DE3341344C2

DE3341344C2 - Längsspannungsregler

Info

Publication number: DE3341344C2
Application number: DE3341344A
Authority: DE
Inventors: Joachim G. Dr. 8019 Steinhöring Melbert
Original assignee: Sgs-Ates Deutschland Halbleiter-Bauelemente 8018 Grafing De GmbH
Current assignee: Sgs-Ates Deutschland Halbleiter-Bauelemente 8018 Grafing De GmbH
Priority date: 1983-11-15
Filing date: 1983-11-15
Publication date: 1986-10-09
Also published as: US4633162A; DE3341344A1; JPS60169915A; FR2554989A1; GB2151375B; SG72687G; GB8428768D0; IT8449161A1; JPH0519731B2; ES537657A0; FR2554989B1; IT1178233B; IT8449161A0; GB2151375A; ES8601503A1

Abstract

Bei einem Längsspannungsregler mit einem mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke in einem Reglerlängszweig angeordneten Regeltransistor (T), dessen Basis von einem Differenzverstärker (V) angesteuert wird, der eine der Reglerausgangsspannung (U2) proportionale Spannung mit einer Bezugsspannung (UC) vergleicht, wird diese Bezugsspannung von einem Kondensator (C) abgenommen, dem eine die Bezugsspannung auf einen Maximalwert (UR) begrenzende Spannungsbegrenzungsschaltung (B) zugeordnet ist und der mit dem Ausgang einer Transkonduktanzschaltung (G) verbunden ist, deren Ausgangsstrom (IA) von der Differenz (UD) zwischen Ausgangsspannung (U2) und Eingangsspannung (U1) des Längsspannungsreglers abhängt.

Description

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Die Erfindung betrifft einen Längsspannungsregler gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein herkömmlicher Längsspannungsregler, wie er in F i g. 1 gezeigt und aus F i g. 1 der DE-OS 27 OO 111 bekannt ist, wird dazu verwendet, einen Verbraucher mit einer stabilisierten Gleichspannung zu versorgen. Um die nominelle Ausgangsspannung des Längsspannungsrcglers 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, beispiels- so weise 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.

Zu diesem Zweck weisen Längsspannungsregler, wie sie aus den F i g. 2 und 3 der DE-OS 27 00 111 und auch aus »FUNK-TECHNIK«, 1965, Nr. 23, Seiten 947-950, bekannt sind, einen RC-Tieipaü auf, dessen R durch den Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke des Regel-Iransistors und dessen Cdurch einen dem Ausgang des Längsspannungsreglers parallel geschalteten Kondensator gebildet ist Bei feststehendem Kapazitätswert dieses Kondensators nimmt die Siebwirkung eines solchen Tiefpasses mit kleiner werdendem R ab. Da der Tiefpaß bei diesen bekannten Längsspannungsreglern für den Normalspannungsbereich dimensioniert ist, in dem der Widerstand R der Kollektor-Emitter-Strecke des Regeltransistors groß ist, verschlechtert sich die Siebwirkung dieses Tiefpasses gewaltig, wenn der Regeltransistor im eingangsseitigen Unterspannungsbereich des Längsspannungsreglers in die Sättigung übergeht und der von ihm gebildete Widerstand R nur noch sehr klein ist Diese bekannten Längsspannungsregler erfüllen daher die Aufgabe der Störunterdrückung allenfalls im Bereich normaler Eingangsspannungen, nicht jedoch im eingangsseitigen Unterspannungsbereich, in dem die Ausgangsspannung ihren Nominalwert nicht mehr erreicht und der Regeltransistor in den Sättigungszustand übergeht

Die Störunterdrückung auch im Unterspannungsbereich könnte man nun dadurch erreichen, daß man einem solchen Längsspannungsregler einen herkömmlichen ÄC-Tiefpaß nachschaltet. Dies führt allerdings zu zusätzlichem Aufwand und zusätzlicher Verlustleistung im Widerstand dieses zusätzlichen ÄC-Tiefpasses. Diskrete Schaltungen aus einer Transistor-Zenerdioden-Kondensator-Kornbination führen nur zu nicht zufriedenstellenden Näherungslösungen.

