DE1904333A1 - Spannungsregelschaltung fuer vorzugsweise monolithisch aufgebaute Spannungsregler - Google Patents

Description

PATENTANWALT "\ 9043 33

DIPL-ING. LEO FLEUCHAUS

8 München 71,29. Jan. 1969

MelchlorttraB· 42

M._lnZ.lch.n:M26P-219

Motorola, Inc.

9401 West Grand Avenue

Franklin Park, Illinois

V.StoA.

Spannungsregelschaltung für vorzugsweise monolithisch aufgebaute Spannungsregler

Die Erfindung betrifft eine Spannungsregelschaltung für vorzugsweise monolithisch aufgebaute Spannungsregler zur Erzeugung einer konstanten ausgangsseitigen Gleichspannung in Abhängigkeit von der Änderung der Welligkeit der angelegten Eingangsspannung mit einer an der Ausgangsseite der Regelschaltung vorgesehenen Stufe zur Stromverstärkung.

Ein herkömmlicher Weg zur Spannungsregelung besteht in der Rückführung der ausgangsseitigen Spannung des Spannungsreglers über ein als Spannungsteiler aufgebautes Rückkopplungsnetzwerk an eine Differentialverstärkerstufe, die die notwendige Gleichspannungsverstärkung liefert, um von einer festgelegten temperaturkompensierten Bezugsspannung die gewünschte Ausgangsspannung zu erhalten. Eine bekannte Schaltung

Fs/wi dieser

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dieser Art ist in Fig. 1 dargestellt und wird nachfolgend erläutert.

Diese bekannte Schaltung sowie verschiedene Abwandlungen derselben besitzen mehrere Nachteile, wovon einer etwa darin besteht, dass die geschlossene Schleifenverstärkung von der Ausgangsspannung abhängig ist. Diese Abhängigkeit von der Ausgangsspannung ändert den Rückkopplungsfaktor der Regelschaltung und verringert die geschlossene Schleifen-Leistung derselben.

Ein weiterer Nachteil der in Fig. 1 dargestellten Regelschaltung· besteht darin, dass die Widerstände, die mit der Eingangsschaltung der Differentialverstärkerstufe verbunden sind, einen Leistungsverlust dieser Stufe verursachen und überdies der Widerstand dieser Kombination mit der unvermeidbaren Kapazität eine Phasennacheilung in der Schleifenübertragung bewirkt, wodurch die Stabilität und der Übertragungsfrequenzgang verschlechtert wirdo

Ferner verursachen die mit der Basisschaltung der Transistoren der Differentialverstärkerstufe verbundenen Widerstände einen unerwünschten Gleichspannungsabfall als -Folge des durch diese Widerstände fliessenden Basisstoms. Dadurch wird eine Anpassung der Basiswiderstände an die Stromverstärkung der Transistoren erforderlich und die maximalen, für die Stufe verwendbaren Kollektorströme begrenzt.

Als weiterer Nachteil der bekannten Schaltung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, ist der in der Schaltung nicht dargestellte Polspaltkondensator (pole-splitting capacitor) anzusehen, der zwischen Elektroden eines der Transistoren der Differentialverstärkerstufen geschaltet ist. Dieser Polspaltkondensator verursacht eine Verschlechterung des Über-

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tragungsfrequenzganges im Verstärker und kann im Zusammenwirken mit zusätzlichen, an die Ausgangsklemme des Spannungsreglers angeschlossenen Lastkapazitäten eine Instabilität verursachen und unerwünschte Schwingungen der Ausgangsschwingungsform auslösen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spannungsregler zu schaffen, der alle vorausstehend genannten Nachteile der Regelschaltung gemäss Fig. 1 überwindet, wobei dieser Spannungsregler vorzugsweise monolithisch aufgebaut sein soll und eine ausgezeichnete Temperaturstabilität bezüglich des Gleichstroms und ein verbessertes Leistungsverhalten bezüglich des Wechselstroms aufweist. Ferner soll der monolithisch aufgebaute Spannungsregler für Frequenzen zwischen Gleichstrom und mehreren hundert kHz eine konstante niedere Ausgangsimpedanz besitzen. Der Spannungsregler soll ferner einen hohen Unterdrückungsfaktor für die Welligkeit und ein besonders gutes Einschwingverhalten bei einer plötzlichen Änderung des Laststromes aufweisen. Dabei soll er über einen grossen ausgangsseitigen Spannungsbereich betrieben werden können, wobei die Ausgangsspannung nur sehr geringfügig in Abhängigkeit von der Temperatur triftet.

Diese Aufgabe wird ausgehend von der eingangs erwähnten Spannungsregelschaltung erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass ein ausgangsseitiger Regelverstärker eine Differentialverstärkerstufe mit ersten und zweiten Halbleiteranordnungen umfasst, die differentiell mit einer Stromableitung gekoppelt sind, und dass der Regelverstärker Einrichtungen enthält, um einerseits ein veränderliches Gleichstrompotential an die erste Halbleiteranordnung anzulegen, und um andererseits die Ausgangsklemme mit der zweiten Halbleiteranordnung derart direkt leitend zu verbinden, dass eine hundertprozentige Rückkopplung der Ausgangsspannung zur Differentialverstärkerstufe und ein ausgezeichnetes Wechselstrom-Leistungsverhalten bewirkt wird.

