DE3341344A1

DE3341344A1 - Laengsspannungsregler

Info

Publication number: DE3341344A1
Application number: DE19833341344
Authority: DE
Inventors: Joachim G. Dr. 8019 Steinhöring Melbert
Original assignee: SGS ATES Deutschland Halbleiter Bauelement GmbH
Current assignee: SGS ATES Deutschland Halbleiter Bauelement GmbH
Priority date: 1983-11-15
Filing date: 1983-11-15
Publication date: 1985-05-23
Also published as: IT1178233B; SG72687G; US4633162A; GB2151375B; FR2554989B1; IT8449161A0; DE3341344C2; ES537657A0; JPS60169915A; FR2554989A1; GB8428768D0; ES8601503A1; IT8449161A1; JPH0519731B2; GB2151375A

Description

Längsspannungsregler

Die Erfindung betrifft einen Längsspannungsregler gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein herkömmlicher Längsspannungsregler dieser Art, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, wird dazu verwendet, einen Verbraucher mit einer stabilisierten Gleichspannung zu versorgen. Um die nominelle Ausgangsspannung des Längsspannungsreglers zu erhalten, muß dessen Eingangsspannung einen bestimmten Grenzwert überschreiten. Fällt die Eingangsspannung unter diesen Grenzwert, steuert der Differenzverstärker den Regeltransistor in die Sättigung. Aufgrund des niedrigen Kollektor-Emitter-Sättigungswiderstandes des Regeltransistors T können in diesem Sättigungszustand Störspannungen, beispielsweise Störwechselspannungen, nahezu ungehindert zum Reglerausgang gelangen. Eine Störunterdrückung tritt also nur im Normalspannungsbereich auf, d.h., bei Eingangsspannungen, die über dem Grenzwert liegen, bei dem auf der Ausgangsseite die Nominalspannung erreicht werden kann.

In verschiedenen Anwendungen, z.B. für Autoradios, wird neben der Stabilisierung des Gleichspannungsmittelwertes am Ausgang des Längsspannungsreglers eine Unterdrückung der Wechselspannungsanteile des Eingangssignals gefordert. Diese Eigenschaft soll nicht nur im Bereich hoher Eingangsspannungen erfüllt sein, sondern auch im Unterspannungsbereich, in dem die Ausgangsspannung ihren Nominalwert nicht mehr erreicht.

Bad

Zur Erfüllung dieser Forderung ist es möglich, einen herkömmlichen RC-Tiefpaß mit dem herkömmlichen Längsspannungsregler in Kette zu schalten. Dies führt zu zusätzlichem Aufwand und zusätzlicher Verlustleistung im Widerstand des RC-Tiefpasses. Diskrete Schaltungen aus einer Transistor-Zenerdioden-Kondensator-Kombination führen nur zu nicht zufriedenstellenden Näherungslösungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Längsspannungsregler zu überwinden und insbesondere den Längsspannungsregler der eingangs angegebenen Art so zu verbessern, daß im gesamten Eingangsspannungsbereich eine sichere Störunterdrückung auf möglichst einfache und leistungssparende Art ermöglicht wird.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben und kann den Unteransprüchen gemäß vorteilhaft weitergebildet werden.

Mit der Erfindung ist ein Längsspannungsregler verfügbar gemacht worden, der die Funktion eines Reglers im Normalspannungsbereich mit der Funktion eines Tiefpaßfilters im Unterspannungsbereich vereinigt, wobei der Spannungsabfall am Regler für die Tiefpaßoperation stromunabhängig ist. Der erfindungsgemäße Längsspannungsregler besitzt im Unterspannungsbereich Tiefpaßcharakter, ohne daß die Nachteile eines konstanten ohm'sehen Längswiderstands auftreten.

Im Normalspannungsbereich stellt sich eine Differenz zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung ein, die am Ausgang der Transkonduktanzschaltung einen Strom verursacht, der den Kondensator zunehmend auflädt, bis dessen Ladespannung von der Spannungsbegrenzungsschaltung auf einen Maximalwert begrenzt wird. Solange die Eingangsspannung so groß ist, daß selbst negative Störspitzen begrenzter Amplitude den Regeltransistor nicht in die Sätti-

gung bringen, zeigt der Längsspannungsregler das übliche Regelverhalten. Sobald aber negative Störspitzen auftreten, während welcher der Regeltransistor in die Sättigung gelangen könnte, was anhand der Differenz zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung festgestellt wird, wird die Ausgangsspannung des Längsregelverstärkers auf einen niedrigeren Wert herabgeregelt, derart, daß der Regeltransistor nachfolgend auch während solcher negativen Störspitzen nicht in die Sättigung gelangt. Dies wird dadurch erreicht, daß bei einer Differenzspannung zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Längsregelverstärkers, bei deren Unterschreiten der Regeltransistor durch Störungen in die Sättigung gelangen würde, der am Ausgang der Transkonduktanzschaltung fließende Strom umgekehrt wird und somit eine Entladung des Kondensators bewirkt. Dadurch verringert sich die Bezugsspannung des Differenzverstärkers und als Folge davon wird die Reglerausgangsspannung auf einen "verringerten Nominalwert" herabgeregelt. Durch die Absenkung der Ausgangsspannung stellt sich die Differenz zwischen der Eingangs- und der Ausgangsspannung wieder auf einen Wert ein, bei dem einerseits der Regeltransistor durch Störungen nicht in die Sättigung gelangen kann und andererseits der Strom am Ausgang der Transkonduktanzschaltung auf 0 zurückgeht. Steigt danach die Eingangsspannung wieder an, kann der Strom am Ausgang der Transkonduktanzschaltung wieder seine Richtung umkehren und den Kondensator erneut auf eine höhere Bezugsspannung aufladen.

