DE2113630A1

DE2113630A1 - Elektrische Regelschaltung

Info

Publication number: DE2113630A1
Application number: DE19712113630
Authority: DE
Inventors: Dobkin Robert C; Widlar Robert J
Original assignee: National Semiconductor Corp
Current assignee: National Semiconductor Corp
Priority date: 1970-03-23
Filing date: 1971-03-20
Publication date: 1971-10-14
Also published as: JPS5318694B1; GB1325257A; FR2083494A1; US3617859A; FR2083494B1; CA921553A

Description

INNOCENTIASTRASSE 30

N. 71 022 Pl.

National Semiconductor Corporation Santa Clara, Kalif. (V.St.A.)

Elektrische Regelschaltung.

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden U.S.-Anmeldung Serial No. 21 968 vom 23. März 197o in Anspruch genommen.

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf elektrische Regler oder Regelvorrichtungen und insbesondere auf eine neuartige ungeerdete Spannungsregelschaltung in integrierter Ausführung, d.h. eine Regelschaltung mit schwebender Spannung, die eine Regelung über im wesentlichen jeden beliebigen Spannungsbereich gestattet. Die Regelschaltung läßt sich entsprechend der Erfindung auch in eine Stromregelschaltung abändern.

Bekannte und übliche Spannungsregler bestehen im allgemeinen aus einem inneren Spannungsbezugswertgeber, einem Fehlerverstärker und einer Leistungsendstufe. Der Fehlerverstärker vergleicht den inneren Bezugswert mit einem Bruchteil der Ausgangsspannung und steuert die Endstufe in solcher Weise, daß die beiden Spannungen gleich hoch gehalten werden. Einer von mehreren Nachteilen einer derartigen Reglerausbildung

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besteht bei integrierten Schaltungen darin, daß die Mindesteingangsspannung gleich ist der inneren Bezugsspannung. Da der Bezugswertgeber aus einer Zenerdiode besteht, ist die Mindesteingangsspannung durch den bei 7 Volt erfolgenden Durchbruch von Zenerdioden in integrierter Ausführung begrenzt. Daher können die meisten Regler nicht bei sehr niedrigen Spannungen arbeiten, es sei denn, daß zwei, getrennte Spannungsquellen verwendet werden.

Bei bekannten Spannungsreglern in integrierter Ausführung wird üblicherweise eine Bezugsspannung durch eine als Bezugsspannungsquelle dienende Zenerdiode erzeugt. Das Verhalten von Zenerdioden ist jedoch weder mathematisch noch theoretisch ganz geklärt, so daß infolgedessen die Herstellung einer stabilen Zenerdiode weitgehend vom Zufall abhängt und Versuche erforderlich macht, durch die vermittels Messungen eine geeignete Auswahl getroffen wird. Sobald eine geeignete Zenerdiode erhalten worden ist, liegt der zur Verfügung stehende Spannungsbereich für einen Temperaturkoeffizienten null im Bereich von 6 oder 7 Volt und darüber.

Bekannte ungeerdete Spannungsregler in integrierter Ausführung, d.h. Spannungsregler mit schwebender Spannung, weisen als äußeren Bezugswertgeber eine gewöhnliche Zenerdiode auf. Bei diesen Schaltungen ist jedoch erforderlich, daß die Eingangsspannung wenigstens 6 Volt oder mehr höher ist als die Ausgangsspannung. Aus diesem Grunde hat der Regler einen

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schlechten Wirkungsgrad, da nämlich stets ein großer Abstand zwischen der erforderlichen Speisespannung und der geregelten Spannung besteht. Wenn ein Regler beispielsweise 10 Volt liefern soll, müssen seinem Eingang wenigstens 16 Volt zugeführt werden. Es gibt zwar Zenerdioden mit niedrigen Temperaturkoeffizienten, die bei 6 oder 7 Volt arbeiten, es steht jedoch kein Bezugswertgeber mit einem Temperaturkoeffizienten null zur Verfügung, der bei Spannungen von weit unterhalb 6 Volt arbeitet. Eine praktische Ausführungsform eines schwebenden, d.h. ungeerdeten Reglers sollte daher einen Bezugswert von weniger als 6 Volt aufweisen, um den Nachteil auszuschalten, der sich aus dem Spannungsunterschied von 6 Volt zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung ergibt.

Der Erfindung liegt daher ganz allgemein die Aufgabe zugrunde, eine neuartige elektrische Mehrzweck-Regelschaltung mit regelbarer und bis auf null Volt einstellbarer Ausgangsspannung zu schaffen. Die Regelschaltung soll insbesondere aus einer neuartigen Spannungsregelschaltung in integrierter Ausführung und mit drei Anschlüssen bestehen, die eine Spannungsregelung bei jeder beliebigen Ausgangsspannung ermöglicht, und eine neuartige interne Bezugsspannungsschaltung mit dem Temperaturkoeffizienten null aufweist, die mit niedrigen Spannungen arbeitet. Die Regelschaltung mit schwebender Spannung soll in monolithisch-integrierter Bauweise ausführbar und in einer genormten Transistorbaugruppe mit drei An-

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-H-

schlußklemmen abkapselbar sein, damit die bei Leistungsbaugruppen in integrierter Ausführung und mehreren Leitungen oder Anschlüssen auftretenden Probleme vermieden werden.

