DE19711364A1 - Spannungsstabilisator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Spannungsstabilisator nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1, mit wenigstens einem Versorgungsspannungs­ eingang und wenigstens einem Verbraucherspannungsausgang, bei wel­ chem zwischen dem Versorgungsspannungseingang und dem Verbraucher­ spannungsausgang ein Längsregler geschaltet ist.

Ein derartiger Spannungsstabilisator ist im Stand der Technik hin­ reichend bekannt. Üblicherweise findet er in unterschiedlich modi­ fizierter Art Anwendung. Denn je nach den Anforderungen, die an ei­ nen Spannungsstabilisator gestellt werden, weist der Spannungssta­ bilisator zusätzliche Glättungs- und Regelungselemente auf.

Insbesondere Spannungsversorgungseinrichtungen für Kraftfahrzeuge bedürfen einer besonderen Konzeption. Schon die Bordspannung schwankt in weiten Grenzen, je nach dem, ob die Fahrzeugbatterie geladen oder leer ist, ob der Fahrzeugmotor läuft oder nicht, ob die Umgebungstemperatur niedrig oder hoch ist oder ob genügend Bat­ terieflüssigkeit in der Batterie ist.

Des weiteren müssen unter Umständen erhebliche Spannungssprünge aus geregelt werden, welche dann auftreten, wenn ein niederohmiger Verbraucher, beispielsweise der Starter des Motors, die Heckschei­ benbeheizung oder das Fernlicht eingeschaltet oder ausgeschaltet werden. Auch können der Versorgungsspannung eine Vielzahl von Spannungsspitzen unterschiedlicher Anstiegsflanke und unterschied­ licher Amplitude überlagert sein, welche durch Zündungsvorgänge oder das Schalten kapazitiver oder induktiver Verbraucher verur­ sacht sein können.

Zur Spannungsversorgung von elektronischen Verbrauchern in Kraft­ fahrzeugen ist eine Spannungsversorgungseinrichtung bekannt, welche eine Verbraucherspannung liefert, welche unterhalb der Versorgungs­ spannung liegt, aber auf einen vorgebbaren Höchstwert, beispiels­ weise 9 Volt oder 12 Volt, begrenzt ist. Diese Verbraucherspannung ist nicht stabilisiert, Spannungssprünge bei Laständerungen werden aber ausgeregelt. Des weiteren wird mittels der bekannten Span­ nungsversorgungseinrichtung eine zweite Verbraucherspannung er­ zeugt, welche auf einen festen vorgebbaren Wert stabilisiert ist, und bei der alle Laständerungen sehr schnell ausgeregelt werden. Beide Verbraucherspannungen werden mittels eines Längsreglers, wel­ cher zwischen dem Versorgungsspannungseingang und dem jeweiligen Verbraucherspannungsausgang geschaltet ist, erzeugt. Durch besonde­ re Schaltungsmaßnahmen wird erreicht, daß bei kleinen Versorgungs­ spannungen an dem Längsregler ein geringer Spannungsabfall auf­ tritt.

Nachteilig bei dem letztgenannten, aber auch bei allen anderen be­ kannten Spannungsversorgungseinrichtungen, welche einen zwischen dem Versorgungsspannungseingang und dem Verbraucherspannungsausgang einen Längsregler geschaltet haben, ist, daß die überschüssige Spannung am Längsregler abfällt, wodurch an dem Längsregler eine relativ große Verlustleistung auftritt. Denn die Verlustleistung wird vollständig in Wärme umgesetzt, welche die Spannungsversor­ gungseinrichtung in unerwünschter Weise erhitzt. Dies ist insbeson­ dere bei in Hybridtechnik aufgebauten Spannungsstabilisatoren sehr nachteilig, da hierdurch die Ausgangsleistung der Spannungsstabili­ satoren begrenzt wird.

