DE19748328C2 - Spannungs-Konstanthalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Spannungs-Konstanthalter gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1.

Spannungs-Konstanthalter dienen dem Zweck, aus einer varia­ blen Eingangsspannung eine konstante Ausgangsspannung zu er­ zeugen.

Spannungs-Konstanthalter arbeiten in der Regel mit einem längsgeregelten Transistor als Stellglied, der von einer sta­ bilisierten Steuerspannung an seinem Steuereingang angesteu­ ert ist. Über das Kennlinienverhalten des Transistors als Stellglied läßt sich bei einer konstanten Steuerspannung die Ausgangsspannung in einem definierten Arbeitsbereich weitge­ hend stabilisieren.

Aus DE-Z.: Funkschau 1970, Heft 2, Seiten 51, 52 ist ein sta­ bilisiertes Labor-Netzgerät bekannt, welches mittels zweier in Reihe geschalteter Längsregler aus einer relativ gering variierenden Eingangsspannung (der Netzspannung) eine in ei­ nem großen Spannungsbereich stabilisierte Ausgangsspannung erzeugt.

Die stabilisierte Ausgangsspannung dient in der Regel der Spannungsversorgung nachgeschalteter elektronischer Schaltun­ gen, die oft einen eigenen Spannungsregler zur Spannungsver­ sorgung besitzen.

Elektronische Schaltungen müssen oft in einem weiten Versor­ gungsspannungsbereich arbeiten können, auch mit Versorgungs­ spannungen nahe der minimal zulässigen Versorgungsspannung der eingesetzten elektronischen Bauelemente. Deshalb sollte der durch die Stabilisierungsschaltung verursachte Minimal­ spannungsabfall zwischen Eingangsspannung und der Versor­ gungsspannung der elektronischen Bauelemente möglichst gegen Null gehen.

Elektronische Schaltungen und deren Bauelemente sind oft ho­ hen Temperaturen ausgesetzt; bei einem Überschreiten des spe­ zifischen Arbeitstemperaturbereiches steigt in der Regel die Verlustleistung der Bauelemente bzw. der Schaltung. Dieses Problem trifft auch auf den Spannungsregler zu, da die Tempe­ ratur und damit die Verlustleistung im Spannungsregler annä­ hernd proportional zur Versorgungsspannung ansteigt.

Ein weiteres wesentliches Problem stellt die Unterschreitung der minimal zulässigen Versorgungsspannung der elektronischen Bauelemente dar. In einem solchen Fall soll die elektronische Schaltung sicher deaktiviert werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Spannungs-Konstanthalter zu schaffen,

• - durch den ein sicheres Betriebsverhalten der elektronischen Schaltung in einem weiten Eingangsspannungsbereich ermöglicht wird, insbesondere für kleine Eingangsspannungen,
• - durch den ein sicheres Arbeiten in einem weiten Temperatur­ bereich, insbesondere bei hohen Temperaturen ermöglicht wird, und
• - durch den die zu versorgende elektronische Schaltung bei Unterschreitung der minimal zulässigen Versorgungsspannung zur Vermeidung von Fehlfunktionen sicher deaktiviert wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Spannungs-Konstanthalter hat den wesent­ lichen Vorteil, daß die Verlustleistung im Spannungsregler minimiert wird und dadurch leichter abgeführt werden kann.

Die sichere Deaktivierung des Spannungs-Konstanthaltersbei Unterspannung wird durch die rückkopplungsbedingte Erhöhung des Minimalspannungsabfalls über dem Spannungs-Konstanthalter und die damit verbundene schlagartige Verringerung der Ver­ sorgungsspannung der elektronischen Bauelemente bis zu einer Eingangsspannung von 0 Volt sichergestellt. Außerdem wird der Versorgungsspannungsbereich in Hinblick auf die untere Span­ nungsversorgungsgrenze nur unwesentlich durch den vorgeschal­ teten Spannungs-Konstanthalter eingeschränkt bzw. ist ver­ nachlässigbar.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren darge­ stellt.

Es zeigen:

Fig. 1: Ein Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen Spannungs- Konstanthalters ohne Darstellung des Rückkopplungs­ zweiges,

Fig. 2: Ein Blockschaltbild mit einem Spannungs-Konstanthalter als Vorregler mit Darstellung des Rückkopplungs­ zweiges.