Ein Längsspannungsregler der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art, wie er aus der US-PS 39 16 294 bekannt ist, weist auf der Eingangsseite einen ersten Kondensator zum Dämpfen störender Wechselspannungsanteile der Eingangsspannung auf. Ein zweiter Kondensator ist zu einer Zenerdiode parallel geschaltet, die einerseits an den Emitter eines den Differenzverstärker bildenden Transistors und andererseits an einen dem Ausgang des Längsspannungsreglers parallel geschalteten Spannungsteiler angeschlossen ist Dieser zweite Kondensator dient dazu, Wechselspannungsanteile, die in der Ausgangsspannung des Längsspannungsreglers vorhanden sind, zu dämpfen, um deren Einfluß auf die Regelung des Regeltransistors zu reduzieren. Gelangt bei diesem bekannten Längsspannungsregler der Regeltransistor bei eingangsseitigem Unterspannungsbetrieb in Sättigung, gelangen die diesen Regeltransisior erreichenden Störsignale nahezu ungehindert zum Ausgang des Längsspannungsreglers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Längsspannungsregler der eingangs angegebenen Art so zu verbessern, da3 im gesamten Eingangsspannungsbereich eine sichere Störunterdrückung auf möglichst einfache und leistungssparende Art ermöglicht wird.

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

Der aus der genannten Veröffentlichung in »FUNKTECHNIK« bekannte Längsspannungsregler weist einen sogenannten Vorregler auf, der zwar mit der Eingangs- und der Ausgangsspannungsseite des Längsspannungsreglers in Verbindung steht, dessen Ströme jedoch konstant, d. h. von der Eingangs- und der Ausgangsspannung unabhängig sind.

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 Unterspannungsbe-

reich Tiefpaßcharakter, ohne daß die Nachteile eines konstanten ohmschen Längswiderstands auftreten.

Im Normalspannungsbereich stellt sich eine Differenz zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung ein, die am Ausgang der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung 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 Sättigung bringen, zeigt der Längsspannungsregler das übliche Regelverhalten. Sobald aber negative Störspitzen auftreten, während welcher der Regeltransistor in die Sättigung gelangen könnte, was anhand der Diffe- is renz 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 spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung 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 Ausgangspannung 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 spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung auf 0 zurückgeht Steigt danach die Eingangsspannung wieder an, kann der Strom am Ausgang der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung 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 Gleichspannungsmittelwertes 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 den Übertragungsleitwert der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung möglichst klein. Bevorzugtermaßen verwendet man eine spannungsgesteuerte Stromquellenschaltung mit linearem Übertragungsleitwertverhalten. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet man eine Übertragungsleitwertskennlinic, die zwischen einem unteren und einem oberen Schwellenwert der Differenz zwischen der Reglereingangsspannung und der Reglerausgangsspannung einen linearen Übertragungsleitwert niedrigen Wertes und sowohl unterhalb des unteren Schwellenwertes als auch oberhalb des oberen Schwellenwertes einen großen Übertragungsleitwert aufweist. Aufgrund des hohen Übertragungsleitwertes 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 Störspannungen 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 spannungsgesleuertc Stromquellenschaltung 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 spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung 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 Abhängigkeil vom Ausgangsstrom des Längsspannungsreglers gesteuert wird, wie dies in der gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung P 33 41 345.2 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 spannungsgesteuerte Stromquellenschaltung eine sich unsymmetrisch verhaltende Differenzverstärkereinheit einsetzen, derart, daß der Strom am Ausgang der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung sich nicht erst dann in die den Kondensator entladende Richtung umkehrt, wenn die Differenz der beiden Spannungen am Eingang dieser Diffcrcnzverstärkereinheit ihr Vorzeichen entsprechend umgekehrt hat, sondern schon dann, wenn diese Differenz, einen bestimmten positiven Schwellenwert unterschreitet. Dabei entspricht dieser positive Schwellenwert dem Wert der Hilfsspannungsquelle.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird für die spannungsgesteuerte Stromquellenschaltung ein Differenzverstärker mit zwei Transistoren verwendet, deren Basisanschlüsse mit der Hilfsspannungsquelle bzw. dem Ausgang des Längsspannungsreglcrs 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 Kondensator oder aus dem Kondensator fließenden Ausgangsstrom der Transkonduktanzschaltung liefert Dabei weist die Summicrschaltung vorzugsweise eine Stromspiegelschaltung auf, de-

reu 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 einen sehr niedrigen Übertragungsleitwert zu erzielen, sind die beiden Transistoren des Differenzverstärkers der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung neben der stromgesteuerten Gegenkopplung im Emitterzweig vorzugsweise je 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 Summierschaitung gelieferten Kollektorstromanteile niedrig sind, im gewählten Beispiel etwa 10% des gesamten Kollektorstroms eines jeden Transistors ausmachen.

