DE19707423C1 - Circuit for generating constant voltage supply from fluctuating input voltage supply for Zener circuit - Google Patents

Circuit for generating constant voltage supply from fluctuating input voltage supply for Zener circuit

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Abstract

The circuit corrects a fluctuating input DC voltage (Ubatt) to generate an output voltage (Uout). In a first voltage interval the input voltage is reduced by a constant first amount ( DELTA U1) and in a second following interval the output voltage is maintained constant. If the input voltage is not reduced over the second interval, output voltage which differs from input voltage by second constant amount ( DELTA U2) is produced. In first input section of circuit number (n) of forward conducting diodes (D1...Dn) are arranged in series. These are connected on their output side to ground through first resistance (R1) and on other side through high value resistance (R2) to output. A second section of circuit is connected in parallel with first consisting of first Zener diode arrangement (Z1). Its output is connected to ground through third resistance in series with second Zener diode arrangement (Z2).

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer Versorgungsspannung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a circuit arrangement for generating a Supply voltage according to the preamble of claim 1.

Derartige Schaltungsanordnungen werden verwendet, um z. B. Sensoren mit nachgeordneter Signalgebereinheit mit einer Spannung zu versorgen, die so ausgestaltet ist, so daß Schwankungen der Eingangsspannung die Funktionsfähigkeit der zu versorgenden Einheit nicht gefährden. Es hat sich dabei als vorteilhaft herausgestellt, die Spannungsdifferenz, mit dem die Versorgungsspannung für den Verbraucher unter der Eingangsspannung liegt, wie in der Fig. 2 dargestellt, bis zu einem ersten Wert der Eingangs­ spannung auf einen ersten, konstanten Wert zu halten und ab einem bestimmten Wert der Eingangsspannung auf einen zweiten größeren Wert konstant zu halten. Im dazwischen liegenden Übergangsbereich, im Normalbetrieb, bleibt die Versorgungsspannung konstant und ist unabhängig von der Eingangsspannung.Such circuit arrangements are used, for. B. sensors with downstream signal generator unit with a voltage that is designed so that fluctuations in the input voltage do not endanger the operability of the unit to be supplied. It has proven to be advantageous to keep the voltage difference with which the supply voltage for the consumer is below the input voltage, as shown in FIG. 2, up to a first value of the input voltage at a first, constant value and from one certain value of the input voltage to keep constant at a second larger value. In the intermediate transition area, in normal operation, the supply voltage remains constant and is independent of the input voltage.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist der Patentschrift DE 25 33 199 C3 zu entnehmen. Diese Schaltungsanordnung erzeugt den beschriebenen Verlauf der Versorgungsspannung in Abhängigkeit von der Eingangsspannung über eine komplexe Transistorschaltung, deren Realisierung aufwendig und mit erheblichen Kosten verbunden ist.Such a circuit arrangement is the patent DE 25 33 199 C3 remove. This circuit arrangement produces the course described the supply voltage depending on the input voltage a complex transistor circuit, the implementation of which is complex and expensive considerable costs.

Darüber hinaus lehrt die Patentschrift DE 41 31 170 A eine Vorrichtung, bei der mittels einer Zener-Diode und eines Komparators sowie einer steuerbaren Stromquelle eine Versorgungsspannung erzeugt wird, welche sich in Intervallen in Abhängigkeit von der anliegenden Eingangsspannung ändert. Auch diese Anordnung erweist sich aufgrund ihrer Komplexität, insbesondere der steuerbaren Stromquelle, als zu aufwendig und kost­ spielig. In addition, the patent DE 41 31 170 A teaches a device that by means of a Zener diode and a comparator and one controllable current source, a supply voltage is generated, which at intervals depending on the input voltage applied changes. This arrangement also proves due to its complexity, especially the controllable power source, as too complex and expensive playful.  