Die Fig. 1 zeigt mit dem Bezugszeichen 1 das elektronisch gesteuerte, längsregelnde Stellglied, das über die stabili­ sierte Steuerspannung U3 an seinem Steuereingang angesteuert ist. Die Steuerspannung U3 ist in dem Netzwerk 2 erzeugt und steht am ersten Knoten K1 des Netzwerks 2 an. Die Steuerspan­ nung U3 ist stabilisiert und über das Netzwerk 9 aus der va­ riablen Eingangsspannung U1 des Spannungs-Konstanthalters ab­ geleitet. Die Stabilisierung erfolgt im wesentlichen über die Zener-Diode D1. Prinzipiell ließe sich die Stabilisierung der Steuerspannung U3 durch alle bekannten anderen Maßnahmen er­ reichen, z. B. über einen Transistor.

Das Netzwerk 9 ist vorzugsweise durch eine Ladungspumpe rea­ lisiert, die von der variablen Eingangsspannung U1 gespeist, von dem Spannungssignal U4 durch Puls-Weiten-Modulation ge­ steuert ist und die Spannung U2 als Ausgangsspannung liefert. Die Spannung U2 ist dadurch gekennzeichnet, daß diese auch bei fehlendem Spannungssignal U4 nur eine Diodenspannung un­ ter der Eingangsspannung U1 liegt und bei vorhandenem Span­ nungssignal U4 maximal das doppelte der Eingangsspannung U1 beträgt.

Der Funktionszusammenhang zwischen variabler Eingangsspannung U1 und abgeleiteter Spannung U2 ergibt sich in der Realisie­ rung über die Ladungspumpe als annähernd linear in Bezug auf die Amplituden.

Die Zener-Diode D1 zur Stabilisierung der Steuerspannung U3 ist Bestandteil des Netzwerks 2 und sie wird über einen Wi­ derstand als Realisierung der Impendanz R1 von der Spannung U2 versorgt. Der erste Knoten K1 ist der Verbindungspunkt zwischen der Impedanz als Widerstand R1 und der Kathode der Zener-Diode D1, und der Knoten K1 bildet den Steueranschluß des längsgeregelten Stellgliedes 1. Die Anode der Zener-Diode D1 ist mit Massebezugspotential verbunden.

Die aus der Eingangsspannung U1 abgeleitete Spannung U2 wird durch die Ladungspumpe mit dem getaktet aufgeladenen Konden­ sator C1 erzeugt, dessen einer Anschluß 3 am zweiten Knoten K2 des Netzwerks 2 mit der Kathode der Diode D2 und der Impe­ danz R1 verbunden ist. Zwischen Knoten K2 und Massebezugspo­ tential ist der Widerstand R5 als Last für die Kapazität C2 geschaltet. Die Anode der Diode D2 ist mit der variablen Ein­ gangsspannung U1 verbunden, und der andere Anschluß 4 des Kondensators C1 ist mit der spannungführenden Elektrode des elektronischen Schaltelementes T1 verbunden. Der andere An­ schluß 4 des Kondensators C1 ist über den zweiten Widerstand R2 mit der variablen Eingangsspannung U1 verbunden. Das elek­ tronische Schaltelement T1 ist an seinem Steuereingang vom Spannungssignal U4 angesteuert. Über die Ladungspumpe ist ein annähernd linearer Zusammenhang zwischen variabler Eingangs­ spannung U1 und abgeleiteter Spannung U2 hergestellt, derart, daß die Amplitude der abgeleiteten Spannung U2 maximal dop­ pelt so groß ist wie die der variablen Eingangsspannung U1.

Das längsgeregelte Stellglied 1 und das elektronische Schal­ telement T1 sind vorzugsweise Transistoren, insbesondere ist das längsgeregelte Stellglied 1 ein Feldeffekt-Transistor vom Anreicherungstyp und das elektronische Schaltelement T1 ein Bipolar-Transistor.