Die Erhöhung des Übertragungsleitwertes außerhalb des linearen Bereichs kann durch jeweils einen Hilfstransistor, der erst bei hinreichender Aussteuerung der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung 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, einen sehr niedrigen Übertragungsleitwert zu schaffen, kann man mit einem vergleichsweise kleinen Kondensator auskommen.

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

F i g. 1 den Aufbau eines herkömmlichen Längsspannungsrcglers;

F i g. 2 den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Längsspannungsreglers;

F i g. 3 Übertragungskennlinien verschiedener Ausführungsformen der spannungsgesteuerten Stromquellcnschaltung des Längsspannungsreglers nach Fig.2; und

F i g. 4 eine besonders bevorzugte Ausführungsform der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung und der Hilfsspannungsquelie des Längsspannungsreglers nach F i g. 2.

Der in F i g. 1 dargestellte herkömmliche Längsspannungsrcgler weist in seinem oberen Längszweig einen Regeltransistor T in Kollektorschaltung auf. Der Ausgang des Längsspannungsreglers ist von einem Spannungsteiler mit zwei Widerständen R\ und /?2 überbrückt. Die Basis des Regeltransistors Tist an den Ausgang eines Differenzverstärkers V angeschlossen, dessen inverlierender Eingang an den Teilspannungspunkt des Spannungsteilers angeschlossen ist und dessen nicht-invertierender Eingang an eine Referenzspannungsquclle Lteangeschlossen ist

Bei genügend großer Eingangsspannung U\ kann der Differenzverstärker V über den Regeltransistor Γ eine solche Ausgangsspannung Ui einstellen, daß die Spannung über dem unteren Widerstand R\ des Spannungsteilers den Wert der Referenzspannung Uref erreicht Die Ausgangsspannung ίΛ nimmt dabei ihren Nominalwert an.

Unterhalb eines bestimmten Grenzwertes der F.ingangsspannung U\ gelingt es nicht mehr, die Ausgangsspannung Ui auf ihren Nominalwert zu regeln. Bei dem Versuch, die Ausgangsspannung auf die der Referenzspannung Urei entsprechende Nominalspannung zu regeln, bringt der Differenzverstärker Vden Regeltransistor Tin 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 F i g. 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 Uref 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 Cist außerdem der Ausgang einer spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung C angeschlossen, die als Differenzschaltung ausgebildet ist, deren erster Eingang über eine Hilfsspannungsquelie Ul mit dem in F i g. 2 oberen Eingangsanschluß E und deren zweiter Eingang mit dem in F i g. 2 oberen Ausgangsanschluß A des Längsspannungsreglers verbunden ist.

Auch bei diesem erfindungsgemäßen Längsspannungsregler bildet der Differenzverstärker V mit einer Spannungsverstärkung vo mit dem als Leistungstransistor ausgelegten Regeltransistor T als Längsstellelement und den Gegenkopplungswiderständen des Spannungsteilers R], /?2 den Regelverstärker.

Mit V₀ > Rv R\ gilt

Uc die Ladespannung des Kondensators C, wird durch die spannungsgesteuerte Stromquellenschaltung G gesteuert Bei positivem Ausgangsstrom I,\ der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung wird der Kondensator C aufgeladen, bis er die Grenzspannung Ur erreicht hat, auf welche die Spannungsbegrenzungsschaltung ßdie Kondensatorspannung Ucbegrenzt. Die Ausgangsspannung U% des Längsregelverstärkers hat dann ihren Nominalwert:

Der Strom I_A ist durch
U= g- Uo

festgelegt Dabei ist g der wirksame Übertragungsleitwert und i/odie Steuerspannung von G mit

Uo = U_x- (U₂ + U_L).