- 5 - Der

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Der erfindungsgemässe Spannungsregler "besitzt eine breitrandige Rückkopplungsschleife, die eine kapazitive Kompensation nur am Ausgang des Spannungsreglers benötigt. Ferner ist eine separate interne Spannungsregelung vorgesehen, um dem eigentlichen Spannungsregler eine veränderliche Bezugsspannung zu liefern.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung besitzt der Spannungsregler eine einheitliche Schleifenverstärkung, bezogen auf die geschlossene Schleife, und keinen mit der Eingangsseite der Differentialverstärkerstufe verbundenen Widerstand. Das Fehlen dieses eingangsseitigen Widerstandes bewirkt eine Vergrößerung der Schleifenverstärkung, ein verbessertes Frequenz gangverhalt en und beseitigt Vorspannungs- und G-leichspannungstriftschwierigkeiten, die auf Grund des eingangsseitigen Basisstromes der Differentialverstärkerstufe auftreten. Damit ist die Leistung des Spannungsreglers unabhängig von der eingestellten Ausgangsspannung.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine Verschiebeschaltung für die gleichstrommässige Bezugsspannung vorgesehen, die eine Bezugsspannung für den Hauptspannungsregler liefert und diese Spannung im wesentlichen auf einem konstanten Wert unabhängig von der Temperatur hält. Der geringe Eingangsbasisstrom zu dem Differentialverstärkerteil dieser Verschiebeschaltung ermöglicht die Verwendung eines externen, aus einem Widerstandsteiler aufgebauten Rückkopplungsnetzwerkes, um die gewünschte ausgangsseitige Bezugsspannung zu erhalten. Diese Verschiebeschaltung für die Bezugsspannung benötigt keine exakte Anpassung des Basiswiderstandes an den Eingang des Differentialverstärkerteils.

- 4 - Nach

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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist zwischen den PNP Transistoren,die für die Kollektoren der Differentialverstärker der Regelschaltung eine konstante Stromquelle "bilden, und der NPN Stromableitung, welche mit dem Emitter dieser Verstärker verbunden ist, ein Gleichlauf vorgesehen. Dieser Gleichlauf zwischen der Stromableitung und der Stromquelle verhindert, dass die Differentialverstärker als Folge einer ungleichen Basisstromänderung die Temperaturstabilität der Spannungsregelschaltung verringern.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist ein Steuerverstärker vorgesehen, der eine als Darlington-Schaltung aufgebaute Stromverstärkerstufe umfasst und mit einem Paar differentialgekoppelter Transistoren verbunden ist. Der Vorspannungsgleichstrom des nicht belasteten Kollektors des einen Transistors der Differentialverstärkerstufe wird dazu verwendet, um den Eingangstransistor der Darlington-Schaltung im voraus vorzuspannen. Durch diese Art der Vorspannung wird sichergestellt, dass dieser Eingangstransistor immer einen minimalen Strom führt, d.h. es wird eine Stromverstärkung für diesen Transistor selbst bei sehr kleinen Werten für den Belastungsstrom gewährleistet.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist das Vorhandensein einer Vorspannungsschaltung, die eine Grundbezugsspannung mit einem Null-Temperaturkoeffizienten liefert, der von einer Zener-Diode mit einem positiven Temperaturkoeffizienten abgeleitet wird. Diese Vorspannungsschaltung liefert auch einen Bezugsstrom mit einem Null-Temperaturkoeffizienten. Dieser Bezugsstrom wird dazu verwendet, sowohl die PNP Stromquelle als auch die NPN Stromableitung in der Weise vorzuspannen, dass beide ebenfalls einen Null-Temperaturkoeffizienten aufweisen und bezüglich der Amplitude gleichlaufen.

- 5 - Nach

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Nach, einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine Start- und Abschaltstufe vorgesehen, die von aussen gesteuert? den Spannungsregler im abgeschalteten Zustand oder Bereitschaftsbetrieb halten kann. Im abgeschalteten Zustand sinkt die Gleichstrom-Stromentnahme des Spannungsreglers auf einen sehr niederen Wert ab, und die Ausgangs spannung nimmt den Spannungswert Null an.

Als weiteres Merkmal der Erfindung ist eine PNP. Anordnung vorgesehen, die als Hochspannungsdiode geschaltet, eine Entladung derjenigen Energie zum monolithischen Spannungsregler verhindert, welche in dem Kondensator eines angeschlossenen Geräuschfilters gespeichert sein kann.

Gemäss der Erfindung ist auch eine interne Schaltung vorgesehen, welche nur niedere Frequenzen durch die Verwendung relativ kleinwertiger äusserer Kondensatoren überträgt. Diese Bandbegrenzung wird verwendet, um die Effektivwerte des Geräusches zu verringern, welches in den Zener-Dioden erzeugt wird und sonst am Ausgang des Spannungsreglers in Erscheinung treten kann.

Eine beispielsweise Ausführungsform der- Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine bekannte Spannungsregelschaltung;

Fig. 2 ein Schaltbild des Hauptregelverstärkers der Regelschaltung gemäss der Erfindung;

Fig. 3 eine Verschiebeschaltung für die gleichstrommässige Bezugsspannung, die zwischen einen Punkt der Grundbezugsspannung des Null-Temperaturkoeffizienten, die eingangsseitige Bezugsspannung und den Hauptregelverstärker gemäss Fig. 2 geschaltet ist;

- 6 - Fig.