Bei Spannungsstabilisatoren großer Leistung müssen daher aufwendige Maßnahmen zur Abführung der Verlustleistungswärme ergriffen werden. Des weiteren kann, bedingt durch die Verlustleistung, eine be­ stimmte Baugröße der elektrischen Schaltung nicht unterschritten werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen eingangs genannten Spannungs­ stabilisator derart auszubilden, daß bei großer Ausgangsleistung die Bauform der elektrischen Schaltung klein gehalten werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des kenn­ zeichnenden Teils des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung ist wenigstens ein erstes Schaltglied vorgese­ hen, mittels welchem ein erster Widerstand in Reihe zu dem Längs­ regler schaltbar ist. Durch die Reihenschaltung des ersten Wider­ stands zu dem Längsregler wird erreicht, daß sich die Differenz der Versorgungsspannung zur Verbraucherspannung auf den Längsregler und den ersten Widerstand aufteilt. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise ein Teil der bei der Spannungsstabilisierung entstehenden Verlustleistung vom ersten Widerstand übernommen.

Wird der erste Widerstand in einer räumlichen Entfernung von dem Längsregler und den übrigen Bauelementen des eigentlichen Span­ nungsstabilisators angeordnet, wird die elektrische Stabilisator- Schaltung nicht durch die am ersten Widerstand entstehende Verlust­ leistung wärmemäßig belastet. Da weniger Wärme im Spannungsstabili­ sator selbst entsteht, können die Bauelemente des Spannungsstabili­ sators räumlich eng beieinander angeordnet sein, wodurch sich die Bauform des Spannungsstabilisators in vorteilhafter Weise verrin­ gert. Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist praktisch eine Auslagerung der Verlustleistung aus dem Spannungsstabilisator möglich. Es kann über einen großen Versorgungsspannungsbereich und an die Stromaufnahme der Schaltung angepaßt die gesamte Verlustlei­ stung optimal auf den eigentlichen Spannungsstabilisator und den ersten Widerstand aufgeteilt werden.

Als besonders günstig hat sich herausgestellt, den ersten Wider­ stand zwischen dem Versorgungsspannungseingang und dem Längsregler anzuordnen. Hierdurch ist es möglich, jede beliebige Spannungssta­ bilisatorschaltung in erfindungsgemäßer Weise zu modifizieren. Es ist möglich, herkömmlich aufgebaute Spannungsstabilisatoren nach­ träglich mit einem vor dem Eingang des Spannungsstabilisators ge­ schalteten Widerstand zu versehen. Der Widerstand kann räumlich an einer Stelle angebracht sein, welche zur Abführung der im Wider­ stand erzeugten Wärme gut geeignet ist.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann auch dadurch verbes­ sert werden, daß man ein zweites Schaltglied vorsieht, mittels wel­ chem ein zweiter Widerstand parallel zum ersten Widerstand schalt­ bar ist. Durch ein derartiges Schaltglied ist es möglich, den dem Längsregler vorgeschalteten Widerstandswert auf einfache Weise zu verändern. Durch die Veränderung des dem Längsregler vorgeschalte­ ten Gesamtwiderstands kann der am vorgeschalteten Gesamtwiderstand auftretende Spannungsabfall und damit die Verlustleistung einge­ stellt werden.

Durch eine Vielzahl weiterer Schaltglieder beziehungsweise mittels der Schaltglieder parallel zum ersten Widerstand schaltbarer weite­ rer Widerstände kann die Spannung am Eingang des Längsreglers etwa auf einen festen Wert eingestellt werden. Die Einstellung der Span­ nung kann dadurch geschehen, daß zunächst mittels eines entspre­ chenden Schaltglieds ein Widerstand in Reihe zum Längsregler paral­ lel geschaltet wird, welcher den größten Widerstandswert aufweist. Ist der Spannungsabfall an dem dem Längsregler vorgeschalteten Wi­ derstand so groß, daß der Längsregler in die Sättigung kommt, wird mittels eines entsprechenden Schaltglieds zu dem dem Längsregler vorgeschalteten Widerstand ein zusätzlicher Widerstand parallel ge­ schaltet. Durch die Parallelschaltung des zusätzlichen Widerstands verringert sich der Wert des dem Längsregler vorgeschalteten Ge­ samtwiderstands. Der Längsregler kann somit seine Reglerfunktion wieder solange ausführen, bis er erneut aufgrund eines erhöhten Verbraucherstroms erneut in die Sättigung gelangt. Gelangt der Längsregler wieder in die Sättigung, wird ein weiterer Widerstand parallel geschaltet, wodurch sich der vorstehend beschriebene Vor­ gang wiederholt.