Die Herabregelung der Ausgangsspannung unter den Nominalwert findet auch statt, wenn die Eingangsspannung gleichspannungsmäßig im Unterspannungsbereich liegt.

Bei dem erfindungsgemäßen, mit zeitlich gesteuerter Bezugsspannung arbeitenden Längsspannungsregler weicht man Störspannungen am Eingang gewissermaßen aus, und zwar durch Absenkung des ausgangsseitigen Gleichspannungswertes des Längsspannungsreglers. Eine solche Veränderung des Gleich-

Spannungsmittelwertes am Ausgang des Längsspannungsreglers verkraften vom Längsspannungsregler versorgte Verbraucher im allgemeinen, da sie normalerweise für ein Funktionieren in einem weiten Bereich der Versorgungsspannung ausgelegt sind. Störspannungen, beispielsweise Brummspannungen oder dergleichen, könnten solche Verbraucher aber üblicherweise nicht verkraften. Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen brauchen sie dies nun auch nicht mehr, auch nicht im Unterspannungsbereich auf der Eingangsseite des Längsspannungsreglers.

Um auch bei einem relativ kleinen Kondensator eine große Ladezeitkonstante und damit eine gute Filterwirkung der Tiefpaßfunktion des Längsspannungsreglers zu erzielen, macht man die Transkonduktanz der Transkonduktanzschaltung möglichst klein. Bevorzugtermaßen verwendet man eine Transkonduktanzschaltung mit linearem Transkonduktanzverhalten. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet man eine Transkonduktanzkennlinie, die zwischen einem unteren und einem oberen Schwellenwert der Differenz zwischen der Reglereingangsspannung und der Reglerausgangsspannung eine lineare Transkonduktanz niedrigen Wertes und sowohl unterhalb des unteren Schwellenwertes als auch oberhalb des oberen Schwellenwertes eine große Transkonduktanz aufweist. Aufgrund der hohen Transkonduktanz wird zwar unterhalb des unteren Schwellenwertes und oberhalb des oberen Schwellenwertes das Tiefpaßfilterverhalten des Längsspannungsreglers verschlechtert. Man erzielt damit aber einerseits eine schnelle Reaktion des Längsspannungsreglers auf hohe negative Störspannung und andererseits beim Einschalten des Längsspannungsreglers eine schnelle Aufladung des Kondensators auf dessen normale Betriebsspannung und somit eine kurze Einschwingzeit des Längsspannungsreglers.

Bevorzugterweise ist die Transkonduktanzschaltung als Differenzverstärker ausgebildet, dessen einer Eingang mit dem

Reglereingang und dessen anderer Eingang mit dem Reglerausgang verbunden ist. Vorzugsweise ist zwischen den einen Eingang dieses Differenzverstärkers und den Reglereingang eine Hilfsspannungsquelle geschaltet, deren Spannungswert so bemessen ist, daß der Ausgangsstrom der Transkonduktanzschaltung sich umkehrt und eine Entladung des Kondensators verursacht, bevor der Regeltransistor in Sättigung gelangt. Die Hilfsspannungsquelle kann eine Konstantspannungsquelle sein oder eine Spannungsquelle mit veränderlichem Spannungswert, der in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom des Längsspannungsreglers gesteuert wird, wie dies in der gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung P (K 20 777SM/6) "Längsspannungsregler" zur Verhinderung eines überhöhten Anlaufstroms näher ausgeführt ist, deren Offenbarung hiermit durch ausdrückliche Bezugnahme zum Bestandteil der Offenbarung der vorliegenden Anmeldung gemacht wird. Anstelle dieser Hilfsspannungsquelle könnte man auch für die Transkonduktanzschaltung eine sich unsymmetrisch verhaltende Differenzverstärkereinheit einsetzen, derart, daß der Strom am Ausgang der Transkonduktanzschaltung sich nicht erst dann in die den Kondensator entladende Richtung umkehrt, wenn die Differenz der beiden Spannungen am Eingang dieser Differenzverstärkereinheit ihr Vorzeichen entsprechend umgekehrt hat, sondern schon dann, wenn diese Differenz einen bestimmten positiven Schwellenwert unterschreitet. Dabei entspricht dieser positive Schwellenwert dem Wert der Hi Ifsspannungsquelle.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird für die Transkonduktanzschaltung ein Differenzverstärker mit zwei Transistoren verwendet, deren Basisanschlüsse mit der Hilfsspannungsquelle bzw. dem Ausgang des Längsspannungsreglers verbunden sind, deren Emitteranschlüsse über eine Emitterimpedanz miteinander verbunden und je an eine Stromquelle angeschlossen sind und deren Kollektoren auf zwei Eingänge einer Summierschaltung geführt sind, deren Ausgang den zum