Des weiteren sind im Stand der Technik weitere Schaltungsanordnungen zur Spannungsstabilisierung mit einer Z-Diode bekannt (vergleiche Tietze/Schenk: Halbleiterschaltungstechnik, 10. Auflage 1993, Seite 555 ff.).Furthermore, further circuit arrangements are available in the prior art Voltage stabilization with a Z-diode known (compare Tietze / Schenk: Semiconductor circuit technology, 10th edition 1993, page 555 ff.).

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer Versorgungsspannung anzugeben, mit der der oben beschriebene Verlauf der Versorgungspannung in Abhängigkeit der Eingangsspannung auf einfache Weise erzielt werden kann.The object of the invention is to produce a circuit arrangement specify a supply voltage with which the one described above Course of the supply voltage depending on the input voltage can be easily achieved.

Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.The object is achieved by the features of patent claim 1.

Die Schaltungsanordnung erzeugt den gewünschten Verlauf der Ver­ sorgungsspannung in Abhängigkeit von der Eingangsspannung mittels einer überraschend einfachen Schaltungsanordnung, basierend auf zwei Z- Dioden-Anordnungen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Patentansprüchen 2 bis 6 beschrieben. Die Regelkreisnachführung gemäß Patentanspruch 5 ermöglicht eine rückwirkungsfreie Leistungs­ entkopplung von Signalgebereinheit und der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.The circuit arrangement generates the desired course of the Ver supply voltage depending on the input voltage using a surprisingly simple circuit arrangement, based on two Z- Diode arrangements. Advantageous developments of the invention described in claims 2 to 6. The control loop tracking according to claim 5 enables a non-reactive performance decoupling of signal generator unit and the invention Circuit arrangement.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert. Es zeigt:The invention is described below using exemplary embodiments and Figures explained in more detail. It shows:

Fig. 1 die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, Fig. 1, the inventive circuit arrangement,

Fig. 2 den Verlauf der Versorgungsspannung in Abhängigkeit von der anliegenden Eingangsspannung UBatt, Fig. 2 shows the course of the supply voltage in dependence on the applied input voltage U Batt,

Fig. 3 Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Signalgebereinheit und der zugeord­ neten Auswerteeinheit, Fig. 3 using the circuit arrangement according to the invention for driving a signal generator unit and the zugeord Neten evaluation unit,

Fig. 4a die Stromimpulse der Signalgebereinheit, Fig. 4a, the current pulses of the signal generator unit,

Fig. 4b die Spannung an der Signalgebereinheit, FIG. 4b, the voltage at the signal generator unit,

Fig. 4c den Ausgangspegel der Auswerteschaltung, Fig. 4c the output level of the evaluation circuit,

Fig. 4d den Basisstrom des Längstransistors im Regelkreis. Fig. 4d the base current of the series transistor in the control loop.

Fig. 1 zeigt den Eingang mit der nichtkompensierten, nichtkonstanten Ein­ gangsgleichspannung UBatt, beispielsweise ein Anschluß zu einer Auto­ batterie. Ausgehend von der eingangsseitigen Gleichspannung befinden Sich ein erster Strompfad I1 sowie parallel zu diesem ein zweiter Strompfad I2. In I1 ist eine Anzahl seriell geschalteter Dioden in Durchlaßrichtung gepolt angeordnet, wobei die Anzahl der Dioden den ersten konstanten Betrag ΔU1 bestimmt. Um den Spannungsabfall über den Dioden sicherzustellen, sind diese über einen ersten Widerstand R1 auf Masse geschaltet, so daß ein Diodenstrom entsteht, der so groß ist, daß die Dioden in den Durchlaß­ bereich gesteuert werden. Andererseits ist die letzte Diode über einen zweiten, hochohmigen Widerstand auf Ausgang UV geschaltet. Parallel zu der Anordnung im ersten Strompfad I1 befindet sich ein Strompfad I2, der ausgehend von der eingangseitigen Gleichspannung eine Z-Diode Z, zum Ausgang UV hin aufweist. Des weiteren ist der Ausgang UV über einen dritten Widerstand R3 und in Reihe dazu eine zweite Z-Diodenanordnung Z2 auf Masse geschaltet. Fig. 1 shows the input with the non-compensated, non-constant input DC voltage U Batt , for example a connection to a car battery. Starting from the input-side DC voltage, there is a first current path I1 and parallel to a second current path I. 2 In I 1 , a number of diodes connected in series are arranged poled in the forward direction, the number of diodes determining the first constant amount ΔU 1 . To ensure the voltage drop across the diodes, these are connected to ground via a first resistor R 1 , so that a diode current is created which is so large that the diodes are controlled in the pass band. On the other hand, the last diode is connected to output U V via a second, high-resistance resistor. Parallel to the arrangement in the first current path I1 is a current path I2 which, starting from the DC voltage on the input side, has a Zener diode Z towards the output U V. Furthermore, the output U V is connected to ground via a third resistor R 3 and in series with a second Z-diode arrangement Z 2 .