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Fig. 4 ein Blockschaltbild des gesamten, in Serie geschalteten Spannungsreglers gemäss der Erfindung;

Fig. 5 ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform des Spannungsreglers gemäss der Erfindung.

Eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Spannungsreglers besteht im allgemeinen aus einem Hauptregelverstärker mit zwei differentialgeschalteten Transistoren, die mit einer Stromableitung verbunden sind. Zwischen die Ausgangsklemme und einen der Transistoren ist eine als Darlington-Schaltung aufgebaute Stromverstärkerstufe geschaltet, wogegen der andere Transistor mit einem Punkt in der Darlington-Schaltung verbunden ist, um eine Stromverstärkung im Transistor auch bei niederen Werten eines Belastungsstromes zu gewährleisten. Eine Verschiebeschaltung für eine gleichstrommässige Bezugsspannung liegt zwischen einer Bezugsspannung und dem einen Transistor in der Differentialschaltung und liefert ein temperaturstabilisiertes Gleichstrom-Bezugspotential für den Hauptregelverstärker, das gleich der gewünschten Ausgangsspannung ist. Die Eingangsseite des anderen Transistors in der Differentialschaltung ist direkt mit der Ausgangsklemme des Spannungsreglers verbunden, so dass die Ausgangsspannung hundertprozentig zu der Differentialschaltung zurückgekoppelt wird und ein ausgezeichnetes Wechselstromleistungsverhalten für den Spannungsregler gewährleistet ist.

In Fig. 1 ist eine bekannte Regelschaltung dargestellt, bei der zwei emittergekoppelte Transistoren 10 und 12 an eine Stromableitung 9 angeschlossen sind. Eine Stromverstärkungsstufe 33 ist mit den Transistoren 10 und 12 verbunden und umfasst Transistoren 14 und 16, die in Darlington-Schaltung miteinander verbunden sind. Eine Anordnung 13 für eine Null-Temperaturkoeffizient-Bezugsspannung umfasst eine Diode 15

- 7 - in

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in Durchlassrichtung und eine Zener-Diode 17, die in Serie mit der konstanten Stromquelle'23 zwischen die Eingangsklemme 27 und einen Bezugspunkt bezw. Massepotential 8 geschaltet sind. Ein Teilernetzwerk aus den Widerständen 19 und 21 liegt zwischen der Ausgangsklemme 29 und dem Bezugspunkt 8, wobei ein zwischen den Widerständen 19 und 21 liegender Verbindungspunkt -mit der Basis des Transistors 12 verbunden ist. Ein Basiswiderstand 11 liegt zwischen der Anordnung 13 für die Bezugsspannung und der Basis des Transistors 10, so dass sowohl an dieser Basis als auch an der Basis des Transistors 12 dieselbe Impedanz erscheint und damit eine symmetrische Schaltung gegeben ist. Die Transistoren 10 und 12 , führen einen Strom in einem Bereich zwischen einem halben und einem mA, wobei dieser Strom durch das ß, d.h. der Stromverstärkung, des entsprechenden Transistors IA- und 16- multipliziert wird und einen Ausgangsstrom im Hundert-mA-Bereich liefert.

Im Betrieb wird ein Bruchteil der Spannung an der Ausgangsklemme 29 abgegriffen und der Basis des Transistors 12 zugeführt. Wenn diese Spannung grosser wird als die an den Transistor IO angelegte Bezugsspannung, zieht der Transistor mehr Strom als der Transistor 10, so dass ein grösserer Strom aus der Stromquelle 25 in den Kollektor des Transistors 12 fliesst. Diese verringerte Stromaufnahme an der Basis des Transistors 14 verringert den Ausgangsstrom und damit die Aus gangs spannung. Damit wird das Niveau der Ausgangsspannung an der Klemme 29 auf einen bestimmten Wert stabilisiert. Wenn dagegen die Spannung an der Ausgangsklemme 29 kleiner ist als dieser bestimmte Wert, wird der Transistor 10 mehr leitend als der Transistor 12, so dass

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ein grosserer Strom von der Stromquelle 25 in die Verstärkerstufe 33 zu fHessen beginnt, wodurch der zur Verfügung stehende Laststrom zunimmt und die Ausgangsspannung anhebt.

Die Nachteile der bekannten Schaltung gemäss Fig. 1 wurden vorausstehend bereits im Detail angegeben und sollen daher nur noch kurz im Hinblick auf die spezielle Ausführung der Schaltung behandelt werden. Ein Nachteil der bekannten Schaltung besteht darin, dass der Spannungsteiler aus den Widerständen 19 und 21 eine Änderung der Schleifenverstärkung mit der Änderung der Ausgangsspannung an der Klemme 29 verursacht. Daher ist kein konstantes Schleifenverhalten in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung gegeben.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Schaltung gemäss Fig. 1 besteht in der Kapazität, welche an der Basis der Transistoren 10 und 12 erscheint und eine Phasenverschiebung in der Schleife und damit eine Neigung zur Instabilität verursacht. Ferner wird durch den Widerstand an der Basis der Transistoren 10 und 12 eine Anpassung der Stromverstärkung der Transistoren erforderlich, was eine Begrenzung des maximal möglichen BasisStroms bewirkt. Ferner wird dadurch auch eine Anpassung der Temperaturkoeffizienten für den Widerstand erforderlich.