Ul ist eine konstante Hilfsspannung.
Für den Fall

U₁ >

erhält man bei nominaler Ausgangsspannung Uwom gemäß Gleichung (2) zwischen den beiden Eingängen der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung G eine Differenzspannung

U₀ > 0.

In diesem Betriebsbereich tritt am Ausgang der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung G ein Ausgangsstrom

Ia ΞϊΟ

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

U, <

+ Ul

gilt, wird die Differenzspannung Ud zwischen den beiden Eingängen der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung G negativ. Dies führt zu einer Umkehr des Ausgangsstroms Ia der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung G, so daß der Kondensator Centladen wird. Bei einem Absinken der Kondensatorspannung Uc unter den Grenzwert Ur wird die Ausgangsspannung U₂ des Längsspannungsreglers auf einen niedrigeren Wert als U₂nom herabgeregelt. Dabei wirkt sich die spannungsgesteuerte Stromquellenschaltung G wie ein »Hilfsregler« aus, der die Kondensatorspannung Uc so verändert, daß die Differenzspannung Ud im eingeschwungenen Zustand, bei dem der Ausgangsstrom I_A gleich 0 wird, verschwindet und die Beziehung

U_x = Ul+ U₁

Im Betriebsbereich Ia > 0, also im Normalspannungsbereich, in dem am Ausgang die Nominaispannung U₂NOM erreicht werden kann, ist die Störunterdrückung

//
U

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 ^der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung G für die Störunterdrückung:

D(p) = 1 +

(4) mit p = j ω.

Somit ist die Stöi unterdrückung D im Unterspannungsbereich durch den Kondensator Cund den Übertragungsleitwert g bestimmbar. Die Hilfsspannung Ui. gibt den Sollwert der mittleren Längsspannung über der

(5) Kollektor-Emitter-Strecke des Regeltransistors 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 Tnicht in die Sättigung treiben.

Das dynamische Verhalten der Schaltung läßt sich in geeigneter Weise durch ein nicht-lineares Übertragungsverhalten #der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung G beeinflussen.

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

Kennlinie 2 zeigt eine gegenüber Kennlinie 1 reduzierte Steilheit im Bereich Uo > Udi und eine stark vergrößerte Steilheit im Bereich Ud < Ud i- Dabei ist Ud 2 ein unterer Schwellenwert von Ud- Bei negativen Störungen, die den unteren Schwellenwert Ud ι unter-

schreiten, führt die große Steilheit der Übertragungs-

(6) leitwertskennlinie zu einem starken Kondensator-Entladestrom. Die Schaltung reagiert daher schnell auf solche großen Störungen. Die verringerte Steilheit oberhalb des unteren Schwellenwerts Ud 2 erhöht die Filterzeitkonstante und verbessert somit das Filterverhaltcn.

Kennlinie 3 weist oberhalb eines oberen Schwellenwertes Uo > Ud 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 U₂ soweit unter der Eingangsspannung U_x liegt, daß U₀ > U_DX ist, steigt der in den Kondensator C fließende Strom Ia stark an und sorgt für eine schnelle Aufladung des Kondensators C, so daß am Ausgang die Nominalspannung U₂nom rasch erreicht werden kann.

Eine bevorzugte Ausführungsform des crfindungsgc-

(7) mäßen Längsspannungsreglers, die sich besonders gut für monolithische Integration eignet, ist in F i g. 4 dargcstellt. Diese Ausführungsform weist eine nicht-lineare spannungsgesteuerte Stromquellenschaltung gemäß Kennlinie 3 in F i g. 3 auf.

Die spannungsgesteuerte Stromquellenschaltung G einerseits und die Hilfsspannungsquelle Ul andererseits sind in F i g. 4 je durch einen gestrichelten Block gekennzeichnet

Die Hilfsspannungsquelle Ul weist eine parallel zum Eingang des Längsspannungsreglers geschaltete Serienschaltung aus einer Diode D_x, einem Widerstand Ra, einem Widerstand R5 und einer Stromquelle /03 auf. Der von der Stromquelle /03 gelieferte Konstantslrom I_K führt zu einem konstanten Spannungsabfall Ui. über der Reihenschaltung aus der Diode D_x und den beiden Widerständen A3 und Ra- Die Hilfsspannung steht an dem Verbindungspunkt M zwischen dem unteren Widerstand Rz und der Stromquelle /03 zur Verfugung.