BAD ORIGfNAL

Kondensator oder aus dem Kondensator fließenden Ausgangsstrom der Transkonduktanzschaltung liefert. Dabei weist die Summierschaltung vorzugsweise eine Stromspiegelschaltung auf, deren Eingang mit dem Kollektor des einen der beiden Transistoren und deren Ausgang mit einem Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator und dem Kollektor des anderen dieser beiden Transistoren verbunden ist.

Um im normalen Betriebsbereich eine sehr niedrige Transkonduktanz zu erzielen, sind die beiden Transistoren des Differenzverstärkers der Transkonduktanzschaltung neben der stromgesteuerten Gegenkopplung im Emitterzweig vorzugsweise ie als Multitransistoren mit zwei Kollektoren ausgebildet. Die beiden Kollektoren eines jeden dieser Multitransistoren haben unterschiedliche Kollektorflächen. Mit der Summierschaltung sind die Kollektoren mit geringerer Kollektorfläche verbunden, so daß die an die Summierschaltung gelieferten Kollektorstromanteile niedrig sind, im gewählten Beispiel etwa 101 des gesamten Kollektorstroms eines jeden Transistors ausmachen.

Die Erhöhung der Transkonduktanz außerhalb des linearen Bereichs kann durch jeweils einen Hilfstransistor, der erst bei hinreichender Aussteuerung der Transkonduktanzschaltung aktiviert wird, realisiert werden.

Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße Längsspannungsregler vollständig mit Bipolartransistoren aufgebaut. Mindestens für einen Teil der Transistoren des Längsspannungsreglers können aber auch Feldeffekttransistoren verwendet werden.

Der erfindungsgemäße Längsspannungsregler ist vorzugsweise in einer einzigen, monolithisch integrierten Schaltung untergebracht. Der Kondensator kann von dieser monolithischen Integration ausgenommen sein. Aufgrund der Möglichkeit, eine sehr niedrige Transkonduktanz zu schaffen, kann man mit einem vergleichsweise kleinen Kondensator auskommen.

BAD ORIGINAL

Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden nun anhand von Ausführungsformen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 den Aufbau eines herkömmlichen Längsspannungsreglers ;

Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Längsspannungsreglers;

Fig. 3 Übertragungskennlinien verschiedener Ausführungsformen der Transkonduktanzschaltung des Längsspannungsreglers nach Fig. 2; und

Fig. 4 eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Transkonduktanzschaltung und der Hilfsspannungsquelle des Längsspannungsreglers nach Fig. 2.

Der in Fig. 1 dargestellte herkömmliche Längsspannungsregler weist in seinem oberen Längszweig einen Regeltransistor T in Kollektorschaltung auf. Der Ausgang des Längsspannungsreglers ist von einem Spannungsteiler mit zwei Widerständen R₁ und R_? überbrückt. Die Basis des Regeltransistors T ist an den Ausgang eines Differenzverstärkers V angeschlossen, dessen invertierender Eingang an den Teilspannungspunkt des Spannungsteilers angeschlossen ist und dessen nicht-invertierender Eingang an eine Referenzspannungsquelle U_Rpp angeschlossen ist.

Bei genügend großer Eingangsspannung U₁ kann der Differenzverstärker V über den Regeltransistor T eine solche Ausgangsspannung U₉ einstellen, daß die Spannung über dem unteren Widerstand R₁ des Spannungsteilers den Wert der Referenzspannung U_Rpp erreicht. Die Ausgangsspannung U_ nimmt dabei ihren Nominalwert an.

BAD ORIGINAL

Unterhalb eines bestimmten Grenzwertes der Eingangsspannung U₁ gelingt es nicht mehr, die Ausgangsspannung U₂ auf ihren Nominalwert zu regeln. Bei dem Versuch, die Ausgangsspannung auf die der Referenzspannung U_Rpp entsprechende Nominalspannung zu regeln, bringt der Differenzverstärker V den Regeltransistor T in Sättigung. Störspannungen, beispielsweise in Form von Wechselspannungen, gelangen dann aufgrund des niedrigen Widerstandes der Kollektor-Emitter-Strecke des gesättigten Regeltransistors nahezu ungehindert zum Ausgang und wirken sich störend in dem an den Längsspannungsregler angeschlossenen Verbraucher aus.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Längsspannungsreglers weist einen Schaltungsteil auf, der mit dem herkömmlichen Längsspannungsregler übereinstimmt, wenn man von der Referenzspannungsquelle absieht. Anstelle der eine konstante Spannung abgebenden Referenzspannungsquelle Uppp des herkömmlichen Längsspannungsreglers weist der erfindungsgemäße Längsspannungsregler eine gesteuerte Referenzspannungsquelle auf. Sie enthält einen Kondensator C, der einen Endes an den nicht-invertierenden Eingang des Differenzverstärkers V und anderen Endes an den unteren, durchverbundenen Längszweig des Längsspannungsreglers angeschlossen ist. Parallel zum Kondensator C ist eine Spannungsbegrenzungsschaltung B angeordnet in Form einer Zener-Diode oder einer aktiven Begrenzer-Schaltung. An das mit dem Differenzverstärker V verbundene Ende des Kondensators C ist außerdem der Ausgang einer Transkonduktanzschaltung G angeschlossen, die als Differenzschaltung ausgebildet ist, deren erster Eingang über eine Hilfsspannungsquelle U, mit dem in Fig. 2 oberen Eingangsanschluß E und deren zweiter Eingang mit dem in· Fig. 2 oberen Ausgangsanschluß A des Längsspannungsreglers verbunden ist.