Die zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene elektrische Regelschaltung mit einer Eingangsklemme, einer Ausgangsklemme und einer Schaltungseinstellklemme ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine Bezugsspannungsschal-

* tung mit einer mit der Schaltungseingangsklemme verbundenen ersten Eingangsklemme und einer ersten und einer zweiten Ausgangsklemme, wobei diese Schaltung zur Erzeugung einer stabilen Bezugsspannung zwischen der ersten und der zweiten Ausgangsklemme ausgelegt ist, ferner durch eine die zweite Ausgangsklemme mit der Schaltungseinstellklemme koppelnde ohmsche Widerstandsvorrichtung und einen die Schaltungseingangsklemme mit der Schaltungsausgangsklemme koppelnden Spannungsfolger mit einer mit der ersten Ausgangsklemme gekoppelten zweiten Eingangsklemme und einer mit der Schaltungseinstellklemme gekoppelten dritten Eingangsklemme, der auf die zwischen der zweiten und der dritten Eingangsklemme entwickelte Spannung ansprechbar ist, wenn die Schaltungseins te 1 !klemme ohmisch mit einer Massenklemme gekoppelt und zwischen der Schaltungseingangsklemme und der Massenklemme eine Eingangsspannung angelegt ist, und dazu dient, zwischen der Schaltungsausgangsklemme und der Massenklemme eine in einem vorbestimmten Verhältnis zu der an der Schaltungseinstellklemme erscheinenden Spannung stehende Ausgangs spannung

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zu erzeugen.

Die in dieser Regelschaltung verwendete Bezugsspannungsschaltung mit einer ersten und einer zweiten Klemme ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine zwischen der ersten und der zweiten Klemme geschaltete und zur Entwicklung einer mit steigender Temperatur zunehmenden Spannung dienende erste Transistorschaltung und eine zwischen der ersten und der zweiten Klemme geschaltete und zur Entwicklung einer mit abnehmender Temperatur abnehmenden Spannung dienende zweite Transistorschaltung, wobei die erste und die zweite Transistorschaltung in solcher Weise miteinander in Beziehung stehen, daß eine zwischen der ersten und der zweiten Klemme entwickelte Bezugsspannung V- über einen vorbestimmten Temperaturbereich hinweg konstant ist.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene neuartige elektrische Regelschaltung kann zur Spannungs- oder Stromregelung verwendet werden und weist eine transistorierte Bezugswertschaltung mit dem Temperaturkoeffizienten null und eine Punktionsverstärkerschaltung auf, wobei diese beiden Schaltungen in solcher Weise zusammenwirken, daß eine schwebende Mehrzweckregelschaltung mit einem bis auf null Volt einstellbaren Ausgangsspannungsregelwert gebildet ist. Die Schaltung eignet sich sehr gut für integrierte Anwendungen und läßt sich in einer genormten Leistungstransistorbaugruppe mit drei Anschlußklemmen ausführen.

BAD ORIGINAL

— O —

Ein Hauptvorteil der Erfindung besteht darin, daß die innere Bezugsspannung von einer temperaturstabilen monolithischen integrierten Schaltung geliefert wird, die einen integralen Bestandteil des Reglers bildet. In der Bezugswertschaltung werden bestimmte grundlegende Eigenschaften von Transistoren in einer besonderen Kombination zur Herleitung eines stabilen Bezugswerts niedriger Spannung für die Schaltung ausgenutzt.

^ Ein anderer Vorteil der Erfindung ist, daß die ganze Schaltung monolithisch hergestellt und in einer genormten Leistungstransistorbaugruppe mit drei Anschlüssen eingekapselt werden kann, so daß die nichtgeregelte Eingangsspannung an den einen Anschluß angelegt, ein veränderlicher Regelwiderstand mit dem anderen Anschluß zum Zwecke der Einstellung der Höhe des geregelten Spannungswertes verbunden und die geregelte Spannung an dem dritten Anschluß abgegriffen werden kann. Die Erfindung zeichnet sich außerdem dadurch aus, daß keine Zenerdioden, Rückwärts-Durchreich-Transistoren (reverse punch through

J transistors), Varistoren oder Batterien zur Erzeugung der inneren Bezugsspannung erforderlich sind, und die innere Bezugswertspannung einen niedrigen Störpegel und eine bessere Standfestigkeit, d.h. eine höhere Stabilität über einen längeren Zeitraum aufweist und sich theoretisch besser erklären läßt als entsprechende Bezugswertgeber in bekannten Reglern.

Die Erfindung wird im nachfolgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiele

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näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer ungeerdeten Spannungsrege Is chaltung mit drei Anschlüssen, entsprechend der Erfindung.

Fig. 2 ist ein zur Erläuterung der Bezugsspannungsschaltung der Erfindung dienender Schaltplan.

Fig. 3 ist ein schematischer Schaltplan einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 4 ist ein schematisches Blockschaltbild einer

Stromregelschaltung entsprechend der Erfindung.

In Fig. 1 der Zeichnung ist ein vereinfachtes Blockschaltbild der Erfindung dargestellt und zeigt einen ungeerdeten Spannungsregler mit drei Anschlüssen, der in eine herkömmliche Leistungstransistorbaugruppe mit drei Anschlußklemmen eingebaut werden kann. Die Schaltung Io weist eine Eingangsklemme 1, eine Ausgangsklemme 2 und eine Einstellklemme 3 auf, und diese drei Klemmen entsprechen den drei Anschlüssen der herkömmlichen Leistungstransistorbaugruppe. Zwischen der Eingangsklemme 1 und der Ausgangsklemme 2 ist ein Funktionsverstärker 12 geschaltet, der als Spannungsfolger (voltage follower) arbeitet und zur Regelung einer an die Klemme 1 angelegten Spannung V . dient, damit an der Ausgangsklemme

6 xn

2 eine geregelte Ausgangsspannung V__lie erhalten wird. Durch den Funkt ions verstärker 12 wird die Spannung V\ _ an der

aus

Klemme 2 gleich gemacht der an der Klemme 3 erscheinenden

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Spannung, und zwar entsprechend dem normalen Betriebsverhalten einer Spannungsfolgersehaltung, d.h. daß die Ausgangsspannung identisch ist zur Eingangsspannung.