Ausgehend von der bekannten Schaltung gemäss Fig. 1 wird nachfolgend eine neue Schaltung gemäss der Erfindung beschrieben, die in Fig. 2 dargestellt ist. Bei dieser Schaltung sind ein erster und zweiter Transistor 20 und 22 emitergekoppelt und einerseits mit einer Stromableitung 9 sowie andererseits mit einer als Darlington-Schaltung aufgebauten Verstärkerstufe 31 verbunden. Die Verstärkerstufe 31 enthält Transistoren 24 und 26, wovon der. Emitter des einen

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mit der Basis des anderen in der bekannten Darlington-Schaltung verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 20 Begt an der Basis des Transistors 26 und am Emitter des Transistors 24, wodurch sichergestellt wird, dass der Transistor 24 immer einen Minimalstrom zieht, um eine gewisse Stromverstärkung für diese Stufe bei kleinen Werten des laststroms sicherzustellen.

Die Basis des zweiten Transistors 22 ist direkt .mit der Ausgangsklemme 33 verbunden, so dass die Ausgangsspannung hundertprozentig auf den Transistor 22 zurückgekoppelt wird und die Schaltung mit dem Rückkopplungs faktor eins arbeitet. Die grosse Rückkopplung verursacht das ausgezeichnete Wechselstrom-Leistungsverhalten der Schaltung. An der Basis der Transistoren 20 und 22 sind keine Widerstände erforderlich, so dass der im Zusammenhang mit diesen Widerständen auftretende Nachteil der bekannten Schaltung entfällt.

Der zweite Transistor 32 greift die Ausgangsspannung ab und vergleicht diese mit einer Bezugsspannung an der Basis des Transistors 20. Dieser Vergleich wird in der Weise ausgeführt, dass eine Änderung der Aus gangs spannung auf Grund unterschiedlicher Belastungen kompensiert wird. Die eine Stromverstärkung bewirkende Stufe 31 ist ähnlich wie die Stufe 33 gemäss Fig. 1 an die Stromquelle 25 angeschlossen und steht ferner mit dem Kollektor des Transistors 22 und der Basis des Transistors 24 in Verbindung. Während des Abtast- und Vergleichs vor gangs wird der Strom zwischen den Transistoren 22 und 34- aufgeteilt. Die Stromquelle 25 liefert einen Strom von 1/2, wobei I der gesamte durch die Stromableitung 9 fliessende Strom ist.

- 10 - Die

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Die an die Klemme 20 angelegte Bezugsspannung wird von einer Verschiebeschaltung für eine gleichstrommässige Bezugsspannung geliefert, die ähnlich der gemäss Fig. 1 aufgebaut und in Fig. 3 dargestellt ist. Da die Schaltung gemäss Fig. 1 durch die Verwendung einer nicht vorgespannten Darlington-Schaltung entsprechend Fig. 3 modifiziert werden kann, erhält man ein ausgezeichnetes Gleichstromverhalten. Es ist dabei darauf hinzuweisen, dass durch den sehr niedrigen Basisstrombetrieb der Eingangstransistoren gemäss Fig. 3 ausser dem guten Gleichstromverhalten die Hochfrequenzleistung dieser Stufe stark erniedrigt wird. Da somit kein gutes Wechselstromverhalten benötigt wird, kann das Gleichstromverhalten optimalisiert werden, wogegen bei der Schaltung gemäss Fig. 1 ein Kompromiss gefunden werden muss, um das Gleichstrom- und Wechselstromverhalten aneinander anzupassen, wenn die Schaltung als Regelverstärker verwendet wird.

Die Verschiebeschaltung für die gleichstrommässige Bezugsspannung gemäss Fig. 3 enthält zwei emittergekoppelte Transistoren 32 und 34, die mit einer Stromquelle 45 und überdies mit Transistoren 36 und 38 in einer Art Darlington-Schaltung verbunden sind. Ein einziger ausgangsseitiger Transistor 43 wird zur Stromverstärkung verwendet und ist mit den Kollektoren der Transistoren 34 und 38 verbunden. Ein aus Widerständen bestehendes Vorspannungsnetzwerk mit den Widerständen 39 und 41 liegt zwischen der Ausgangsklemme 29 und dem Massepotential und liefert das Rückkopplungssignal für den Transistor 38. Die Ausgangsspannung an der Klemme 29 wird abgetastet und mit einer an den eingangeseitigen Transistor 36 angelegten Bezugsspannung V_R verglichen. Der Stromfluss in den Transistor 43 wird in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleiches dieser beiden

- 11 - Spannungen

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Spannungen gesteuert, wodurch eine konstante,geregelte und gleichstrommässige Bezugsspannung an der Ausgangsklemme aufrechterhalten wird. Diese Spannung wird als Gleichstrom-Bezugs spannung an die Basis des Transistors 20 gemäss Pig. angelegt. Somit ist die dem Transistor 20 zugeführte Bezugsspannung temperatursta"bilisiert und amplitudenmässig gleich der gewünschten Ausgangsspannung + V..