Die spannungsgesteuerte Stromquellenschaltung G umfaßt eine Differenzverstärkerschaltung mit einem ersten Transistor Ti und einem zweiten Transistor Ti. Die Basis des ersten Transistors T_x ist an den Verbindungs-

(9) punkt M der Hilfsspannungsquelle Ui. angeschlossen.

Die Basis des zweiten Transistors T2 ist mit dem mit dem Emitter des Regeltransistors Tverbundenen Ausgangs-

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anschluB A verbunden. Der Emitter des ersten Transistors Ti ist über eine Stromquelle Ib ι und der Emitter des zweiten Transistors Tj ist über eine Stromquelle Ib ι mil dem mit dem Kollektor des Regeltransistors Tverbundenen Eingangsanschluß E verbunden. Außerdem sind die Emitter der beiden Transistoren Ti und Ti über einen Spannungsteiler mit zwei Widerständen Λ5 und Re verbunden.

Die beiden Transistoren 7Ί und Tj sind je als Multitransistoren ausgebildet, wobei je ein Hilfskollektor mit Masse und ein Hauptkollektor mit einem Zweig einer Stromspiegelschaltung mit einem als Diode geschalteten Transistor Ti und einem weiteren Transistor Ta verbunden ist. Durch entsprechende Wahl des Verhältnisses von Hilfskollektorfläche zu Hauptkollektorfläche sind die von den Hauptkollektoren der beiden Transistoren Tj und Ti abgegebenen Kollektorströme nur ein Bruchteil des Gesamtkollektorstroms, im genannten Beispiel nur etwa 10%. Durch diese Maßnahme erreicht man einen sehr niedrigen Wert des Übertragungsleitwertes g

R„

relativ großen Strom in den Verbindungspunkt X ein. und zwar in entgegengesetzter Richtung als der vom Transistor T5 eingespeiste Strom. Beim Leitendwerden des Transistors Ti, fließt daher vom Verbindungspunkt X ein Strom Ia in den Kondensator C, der den Kondensator C auflädt, und zwar maximal bis zur Begrenzungsspannung Ur.

Die Transistoren Ti bis T4 bilden die im linearen Bereich zwischen dem unteren Schwellenwert Uo 2 und dem oberen Schwellenwert Uo 1 arbeitende spannungsgesteuerte Stromquellenschaltung unter der Voraussetzung

(10)

Bei der in F i g. 4 gezeigten Ausführungsform ist die Summierschaltung, an deren Ausgang der Strom I_A bereitgestellt wird, durch die bereits erwähnte Stromspiegelschaltung mit den Transistoren T₃ und T₄ gebildet. Der vom Hauptkollektor des Transistors Ti kommende Strom fließt in den am Kollektor des Transistors T₃ befindlichen Eingang der Stromspiegelschaltung und wird an dem vom Kollektor des Transistors Tt, gebildeten Ausgang der Stromspiegelschaltung im Verbindungspunkl X zu dem vom Hauptkollektor des Transistors Ti kommenden Strom hinzuaddiert. Der aus dieser Addition resultierende Strom ist der Ausgangsstrom U der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung G.

Mit einem Transistor Ts, dessen Emitter-Kollektor-Strecke zwischen die Basis des Transistors T2 und den Hauplkollektor des Transistors Ti geschaltet ist, und dessen Basis über eine Diode D₂ an einen Verbindungspunkt Y zwischen den Widerständen A3 und A4 der Hilfsspannungsquelle Ul angeschlossen ist, wird die Erhöhung des Übertragungsleitwertes bei Unterschreiten des unteren Schwellenwertes Ud 2 erreicht, wie dies in Kennlinie 2 in F i g. 3 dargestellt ist Der untere Schwellenwert Uo 2 wird durch den Spannungsabfall am Widerstand /?3 der Hilfsspannungsquelle Ul gebildet Mit der Diode Ch wird der Potentialsprung zwischen dem Emitter und der Basis des Transistors T5 kompensiert. Sinkt die Differenzspannung Uo zwischen den Basisanschlüssen der Transistoren Ti und Tj unter den unteren Schwellenwert Uo 2 ab, wird Transistor T₅ leitend und speist einen hohen Kollektorstrom in den Eingang der Stromspiegelschaltung T₃, Ta 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 ΤΊ und den Hauptkollektor des Transistors T₂ ist die Emitter-Kollcklor-Strecke eines weiteren Transistors Te geschaltet, dessen Basis an den Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R5 und Re angeschlossen ist Überschreitet die Differenzspannung Ud den oberen Schwellenwert Ud 1, wird Transistor Te leitend und speist einen Ib 1,2