Das an der Klemme 3 erscheinende Potential wird dadurch erzeugt, daß ein Strom I durch einen äußeren Regelwiderstand 15 erzeugt wird, welcher zwischen Klemme 3 und Masse geschaltet ist. Da die Ausgangsspannung eines Spannungsfolgers identisch sein muß zur Eingangsspannung, muß das Potential V

el ν* Θ

identisch sein dem Spannungsabfall an dem Widerstand 15. Um jedoch den Spannungsabfall an dem Widerstand 15 für eine vorgegebene Einstellung des ohmschen Widerstandes voraussagbar zu machen, muß ein konstanter Strom durch den Widerstand erzeugt werden. Zu diesem Zweck ist eine Bezugsspannungsschaltung 14 mit einem Teinperaturkoeffizienten null vorgesehen und so ausgelegt, daß sie in der angedeuteten Weise eine konstante Spannung V- zwischen ihren Ausgangsklemmen 16 und 18 erzeugen kann. Die Ausgangsklemme 18 ist mit dem negativen Eingang und dem Ausgang des Funktionsverstärkers 12 verbunden, während die an einer positiveren Spannung liegende Ausgangsklemme 16 über einen Widerstand R mit dem positiven Eingang des Punktionsverstärkers 12 verbunden ist.

Eine Eigenschaft des Funktionsverstärkers 12 besteht darin, daß das Potential zwischen seinem positiven und seinem negativen Eingang außerdem gleich null Volt sein muß. Da jedoch der positive Eingang des Funktionsverstärkers 12 einen ver-

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nachlässigbar kleinen Strom aufnimmt, ergibt sich (D V_ref - IR = O,

und da die Spannung V ~ eine Konstante und der ohmsehe Widerstand des Widerstandes R konstant ist, muß auch der durch den Widerstand R fließende Strom I konstant sein. Der positive Eingang des Punktionsverstärkers 12 nimmt einen vernachlässig- · bar kleinen Strom auf, so daß im wesentlichen der ganze Strom I über die Klemme 3 und durch den Einstell- oder Regelwiderstand 15 fließt.

Die Einstellspannung V_ad· am positiven Eingang des Punktionsverstärkers 12, d.h. an der Klemme 3 ist dann

in welcher R der ohmsche Widerstand des Widerstandes R und R^c der ohmsche Widerstand des Regelwiderstandes 15 ist. Da die Eingangsspannung am Punktionsverstärker 12 gleich ist dessen Ausgangsspannung, ergibt sich

(3) ν

aus

Die Erfindung ist ebenfalls in Fig. 2 der Zeichnungen dargestellt, welche Einzelheiten einer bevorzugten Ausführungs form der Bezugsspannungsschaltung zeigt. Die Bezugsspannungs-

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schaltung 14 weist drei Transistoren CL, Q₂ und Q, auf, die durch gleichzeitige Herstellung innerhalb einer einzigen integrierten Schaltung aneinander angepaßt sind. Die Kollektoren der Transistoren CL und Q₂ sind jeweils über den Widerstand 22 bzw. 24 mit dem Schaltungspunkt 2o verbunden, während der Kollektor des Transistors Q, unmittelbar mit dem Punkt 2o verbunden ist. Die Emitter der Transistoren Q₁ und Q, sind unmittelbar mit einem weiteren Schaltungspunkt oder

ψ einer Klemme 28 verbunden, während der Emitter des Transistors Q₂ über einen Widerstand 3o mit diesem Punkt 28 verbunden ist. Die Basis und der Kollektor des Transistors Q₁ sind durch die Leitung 32 miteinander kurzgeschlossen. Der Schaltungspunkt 2o ist mit der Eingangsklemme 1 über eine Stromquelle 34, und mit der Ausgangsklemme 3 über den Widerstand R gekoppelt. Die Klemme 28 ist mit der negativen Eigangsklemme 36 des Funktionsverstärkers 12 und mit dem Ausgang desselben verbunden, während die Klemme 3 niit der positiven Klemme des PunktionsVerstärkers 12 verbunden ist.

Die Bezugsspannungsschaltung für den Regler verwendet den negativen Temperaturkoeffizienten der Basis-Emitter-Spannung Vg_E des Transistors Q, in Verbindung mit dem positiven Temperaturkoeffizienten des Basis-Emitter-Differentials AVgg der bei verschiedenen Stromdichten betriebenen Transistoren Q₁ und Q₂,um zwischen den Punkten 2o und 28 eine Bezugsspannung Vf, mit dem Temperaturkoeffizienten null zu erzielen.

Die Basis-Emitter-Spannung für den Transistor Q, ist vorgegeben

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durch folgende Gleichung:

^VBE = Vg₀[I-(TZT₀)J ■+ V_BEq(T/T₀) ₊

(nkT/q)ln(T₀/T) +

(kT/q)ln(I_r/I_r ) O C₀

-nspannung

in welcher Vg₀ die extrapolierte Energiebandlücke/des Halbleitermaterials am absoluten Nullpunkt (etwa 1,205 Volt), q die Elektronenladung, η eine von der Transistorherstellung abhängige Konstante (etwa 1,5 für integrierte Transistoren), k die Boltzmann-Konstante, T die absolute Temperatur, I_ß der Kollektorstrom und V_n„ die Basis-Emitter-Spannung an T_n und

Bb₀ υ

I_n ist. Das Basis-Emitter-Differential AV_nt, zwischen den C₀ BE

mit unterschiedlichen Stromdichten betriebenen Transistoren Q₁ und Q₂ wird vorgegeben durch die Gleichung:

(5) Δν_βΕ = (kT/q)In(J₁J₂)

in welcher J die Stromdichte ist.