Fig. 2 zeigt die drei Spannungsintervalle der Eingangsgleichspannung I1, I2, I3 sowie die zugeordnete ausgangsseitige Versorgungsspannung. Wie im ersten Intervall I1 zu erkennen, wird in diesem Bereich die Versorungs­ spannung der Eingangsgleichspannung um einen konstanten ersten Betrag reduziert nachgeführt. Im Intervall I2, dem Normalbetrieb, wird die Versor­ gungsspannung auf der gewünschten Nennspannung gehalten. Über­ schreitet jedoch die Eingangsspannung dieses zweite Spannungsintervall I2, wird im Spannungsintervall I3 eine Ausgangsspannung erzeugt, reduziert um einen zweiten konstanten Betrag ΔU2 der Eingangsspannung folgt. Der Verlauf ergibt sich dabei schaltungstechnisch wie nachfolgend dargestellt: Fig. 2 shows the three voltage intervals of the DC input voltage I 1, I 2, I 3 and the associated output-side supply voltage. As can be seen in the first interval I 1 , the supply voltage of the DC input voltage is tracked reduced by a constant first amount in this area. In the interval I 2 , normal operation, the supply voltage is kept at the desired nominal voltage. However, if the input voltage exceeds this second voltage interval I2, an output voltage is generated in the voltage interval I 3 , reduced by a second constant amount ΔU 2 which follows the input voltage. The course results in terms of circuitry as shown below:

Im ersten Spannungsintervall I1 der Eingangsspannung wird bis zum Erreichen der Zenerspannung der Z2 die Ausgangsspannung UV reduziert um den Spannungsabfall UD über den Dioden konstant zur Eingangsspannung UBatt nachgeführt. Übersteigt nun die Eingangsspannung UBatt den Wert von Z2, wird die zweite Zenerdiode Z2 leitend. Der Strom durch die Dioden kann somit sowohl über den Widerstand R1 als auch parallel zu diesem durch die Reihenanordnung von R2, R3 und Z2 nach Masse fließen. Es entsteht ein Spannungsteiler aus den Widerständen R2 und R3, wobei R2 gegenüber R3 um den Faktor 100 hochohmiger gewählt wurde, so daß eine Spannungs­ änderung der Eingangsspannung UBatt um den Faktor 100 kleiner und somit nicht nachweisbar auf die Ausgangsspannung UV wirkt. ES wird eine Kompensation der Eingangsspannungsänderungen erreicht. Überschreitet die Eingangsspannung jedoch einen Wert, der rund UZ2 plus UZ1 ist, wird auch die erste Zenerdiode Z1 im zweiten Strompfad I2 leitend. Damit werden die Dioden sowie der Widerstand R2 überbrückt. Der Spannungsteiler zwischen R2 und R3 ist aufgehoben. Die Ausgangsspannung UV folgt nun in einen zweiten konstanten Betrag ΔU2 der Eingangsspannung UBatt, wobei der zweite Betrag ΔU2 weitgehend von der Spannung UZ1 bestimmt wird. Die Zenerdiodenanordnungen Z1 und Z2 können dabei sowohl einfache Z-Dioden als auch temperaturkompensierte Zenerdioden­ anordnungen, beispielsweise durch Reihenschaltung mit temperatur­ kompensierenden Dioden mit entsprechend anderem Temperatur­ koeffizienten realisiert werden. Es entsteht die gewünschte Abhängigkeit der Versorgungsspannung von der anliegenden Eingangsgleichspannung.In the first voltage interval I 1 of the input voltage, until the Zener voltage of the Z 2 is reached, the output voltage U V reduced by the voltage drop U D across the diodes is constantly tracked to the input voltage U Batt . If the input voltage U Batt now exceeds the value of Z 2 , the second Zener diode Z 2 becomes conductive. The current through the diodes can thus flow to ground both via the resistor R 1 and in parallel to it through the series arrangement of R 2 , R 3 and Z 2 . A voltage divider is formed from the resistors R 2 and R 3 , R 2 being chosen to be higher by a factor of 100 than R 3 by a factor of 100, so that a change in voltage of the input voltage U Batt is smaller by a factor of 100 and is therefore not detectable by the output voltage U V works. Compensation of the input voltage changes is achieved. However, if the input voltage exceeds a value which is around UZ 2 plus UZ 1 , the first Zener diode Z 1 in the second current path I 2 also becomes conductive. This bridges the diodes and the resistor R 2 . The voltage divider between R 2 and R 3 is eliminated. The output voltage U V now follows in a second constant amount ΔU 2 of the input voltage U Batt , the second amount ΔU 2 being largely determined by the voltage UZ 1 . The Zener diode arrangements Z 1 and Z 2 can be both simple Z diodes and temperature-compensated Zener diodes arrangements, for example by connecting them in series with temperature-compensating diodes with correspondingly different temperature coefficients. The desired dependency of the supply voltage on the applied DC input voltage arises.

Fig. 3 zeigt eine Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltungs­ anordnung zur Spannungsversorgung einer Signalgebereinheit Sat, wobei diese über einen Regelkreis RK angesteuert wird. Der Regelkreis gleicht dabei die Spannung Usat mit der eingangsseitig anliegenden Spannung UV ab. Die Signalgebereinheit Sat weist einerseits einen Ruhestrompfad IR, andererseits einen Signalstrompfad Isignal auf. Eingangsseitig ist zwischen dem Regelkreis und dem umkompensierten Eingang der erfindungs­ gemäßen Schaltung eine Auswerteschaltung Iniess angeordnet, die über einen Stromspiegel, gebildet aus den Transistoren T2 und T3, sowie den Widerständen RM1 und RM2 sowie einer Konstantromquelle den von der Signalgebereinheit Sat gesandten Signalstrom Isat auswertet, indem ein Komparator K2 die Spannungsabfälle über den Widerständen RM1 und RM2 vergleicht und das Ausgangssignal zur weiteren Verarbeitung beispielsweise an einen Mikroprozessor leitet. Der Regelkreis RK wird gebildet aus einem Komparator K1, an dessen Ausgang sich der Widerstand RK und der Transistor TK befindet, wobei der Transistor TK als Längstransistor mit der Basis zum Komparator K1 und mit dem Emitter zur Signalgebereinheit Sat geschaltet ist. Die von der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erzeugte Versorgungsspannung UV wird im Komparator K1 mit Usat verglichen und Usat entsprechend nachgesteuert. Fig. 3 shows a use of the circuit arrangement according to the invention for the voltage supply of a signal transmitter unit Sat, which is controlled via a control circuit RK. The control loop compares the voltage U sat with the voltage U V applied on the input side. The signal transmitter unit Sat has a closed-circuit current path I R and a signal current path I signal . An Iniess evaluation circuit is arranged on the input side between the control circuit and the recompensated input of the circuit according to the invention, which has a current mirror formed from transistors T 2 and T 3 , as well as resistors RM 1 and RM 2 and a constant current source, which are sent by the signal generator unit Sat. Signal current Isat evaluates by a comparator K 2 compares the voltage drops across the resistors RM 1 and RM 2 and passes the output signal to a microprocessor for further processing, for example. The control circuit RK is formed from a comparator K 1 , at the output of which there is the resistor R K and the transistor T K , the transistor T K being connected as a series transistor with the base to the comparator K 1 and with the emitter to the signaling unit Sat. The supply voltage U V generated by the circuit arrangement according to the invention is compared in the comparator K 1 with U sat and U sat adjusted accordingly.