BAD ORIGINAL

Auch bei diesem erfindungsgemäßen Längsspannungsregler bildet der Differenzverstärker V mit einer Spannungsverstärkung v_fi mit dem als Leistungstransistor ausgelegten Regeltransistor T als Längsstellelement und den Gegenkopplungswiderständen des Spannungsteilers R-, R_ den Regelverstärker.

Mit V₀ » R₂ZR₁ gilt

U₂ = (I₊ ^-) U_c. (D

Up, die Ladespannung des Kondensators C, wird durch die Transkonduktanzschaltung G gesteuert. Bei positivem Ausgangsstrom I. der Transkonduktanzschaltung wird der Kondensator C aufgeladen, bis er die Grenzspannung U_R erreicht hat, auf welche die Spannungsbegrenzungsschaltung B die Kondensatorspannung Up begrenzt. Die Ausgangsspannung U₂ des Längsregelverstärkers hat dann ihren Nominalwert:

^U2 ^{= U}2N0M

Der Strom I, ist durch

I_A = g . U_D (3)

festgelegt. Dabei ist g die wirksame Transkonduktanz und Uj-, die Steuerspannung von G mit

U_D = U₁ - (U₂ + U_L). (4)

U, ist eine konstante Hilfsspannung.

Für den Fall

^U1 * ^U2N0M ^{+ U}L ⁽⁵⁾

erhält man bei nominaler Ausgangsspannung 0-,^w gemäß

Gleichung (2) zwischen den beiden Eingängen der Transkonduktanzschaltung G eine Differenzspannung

u_D * o.

In diesem Betriebsbereich tritt am Ausgang der Transkonduk tanzschaltung G ein Ausgangsstrom

Gelangt der Längsspannungsregler in den Unterspannungsbereich, d.h., in den Bereich kleinerer Eingangsspannung, für den

^U1 < ^U2NOM ^{+ U}L ⁽⁶⁾

gilt, wird die Differenzspannung OV zwischen den beiden Eingängen der Transkonduktanzschaltung G negativ. Dies führt zu einer Umkehr des Ausgangsstroms I. der Transkonduktanzschaltung G, so daß der Kondensator C entladen wird. Bei einem Absinken der Kondensatorspannung U_r unter den Grenzwert U_R wird die Ausgangsspannung U~ des Längsspannungsreglers auf einen niedrigeren Wert als U__Nnw herabgeregelt. Dabei wirkt sich die Transkonduktanzschaltung G wie ein "Hilfsregler" aus, der die Kondensatorspannung Up so verändert, daß die Differenzspannung U^ im eingeschwungenen Zustand, bei dem der Ausgangsstrom I. gleich 0 wird, verschwindet und die Beziehung

= U_L + U₂ (7)

Im Betriebsbereich I.> 0, also im Normalspannungsbereich, in dem am Ausgang die Nominalspannung U_?N0M erreicht werden kann, ist die Störunterdrückung

-ie-

D= ^i (8)

^U2eff

aufgrund der verschwindend niedrigen dynamischen Impedanz der Spannungsbegrenzungsschaltung B unendlich und wird praktisch durch das reale Verhalten des Differenzverstärkers bestimmt, d.h., durch die Empfindlichkeit des Differenzverstärkers V gegenüber Störungen in dessen Versorgungsspannung.

Für den Unterspannungsbetrieb dieses Längsspannungsreglers gilt im linearen Übertragungsbereich g der Transkonduktanzschaltung G für die Störunterdrückung:

DCp) = 1 + - ρ— (9)

«-pc d ⁺ τφ

mit P=JW-

Somit ist die Störunterdrückung D im Unterspannungsbereich durch den Kondensator C und die Transkonduktanz g bestimmbar. Die Hilfsspannung U, gibt den Sollwert der mittleren Längsspannung über der Kollektor-Emitter-Strecke des Regel transistors im Unterspannungsbetrieb, bei dem der "Hilfsregler" G in den Regelvorgang eingreift, vor und ist so auszulegen, daß die maximalen negativen Störamplituden der Eingangsspannung, die aufgrund der Verzögerung des Regelkreises nicht ausgeregelt werden können, den Regeltransistor T nicht in die Sättigung treiben.