Die letzten beiden Summanden in Gleichung (4) sind verhältnismäßig klein und können daher vernachlässigt werden. Wenn die Bezugswertschaltung eine Spannung V_ßE plus einer ^ÄVBE P^r°P^ort:J-^onalen Spannung aufweist, wird das Ausgangssignal dadurch erhalten, daß die Gleichung (H) (unter Weglassung der letzten beiden Summanden) zur Gleichung (5) addiert wird, so daß sich ergibt:

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ifi^ V - Vcr M-TZT ^ + V (Ψ/Τ }

\ ° / ^v ·«« -ρ ^v &o * O BE ^O

Rn Ii

durch Differenzieren nach der Temperatur erhält man

(7) *^Vref^/6T = * ^VSO^/TO ^{+ V}BE_o ^/T0

^- (KZq)In(J₁ZJ₉)

30 ¹ ²

Für einen Temperaturkoeffizienten null ist dieser Ausdruck gleich null. Wenn die Gleichung gleich null gesetzt und in Gleichung (6) eingesetzt wird, erhält man

(8) V_ref = Vg

Wenn daher die Summe von V„_E und der ÄV„_E proportionalen Spannung gleich ist der Energiebandlücke des Halbleitermaterials, ergibt sich eine Bezugsspannung mit dem Tempera turkoeffizienten null zwischen den Klemmen 2o und 28. Die Bezugsspannung V „ kann ganz allgemein ausgedrückt werden durch

(9) V_ref = a[bV_BE +CAV₁JgJ = aVg₀

in welcher a, b und c Konstanten sind.

In der bevorzugten Ausführungsform werden die Transistoren Q₁ und Q₂ bei unterschiedlichen Stromdichten betrieben,

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so daß an dem Widerstand 3o ein Stromabfall entsteht, der proportional ist dem Basis-Emitter-Differential AV_BE· Wenn die Stromverstärkungen hoch sind, ist die Spannung am Widerstand 24 ebenfalls proportional dem Differential, so daß die am Widerstand 24 erscheinende Spannung zu der Spannung V_ßE des Transistors Q, addiert werden kann, um die gewünschte Bezugsspannung zu erhalten. Der Transistor Q, stellt die Verstärkerstufe dar, bewirkt die Regelung und außerdem die Vgg-Komponente des Bezugswerts.

Der durch den Transistor Q₂ hervorgerufene Stromdurchgang ist proportional dem AV_ßE zwischen den Transistoren Q₁ und Q₂, da die Basis-Emitter-Kreise der beiden Transistoren parallelgeschaltet sind. Wenn beispielsweise die Widerstände 22 und 3o jeweils 600 Ohm aufweisen und der Widerstand 24 einen Wert von 6 000 0hm hat, wird der Transistor Q₁ mit einem Strom von 1 mA, und der Transistor Q₂ mit einem Strom von 100 μΑ betrieben. Das AV_ßE wird dadurch verursacht, daß der Transistor Q₂ außerdem eine bestimmte Basis-Emitter-Spannung aufweist. Da jedoch der Widerstand 3o im Emitterkreis des Transistors Q₂ liegt, ist dessen Basis-Emitter-Spannung V_ßE kleiner als die des Transistors Q₁, und zwar um einen Betrag, der durch den Spannungsabfall am Widerstand 3o bestimmt ist.

Wenn zwei Transistoren wie z.B. die Transistoren Q₁ an i Q in ctLeGor Ausbildung verwendet werden, wird zwischen

) ': μ ' ' BAD ORIGINAL

diesen ein AV_ßE erzeugt, das bei Zimmertemperatur und für ein Stromverhältnis 10:1 zwischen den beiden Transistoren angenähert 60 mV beträgt. Der Transistor Q_ hat dann eine um 60 mV niedrigere V_ßE als der Transistor Q₁, und diese 60 mV erscheinen an dem Widerstand 30. Da das AV_nT? zwischen

OCi

den Transistoren Q. und Q₂ einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, nimmt die Spannung am Widerstand 3o bei ansteigender Temperatur in einem solchen Maße zu, das direkt proportional ist der absoluten Temperatur, wobei sich ein völlig linearer Verlauf ergibt. Der Kollektorstrom des Transistors Q₂ ist angenähert gleich sdnem Emitterstrom, wenn das beta des Transistors hoch ist. Somit ist die am Widerstand 24 erzeugte Spannung ebenfalls direkt proportional der Temperatur und nimmt mit steigender Temperatur zu.

Bei Stromänderungen in dem Transistor Q₁ verändert sich der Kollektorstrom des Transistors Q_ mit dem dekadischen Logarithmus der Änderung, wodurch eine Abschwächung der Stromänderung zwischen den Transistoren Q₁ und Q₂ hervorgerufen wird. Das bedeutet beispielsweise, daß dann, wenn sich der Strom durch den Transistor Q₁ um einen Paktor 2 ändert, der durch den Transistor Q₂ fließende Strom sich nur um einen Paktor 0,3 ändert. In erster Näherung ist daher der Strom durch den Transistor Q_ verhältnismäßig gut stabilisiert gegenüber in dem Transistor Q₁ auftretenden Stromschwankungen.

■ι (ι η a λ ? / μ 81

Der Transistor Q- ist unmittelbar mit den Schaltungspunkten 2o und 28 verbunden, und seine Basis ist mit dem Kollektor des Transistors Q_n verbunden. Da das V_ntr von Q, mit steigender Temperatur abnimmt und von dem Kollektor von Qp über den Widerstand 3o und zu dessen Basis eine Rückkopplungsschleife gebildet ist, bewirkt ein vermittels der Quelle 34 an den Punkt 2o angelegter konstanter Strom, daß sich die Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q, lediglich in Abhängigkeit von der Temperatur verändert, da dessen Kollektorstrom konstant ist. Die Kollektorspannung des Transistors Q, ist gleich dessen Basis-Emitter-Spannung plus dem Spannungsabfall an dem Widerstand 2.4, welcher durch den Kollektorstrom des Transistors Qp verursacht ist. Durch geeignete Wahl des Wertes für den Widerstand 24 läßt sich für die Spannung zwischen den Punkten 2o und 28 ein Nettotemperaturkoeffizient gleich null erhalten. Anders ausgedrückt, die mit dem negativen Koeffizienten behaftete Spannung zwischen Basis und Emitter des Transistors Q, und die mit dem positiven Koeffizienten behaftete und auf den Strom des Transistors Q_? durch den Widerstand 24 zurückzuführende Spannung halten sich gegenseitig die Waage, so daß ein Nettotemperaturkoeffizient gleich null erhalten wird. Diese "Verhältnisse werden durch die vorstehenden Jleichungen erklärt. Die Bezugsspannung V „ für die hier dargestellte bevorzugte Ausführungsform beträgt 1,205 \olt.