Die in diesem Ausführungsbeispiel erheblichen Stromimpulse Isignal in Höhe von 40 mA zur Signalübertragung wirken faktisch, entkoppelt durch den Regelkreis RK, nicht auf die versorgungsspannungserzeugende Schaltungs­ anordnung. Die Stromimpulse werden quasi unbeeinflußt durch den Transistor TK zur Strommeßeinrichtung geleitet und dort erkannt. Die Spannung über der Strommeßeinrichtung ergibt sich dabei als Differenz­ betrag zwischen der Spannung UBatt und der Spannung an der Signalgeber­ einheit Sat sowie den Spannungsabfällen über dem Transistor TK. Sie stimmt damit weitgehend den Beträgen ΔU1 und ΔU2 überein. Die Funktions­ fähigkeit der Auswerteeinheit ist somit durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung sichergestellt, auch wenn die Eingangsspannung stark von der gewünschten Nennspannung abweicht.The considerable current pulses I signal in the amount of 40 mA for signal transmission in this embodiment act, decoupled by the control circuit RK, not on the supply voltage generating circuit arrangement. The current pulses are conducted quasi unaffected by the transistor TK to the current measuring device and recognized there. The voltage across the current measuring device is the difference between the voltage U Batt and the voltage at the signal generator unit Sat and the voltage drops across the transistor TK. It largely corresponds to the amounts ΔU 1 and ΔU 2 . The functional capability of the evaluation unit is thus ensured by the circuit arrangement according to the invention, even if the input voltage deviates greatly from the desired nominal voltage.

Fig. 4 zeigt die Funktionsverläufe von charakteristischen Größen in der in Fig. 3 gezeigten Schaltungsanordnung. So zeigt Fig. 4a die Stromimpulse Isignal zuzüglich dem konstanten Ruhestrom Ir. Diagramm 4b zeigt die Spannung Usat an der Signalgebereinheit. Die Spannung weist extrem kurze Ausschläge in den Flankenmomenten des Signalstroms Isignal auf, wird jedoch vom Regelkreis sofort wieder auf den eingestellten Betriebspunkt zurückgeführt, indem der Basisstrom im Regelkreis anspricht (vgl. Fig. 4d). Am Ausgang der Auswerteeinheit kommt das Signal unverfälscht an (vgl. Fig. 4C). FIG. 4 shows the functional profiles of characteristic quantities in the circuit arrangement shown in FIG. 3. 4a shows as Fig., The current pulses I signal plus the constant quiescent current I r. Diagram 4 b shows the voltage U sat on the signal generator unit. The voltage has extremely short excursions in the edge moments of the signal current I signal , but is immediately returned to the set operating point by the control loop by the base current responding in the control loop (cf. FIG. 4d). The signal arrives unadulterated at the output of the evaluation unit (cf. FIG. 4C).