Der Vorgang wiederholt sich solange, bis zum Schluß beispielsweise ein viertes Schaltglied den Versorgungsspannungseingang direkt mit dem Eingang des Längsreglers verbindet. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Versorgungsspannung auf einen Wert abgesunken ist, der etwas größer als die Verbraucherspannung ist. Durch die direkte Verbindung des Versorgungsspannungseingangs mit dem Eingang des Längsreglers ist der dem Längsregler vorgeschaltete Gesamtwider­ stand überbrückt. Das heißt, die Versorgungsspannung liegt direkt am Eingang des Längsreglers, wodurch die gesamte Verlustleistung am Längsregler abfällt. Da die Verlustleistung aber aufgrund der ge­ sunkenen Versorgungsspannung relativ gering ist, wird der Span­ nungsstabilisator wärmemäßig nicht sehr stark belastet.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein fünftes Schaltglied vorgesehen, mittels welchem der Versorgungsspannungs­ eingang direkt mit dem Ausgang des Längsreglers verbindbar ist. Weist das fünfte Schaltglied eine geringere Sättigungsspannung auf als der Längsregler, läßt sich der Spannungsstabilisator noch bei Versorgungsspannungen einsetzen, welche nur geringfügig größer als die Verbraucherspannung ist.

In vorteilhafter Weise kann eine Steuerung vorgesehen sein, mittels welcher die Schaltglieder in Abhängigkeit der Spannung am Versor­ gungsspannungseingang gesteuert werden. Die Schaltglieder können jedoch auch in Abhängigkeit der Spannung am Eingang des Längsreg­ lers gesteuert beziehungsweise geregelt werden, wenn dies vorteil­ haft sein sollte. Insbesondere können die Schaltglieder nacheinan­ der so geregelt werden, daß die Spannung am Eingang des Längsreg­ lers konstant bleibt. Werden als Schaltglieder Transistoren verwen­ det, läßt sich die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung auf einfa­ che Weise realisieren.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Eingang des Längsreglers und Masse ein Glättungskondensator ge­ schaltet. Durch den Glättungskondensator wird in vorteilhafter Wei­ se die Spannung am Eingang des Längsreglers geglättet. Die geglät­ tete Eingangsspannung greift über den Längsregler durch auf die Ausgangsspannung. Hierdurch kann zur Glättung der Ausgangsspannung des Längsreglers auf einen sehr kleinen Glättungskondensator am Ausgang des Längsreglers zurückgegriffen werden.

Wenngleich die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung auch anhand ei­ nes Längsreglers zur Erzeugung einer einzigen Versorgungsspannung beschrieben wurde, so läßt sie sich ohne weiteres auch bei Span­ nungsreglern einsetzen, welche zur Erzeugung mehrerer Verbraucher­ spannungen ausgelegt sind, das heißt, mehrere Regeleinheiten auf­ weisen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfin­ dung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines besonde­ ren Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

Es zeigt die einzige Zeichnung eine erfindungsgemäße Schaltungsan­ ordnung in schematischer Darstellung.