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Die Gleichung (7) gibt die Spannungsverhältnisse für Teraperaturkoeffizienten null an. Die Spannungsverhältnisse bleiben jedoch unverändert, wenn beide Seiten der Gleichung mit einer Konstante multipliziert werden. Wie ohne weiteres einleuchtend, läßt sich ein Bezugswert mit dem Temperaturkoeffizienten null auch für doppelte Vg₀ herstellen, indem für V~ zwei in Reihe geschaltete Transistoren und ein proportional größerer Betrag von AV_RE verwendet werden. Die Ausgangsspannung der Bezugsspannungsschaltung ist nicht auf ganzzahlige Werte von Vg₀ beschränkt. Bei Verwendung von Bruchteilen von V_ßE in Verbindung mit einem proportionalen Anteil von AV™ läßt sich jede beliebige Ausgangsspannung erhalten.

Der Punktionsverstärker 12 ist als Spannungsfolger geschaltet, welcher die Eigenschaft aufweist, daß die Eingangsspannung und die Ausgangsspannung einander genau gleich sind. Da der Emitter des Transistors Q, mit der Eingangsklemme 36 des Punktionsverstärkers 12 verbunden, und sein Kollektor über den Widerstand R mit der Eingangsklemme 38 verbunden ist, liegt der Kollektor des Transistors Q, um 1,205 Volt über dem Ausgang des lünktionsverstärkers 12, und zwar unabhängig von dem Ausgang desselben, da die Ausgangsklemme 2 über die Leitung ko unmittelbar mit dem Eingang 36 gekoppelt ist. Der Verstärker 12 ist ein Verstärker hohen Verstärkungsgrades, der seine Eingangs- und Ausgangs'spannung mit hoher

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Genauigkeit einander gleich hält.

Bei dem Spannungsfolger muß die Spannung zwischen dem positiven und dem negativen Eingang stets angenähert gleich null sein. Wenn daher der Widerstand R zwischen dem Schaltungspunkt 2o und der Eingangsklemme 3 geschaltet ist, muß dem Widerstand R notwendigerweise eine konstante Spannung aufgedrückt werden. Somit muß der von der BezugsSpannungsquelle m zur Klemme 3 fließende Strom notwendigerweise gleich sein 1,205 "Volt geteilt durch den Wert des Widerstandes R, und da der positive Eingang des Spannungsfolgers 12 einen vernachlässigbar kleinen Strom aufnimmt, läßt sich sagen, daß der ganze, durch den Widerstand R fließende Strom auch durch den Regelwiderstand 15 zur 31 asse fließt. Der Regelwiderstand 15 dient dabei als Einstellwiderstand zur Steuerung der an der Ausgangsklemme 2 erscheinenden Spannung.

Wenn beispielsweise ein konstanter Strom von 100 μΑ durch den Widerstand R fließt, fHessen notwendigerweise 100 μΑ durch den Einstellwiderstand 15 zur Masse. Die Spannung an der positiven Eingangsklemme 38 des Spannungsfolgers 12 ist daher eine Punktion des Widerstandswertes des Widerstandes 15 und der Stromstärke von 100 μΑ. Da die Stromstärke von 100 μΑ konstant ist, steht die Spannung an der positiven Eingangsklemme in direkter Beziehung zu dem Widerstandswert des Widerstandes 15. Da außerdem die Spannung an der Ausgangsklemme 2 in diräter Beziehung zu der an die-Klemme 3 angeleg-

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ten Eingangsspannung steht, läßt sich ersehen, daß die an den ganzen Regler angelegte Spannung gleich ist V. - V _, und in keinem Bezug zur ^asse oder Erde steht. Der Spannungsregler liefert somit eine schwebende Spannung und ist in der Lage, jede beliebige Spannung zu regeln, so lange wie V - "V kleiner ist als das Durchbruchpotential der Schaltungselemente.

* Wie aus den vorstehenden Ausführungen ersichtlich, besteht die 3rundlage für den Betrieb des Reglers darin, daß ein konstanter Strom erzeugt und zum Durchfließen eines Einstellwiderstandes gebracht wird, um die gewünschte geregelte Spannung zu erhalten. Die einzige Bedingung im Hinblick auf die Spannung, welche an der Ausgangsklemme 2 geregelt werden kann, besteht darin, daß der thterschied zwischen der Ausgangsspannung und der nichtgeregelten Eingangsspannung nicht größer sein darf als die für die Regelschaltung Io zulässige Spannung.

In Fig. 3 ist ein vereinfachter schematischer Schaltplan dner bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Bezugsspannungsschaltung 11 weist jedoch hier einen zusätzlichen Transistor Q₁, auf, der zwischen den Schältungspunkten 2o und 28 geschaltet ist, und im Kollektorkreis des Transistors Q, liegt ein zusätzlicher Widerstand 27.

Da die Bezugsspannung an dem Schaltungspunkt 2o proportional ist der Basis-Emitter-Spannung des Transistors

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Q, plus der Spannung an dem Widerstand 27* sollte die Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q- so konstant wie möglich gehalten werden. Das kann beispielsweise dadurch erzielt werden, daß der zusätzliche Transistor Q₁. vorgesehen wird, der Stromänderungen der Stromquelle 34 aufnimmt. Da die Änderungen des Basisstroms des Transistors ein kleiner Bruchteil jeder Stromänderung sind (d.h. die BasisStromänderung des Transistors Q₁. ist gleich der Stromänderung an Q^, geteilt durch beta), erfährt der Transistor Q, nur eine sehr kleine Kollektorstromänderung. Der Transistor Q|, vergrößert den \erstärkungsgrad der Bezugswertschaltung bei Stromstärkenänderungen. Wenngleich ein derartiger Transistor zur Ausführung der Erfindung nicht erforderlich ist, wird er in der Praxis normalerweise vorgesehen, um die Bezugswertschaltung im Hinblick auf Eingangsspannungsänderungen stabiler zu machen. <3enau wie bei der in Pig. 2 dargestellten Ausführungsform dient auch hier der Widerstand R zur Einstellung der zur Einstellklemme 3 fließenden Stromstärke.