Ein besseres Verständnis der Verschiebeschaltung gemäss Fig. 3 ergibt sich aus der nachfolgenden Beschreibung des kompletten, in monostabiler Bauweise aufgebauten Spannungsreglers, der im Blockdiagramm in Fig. 4 und im Schaltbild in Fig. 5 dargestellt ist. Die Schaltung gemäss Fig. 5 kann in verschiedene Stufen gemäss Fig. 4 aufgeteilt werden. Diese Stufen bestehen aus einer Start- und Abschal-tstufe 47, die mit einer Vorspannungsstufe 49 verbunden ist. Die Vorspannungsstufe 49 ist direkt mit der Verschiebeschaltung 51 für die gleichstrommässige Bezugsspannung verbunden, die wiederum mit dem vorausgehend beschriebenen Regelverstärker 53 in Verbindung steht. Der Spannungsregler gemäss Fig. 4 enthält ferner einen Kurzschlusstrom-Abtastwiderstand 59ϊ der zwischen den Regelverstärker 53 und die durch den Widerstand 55 repräsentierte ausgangsseitige Last geschaltet ist.

Die in Fig. 5 verwendeten Bezugszeichen für den Regelverstärker 53 und die Verschiebeschaltung 51 entsprechen jeweils den Bezugszeichen der Fig. 2 und 3. Mit den übrigen, nicht zuvor benutzten Bezugszeichen sind weitere, bisher nicht beschriebene Schaltkreiskomponenten bezeichnet.

Die Bezugsspannung V_ß, die an die Basis des Transistors 36 in der Verschiebeschaltung 51 angelegt wird, wird von der

- 12 - an

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an der Zener-Diode 43 der "Vorspannungsstufe 49 erzeugten Spannung abgeleitet. Eine erste konstante Stromquelle 65 liefert einen im wesentlichen konstanten Strom an die Zener-Diode 43, so dass die von dem nicht stabilisierten Eingang her durchkommende Welligkeit verringert wird. Der Spannungsabfall am Widerstand 61 legt die Bezugsspannung für alle PNP Stromquellen, d.h. für die einander ähnlichen Stromquellen 65, 67 und 25 fest. In der Stromquelle 65 wird die Bezugsspannung an den Transistor 44 angelegt, wobei als Ergebnis der verschobenen Basis-Emitterspannungen (V-n-r.) der Transistören 42 und 44 die Spannung am Emitter des Transistors 42 im wesentlichen gleich der Bezugsspannung an der Basis des Transistors 44 ist. Daher wird die Spannung am Emitter des Transistors 42 geregelt und der sich daraus ergebende Strom durch den Widerstand 49 unabhängig von Temperaturschwankungen.'·

Der Transistor 5'2 in äer Vorspannungsstufe 49 dient als konstante Stromableitung für die erste konstante Stromquelle Er ist in derselben Weise auch für die zweite und dritte konstante Stromquelle 67 und 25 wirksam. Diese Stromquellen 65, 67 und 25 sind mit dem Transistor 52 über entsprechende Widerstände 63, 69 und 71 verbunden. Die übrigen Anschlussverbindungen mit den Transistoren 58 und 60 sowie 62 und 64 in den Stromquellen 67 und 25 sind in derselben Weise wie bei der Stromquelle 65 ausgeführt.

Wenn der Transistor 42 in der Stromquelle 65 eine hohe Stromverstärkung ß besitzt, dann sind die Kollektor- und Emitterströme derselben im wesentlichen gleich, und es fliesst ein geringer Strom über den Basisanschluss des Transistors 42 zum Widerstand 63. Der Transistor 44 versorgt somit den Widerstand 63 mit dem nötigen Strom. Jedoch wenn der Transistor

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42 aus irgendeinem Grund eine niedere Stromverstärkung ß aufweisen sollte, dann würde ein grösserer Strom über die Basis des Transistors 42 zum Widerstand 63 fliessen und der Transistor 64 zur Abschaltung neigen. Somit kompensiert die Schaltung automatisch Änderungen der Stromverstärkung des danebenliegenden PNP Transistors 42,die auf Grund unterschiedlicher Fabrikationschargen für die Schaltung existieren können.

Die Basis des Transistors 42 wird vom Emitter des Transistors 44 angesteuert, der an einen niederen Basiswiderstand 61 angeschlossen ist. Der Widerstandswert des Widerstandes 61 wird durch die Stromverstärkung ß des Transistors 44 wirksam verringert, so dass der Transistor 42 im wesentlichen spannungsgesteuert ist. Damit entsteht eine sehr hohe Ausgangsimpedanz für den Transistor 42, da dieser in Basisschaltung arbeitet. Diese hohe Ausgangsimpedanz ist erwünscht, da sie den Einfluss der Welligkeit der an den Spannungsregler angelegten Eingangsspannung auf die Bezugsdiode 45 oder die Differentialverstärker verringert, die von den Stromquellen 67 und 25 vorgespannt werden.

