DE102017220121A1 - Voltage limiting device and method of manufacturing a voltage limiting device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Spannungsbegrenzungsvorrichtung mit einem ersten Anschluss (10) und einem zweiten Anschluss (12), zwischen welchen eine Eingangsspannung (Uin) anlegbar ist, einem dritten Anschluss (14) und einem vierten Anschluss (16), zwischen welchen eine Ausgangsspannung (Uout) abgreifbar ist, und einem ersten Bipolartransistor (18), einem zweiten Bipolartransistor (20), einem Widerstand (22) und einer Z-Diode (24), wobei ein Emitter des ersten Bipolartransistors (18) an den ersten Anschluss (10), ein Kollektor des ersten Bipolartransistors (18) an den dritten Anschluss (14), ein Kollektor des zweiten Bipolartransistors (20) an eine Basis des ersten Bipolartransistors (18), der erste Widerstand (22) an einem Emitter des zweiten Bipolartransistors (20) und an dem vierten Anschluss (16), und die Z-Diode (24) an dem Kollektor des ersten Bipolartransistors (18) und an dem Emitter des zweiten Bipolartransistors (20) elektrisch angebunden sind, und eine Referenzspannung zwischen einer Basis des zweiten Bipolartransistors (20) und dem zweiten Anschluss (12) anlegbar ist oder anliegt. The invention relates to a voltage limiting device having a first terminal (10) and a second terminal (12), between which an input voltage (U in ) can be applied, a third terminal (14) and a fourth terminal (16), between which an output voltage ( U out ), and a first bipolar transistor (18), a second bipolar transistor (20), a resistor (22) and a Zener diode (24), wherein an emitter of the first bipolar transistor (18) to the first terminal (10 ), a collector of the first bipolar transistor (18) to the third terminal (14), a collector of the second bipolar transistor (20) to a base of the first bipolar transistor (18), the first resistor (22) to an emitter of the second bipolar transistor (20 ) and at the fourth terminal (16), and the Zener diode (24) at the collector of the first bipolar transistor (18) and at the emitter of the second bipolar transistor (20) are electrically connected, and a reference voltage zw Is a base of the second bipolar transistor (20) and the second terminal (12) can be applied or applied.
Description
Die Erfindung betrifft eine Spannungsbegrenzungsvorrichtung und ein Netzteil. Ebenso betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für eine Spannungsbegrenzungsvorrichtung.The invention relates to a voltage limiting device and a power supply. Likewise, the invention relates to a manufacturing method for a voltage limiting device.
Stand der TechnikState of the art
Aus dem Stand der Technik sind Linearregler, wie beispielsweise der in der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Erfindung schafft eine Spannungsbegrenzungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Netzteil mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und ein Herstellungsverfahren für eine Spannungsbegrenzungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10.The invention provides a voltage limiting device having the features of
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die erfindungsgemäße Spannungsbegrenzungsvorrichtung eignet sich zum verlässlichen Begrenzen/Halten ihrer Ausgangsspannung innerhalb von zulässigen Werten. Die erfindungsgemäße Spannungsbegrenzungsvorrichtung eignet sich auch gut zur indirekten Regelung ihrer Ausgangsspannung in allen Arbeitspunkten (wie bei einem Leerlauf oder bei einer Maximallast). Trotz ihrer hocheffizienten Funktionsweise ist die erfindungsgemäße Spannungsbegrenzungsvorrichtung kostengünstig und mit einem geringen Bauraumbedarf herstellbar. Die erfindungsgemäße Spannungsbegrenzungsvorrichtung kann deshalb vielseitig und vorteilhaft eingesetzt werden.The voltage limiting device according to the invention is suitable for reliably limiting / holding its output voltage within permissible values. The voltage limiting device according to the invention is also well suited for the indirect regulation of its output voltage at all operating points (such as during idling or at a maximum load). Despite its highly efficient operation, the voltage limiting device according to the invention is inexpensive and can be produced with a small space requirement. The voltage limiting device according to the invention can therefore be used in a versatile and advantageous manner.
Im Vergleich mit herkömmlichen Linearreglern ist eine Verlustleistung der erfindungsgemäßen Spannungsbegrenzungsvorrichtung in allen Betriebspunkten deutlich reduziert. Die Verlustleistung der erfindungsgemäßen Spannungsbegrenzungsvorrichtung während ihres Betriebs ist deshalb vernachlässigbar. Eine Entwärmungseinrichtung ist deshalb für die Spannungsbegrenzungsvorrichtung nicht nötig, wodurch zusätzlich Kosten und Energie eingespart werden können.In comparison with conventional linear regulators, a power loss of the voltage limiting device according to the invention is significantly reduced in all operating points. The power loss of the voltage limiting device according to the invention during its operation is therefore negligible. A cooling device is therefore not necessary for the voltage limiting device, whereby additional costs and energy can be saved.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Spannungsbegrenzungsvorrichtung eine Spannungsteilereinrichtung, welche derart an dem ersten Anschluss und an dem zweiten Anschluss elektrisch angebunden ist, dass die Referenzspannung mittels der Spannungsteilereinrichtung zwischen der Basis des zweiten Bipolartransistors und dem zweiten Anschluss anlegbar ist. Die Referenzspannung kann somit mittels einer von der Spannungsteilereinrichtung ausgeführten Teilung der Eingangsspannung auf einfache Weise gewonnen werden.In an advantageous embodiment, the voltage limiting device comprises a voltage divider device, which is electrically connected to the first connection and to the second connection such that the reference voltage can be applied by means of the voltage divider device between the base of the second bipolar transistor and the second connection. The reference voltage can thus be obtained in a simple manner by means of a division of the input voltage carried out by the voltage divider device.