Der Spannungsfolger 12 besteht aus drei Stufen, nämlich einem ersten Differentialverstärker 5o, einem zweiten Differentialverstärker 52 und einem Emitterverstärker 54. Der "\ferstärker 5o besteht aus den Transistoren Qc, Qg, Q₇ und Qg in "\ferbindung mit den Widerständen 56 und 58. Die Basis des Transistors Q,- bildet den positiven Eingang des funktions-Verstärkers 12 und ist mit der Einstellklemme 3 verbunden.

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Die Basis des Transistors Qg bildet einen negativen Eingang für den fünktionsverstärker 12 und ist mit der Leitung 29 verbunden, welche die Ausgangsklemme 2 mit dem Schaltungspunkt 28 verbindet. Stromquellen 6o und 62 sind entsprechend der Darstellung zur Speisung des Verstärkers vorgesehen. Ein Spannungsunterschied zwischen den Kollektoren der Transistoren Q„ und Qg (d.h. auch zwischen den Widerständen 56 und 58) ist proportional der Spannungsdifferenz zwischen der Basis des Transistors Qj- und der Basis des Transistors Qg. Die Schaltung ist abgeglichen, wenn die Eingänge an die Transistoren Q₁. und Qg einander gleich sind und zwischen den Kollektoren der Transistoren Q„ und Qg kein Spannungsunterschied erzeugt wird. Infolge der Widerstände 56 und 58 bildet der Vferstärker 5o eine Differential- Vecstärkerstufe, deren Ausgang mit dem Differentialverstärker 52 gekoppelt ist.

Die Basis des Transistors Q_g ist mit dem Kollektor des Transistors Q₇, und die Basis des Transistors Q₁ ist mit dem Kollektor des Transistors Qg verbunden, so daß der zweite Differentialverstärker 52 ebenfalls abgeglichen ist, wenn die Kollektorspannungen der Transistoren Q₇ und Qg einander gleich sind. Anders ausgedrückt, der "Verstärker 52 spricht auf Spannungsunterschiede zwischen den Kollektoren der Transistoren Q„ und Q_Q an. Eine Stromquelle Sk ver-

1 ο

bindet den Kollektor des Transistors Q₁₀ mit der Eingangs-

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klemme, und ein Widerstand 66 verbindet die Emitter der Transistoren Q_q und Q₁ mit der gemeinsamen Leitung 29.

Der Ausgang des "Verstärkers 52 wird am Kollektor des Transistors Q₁₀ abgegriffen und speist die Emitterverstärkerschaltung 5¹*» die aus den Transistoren Q₁₁ und Q₁P besteht und eine Stromverstärkung am Schaltungsausgang liefert. Da der Emitter des Transistors Q₁₂ mit der gemeinsamen Leitung 29 verbunden ist, steht auch der Ausgang mit der Basis des Transistors Qg in "Verbindung, so daß eine negative Rückkopplung, d.h. eine Gegenkopplung für die Schaltung gebildet ist.

Die Arbeitsweise der Schaltung läßt sich wie folgt erklären. Dazu sei angenommen, daß die Spannung an der Basis des Transistors Q^ zu einem positiven Wert hin verändert wird, was beispielsweise dann der Fall ist, wenn der Widerstandswert des Widerstandes 15 vergrößert wird. Dadurch wird die Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q,-· verringert, so daß dieser abgeschaltet wird. Durch die Abschaltung des Transistors Q₁- wird wiederum die Basis-Emitter-Spannung des Transistors Qr, verringert und dieser abgeschaltet. Damit wird wiederum der Differentialverstärker Qg angeschaltet. Da sich Q„ abschaltet, steigt seine Spannung an, während die Spannung am Kollektor des Transistors Qo abnimmt, da sich dieser anschaltet. Der sich dadurch ergebende Stromdurchgang durch die Widerstände 56 und 58 liefert eine Differenzspannung an den

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Basen der Transistoren Q_g und Q_lo» wodurch der Transistor Q₁ abgeschaltet und mehr Strom von der Stromquelle 64 der Basis des Transistors Q₁₁ zugeführt wird, wodurch der Emitterverstärker 5¹I noch stärker angeschaltet wird, um seinerseits das Potential V _s an der Klemme 2 auf einen höheren Wert zu bringen.

Da die Klemme 2 über die gemeinsame Leitung 29 mit ■ der Basis des Transistors Qg verbunden ist, besteht eine vollständige Hegelschleife, welche die Potentialzunahme an der Klemme 2 beendet, wenn die Basis des Transistors Qg das gleiche Potential wie die Basis des Transistors Q₁-erreicht. Das heißt, daß der Ausgang des Emitterverstärkers 5*1 die Speisequelle abschaltet, um das Potential an der Ausgangsklemme 2 genau gleich dem Potential an der Klemme 3 zu halten. Die Differentialstufe 52 ist lediglich zu dem Zweck eingeführt, den "Verstärkungsgrad zu steigern und eine höhere 3 enauigkeit des Emitterverstärkers 5¹*» sowie eine bessere Trennung zwischen der Einstellklemme und der Ausgangsklemme zu erzielen. Sie könnte jedoch auch in R>rtfall kommen, und in diesem Rille wird dann die Basis des Transistors Q₁₁ mit dem Kollektor des Transistors Q₇ verbunden. Bei der bevorzugten Ausführungsform werden jedoch die beiden Stufen aus den vorstehend beschriebenen Gründen verwendet.