Wie der Zeichnung entnommen werden kann, besteht die erfindungsge­ mäße Schaltungsanordnung aus einem herkömmlich aufgebauten Span­ nungsstabilisator 14. Der Spannungsstabilisator 14 besteht aus ei­ nem aus einem Vorwiderstand 10 und einer Zenerdiode 11 gebildeten Spannungsteiler. Der Spannungsteiler 10, 11 ist zwischen zwei Ein­ gangsanschlüssen 1a, 1a' des herkömmlichen Spannungsstabilisators 14 geschaltet. Der erste Eingangsanschluß 1a ist des weiteren mit dem Kollektor eines als Längsregler dienenden Transistors 3 verbun­ den. Die Basis des Transistors 3 ist mit dem Mittenabgriff des Spannungsteilers 10, 11 verbunden. Der Emitter des Transistors 3 ist mit dem Ausgangsanschluß des herkömmlichen Spannungsstabilisa­ tors verbunden, welcher auch einen Ausgangsanschluß des erfindungs­ gemäßen Spannungsstabilisators bildet. Der zweite Eingangsanschluß 1a' ist direkt mit dem zweiten Ausgangsanschluß 2' des herkömmli­ chen Spannungsstabilisators 14 beziehungsweise des erfindungsgemä­ ßen Spannungsstabilisators verbunden. Zwischen den Ausgangsan­ schlüssen 2, 2' ist ein erster Glättungskondensator 12 geschaltet.

Der erste Eingangsanschluß 1a des herkömmlichen Spannungsstabilisa­ tors 14 ist mit einem Emitter eines ersten Transistors 4 verbunden. Der Kollektor des ersten Transistors 4 ist über einen ersten Wider­ stand 4' mit einem ersten Eingangsanschluß 1 des erfindungsgemäßen Spannungsstabilisators verbunden, an welchem die Versorgungsspan­ nung angelegt wird.

Parallel zum ersten Widerstand 4' ist mittels eines zweiten Transi­ stors 5 ein zweiter Widerstand 5' geschaltet, sowie mittels eines dritten Transistors 6 ein dritter Widerstand 6' geschaltet. Das heißt, der Emitter des zweiten Transistors 5 sowie der Emitter des dritten Transistors 6 sind mit dem ersten Eingangsanschluß 1a des herkömmlichen Spannungsstabilisators 14 verbunden. Der Kollektor des zweiten Transistors 5 sowie der Kollektor des dritten Transi­ stors 6 sind über den zweiten Widerstand 5' sowie den dritten Wi­ derstand 6' mit dem ersten Eingangsanschluß 1 der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung verbunden.

Des weiteren ist der Emitter eines vierten Transistors 7 mit dem ersten Eingangsanschluß 1a des herkömmlichen Spannungsstabilisators 14 verbunden. Der Kollektor des vierten Transistors 7 ist direkt mit dem ersten Eingangsanschluß 1 der erfindungsgemäßen Schaltungs­ anordnung verbunden.

Darüber hinaus ist der Emitter eines fünften Transistors 8 mit dem Ausgangsanschluß 2 verbunden. Der Kollektor des fünften Transistors 8 ist direkt mit dem ersten Eingangsanschluß 1 der erfindungsgemä­ ßen Schaltungsanordnung verbunden.

Die Basisanschlüsse der Transistoren 4 bis 8 sind mit einer Steue­ rung 9 verbunden, welche ebenfalls mit dem ersten Eingangsanschluß 1 der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und dem ersten Ein­ gangsanschluß 1a des herkömmlichen Spannungsstabilisators 14 ver­ bunden ist.

Der zweite Eingangsanschluß 1' der erfindungsgemäßen Schaltungsan­ ordnung ist direkt mit dem zweiten Eingangsanschluß 1a' des her­ kömmlichen Spannungsstabilisators 14 verbunden. Zwischen dem ersten Eingangsanschluß 1a und dem zweiten Eingangsanschluß 1a' des her­ kömmlichen Spannungsstabilisators 14 ist ein zweiter Glättungskon­ densator 13 geschaltet.

Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann in vorteilhaf­ ter Weise erreicht werden, daß die Spannung am ersten Eingangsan­ schluß 1a des herkömmlichen Spannungsstabilisators 14 auf einen fe­ sten Wert geregelt wird. Hierzu steuert die Steuerung 9 zunächst den ersten Transistor 4 auf, wodurch die Versorgungsspannung über den ersten Widerstand 4', welcher der Widerstand mit der größten Verlustleistung ist, an den ersten Eingangsanschluß 1a des herkömm­ lichen Spannungsstabilisators 14, das heißt, an den Kollektor des als Längsregler dienenden Transistors 3 gelegt. Erreicht die Span­ nung am Kollektor des als Längsregler dienenden Transistors 3 einen Wert, daß der Transistor 3 in die Sättigung kommt, wird zusätzlich mittels des zweiten Transistors 5 der zweite Widerstand 5' parallel zum ersten Widerstand 4' geschaltet. Hierdurch verringert sich der in Reihe zum als Längsregler dienenden Transistors 3 geschaltete Gesamtwiderstand. Kommt der Transistor 3 beispielsweise aufgrund einer gesunkenen Versorgungsspannung oder eines erhöhten Aus­ gangsstroms wieder in die Sättigung, wiederholt sich der vorstehend beschriebene Vorgang, das heißt, mittels des dritten Transistors 6 wird der dritte Widerstand 6' zu dem ersten Widerstand 4' und dem zweiten Widerstand 5' parallel geschaltet. Selbstverständlich kann auch nur der dritte Widerstand 6' oder eine Parallelschaltung, be­ stehend aus einer beliebigen Kombination der Widerstände 4', 5', 6', in Reihe zum als Längsregler dienenden Transistor 3 geschaltet werden.

Zuletzt wird der vierte Transistor 7 aufgesteuert, wodurch die Ver­ sorgungsspannung direkt an den Eingang des herkömmlichen Spannungs­ stabilisators 14 gelegt wird. Verringert sich die Versorgungsspan­ nung noch weiter, wird der fünfte Transistor 8 aufgesteuert, wo­ durch der als Längsregler dienende Transistor 3 überbrückt und die Versorgungsspannung direkt an den Ausgang 2 des Spannungsstabilisa­ tors gelegt wird.

Claims (11)

1. Spannungsstabilisator mit wenigstens einem Versorgungsspan­ nungseingang (1) und wenigstens einem Verbraucherspannungsausgang (2), bei welchem zwischen dem Versorgungsspannungseingang (1) und dem Verbraucherspannungsausgang (2) ein Längsregler (3) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein erstes Schaltglied (4) vorgesehen ist, mittels welchem ein erster Widerstand (4') in Reihe zu dem Längsregler (3) schaltbar ist.

2. Spannungsstabilisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Widerstand (4') zwischen dem Versorgungsspannungsein­ gang (1) und dem Längsregler (3) angeordnet ist.

3. Spannungsstabilisator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein zweites Schaltglied (5) oder ein drittes Schalt­ glied (6) vorgesehen ist, mittels welchem ein zweiter Widerstand (5') oder ein dritter Widerstand (6') parallel zum ersten Wider­ stand (4') schaltbar ist.

4. Spannungsstabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein viertes Schaltglied (7) vorgesehen ist, mittels welchem der Versorgungsspannungseingang (1) direkt mit dem Eingang des Längs­ reglers (3) verbindbar ist.

5. Spannungsstabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein fünftes Schaltglied (8) vorgesehen ist, mittels welchem der Versorgungsspannungseingang (1) direkt mit dem Ausgang des Längs­ reglers (3) verbindbar ist.

6. Spannungsstabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerung (9) vorgesehen ist, mittels welcher die Schalt­ glieder (4, 5, 6, 7, 8) in Abhängigkeit der Spannung am Versor­ gungsspannungseingang (1) gesteuert werden.

7. Spannungsstabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerung (9) vorgesehen ist, mittels welcher die Schalt­ glieder (4, 5, 6, 7, 8) in Abhängigkeit der Spannung am Eingang (1a) des Längsreglers (3) gesteuert werden.

8. Spannungsstabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Eingang (1a) des Längsreglers (3) und Masse (10) ein Glättungskondensator (13) geschaltet ist.

9. Spannungsstabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltglieder (4, 5, 6, 7, 8) Transistoren sind.

10. Spannungsstabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltglieder (4, 5, 6, 7, 8) in Abhängigkeit der Spannung am Eingang (1a) des Längsreglers (3) geregelt werden.

11. Spannungsstabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltglieder (4, 5, 6, 7, 8) nacheinander so geregelt wer­ den, daß die Spannung am Eingang (1a) des Längsreglers (3) konstant bleibt.