Die Vorspannungsstufe 49 enthält ferner -ein temperaturkompensierendes Netzwerk aus einem Bezugstransistor 46, Dioden 48 und 50 sowie Widerständen 73, 75 und 77· Der Emitterstrom des Transistors 46 legt das Vorspannungsniveau der ersten, zweiten und dritten Stromableitung 52, 86 und 92 fest, wobei der Kollektorstrom des Transistors 46 den Strom der ersten, zweiten und dritten Stromquelle 65, 67 und 25 einstellt. Somit werden die drei Stromquellen 65, 67 und 25 sowie die drei Stromableitungen 52, 86 und 92 von der Vorspannung eines einzigen NPN Transistors 46 gesteuert. Wenn der Bezugstransistor 46 einen verhältnismässig hohen Wert #'. besitzt,

- 14 - der

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der bei 0,98 oder höher für einen hohen Betawert liegt, dann sind der Emitter und der Kollektorstrom des Transistors 46 einander im wesentlichen gleich, so dass derselbe Strom als Bezugswert für die Stromquellen und die Stromableitungen in der Regelschaltung verwendet wird. Dieses Merkmal gewährleistet einen ausgezeichneten Temperaturgleichlauf in der Schaltung. Der in dem vorausgehend beschriebenen Stromweg fliessende Strom, der den Emitterfolger 46 umfasst, ist un abhängig von der Temperatur, so dass sich in der Tat ein Null-Temperaturkoeffizient für die in allen Stromquellen und Stromableitungen fliessenden Ströme ergibt.

Die Vorspannungsstufe 49 umfasst ferner einen Puffertransistor 57» cLer zwischen dem Stromableittransistor 52 und einem. Anschlusspunkt 79 in dem Vorspannungsstrompfad liegt. Dieser Transistor verringert die Belastung des Stromableittransistors 52. farner ist in dem Vorspannungsstrompfad der Stufe 49 ein NPN transistor 54- vorgesehen, der die Eingangsklemme 27 niit den Kollektoren der Transistoren 57» 36 und 32 verbindet und mit seiner Basis an die Diode 82 in der Verschiebeschaltung 51 für die gleichspannungsmässige Bezugsspannung angeschlossen ist.

Die Vorspannungsstufe 49 ist so vollständig von der Eingangsspannung unabhängig, dass beim Fehlen der Start- und Abschaltstufe 47 selbst das Anlegen einer Eingangsspannung den Spannungsregler nicht in Betrieb setzt, indem die Zener-Diode 4-3 in den leitenden Zustand vorgespannt wird. Für diesen Zweck wird die Start- und Abschaltstufe 47 verwendet, die die Dioden 40, den Transistor 100, die Zener-Diode 41 und die Widerstände 83 und 94- umfasste Wenn eine Eingangsspannung an die Klemme 27 angelegt wird, fliesst ein Strom durch den Widerstand 83, die Diode 40 und den Transistor 46.

- 15 - Darauf

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Darauf wird die Spannungsquelle 65 wirksam, und die Zener-Diode 43 geht in den leitenden· Zustand über. Wenn die Zener-Diode 43 leitet, wird die Diode 40 abgeschaltet. Auf Grund der Zener-Diode 41, welche dieselbe Durchbruchspannung besitzt wie die Zener-Diode 43, bildet sich an der Diode 40 keine Differentialspannung aus. Daher fliesst der Strom durch den Widerstand 83 zur Zener-Diode 41 weiter. Wenn der Widerstand 83 gross ist, z.B. 60 Kilo-Ohm, und wenn die Eingangsspannung in der Grössenordnung von 30 Volt liegt, dann fliessen ungefähr 400 Mikro-Ampere in die Startstufe, was als vernachlässigbare Leistung während des Betriebs des Spannungsreglers angesehen werden kann.

Es ist ein weiterer Schaltkreis vorgesehen, um den ganzen Spannungsregler im Abschaltbetrieb oder Bereitschaftsbetrieb halten zu können. Zur Einstellung in den Abschaltbetrieb wird der Transistor 100 durch das Anlegen einer externen positiven Spannung über die Klemme 96 an den Widerstand 94 leitend gemacht. In diesem Abschaltzustand wird der Strom durch die Stromquellen und die Stromableitungen zu Null, so dass der einzige für eine Vorspannung benötigte Strom der Strom durch den Widerstand 83 ist. Somit geht die Ausgangsspannung auf den Wert Null. Die Regelschaltung bietet somit einen für viele Anwendungsgebiete erwünschten Vorteil, bei denen die elektronische Steuerung die Möglichkeit bietet, selten benutzte Schaltungen eines grossen Systemes im betriebsbereiten Zustand zu halten, wodurch ein wesentlicher Leistungsgewinn erzielt bezw. weniger Verlustleistung verbraucht wird. Zur Verbesserung der Geräuschunempfindlichkeit der Start- und Abschaltstufe 47 können eine oder mehrere nicht dargestellte Dioden zwischen die Anschlussklemme 96 und den Transistor 100 geschaltet werden.

- 16 - Wenn

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Wenn der durch den Widerstand R₃₀ repräsentierte aussere Kurzschlusswiderstand, der sehr klein und in der Grössenordnung von 1 oder 2 Ohm liegt, grosse Ströme feststellt, wird der Schwellwert der drei in Serie geschalteten Dioden 97, 98 und 99 überschritten und der vom Transistor 64 zur Verfügung stehende Strom an der aus den Transistoren 24- und 26 bestehenden Darlington-Schaltung vorbeigeführt. Damit fällt die Ausgangsspannung an der Klemme 29 gegen Masse ab. Der Transistor 45 stellt diesen Rückgang der Ausgangsspannung V. fest und wird in den leitenden Zustand gesteuert. Damit wird auch ein Abfall der Bezugsspannung am Verbindungspunkt 35 der Schaltung verursacht, die ebenfalls gegen Masse absinkt.