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Die Schaltung gestattet die Regelung jeder beliebigen Spannung von null Volt an aufwärts, da der Regler vollkommen frei schwebt und nur den Potentialunterschied zwischen den Klemmen 1 und 2 "sieht". Wie bereits ausgeführt, besteht die einzige Bedingung darin, daß der Ihterschied zwischen der an die Eingangsklemme !.angelegten Spannung und der an der Ausgangsklemme 2 erscheinenden Spannung auf einem Wert gehalten werden muß, der kleiner ist als das Durchbruchpotential der in der Schaltung vorhandenen Transistoren. Die Transistoren Q₁₁ und Q₁P können in entsprechender Weise abgeändert werden, um an die verschiedenen zu veranschlagenden Belastungen angepaßt zu sein. Mit anderen Worten, die hier beschriebene Schaltung gestattet sowohl die Regelung sehr hoher Spannungen als auch sehr niedriger Spannungen, So läßt sich beispielsweise mit der beschriebenen Regelschaltung auch eine Aus gangs spannung von 300 "Volt an der Klemme 2 regeln. Da jedoch das Durchbruchpotential der in integrierter Schaltungstechnik ausgeführten Transistoren der Schaltung etwa 50 Volt beträgt, müßte in diesem I&lle die höchste Eingangsspannung kleiner sein als 350 Volt, um eine Beschädigung oder Zerstörung der Schaltung zu vermeiden.

In fig. ¹J der Zeichnung ist schließlich ein Stromregler dargestellt, welcher auf der gleichen Schaltung mit drei Anschlüssen wie der in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen gezeigte Spannungsregler beruht, mit der Ausnahme,

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daß das untere Ende des Einstellwiderstandes 15 hier nicht mit Masse, sondern mit einer äußeren Ausgangsklemme 4 verbunden ist, die Über den Widerstand 7o in Verbindung steht mit der Ausgangsklemme 2. Ein durch den Widerstand 15 zur Klemme Ί fließender und einen Spannungsabfall von 1 Volt an dem Widerstand erzeugender Strom bewirkt, daß an der positiven Eingangsklemme 38 des Verstärkers 12 eine Spannung erscheint, die auf den Widerstand 15 zurückzuführen ist. Da jedoch die Potentiale an dem Eingang und dem Ausgang des Verstärkers 12 einander identisch sein müssen, muß am Widerstand 7o zwischen Klemme 4 und Klemme 2 ein Spannungsanstieg von 1 Volt erfolgen, um jeden zwischen den Klemmen 2 und 3 erscheinenden Potentialunterschied auszugleichen. Daher ist der durch den Widerstand 7o fließende und an der Ausgangsklemme k zur Verfügung stehende Strom unabhängig von der Belastung, welcher der Strom zugeführt wird, und ist direkt proportional dem ohmschen Widerstandswert des Widerstandes 15.

Während bei bekannten Reglern Zenerdioden für die Bezugsspannung erforderlich sind, werden für die erfindungsgemäße Regelschaltung überhaupt keine Zenerdioden benötigt, und sämtliche aktive Bauelemente können aus einfachen Transistoren in integrierter Ausführung bestehen. Aufgrund der Tatsache, daß für die Erfindung Transistoren verwendet werden, die ein gutes Betriebsverhalten zeigen und in ihren

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Eigenschaften genau bekannt sind, läßt sich die erfindungsgemäße Regelschaltung so auslegen, daß sie eine gute Stabilität besitzt und im Hinblick auf kleine SpannungsSchwankungen einen wesentlich geringeren Störpegel als eine Zenerdiodenschaltung aufweist. So hat z.B. eine Schaltung nach der Erfindung einen Störpegel von weniger als 20 μV, wohingegen die meisten Zenerdiodenschaltungen Störpegel von höher als 1 mV aufweisen. Der hier dargestellte Regler ist für positive Spannungen bestimmt, für negative Spannungen lassen sich komplementäre Transistoren in entsprechender Schaltung verwenden.

- Patentansprüche 109842/1187

Claims

Patentansprüche

( 1.)Elektrische Regelschaltung mit einer Eingangsklemme, einer Ausgangsklemme und einer Schaltungseinstellklemme, gekennzeichnet durch eine Bezugsspannungsschaltung (14, 11) mit einer mit der Schaltungseingangsklemme (1) verbundenen ersten Eingangsklemme und einer ersten und einer zweiten Ausgangsklemme.(16, 18), wobei diese Schaltung zur Erzeugung

" einer stabilen Bezugsspannung (V _f) zwischen der ersten und der zweiten Ausgangsklemme ausgelegt ist, ferner durch eine die zweite Ausgangsklemme (18) mit der Schaltungseinstellklemme (3) koppelnde ohmsche Widerstandsvorrichtung (R) und einen die Schaltungseingangsklemme (1) mit der Schaltungsausgangsklemme (2) koppelnden Spannungsfolger (12) mit einer mit der ersten Ausgangsklemme gekoppelten zweiten Eingangsklemme (36) und einer mit der Sehaltungseinstellklemme gekoppelten dritten Eingangsklemme (38), der auf die zwischen

Ii der zweiten und der dritten Eingangsklemme entwickelte Spannung ansprechbar ist, wenn die Sehaltungseinstellklemme ohmisch mit einer Aassenklemme gekoppelt und zwischen der Schaltungseingangsklemme und der Massenklemme eine Eingangsspannung (Vg^_n) angelegt ist, und dazu dient, zwischen der Schaltungsausgangsklemme und der Massenklemme eine in einem vorbestimmten Verhältnis zu der an der Sehaltungseinstellklemme erscheinenden Spannung stehende Ausgangsspannung (V) zu erzeugen.