Das dynamische Verhalten der Schaltung läßt sich in geeigneter Weise durch ein nicht-lineares Übertragungs\rerhalten g der Transkonduktanzschaltung G beeinflussen.

In Fig. 2 sind mehrere Transkonduktanzkennlinien g dargestellt. Kennlinie 1 charakterisiert den zuvor erwähnten linearen Fall.

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Kennlinie 2 zeigt eine gegenüber Kennlinie 1 reduzierte Steilheit im Bereich U_o> U₀- und eine stark vergrößerte Steilheit im Bereich U₀ -c U₀-. Dabei ist U₀₂ ein unterer Schwellenwert von UL. Bei negativen Störungen, die den unteren Schwellenwert U₀₂ unterschreiten, führt die große Steilheit der Transkonduktanzkennlinie zu einem starken Kondensator-Entladestrom. Die Schaltung reagiert daher schnell auf solche großen Störungen. Die verringerte Steilheit oberhalb des unteren Schwellenwerts U₀- erhöht die Filterzeitkonstante und verbessert somit das Filterverhalten.

Kennlinie 3 weist oberhalb eines oberen Schwellenwertes U_ß v, U^₁ ebenfalls eine erhöhte Steilheit auf. Bei Verwendung einer solchen Kennlinie kann die Einschwingdauer der Schaltung, insbesondere nach deren Einschalten, verringert werden. Für den Fall, daß die Ausgangsspannung U^ soweit unter der Eingangsspannung U₁ liegt, daß U₀>U₀₁ ist, steigt der in den Kondensator C fließende Strom I. stark an und sorgt für eine schnelle Aufladung des Kondensators C, so daß am Ausgang die Nominalspannung U₇.,qw rasch erreicht werden kann.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Längsspannungsreglers, die sich besonders gut für monolithische Integration eignet, ist in Fig. 4 dargestellt. Diese Ausführungsform weist eine nicht-lineare Transkonduktanzscha]-tung gemäß Kennlinie 3 in Fig. 3 auf.

Die Transkonduktanzschaltung G einerseits und die Hilfsspannungsquelle U, andererseits sind in Fig. 4 je durch einen gestrichelten Block gekennzeichnet.

Die Hilfsspannungsquelle U, weist eine parallel zum Eingang des Längsspannungsreglers geschaltete Serienschaltung aus einer Diode D^, einem Widerstand R₄, einem Widerstand R.

ORIGINAL

und einer Stromquelle I_n, auf. Der von der Stromquelle I„, gelieferte Konstantstrom I_D führt zu einem konstanten

Spannungsabfall U» über der Reihenschaltung aus der Diode D₁ und den beiden Widerständen R, und R.. Die Hilfsspannung steht an dem Verbindungspunkt M zwischen dem unteren Widerstand R, und der Stromquelle I_n, zur Verfügung.

Die Transkonduktanzschaltung G umfaßt eine Differenzverstärkerschaltung mit einem ersten Transistor T- und einem zweiten Transistor T₂. Die Basis des ersten Transistors T.. ist an den Verbindungspunkt M der Hilfsspannungsquelle U, angeschlossen. Die Basis des zweiten Transistors T- ist mit dem mit dem Emitter des Regeltransistors T verbundenen Ausgangsanschluß A verbunden. Der Emitter des ersten Transistors T- ist über eine Stromquelle I_D1 und der Emitter des zweiten

D I

Transistors T₂ ist über eine Stromquelle I_ß2 mit dem mit dem Kollektor des Regeltransistors T verbundenen Eingangsanschluß E verbunden. Außerdem sind die Emitter der beiden Transistoren T₁ und T^ über einen Spannungsteiler mit zwei

Widerständen R,- und R, verbunden.
5 ο

Die beiden Transistoren T₁ und T- sind je als Multitransis toren ausgebildet, wobei je ein Hilfskollektor mit Masse und ein Hauptkollektor mit einem Zweig einer Stromspiegelschaltung mit einem als Diode geschalteten Transistor T, und einem weiteren Transistor T. verbunden ist. Durch entsprechende Wahl des Verhältnisses von Hilfskollektorflache zu Hauptkollektorfläche sind die von den Hauptkollektoren der beiden Transistoren T₁ und T₂ abgegebenen Kollektorströme nur ein Bruchteil des Gesamtkollektorstroms, im genannten Beispiel nur etwa 101. Durch diese Maßnahme erreicht man einen sehr niedrigen Wert der Transkonduktanz g

8 ⁼ °·¹ ⁽¹⁰⁾

BAD

Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform ist die Summierschaltung, an deren Ausgang der Strom I- bereitgestellt wird, durch die bereits erwähnte Stromspiegelschaltung mit den Transistoren T, und T. gebildet. Der vom Hauptkollektor des Transistors T₁ kommende Strom fließt in den am Kollektor des Transistors T, befindlichen Eingang der Stromspiegelschaltung und wird an dem vom Kollektor des Transistors T₄ gebildeten Ausgang der Stromspiegelschaltung im Verbindungspunkt X zu dem vom Hauptkollektor des Transistors T₇ kommenden Strom hinzuaddiert. Der aus dieser Addition resultierende Strom ist der Ausgangsstrom I. der Transkonduktanzschaltung G.