Ein aus den Widerständen 39 und 68 bestehender Widerstandsteiler ist in der Verschiebeschaltung 5I zwischen den Verbindungspunkt 35 "un.cL Masse geschaltet und ist anhand der in Fig. 1 und 3 beschriebenen Weise an die Basis des Transistors 38 angeschlossen. Die Bandbreite der Verschiebeschaltung 51 wird durch einen externen Kondensator 87 verringert, der der Stabilisierung des Verstärkers dient und den Effektivwert des Zener-Geräusches verringert, welches am Ausgang des Spannungsreglers auftritt. Eine weitere Diode 82 wird dazu benutzt, um den Kondensator 87 von der Schaltung in dem Fall zu isolieren, wenn an der Ausgangsklemme 29 ein Kurzschluss wirksam ist. Damit wird verhindert, dass sich der Kondensator 87 über die vorzugsweise als integrierte Schaltung ausgeführte Regelschaltung entlädt und diese möglicherweise zerstört.

Bei der monolithischen Ausführungsform des Spannungsreglers gemäss Fig. 5 sind die Anschlusspunkte 35, 66, 84 und 85 aus der Halbleiterschaltung herausgeführt und als Kontakt-

- 17 - anschlüsse

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anschlüsse auf der Halbleiterscheibe vorgesehen, die mit entsprechenden Anschlusstiften in Verbindung stehen. An diesen Punkten können daher externe Kondensatoren, Widerstände oder dergleichen angeschlossen werden. Bei einer tatsächlichen Ausführung der Schaltung gemäss Fig. 5 wurden die Widerstände 39 und 68 über derartige Kontaktanschlüsse von aussen angeschlossen. Selbstverständlich können die Widerstände auch durch eine Diffusion oder eine andere entsprechende Technik auf der Halbleiterscheibe angebracht werden.

Der ausgangsseitige Kondensator 89 ist direkt mit dem Ausgang des Regelverstärkers 53 verbunden. Dieser Kondensator dient einerseits der Stabilisation des Regelverstärkers und andererseits der Aufrechterhaltung einer niederen Ausgangsimpedanz bei hohen Frequenzen. Die Rückkopplung der Verstärkerschaltung 53 ist wirksam von einer gleichstrommässigen Ausgangsspannung bis zu einer Spannung von so hoher Frequenz, bei welcher die Schaltung praktisch beginnt, die Bandbreite zu verlieren. Bei einer solchen hohen Frequenz ist die Schleifenübertragung nicht ausreichend, um das Ansteigen der Ausgangsimpedanz zu verhindern. Um diesem Ansteigen der Ausgangsimpedanz bei hohen Frequenzen entgegenzuwirken, wird der Kondensator 89 parallel zum Ausgang des Regelverstärkers 53 geschaltet, um die Ausgangsimpedanz auch bei hohen Frequenzen niedrig zu halten. Dieser Kondensator 89 kann einen hochfrequenten Strom dem Verbraucher zuführen, ohne dass hierfür die Schleife wirksam werden muss. Damit wird durch das Hinzufügen des Kondensators 89 direkt am Ausgang des Spannungsreglers ein dominierender Pol geschaffen. Jede weitere Erhöhung der Kapazität am Ausgang 29 wirkt sich als Verbesserung der Stabilität des Spannungsreglers aus.

18 - Vorausstehend

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Vorausstehend wurde eine vorzugsweise in monolithischer Spannungsweise aufgebaute Spannungsregelschaltung beschrieben, bei der ein Regelverstärker 53 mit einer Rückkopplungsschleife direkt an die Ausgangsklemme 29 derart angekoppelt ist, dass die Ausgangsspannung hundertprozentig zum Transistor 22 zurückgekoppelt wird. Durch dieses Merkmal wird ein ausgezeichnetes Wechselstromverhalten des Spannungsreglers sichergestellt. Zur gleichen Zeit wird eine veränderliche Gleichstromregelspannung an den Eingang des Transistors 20 angelegt, die von einer Verschiebeschaltung 51 für die gleichstrommässige Bezugsspannung abgeleitet ist und eine Widerstandsrückkopplungsschleife aufweist. Durch diese Schaltung kann der Regelverstärker 53 des Spannungsreglers von einer sich ändernden Gleichstrombezugsspannung angesteuert werden, woraus sich die ausgezeichnete Gleichstromstabilität des Spannungsreglers ergibt.

Nachfolgend werden in einer Tabelle die einzelnen Werte der für eine nach der Schaltung gemäss Fig. 5 aufgebauten Spannungsregelschaltung verwendeten Komponenten angegeben, die bei einem erfolgreichen Testen der beispielsweisen Schaltung Verwendung fanden.

Widerstände (R) Werte (Ohm)

R 39 hängt von der gewünschten 3 300 für V. = 5 V V_A ab.