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2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannungsschaltung (1Ί) aus einem ersten Transistor (Q₁), dessen Emitter mit der ersten Ausgangsklemme (16), dessen Kollektor mit der zweiten Ausgangsklemme (18) und dessen Basis mit dem Emitter gekoppelt ist, und einem zweiten Transistor (Q₂)* dessen Basis mit dem Kollektor des ersten Transistors, dessen Kollektor mit der zweiten Ausgang8klenme und dessen Emitter mit der ersten Auegangsklemme gekoppelt ist, wobei der erste und der zweite Transistor unterschiedliche Stromdichten (J₁ bzw. J₂) aufweisen, so daß das Basis-Emitter-Differential (AV_otr) zwischen diesen einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist und ausdrüekbar ist durch die 3leichung

in welcher k die Boltzmann-Konstante, T die absolute Temperatur und q die Elektronenladung ist, sowie einer betriebsmäßig mit dem ersten und dem zweiten Transistor kombinierten und einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweisenden Schaltung besteht, wobei die Bezugsspannung einen Temperaturkoeffizienten von im wesentlichen gleich null aufweist.
3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung einen dritten Transistor (Q,) aufweist, dessen Basis mit dem Kollektor des zweiten Transistors, dessen

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Emitter mit der ersten Ausgangsklemme (16) und dessen Kollektor mit der zweiten Ausgangsklemme (18) verbunden ist, wobei der negative Temperaturkoeffizient eine funktion der Basis-Emitter-Spannung (V_ßE) des dritten Transistors ist.
4. Schaltung nach Anspruch 3₉ dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannung (V-.) vorgegeben ist durch die (3 Ie ίο hung

^Vref - ^a(bVBE ^{+ ciV}BE>

in welcher a, b und c Konstanten sind.
5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsfolger aus einem lunktionsverstärker (12) mit einer ersten Differentialverstärkerstufe (5o) und einer Emitterverstärkerstufe (54) besteht, wobei die Emitterverstärkerstufe auf die erste Differentialverstärkerstufe ansprechbar ist, um die Schaltungseingangsklemme (1) mit der Schaltungsausgangsklemme (2) zu koppeln.
6. Schaltung nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß außerdem eine zweite Differentialverstärkerstufe (52) vorgesehen ist, welche die erste Differentialverstärkerstufe mit der Emitterverstärkerstufe koppelt.
7. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem eine äußere Anschlußklemme (4), ein die Schal-

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tungseinstellkleirane (3) mit der äußeren Anschlußklemme verbindender veränderlicher ohmscher Widerstand (15) und ein die äußere Anschlußklemme mit der Schaltungsausgangsklemme (2) verbindender äußerer ohmscher Widerstand (7o) vorgesehen sind, wobei die Regelschaltung einen geregelten Strom an der äußeren Anschlußklemme (4) liefert.
8. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem ein die Schaltungseinstellklemme mit der'4assenklemme verbindender veränderlicher ohmscher Widerstand (15) vorgesehen ist, wobei die Ausgangsspannung durch Einstellen des veränderlichen ohmschen Widerstandes (15) beliebig einstellbar ist.
9. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannungsschaltung eine zur Entwicklung einer mit steigender Temperatur zunehmenden Spannung dienende erste Transistorschaltung (Q₁, Q₂) und eine zur Entwicklung einer mit abnehmender Temperatur abnehmenden Spannung dienende zweite Transistorschaltung (Q_, Q,) aufweist, wobei die erste und die zweite Transistorschaltung zwischen der ersten Eingangsklemme (1) und der ersten Ausgangsklemme (16) in einer solchen Weise miteinander gekoppelt sind, daß die Bezugsspannung einen Temperaturkoeffizienten gleich null aufweist.
10. Schaltung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die erste Transistorschaltung einen ersten Transistor

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(Q ), dessen Basis mit dem Kollektor, dessen Emitter mit der ersten Ausgangsklemme (16) und dessen Kollektor mit der zweiten Ausgangsklemme (18) gekoppelt ist, und einen zweiten Transistor (Q_?) aufweist, dessen Basis mit dem Kollektor des ersten Transistors, dessen Emitter mit der ersten Ausgangsklemme und dessen Kollektor mit der zweiten Ausgangsklemme gekoppelt ist, und die zweite Transistorschaltung einen dritten Transistor (Q_x) aufweist, dessen Basis mit ^v dem Kollektor des zweiten Transistors, dessen Emitter mit der ersten Ausgangsklemme und dessen Kollektor mit der zweiten Ausgangsklemme verbunden ist, wobei das Bezugspotential einen Temperaturkoeffizieriten null aufweist.
11. Bezugsspannungsschaltung für eine elektrische Regelschaltung nach einem der Ansprüche l-lo, mit einer ersten und einer zweiten Klemme, gekennzeichnet durch eine zwischen der ersten und der zweiten Klemme (16, 18) geschaltete und zur Entwicklung einer mit steigender Temperatur

zunehmenden Spannung dienende erste Transistorschaltung (Q₁, Q₂) und eine zwischen der ersten und der zweiten Klemme geschaltete und zur Entwicklung einer mit abnehmender Temperatur abnehmenden Spannung dienende zweite Transistorschaltung (Q₂, Q,), wobei die erste und die zweite Transistorschaltung in solcher Weise miteinander in Beziehung stehen, daß eine zwischen der ersten und der zweiten Klemme entwickelte Bezugs spannung (^._ef) über einen vorbestimmten Temperaturbereich hinweg konstant ist.

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12. Schaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Transistorschaltung einen ersten Transistor (Q₁), dessen Emitter mit der ersten Anschlußklemme, dessen Kollektor mit der zweiten Anschlußklemme und dessen Basis mit dem Kollektor verbunden ist, und einen zweiten Transistor (Q₀) aufweist, dessen Basis mit dem Kollektor des ersten Transistors, dessen Emitter mit der ersten Anschlußklemme und dessen Kollektor mit der zweiten Anschlußklemme gekoppelt ist, wobei die zweite Transistorschaltung einen dritten Transistor (Q ) aufweist, dessen Basis mit dem Kollektor des zweiten Transistors, dessen Emitter mit der ersten Anschlußklemme und dessen Kollektor mit der zweiten Anschlußklemme verbunden ist.
13. Schaltung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Spannung proportional ist dem Basis-Emitter-Differential (Δ\' ) zwischen dem ersten und dem zweiten Transistor, und die zweite Spannung proportional ist der Basis-Emitter-Spannung (V_ßE) des dritten Transistors.
14. Schaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannung (V _f) vorgegeben ist durch die gleichung

in welcher a, b und c Konstanten sind.

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