Beispielsweise kann die Spannungsteilereinrichtung einen zweiten Widerstand und einen dritten Widerstand umfassen, wobei der zweite Widerstand auf seiner ersten Seite an dem ersten Anschluss oder an einem an dem ersten Anschluss angebundenen vierten Widerstand und auf seiner zweiten Seite an einem ersten Verzweigungspunkt elektrisch angebunden ist und der dritte Widerstand auf seiner ersten Seite an dem ersten Verzweigungspunkt und auf seiner zweiten Seite an dem zweiten Anschluss elektrisch angebunden ist, und wobei die Basis des zweiten Bipolartransistors an dem ersten Verzweigungspunkt elektrisch angebunden ist. Die Spannungsteilereinrichtung ist somit kostengünstig und mit einem geringen Bauraumbedarf herstellbar. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausbildbarkeit der Spannungsteilereinrichtung nicht auf das in diesem Absatz beschriebene Beispiel limitiert ist.For example, the voltage divider means may comprise a second resistor and a third resistor, the second resistor being electrically connected on its first side to the first terminal or to a fourth resistor attached to the first terminal and to the second branch at a first branch point and the third one Resistor on its first side at the first branch point and on its second side is electrically connected to the second terminal, and wherein the base of the second bipolar transistor is electrically connected at the first branch point. The voltage divider device is thus inexpensive and can be produced with a small space requirement. It should be noted, however, that a formability of the voltage divider device is not limited to the example described in this paragraph.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Spannungsbegrenzungsvorrichtung auch eine Spannungsreglereinrichtung, welche derart an dem ersten Anschluss und an dem zweiten Anschluss elektrisch angebunden ist, dass eine aus der Eingangsspannung gewonnene Spannung mittels der Spannungsreglereinrichtung stabilisierbar ist. Die Spannungsreglereinrichtung kann insbesondere dazu genutzt werden, die Spannung an der Spannungsteilereinrichtung konstant zu halten.In a further advantageous embodiment, the voltage limiting device also comprises a voltage regulator device, which is electrically connected to the first connection and to the second connection in such a way that a voltage obtained from the input voltage can be stabilized by means of the voltage regulator device. The voltage regulator device can in particular be used to keep the voltage at the voltage divider constant.
In einer kostengünstigen Ausführungsform umfasst die Spannungsreglereinrichtung den vierten Widerstand und eine zweite Z-Diode, wobei der vierte Widerstand auf seiner ersten Seite an dem ersten Anschluss und auf seiner zweiten Seite an einem zweiten Verzweigungspunkt elektrisch angebunden ist und die zweite Z-Diode, deren Sperrrichtung von ihrer ersten Seite zu ihrer zweiten Seite ausgerichtet ist, auf ihrer ersten Seite an dem zweiten Verzweigungspunkt und auf ihrer zweiten Seite an dem zweiten Anschluss elektrisch angebunden ist. Eine Ausbildbarkeit der Spannungsreglereinrichtung ist jedoch nicht auf das in diesem Absatz beschriebene Beispiel beschränkt.In an inexpensive embodiment, the voltage regulator device comprises the fourth resistor and a second Zener diode, wherein the fourth resistor is electrically connected on its first side to the first terminal and on its second side to a second branch point and the second Zener diode whose reverse direction from its first side to its second side, is electrically connected on its first side to the second branch point and on its second side to the second terminal. However, an adaptability of the voltage regulator device is not limited to the example described in this paragraph.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Spannungsbegrenzungsvorrichtung als ein mikroelektrisches Bauteil ausgebildet. Eine Minimierung der Spannungsbegrenzungsvorrichtung ist deshalb leicht und mittels eines vergleichsweise geringen Arbeitsaufwands möglich.In a further advantageous embodiment, the voltage limiting device is designed as a microelectrical component. A minimization of the voltage limiting device is therefore easy and possible by means of a comparatively low workload.
Beispielsweise können der erste Bipolartransistor ein pnp-Bipolartransistor und/oder der zweite Bipolartransistor ein npn-Bipolartransistor sein. Die hier aufgezählten Bipolartransistortypen sind kostengünstige und wenig Bauraum benötigende Halbleiterkomponenten.By way of example, the first bipolar transistor may be a pnp bipolar transistor and / or the second bipolar transistor may be an npn bipolar transistor. The bipolar transistor types listed here are inexpensive and little space-consuming semiconductor components.