Mit einem Transistor T₁-, dessen Emitter-Kollektor-Strecke zwischen die Basis des Transistors T₂ und den Hauptkollektor des Transistors T₁ geschaltet ist, und dessen Basis über eine Diode D₂ an einen Verbindungspunkt Y zwischen den Widerständen R, und R. der Hilfsspannungsquelle U, angeschlossen ist, wird die Erhöhung der Transkonduktanz bei Unterschreiten des unteren Schwellenwertes U_ß? erreicht, wie dies in Kennlinie 2 in Fig. 3 dargestellt ist. Der untere Schwellenwert U_ß2 wird durch den Spannungsabfall am Widerstand R, der Hilfsspannungsquelle U, gebildet. Mit der Diode D₂ wird der Potentialsprung zwischen dem Emitter und der Basis des Transistors T₁- kompensiert. Sinkt die Differenzspannung U^ zwischen den Basisanschlüssen der Transistoren T₁ und T₂ unter den unteren Schwellenwert U^₇ ab, wird Transistor T₅ leitend und speist einen hohen Kollektorstrom in den Eingang der Stromspiegelschaltung T,, T-ein. Dieser Strom erscheint am Ausgangspunkt X der Stromspiegelschaltung und führt zu einer raschen Entladung des Kondensators C und somit zu einer Herabregelung der Ausgangsspannung U₂ des Längsspannungsreglers auf einen verringerten Gleichspannungsmittelwert.

Zwischen den Emitter des Transistors T₁ und den Hauptkollektor des Transistors T_ ist die Emitter-Kollektor-Strecke eines weiteren Transistors T, geschaltet, dessen Basis an den Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R₅ und R, angeschlossen ist. Überschreitet die Differenzspannung U_ß den oberen Schwellenwert U_ß1, wird Transistor T_fi leitend und speist einen relativ großen Strom in den Verbindungspunkt X ein, und zwar in entgegengesetzter Richtung als der vom Transistor T₁. eingespeiste Strom. Beim Leitendwerden des Transistors T, fließt daher vom Verbindungspunkt X ein Strom I. in den Kondensator C, der den Kondensator C auflädt, und zwar maximal bis zur Begrenzungsspannung Un-

Die Transistoren T₁ bis T₄ bilden die im linearen Bereich zwischen dem unteren Schwellenwert U^₇ und dem oberen Schwellenwert IL.. arbeitende Transkonduktanzschaltung unter der Voraussetzung

¹BI₅Z · ^(R5 ^{+ R}6^}>
UD1,2 · ⁽¹¹⁾

Der Referenzstrom I_R der Stromquelle I₀^ erzeugt an der Serienschaltung R,, R., D₁ den Spannungsabfall U.. Durch Abgriff am Spannungsteilerpunkt Y wird der dem unteren Schwellenwert entsprechende Spannungswert IL₇ gewonnen. Für den dem oberen Schwellenwert entsprechenden Spannungswert gilt näherungsweise

^UD1 -^⁺ T^ ^UBE T6- ^C12)

Die Spannungsbegrenzungsschaltung B ist in Fig. 4 als Zenerdiode symbolisiert, wird aber vorzugsweise durch eine elektronische Begrenzungsschaltung verwirklicht.

Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Längsspannungsreglers funktioniert folgendermaßen:

RAH

Beim Einschalten der Eingangsspannung U- ist die Ausgangsspannung U~ und die Kondensatorspannung U zunächst noch 0, so daß die Differenzspannung U^ über dem oberen Schwellenwert U^₁ liegt. Transistor T_fi liefert daher einen kräftigen Kollektorstrom zum Verbindungspunkt X, so daß der Kondensator C von einem starken Ausgangsstrom L der Transkonduktanzschaltung G aufgeladen wird. Als Folge davon wird die Ausgangsspannung U_ zunehmend in Richtung des Nominalwerts ^?NOM hochgeregelt. Durch das Ansteigen der Ausgangsspannung U- verringert sich die Differenzspannung Uy. zunehmend. Beim Unterschreiten des oberen Schwellenwertes Up₁ schaltet Transistor T, ab und bleibt dann nur noch die lineare

Transkonduktanzschaltung mit den Transistoren T- bis T. wirksam. Im nominalen Betriebszustand bleibt aufgrund des Spannungsabfalls über dem Regeltransistor T eine positive Differenzspannung U^, so daß der vom Hauptkollektor des Transistors T₂ den über die Stromspiegelschaltung T,, T. vom Hauptkollektor des Transistors T₁ gelieferten Strom überwiegt und der Ausgangsstrom I. der Transkonduktanzschaltung G kontinuierlich als Ladestrom in den Kondensator C fließt. Ist die Begrenzungsspannung U_D erreicht, bleibt die Kondensatorspannung trotz dieses Ladestroms I. konstant.