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer ausgangsseitigen Versorgungs­ gleichspannung (Uout) in Abhängigkeit von einer eingangsseitig anliegenden, nicht konstanten Gleichspannung (UBatt), bei der in einem ersten Spannungs­ intervall die eingangsseitige Gleichspannung (UBatt) um, einen konstanten ersten Betrag (ΔU1) reduziert übertragen, in einem sich anschließenden zweiten Spannungsintervall die Versorgungsgleichspannung konstant (Unenn) gehalten wird und, falls die eingangsseitige Gleichspannung dieses zweite Spannungs­ intervall überschreitet, eine ausgangsseitige Versorgungsgleichspannung erzeugt wird, welche um einen zweiten konstanten Betrag (ΔU2) der eingangs­ seitigen Gleichspannung (UBatt) folgt, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) ausgehend von der eingangsseitigen Gleichspannung (UBatt) in einem ersten Strompfad sich in Durchlaßrichtung gepolt eine Anzahl (n) seriell geschalteter Dioden (D1 ... Dn) befinden, die einerseits über einen ersten Widerstand (R1) auf Masse und andererseits über einen zweiten, hochohmigen Widerstand(R2) an den Ausgang geschaltet sind,
  • b) parallel zu dem ersten Strompfad ein zweiter Strompfad von der eingangs­ seitigen Gleichspannung (UBatt) aus über eine erste Zener- Diodenanordnung (Z1) auf den Ausgang geschaltet ist und
  • c) der Ausgang über einen dritten Widerstand (R3) und in Reihe dazu eine zweite Zener-Diodenanordnung (Z2) auf Masse geschaltet ist.
1.Circuit arrangement for generating a DC supply voltage (U out ) on the output side as a function of a non-constant DC voltage (U Batt ) present on the input side, in which the DC voltage (U Batt ) on the input side in a first voltage interval by a constant first amount (ΔU 1 ) reduced transmission, the supply DC voltage is kept constant (U nominal ) in a subsequent second voltage interval and, if the DC input voltage exceeds this second voltage interval, an output DC supply voltage is generated, which by a second constant amount (ΔU 2 ) of the input side DC voltage (U Batt ) follows, characterized in that
  • a) starting from the input-side DC voltage (U Batt ) in a first current path, polarized in the forward direction, there are a number (n) of series-connected diodes (D 1 ... D n ), which on the one hand are grounded via a first resistor (R 1 ) and on the other hand are connected to the output via a second, high-resistance resistor (R 2 ),
  • b) a second current path is connected in parallel with the first current path from the input-side direct voltage (U Batt ) via a first Zener diode arrangement (Z 1 ) and
  • c) the output is connected to ground via a third resistor (R 3 ) and in series with a second Zener diode arrangement (Z 2 ).
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Betrag (ΔU1) der Reduzierung der Ausgangs- gegenüber der Eingangsspannung (UBatt) durch die Anzahl der Dioden sowie die Zenerspannungen der ersten und zweiten Zenerdiodenanordnung (Z1, Z2) bestimmt wird.2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the first amount (ΔU 1 ) of the reduction of the output compared to the input voltage (U Batt ) by the number of diodes and the Zener voltages of the first and second Zener diode arrangement (Z 1 , Z 2 ) is determined. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zenerspannung der zweiten Zenerdiodenanordnung (Z2) die Grenze zwischen erstem und zweitem Spannungsintervall bestimmt.3. A circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the Zener voltage of the second Zener diode arrangement (Z 2 ) determines the boundary between the first and second voltage interval. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zenerspannung der ersten Zenerdiodenanordnung (Z1) größer als die Zener­ spannung der zweiten Zenerdiodenanordnung (Z2) ist und die obere Grenze des zweiten Spannungsintervalls bestimmt.4. A circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the Zener voltage of the first Zener diode arrangement (Z 1 ) is greater than the Zener voltage of the second Zener diode arrangement (Z 2 ) and determines the upper limit of the second voltage interval. 5. Schaltungsanordnung nach einem der voranstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zu versorgender Einheit und dem Ausgang der Versorgungsspannungsschaltung ein Regelkreis (RK) eingefügt wird, derart, daß die Spannung an der zu versorgenden Einheit der Ausgangsspannung der Versorgungsspannung (Uout) nachgeführt wird.5. Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a control circuit (RK) is inserted between the unit to be supplied and the output of the supply voltage circuit, such that the voltage at the unit to be supplied is adjusted to the output voltage of the supply voltage (U out ) . 6. Verwendung der Schaltungsanordnung nach einem der voranstehenden Patent­ ansprüche zur Versorgung von Sensoreinheiten in Kraftfahrzeugen.6. Use of the circuit arrangement according to one of the preceding patent Claims for the supply of sensor units in motor vehicles.
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