R 55 Ersatzwiderstand für verschieden

Verbraucher

R 61 834

R 63 1 600

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R 69 R 71 R 73 R 75 R 77 R 78 R 83 R 86 hängt von gewünschter

R 88 R 90 R 91 R 93 R 94 R 95

g V_A ab.

hängt von der maximalen Belastung ab

Kapazitäten (G)

Cin extern angeschlossen G 87 extern angeschlossen C 89 extern angeschlossen

Spannungen (V)

V. bei oben angegebenen Werten ^A für R 39 und R

	200	1	,1	4- V	904333
	600			0 T	M26P-219
3	630		Werte	2 V
1	670		+3,	V
M-	700		+5,
2	000		+8,
	000		+30
1	500
60	834-
7	50	für	VA = 5V
	625
	4-16
	000
	000
5	1
1
	Wert	(F)
	2
	o,
	50
		(V)
	Min
	Max

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Patentansprüche

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Claims (7)

Patentansprüche

1. Spannungsregelschaltung für vorzugsweise monolithisch aufgebaute Spannungsregler zur Erzeugung einer konstanten ausgangsseitigen Gleichspannung in Abhängigkeit von der Inderung der Welligkeit der angelegten Eingangsspannung mit einer adder Ausgangsseite der Regelschaltung vorgesehenen Stufe zur Stromverstärkung, dadurch gekennz e ichne t, dass ein ausgangsseitiger Regelverstärker (53) eine Differentialverstärkerstufe mit ersten und zweiten Halbleiteranordnungen (20, 22) umfasst, die differentiell mit einer Stromableitung (92) gekoppelt sind, und dass der Regelverstärker Einrichtungen enthält, um einerseits ein veränderliches Gleichstrompotential an die erste Halbleiteranordnung anzulegen, und um andererseits die Ausgangsklemme (29) mit der zweiten Halbleiteranordnung derart direkt leitend zu verbinden, dass eine hundertprozentige Rückkopplung der Ausgangsspannung zur Differentialverstärkerstufe und ein ausgezeichnetes Wechselstrom-Leistungsverhalten bewirkt wird.

2. SpannungsregelSchaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verschiebeschaltung

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(51) für die gleichstrommässige Bezugsspannung zwei differentialgeschaltete Halbleiteranordnungen (32, 34) umfasst, wovon die eine Halbleiteranordnung (32) für den Empfang einer Bezugsspannung (V_R) und die andere Halbleiteranordnung (34) für den Empfang eines Bruchteils der Ausgangsspannung geschaltet ist, dass die Verschiebeschaltung (51) einen Bruchteil der Ausgangsspannung (V.) mit der an sie angelegten Bezugsspannung (V_R) vergleicht und an ihrer Ausgangsklemme (35) ein sich änderndes Bezugspotential liefert, und dass die Ausgangsklemme (35) der Verschiebeschaltung (51) mit der ersten Halbleiteranordnung (20) in dem Regelverstärker (53) verbunden ist. und damit dem Spannungsregler eine optimale Gleichstromstabilität verleiht.

3. Spannungsregelschaltung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorspannungsstufe (49) vorhanden ist, die einen Bezugstransistor (46) enthält, der einen konstanten Bezugsstrom von einer Stromquelle (65) zieht, und welcher mit der Verschiebeschaltung (51) gekoppelt ist, um eine im wesentlichen konstante Bezugs spannung (V_R) zu liefern, welche mit einem Teil der Ausgangsspannung in der Verschiebeschaltung (51) verglichen wird, dass der Bezugstransistor (46) ferner mit einer Zener-Diode (43) verbunden ist, welche ein im wesentlichen konstantes Bezugspotential für den Bezugstransistor (46) liefert, und dass die Zener-Diode (43) mit einer konstanten Stromquelle (65) verbunden ist und parallel zu dieser ein im wesentlichen konstantes Bezugspotential liefert.

4. Spannungsregelschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

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dass eine mit der Vorspannungsstufe (49) verbundene Start- und Abschaltstufe (47) vorhanden ist, die einen Widerstand (83) und eine in Durchlassrichtung leitende Diode (40) umfasst, die in Serie zwischen der Eingangsklemme (27) und der Zener-Diode (43) liegt und für die Zener-Diode (43) einen Startstrom liefert, wenn eine EingangsSpannung (V_1n) an die Eingangsklemme (27) angelegt wird, und dass die Start- und Abschaltstufe (47) eine weitere Zener-Diode (41) enthält, die zwischen dem Widerstand (83) und einem Punkt des Bezugspotentials liegt, wobei diese Zener-Diode (41) nach der Zener-Diode (43) leitend wird und damit die Diode (40) von der Vorspannungsstufe (49) entkoppelt.

5· Spannungsregelschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass diu Start- und Abschaltstufe (47) einen weiteren •Transistor (100) enthält, der mit der Zener-Diode (43) in der Vorspannstufe (49) verbunden ist und die Bezugsspannung (V_R) entweder im leitenden Zustand an die Verschiebeschaltung anlegt oder im nicht leitenden Zustand von dieser abhält und dabei- den Spannungsregler nicht erregt.

6. Spannungsregelschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5i dadurch gekennzeichnet, dass die konstante Stromquelle (65) einen konstanten Bezugsstrom für die Zener-Diode (43) und den Bezugstransistor (46) liefert, wodurch der Bezugstransistor (46) durch eine konstante Spannung vorgespannt wird und einen konstanten Bezugsstrom führt.

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7. Spannungsregelschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine zweite konstante Stromquelle (67) vorgesehen ist, die zwischen der Eingangsklemme (27) und dem Differentialverstärkerteil der Verschiebeschaltung (51) liegt, und dass eine dritte - konstante Stromquelle (25) zwischen die erste und zweite konstante Stromquelle und den Differentialverstärkerteil des Regelverstärkers (53) geschaltet ist und einen konstanten Strom für den Regelverstärker (53) liefert.

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