist demzufolge eine Gate-Sourcespannung. Zwischen den beiden Ausgangsanschlüssen 103 und 102 der Stromquelle B fällt die Spannung Vds als eine Drain-Sourcespannung ab.
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2 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Stromquellenanordnung in einer Schaltungsanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Diese Ausführungsform gleicht derjenigen von 1 mit dem Unterschied, dass die Stromquelle B hier als n-Kanalfeldeffekttransistor, NMOS, implementiert ist und zur Erfassung des Iststromes I ein Strommesswiderstand W zwischen die Stromquelle B und den Bezugspotentialanschluss 10 geschaltet ist. Die elektrische Last C ist zwischen der Versorgungseinheit D und der Stromquelle B angeordnet. Weiterhin ist die Spannungsquelle DC zur Bereitstellung der Grenzspannung VG auf VDD bezogen.
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Diese Form der Implementierung zur Erfassung des Istwertes Vi stellt eine alternative Ausführungsform zur Erfassung des Istwertes dar. Bei einer der 1 entsprechenden Ausführungsform wird der Istwert an der Drain des Stromquellentransistors abgegriffen und ein Strommesswiderstand ist nicht notwendig.
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Die Regelung der Stromquellenanordnung gemäß 2 wird in Verbindung mit den Kennlinien aus 3 näher erläutert.
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3 zeigt beispielhafte Kennlinien einer Stromquellenanordnung gemäß 2. Auf der Abszisse ist die Spannung Vds zwischen den zwei Ausgangsanschlüssen der Stromquelle B dargestellt. Auf der Ordinate sind einerseits der Verlauf des Stroms I und andererseits der Verlauf der Steuerspannung Vgs dargestellt. Die durchgezogene Linie zeigt den Verlauf der Steuerspannung Vgs bezogen auf die Spannung Vds. Die gestrichelte Linie zeigt den Verlauf des Stroms I bezogen auf die Spannung Vds an den zwei Ausgangsanschlüssen der Stromquelle B. Der Wert Iz bezeichnet den vorgegebenen Zielwert des Stroms I, den die Stromquelle B konstant liefern soll.
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Die Kennlinie der Steuerspannung Vgs ist in drei Bereiche unterteilt. Wäre die Spannung Vds kleiner als eine erste Spannung V1, läge für den Transistor der Stromquelle B ein Schalterbetrieb mit einer Abhängigkeit des Stroms von der Spannung Vds vor. Der Bereich zwischen der ersten Spannung V1 und einer zweiten Spannung V2 bezeichnet einen Übergangsbereich des NMOS-Transistors. Der Bereich, in dem die Spannung Vds größer als die zweite Spannung V2 ist, kennzeichnet den regulären Stromquellenbetrieb.
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Verringert sich im regulären Stromquellenbetrieb die Spannung Vds an den Ausgangsanschlüssen der Stromquelle B durch zum Beispiel eine Änderung an der Last C oder eine Änderung der Versorgungsspannung VDD der Versorgungseinheit D, beginnt die Steuerspannung Vgs zu steigen. Wird der Übergangsbereich zwischen der ersten und der zweiten Spannung V1, V2 erreicht, steigt die Steuerspannung Vgs immer stärker bis die verbleibende Spannungsdifferenz zum Betrag von VDD die Grenzspannung VG erreicht. Ab diesem Punkt würde die Stromquelle B im Schalterbetrieb betrieben werden und der Strom I würde radikal sinken. Die Regelung der Stromquellenanordnung ist so eingestellt, dass eine Änderung des Überwachungssignals 100 kurz vor Erreichen der Grenzspannung VG erfolgt. Somit ist sichergestellt, dass die Stromquelle B nicht in den Bereich des Schalterbetriebs gerät. Im Gegensatz zu bekannten Lösungen kann jedoch der Übergangsbereich zwischen erster und zweiter Spannung V1, V2 genutzt werden.
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Ein der 3 entsprechendes Kennlinienfeld für die Ausführungsform gemäß 1 ergibt sich durch Spiegelung am Schnittpunkt von Abszisse und Ordinate in den dritten Quadranten des Achsensystems. Die Spannungen und Ströme haben dann negative Vorzeichen.
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Dadurch, dass vorliegend die Steuerspannung Vgs direkt überwacht wird, und da die Dynamik des Steuereingangs 101 die selben Abhängigkeiten im Hinblick auf Parameter- und Prozessschwankungen sowie auf Umgebungseinflüsse aufweist wie die Stromquelle B selbst, kann der Triggerpunkt für das Überwachungssignal 100, also der Triggerpunkt für die Regelung der Stromquelle, in den Übergangsbereich zwischen erster und zweiter Spannung V1, V2 gelegt werden. Vorteilhafterweise passt sich die Stromquellenanordnung Prozess- und Parameterschwankungen von Bauelementen sowie Temperatureinflüssen automatisch an.
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4 zeigt eine beispielhafte Anwendung einer Stromquellenanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die dargestellte Schaltung gleicht derjenigen aus 1, wobei das Überwachungssignal 100 einer digitalen Steuerung F zugeführt ist, welche ein erstes Steuersignal S1 bereitstellt. Das Steuersignal S1 wird der Versorgungseinheit D zugeführt. Die digitale Steuerung F ist ein Beispiel für eine oben erwähnte übergeordnete Steuerung. Die Versorgungseinheit D ist beispielsweise als Ladungspumpe realisiert. Die Last C weist hier beispielhaft eine Reihenschaltung umfassend drei Leuchtdioden, welche auf den Bezugspotentialanschluss 10 bezogen sind, auf.
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Das Überwachungssignal 100 wird in dieser Anwendung verwendet, um mit Hilfe der digitalen Steuerung F die Versorgungseinheit D, also die Ladungspumpe, zu steuern und somit die Versorgungsspannung VDD bei Bedarf zu erhöhen oder zu verringern. Die Versorgungsspannung VDD wird digital erhöht und erst mit Zeitverzögerung, welche in der digitalen Steuerung F realisiert ist, wieder verringert. Alternativ kann eine derartige Hysterese in der Vergleichseinheit A realisiert sein. Durch die Hysterese wird vorteilhafterweise sichergestellt, dass die Höhe der Versorgungsspannung VDD nicht fortlaufend erhöht beziehungsweise erniedrigt wird.
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5 zeigt eine weitere beispielhafte Anwendung einer Stromquellenanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Anordnung gleicht der in 4 dargestellten Anwendung, mit dem Unterschied, dass die digitale Steuerung F in diesem Fall zusätzlich ein zweites Steuersignal S2 bereitstellt. Das Überwachungssignal 100 wird hier von der digitalen Steuerung F ausgewertet, so dass das zweite Steuersignal S2 seinen Pegel ändert, wenn ein Anschluss der elektrischen Last C offen ist.
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Bezugszeichenliste
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- A
- Vergleichseinheit
- B
- Stromquelle
- C
- elektrische Last
- D
- Versorgungseinheit
- DC
- Spannungsquelle
- E
- Arbeitspunkteinstelleinheit
- F
- digitale Steuerung
- I
- Strom
- Iz
- Zielwert
- S1, S2
- Steuersignal
- Vgs, Vds, V1, V2
- Spannung
- VDD
- Spannung
- Vi
- Istwert
- VG
- Grenzspannung
- W
- Messwiderstand
- 10
- Bezugspotentialanschluss
- 100
- Überwachungssignal
- 101
- Steuereingang
- 102, 103, 104
- Anschluss