Der Spannungs-Konstanthalter ist gemäß Fig. 2 als Vorregler 8 vor den Spannungsregler 5 geschaltet. Der Spannungsregler 5 versorgt die elektronische Schaltung 6 mit der Resetschaltung 7 mit Spannung, wobei die Resetschaltung 7 die elektronische Schaltung 6 bei Unterspannung abschaltet, und die elektroni­ sche Schaltung 6 das Spannungssignal U4 liefert, mit dem das elektronische Schaltelement T1 der Ladungspumpe an seinem Steuereingang angesteuert ist. Durch diese Rückkopplung er­ gibt sich ein Hystereseverhalten hinsichtlich des Einsatzes und des Abschaltens der elektronischen Schaltung 6 in Bezug auf die Eingangsspannung U1.

Der Spannungs-Konstanthalter als Vorregler 8 dient der Mini­ mierung der Verlustleistung im Spannungsregler 5. Durch den Einsatz eines Leistungs-MOSFET als Stellglied 1 ergibt sich in Kombination mit der Ladungspumpe ein extrem niedriger Mi­ nimalspannungsabfall über diesem. Die Taktversorgung für die Ladungspumpe liefert die elektronische Schaltung 6 mittels des Spannungssignals U4. Durch den Einsatz von Leistungs- MOSFETs kann die Ladungspumpe mit sehr kleinen Kondensatoren C1, C2 arbeiten, und der eingeschwungene Zustand der Schaltung ist bereits nach wenigen Millisekunden erreicht.

Aufgrund der Tatsache, daß während des Einschaltvorgangs die Ladungspumpe von der elektronischen Schaltung 6 noch nicht getaktet werden kann von dem Spannungssignal U4, beträgt der minimale Spannungsabfall am Spannungs-Konstanthalter als Vor­ regler 8 in der Einschaltphase mindestens 3 bis 4 V. Das be­ deutet, daß bis zum sicheren Arbeiten der Ladungspumpe die variable Eingangsspannung U1 während der Initialisierungspha­ se der elektronischen Schaltung 6 mindestens um den Betrag der Schwellspannung des Stellgliedes 1 (ca. 3-4 V) und den minimalen Spannungsabfall über dem Spannungsregler 6 über der minimal zulässigen Spannung für U6 als Versorgungsspannung für die elektronische Schaltung 6 liegen muß. Sobald die La­ dungspumpe über das Spannungssignal U4 von der elektronischen Schaltung 6 getaktet angesteuert wird, verringert sich der minimale Spannungsabfall am Spannungs-Konstanthalter als Vor­ regler 8 innerhalb weniger Millisekunden auf ca. 30 mV, so daß die Eingangsspannung U1 ab diesem Zeitpunkt auf einen Be­ trag absinken kann, der nur ca. 30 mV über der minimal zuläs­ sigen Spannung für US liegen muß, so daß die minimal zulässi­ ge Spannung für U6 zur Spannungsversorgung der elektronischen Schaltung 6 gerade noch nicht unterschritten wird.

Die Erzeugung des Spannungssignals U4 für die Ladungspumpe aus der zu versorgenden elektronischen Schaltung 6 bietet zu­ gleich einen weiteren Vorteil. Sinkt die geregelte Spannung U6 als Versorgungsspannung soweit, daß die Reset-Schaltung 7 anspricht, so wird auch das Spannungssignal U4 für die La­ dungspumpe unterbrochen. Die hohe Schwellspannung des als Leistungs-MOSFET ausgeführten Stellglieds 1 sorgt nun ihrer­ seits dafür, daß die Ausgangsspannung US des Spannungs- Konstanthalters als Vorregler 8 bei Ausfall des Spannungs­ signals U4 um 3 bis 4 V schlagartig sinkt. Damit sinkt die Versorgungsspannung U6 für die elektronische Schaltung 6 ebenfalls um diesen Betrag, was dazu führt, daß die elektro­ nische Schaltung 6 bei Unterspannung unter allen Umständen sicher deaktiviert wird bzw. bleibt. Es wird somit das Reset- Verhalten der Gesamtschaltung wesentlich verbessert. Ein un­ kontrolliertes Wiederanlaufen der Schaltung ist unmöglich, da aufgrund des fehlenden Spannungssignals U4 die Ladungspumpe nicht arbeitet, der minimale Spannungsabfall über dem Stell­ glied 1 wieder maximal ist und somit die Mindestein­ schaltspannung für U1 erst wieder überschritten werden muß.