Gelangt der Längsspannungsregler dauernd oder während negativer Störspannungsspitzen am Eingang in den Unterspannungsbereich, ist U- kleiner als der Summenwert aus ausgangsseitiger Nominalspannung U_?Nnf. und Hilfsspannung U, (Gleichung (6)) und kehrt sich das Vorzeichen der Differenzspannung U^ um. Dann überwiegt der vom Hauptkollektor des Transistors T₁ in die Stromspiegelschaltung T,, T. gelieferte Strom den vom Hauptkollektor des Transistors T- gelieferten Strom und kehrt sich folglich auch das Vorzeichen des Ausgangsstroms I. der Transkonduktanzschaltung G um. Dies bewirkt

eine Verringerung der Kondensatorladung und somit eine Absenkung der Kondensatorspannung U~. Über den Differenzverstärker V wird daher die Ausgangsspannung U_ auf einen unter der Nominalspannung liegenden Wert herabgeregelt.

Im Bereich der linearen niedrigen Transkonduktanz g ergibt sich eine große Zeitkonstante für das Verändern der Kondensatorspannung Up. Bei negativen Amplituden von Störspannungen, welche den unteren Schwellenwert U^₂ der Differenzspannung U_n unterschreiten, wird durch das Leitendschalten des Transistors T₅ in den Eingang der Stromspiegelschaltung T^, T- ein starker Strom eingespeist, der sich am Verbindungspunkt X, dem Ausgangspunkt der Transkonduktanzschaltung G, als starker Entladestrom für den Kondensator C auswirkt. Es kann somit eine rasche Herabregelung der Ausgangsspannung U₂ bis auf einen solchen Wert erfolgen, bei dem die Differenzspannung U~ wieder oberhalb des unteren Schwellenwertes U^₂ liegt.

Aufgrund seines Tiefpaßcharakters im Unterspannungsbereich schützt somit der erfindungsgemäße Längsspannungsregler den von ihm versorgten Verbraucher in allen Betriebsbereichen vor Störspannungen. Durch Wahl einer nicht-linearen Transkonduktanzkennlinie bei der Ausführungsform nach Fig. 4 wird zusätzlich ermöglicht, daß sich der Längsspannungsregler rasch auf extreme Betriebssituationen einstellen kann.

- Leerseite

Claims

LADOR · KLUNKER · SCHMITT-NILSON · HIRSCH : : - IATENTAN \&1 JE ETH(H1EVN P\TENTATlX>K\ttS SGS-ATES Deutschland K 20 776SM/6ad 15. November 1983 LängsSpannungsregler Patentansprüche

1. Längsspannungsregler mit einem mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke in einem Reglerlängszweig angeordneten Regeltransistor (T), dessen Basis von einem Differenzverstärker CV) angesteuert wird, der eine der Reglerausgangsspannung (U~) proportionale Spannung mit einer Bezugsspannung (Up) vergleicht,

dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannung (U_r) von einem Kondensator (C) abgenommen wird, dem eine die Bezugsspannung (Up) auf einem Maximalwert (Uq) begrenzende Spannungsbegrenzungsschaltung (B) zugeordnet ist und der mit dem Ausgang einer Transkonduktanzschaltung (G) verbunden ist, deren Ausgangsstrom (I.) von der Differenz zwischen Eingangspannung (U₁) und Ausgangsspannung (U₂) des Längsspannungsreglers abhängt.

2. Längsspannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Spannungsbegrenzungsschaltung [B) dem Kondensator (C) parallel geschaltet ist,

daß diese Parallelschaltung einen Endes mit dem nicht mit dem Regeltransistor (T) versehenen Reglerlängszweig und anderen Endes sowohl mit dem nicht-invertierenden Eingang des Differenzverstärkers (V) als auch mit dem Ausgang der Transkonduktanzschaltung (G) verbunden ist

und daß der invertierende Eingang des Differenzverstärkers (V) mit einem Anzapfungspunkt eines dem Reglerausgang (U₂) parallel geschalteten ersten Spannungsteilers (R₁, R₉) verbunden ist.

3. Längsspannungsregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Spannungsbegrenzungsschaltung (B) durch eine dem Kondensator (C) parallel geschaltete Zener-Diode gebildet ist.

4. Längsspannungsregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet ,

daß die Spannungsbegrenzungsschaltung (B) durch eine dem Kondensator (C) parallel geschaltete elektronisch realisierte, aktive Begrenzerschaltüngsanordnung gebildet ist.

5. Längsspannungsregler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Transkonduktanzschaltung (G) eine lineare Transkonduktanzkennlinie aufweist.

5. Längsspannungsregler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Transkonduktanzschaltung (G) eine Transkonduktanzkennlinie aufweist, die oberhalb eines unteren Schwellenwertes (U₀₂) der Differenz zwischen der Reglereingangsspannung (U.) und der Reglerausgangsspannung (U_?) eine lineare Transkonduktanz (g) niedrigen Wertes und unterhalb dieses unteren Schwellenwertes (U^₉ ) eine große Transkonduktanz (g) aufweist.