Die vorausgehend beschriebenen Vorteile sind auch bei einem Netzteil mit einer derartigen Spannungsbegrenzungsvorrichtung erfüllt. Das Netzteil kann beispielsweise ein Computernetzteil, ein Schaltnetzteil, ein DCDC-Wandler und/oder eine Spannungsversorgung für einen Wechselrichter sein. Die erfindungsgemäße Spannungsbegrenzungsvorrichtung ist somit vielseitig einsetzbar. Eine Nutzbarkeit der erfindungsgemäßen Spannungsbegrenzungsvorrichtung ist jedoch nicht auf die hier aufgezählten Beispiele beschränkt.The advantages described above are also met in a power supply unit with such a voltage limiting device. The power supply may be, for example, a computer power supply, a switched-mode power supply, a DCDC converter and / or a power supply for an inverter. The voltage limiting device according to the invention is thus versatile. Usability of the voltage limiting device according to the invention is not limited to the examples listed here.
Des Weiteren schafft auch ein Ausführen eines korrespondierenden Herstellungsverfahrens für eine Spannungsbegrenzungsvorrichtung die oben beschriebenen Vorteile. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das Herstellungsverfahren gemäß den oben erläuterten Ausführungsformen der Spannungsbegrenzungsvorrichtung weiterbildbar ist.Furthermore, carrying out a corresponding manufacturing method for a voltage limiting device also provides the advantages described above. It is expressly pointed out that the manufacturing method according to the above-explained embodiments of the voltage limiting device can be further developed.
Figurenlistelist of figures
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Spannungsbegrenzungsvorrichtung; und -
2 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für eine Spannungsbegrenzungsvorrichtung.
-
1 a schematic representation of an embodiment of the voltage limiting device; and -
2 a flowchart for explaining an embodiment of the manufacturing method for a voltage limiting device.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die in
Die Spannungsbegrenzungsvorrichtung weist einen ersten Anschluss
Der zweite Bipolartransistor
Während der erste Widerstand
Als optionale Weiterbildung hat die Spannungsbegrenzungsvorrichtung auch eine Spannungsteilereinrichtung
Als weitere optionale Ergänzung kann die Spannungsbegrenzungsvorrichtung noch eine Spannungsreglereinrichtung
Bei der mit der Spannungsteilereinrichtung
Nachfolgend wird auf eine Funktionsweise der Spannungsbegrenzungsvorrichtung der
Die aus der zwischen dem ersten Anschluss
Die erzeugte Referenzspannung liegt als Basisspannung des zweiten Bipolartransistors an, so dass ein Basisstrom durch den zweiten Bipolartransistor
Das Anlegen der Eingangsspannung
Erreicht die Ausgangsspannung
Ein Belasten der Ausgangsspannung
Fällt die Ausgangsspannung
Es wird auch darauf hingewiesen, dass die Ausgangsspannung
Die Spannungsbegrenzungsvorrichtung der
Ein Temperatureinfluss der Spannungsbegrenzungsvorrichtung kann sogar durch geeignete Wahl des ersten Widerstands
Die Spannungsbegrenzungsvorrichtung der
Die Spannungsbegrenzungsvorrichtung weist einen hohen Wirkungsgrad (sowohl im Leerlauf als auch bei Nennlast) auf. Die Ausgangsspannung
Die Spannungsbegrenzungsvorrichtung kann für alle Produkte/Geräte mit indirekt geregelter Spannungsversorgung eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Spannungsbegrenzungsvorrichtung für eine Spannungsversorgung/ Hilfsspannungsversorgung eines Computernetzteils oder eines Schaltnetzteils, wie insbesondere eines DCDC-Wandlers oder eines (Maschinen-)Wechselrichters, vorteilhaft genutzt werden.The voltage limiting device can be used for all products / devices with indirectly regulated voltage supply. For example, the voltage limiting device for a power supply / auxiliary power supply of a computer power supply or a switching power supply, such as in particular a DCDC converter or a (machine) inverter, can be used advantageously.
Auch ein Netzteil mit der oben beschriebenen Spannungsbegrenzungsvorrichtung (als am Netzteil verbaute Untereinheit) bewirkt die genannten Vorteile. Das Netzteil kann z.B. ein Computernetzteil, ein Schaltnetzteil, ein DCDC-Wandler und/oder eine Spannungsversorgung für einen Wechselrichter sein.A power supply unit with the voltage limiting device described above (as a subunit installed on the power supply) also brings about the stated advantages. The power supply may be e.g. a computer power supply, a switching power supply, a DCDC converter and / or a power supply for an inverter.
In einem Verfahrensschritt
In einem Verfahrensschritt
In einem weiteren Verfahrensschritt
Die mittels des hier beschriebenen Herstellungsverfahrens gewonnene Spannungsbegrenzungsvorrichtung weist alle oben schon beschriebenen Vorteile auf. Die Verfahrensschritte
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- 2017-11-13 DE DE102017220121.5A patent/DE102017220121A1/en active Pending
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