Eine günstig realisierte Schaltung ermöglicht die Verringe­ rung der Verlustleistung im Spannungsregler 5 und somit eine Erhöhung der maximalen Betriebstemperatur, ohne den Versor­ gungsspannungsbereich merklich einzuschränken. Gleichzeitig garantiert diese Schaltung eine saubere Deaktivierung der elektronischen Schaltung 6 bis zu 0 V Eingangsspannung.

Claims (6)

1. Spannungs-Konstanthalter (8) zur Erzeugung einer stabili­ sierten Ausgangsspannung (US) aus einer variablen Eingangs­ spannung (U1),

• 1. mit einem elektronisch gesteuerten, längsregelnden Stell­ glied (1), welches über eine in einem ersten Netzwerk (2) des Spannungs-Konstanthalters (8) erzeugte, an einem ersten Kno­ ten (K1) anstehende, aus der variablen Eingangsspannung (U1) abgeleitete, stabilisierte Steuerspannung (U3) angesteuert ist,
• 2. mit einem Spannungsregler (5), welchem die stabilisierte Ausgangsspannung (U5) des Spannungs-Konstanthalters (8) als Eingangsspannung zugeführt wird, und welcher eine geregelte Ausgangsspannung (U6) erzeugt,
• 3. mit einer elektronischen Schaltung (6) und einer Reset­ schaltung (7), die beide mit der geregelten Ausgangsspannung (U6) des Spannungsreglers (5) versorgt werden, wobei die elektronische Schaltung (6) ein der geregelten Ausgangsspan­ nung (U6) zugeordnetes Spannungssignal (U4) erzeugt, und wo­ bei die Resetschaltung (7) die elektronische Schaltung (6) bei Unterspannung deaktiviert, und
• 4. mit einem zweiten Netzwerk (9) des Spannungs-Konstanthal­ ters (8), welchem das Spannungssignal (U4) der elektronischen Schaltung (6) und die variable Eingangsspannung (U1) zuge­ führt werden und welches an einem zweiten Knoten (K2) eine Spannung (U2) erzeugt, die über eine zwischen dem ersten (K1) und dem zweiten Knoten (K2) liegende Impedanz (R1) den Span­ nungsabfall am Stellglied (1) beeinflußt.

2. Spannungs-Konstanthalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Spannungssignal (U4) ein Steuersignal ist, mit welchem die Amplitude der Spannung (U2) zwischen dem ein­ fachen und einem vielfachen Wert der Amplitude der Eingangs­ spannung (U1) gesteuert wird.

3. Spannungs-Konstanthalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungssignal (U4) über die elek­ tronische Schaltung (6) pulsweiten-moduliert ist.

4. Spannungs-Konstanthalter nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Netzwerk (9) eine Ladungspumpe ist mit einem vom Spannungssignal (U4) an seiner Basis angesteuerten Transistor (T1), dessen Emitter auf Massebezugspotential liegt und dessen Kollektor über eine Kapazität (C1) mit dem zweiten Knoten (K2) verbunden ist, wo­ bei der Kollektor des Transistors (T1) über einen Widerstand (R2) mit der Eingangsspannung (U1) verbunden ist, und der zweite Knoten (K2) über eine Diode (D2) ebenfalls mit der Eingangsspannung (U1) verbunden ist, wobei die Kathode der Diode (D2) mit dem zweiten Knoten (K2) und deren Anode mit der Eingangsspannung (U1) verbunden ist.

5. Spannungs-Konstanthalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das erste Netzwerk (2) aus einer Zener-Diode (D1) besteht, deren Kathode mit dem ersten Knoten (K1) bzw. dem Steueranschluß des längsregelnden Stellgliedes (1) ver­ bunden ist und deren Anode auf Massebezugspotential liegt, daß parallel zur Zener-Diode (D1) eine Kapazität (C2) ge­ schaltet ist, und daß der Knoten (K1) über die Impedanz (R1) mit dem Knoten (K2) verbunden ist, welcher über einen Wider­ stand (R5) mit Massebezugspotential verbunden ist.

6. Spannungs-Konstanthalter nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das längsgeregelte Stellglied (1) ein N-Kanal-MOS-Feldeffekt-Transistor vom Anreicherungstyp ist.