7. Längsspannungsregler nach einem oder mehreren der Ansprüche

1 bis 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Transkonduktanzschaltung (G) eine Transkonduktanzkennlinie aufweist, die unterhalb eines oberen Schwellenwertes (U^,) der Differenz zwischen der Reglereingangsspannung (U₁) und der Reglerausgangsspannung (U₂) eine lineare Transkonduktanz (g) niedrigen Wertes und oberhalb dieses oberen Schwellenwertes (Up-) eine große Transkonduktanz (g) aufweist.

8. Längsspannungsregler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Transkonduktanzschaltung (G) als Differenzschaltung, vorzugsweise Differenzverstärkerschaltung, ausgebildet ist, die einen ersten Eingang, der mit dem mit dem Regeltransistor (T) verbundenen Eingangsanschluß (E) des Längsspannungsreglers verbunden ist, und einen zweiten Eingang, der mit dem mit dem Regeltransistor (T) verbundenen Ausgangsanschluß (A) des Längsspannungsreglers verbunden ist, aufweist.

9. Längsspannungsregler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Eingangsanschluß (E) und den ersten Eingang der Differenzschaltung (G) eine Hilfsspannungsquelle (U_L) geschaltet ist.

10. Längsspannungsregler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsspannungsquelle (U.) eine konstante Spannung liefert.

11. Längsspannungsregler nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet ,

daß die Differenzschaltung (G) zwei in einer Differenzverstärkerschaltung angeordnete Transistoren (T₁, T-,) aufweist, daß die Basis des ersten Transistors (T₁) an die Hilfsspannungsquelle (U,) und die Basis des zweiten Transistors (T_?) an den Ausgangsanschluß (A) angeschlossen ist,

BAD ORIGINAL

daß der Emitter des ersten Transistors (T,) über eine erste Stromquelle (Ir_n) und der Emitter des zweiten Transistors (T₂) über eine zweite Stromquelle Πτ,?) an den Eingangsanschluß (E) angeschlossen sind,

daß die Emitter der beiden Transistoren (T₁, T-) über eine Emitterimpedanz (R,-, R_fi) miteinander verbunden sind und daß der Kondensator (C) an den Ausgang einer Summierschaltung (T,, T., X) angeschlossen ist, deren Eingänge mit dem Kollektor des ersten Transistors (T₁) bzw. mit dem Kollektor des zweiten Transistors (T^) verbunden sind.

12. Längsspannungsregler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Summierschaltung (T,, T., X) eine Stromspiegelschaltung (T₃, T.) aufweist, deren Eingang an den Kollektor des ersten Transistors (T-) und deren Ausgang an einen Verbindungspunkt (X) zwischen dem Kollektor des zweiten Transistors (T₇) und dem Kondensator (C) angeschlossen ist.

13. Längsspannungsregler nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Transistor (T₁, T₂) ie als Multitransistor mit mindestens zwei Kollektoren mit stark verschiedenen Kollektorflächen ausgebildet sind

und daß jeder Kollektor mit der geringeren Kollektorfläche an die Summierschaltung (T,, T., X) angeschlossen ist.

14. Längsspannungsregler nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsspannungsquelle (U,) eine Serienschaltung aus einem zweiten Spannungsteiler (D-, R,, R.) und einer dritten Stromquelle (L,) aufweist, wobei der Verbindungspunkt zwischen dem zweiten Spannungsteiler (D₁, R,, R.) und der dritten Stromquelle (Iq?) mit der Basis des ersten Transistors (T₁) verbunden ist, und daß zwischen die Basis des zweiten Transistors (T^) und den mit der Summierschaltung (T,, T., X) verbundenen Kollektor des ersten Transistors (T₁) die Kollektor-Emitter-Strecke eines dritten Transistors (T_n.) geschaltet ist, dessen Basis über eine Diodenstrecke (D„) mit einem Teilspannungspunkt (Y) des zweiten Spannungsteilers (D₁, R,, R-) verbunden ist.

BAn

15. Längsspannungsregler nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterimpedanz durch eine Reihenschaltung zweier Widerstände (R₅, R,) gebildet ist und daß zwischen den Emitter des ersten Transistors (T.. ) und den mit der Summierschaltung (T.,, T₄, X) verbundenen Kollektor des zweiten Transistors (T-) die Emitterstrecke eines vierten Transistors (T_fi) geschaltet ist, dessen Basis an den Verbindungspunkt (S) zwischen den beiden Widerständen (R,, R_ft) der Emitterimpedanz angeschlossen ist.

16. Längsspannungsregler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Transistoren Bipolartransistoren sind.

17. Längsspannungsregler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens für einen Teil der Transistoren Feldeffekttransistoren vorgesehen sind.

18. Längsspannungsregler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Reglerschaltung monolithisch integriert ist, vorzugsweise mit Ausnahme des Kondensators (C).

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