+ R₆) > Ud 1,2.

Der Referenzstrom Ir der Stromquelle /03 erzeugt an der Serienschaltung Rj, Ra, D\ den Spannungsabfall Ui,. Durch Abgriff am Spannungsteilerpunkt Y wird der dem unteren Schwellenwert entsprechende Spannungswert Ud 2 gewonnen. Für den dem oberen Schwellenwert entsprechenden Spannungswert gilt näherungsweise

U_n

■BE Tb ■

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

Die in F i g. 4 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Längsspannungsreglers funktioniert folgendermaßen:

Beim Einschalten der Eingangsspannung U\ ist die Ausgangsspannung £/> und die Kondensatorspannung Uc zunächst noch 0, so daß die Differenzspannung Ud über dem oberen Schwellenwert Ud 1 liegt. Transistor Te liefert daher einen kräftigen Kollektorstrom zum Verbindungspunkt X, so daß der Kondensator C von einem starken Ausgangsstrom Ia der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung G aufgeladen wird. Als Folge davon wird die Ausgangsspannung U2 zunehmend in Richtung des Nominalwerts U2NOM hochgeregelt. Durch das Ansteigen der Ausgangsspannung U₂ verringert sich die Differenzspannung Ud zunehmend. Beim Unterschreiten des oberen Schwellenwertes Ud 1 schaltet Transistor Te ab und bleibt dann nur noch die lineare spannungsgesteuerte Stromquellenschaltung mit den Transistoren Ti bis Ti wirksam. Im nominalen Betriebszustand bleibt aufgrund des Spannungsabfalls über dem Regeltransistor T eine positive Differenzspannung Ud, so daß der vom Hauptkollektor des Transistors Tj den über die Stromspiegelschaltung T3, T4 vom Hauptkollektor des Transistors Ti gelieferten Strom überwiegt und der Ausgangsstrom Ia der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung G kontinuierlich als Ladestrom in den Kondensator C fließt. Ist die Begrenzungsspannung Ur erreicht, bleibt die Kondensatorspannung trotz dieses Ladestroi» 1& konstant.

Gelangt der Längsspannungsregler dauernd oder während negativer Störspannungsspitzen am Eingang in den Unterspannungsbereich, ist U\ kleiner als der Summenwert aus ausgangsseitiger Nominalspannung U2N0M und Hilfsspannung Ul (Gleichung (6)) und kehrt sich das Vorzeichen der Differenzspannung Ud um. Dann überwiegt der vom Hauptkollektor des Transistors Ti in die Stromspiegelschaltung T₃, T₄ gelieferte Strom den vom Hauptkollektor des Transistors Tj gelie-

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feiten Strom und kehrt sich folglich auch das Vorzeichen des Ausgangsstroms l_A der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung G um. Dies bewirkt eine Verringerung der Kondensatorladung und somit eine Absenkung der Kondensatorspannung Uc- Ober den Differenzverstärker Vwird daher die Ausgangsspannung L^ auf einen unter der Nominalspannung liegenden Wert herabgeregelt

Im Bereich des linearen niedrigen Übertragungsleitwertes g ergibt sich eine große Zeitkonstante für das Verändern der Kondensatorspannung Uc- Bei negativen Amplituden von Störspannungen, weiche den unteren Schwellenwert Uca der Differenzspannung Ud unterschreiten, wird durch das Leitendschaiten des Transistors Ti in den Eingang der Stromspiegelschaltung T₃, Ta ein starker Strom eingespeist, der sich am Verbindungspunkt X, dem Ausgangspunkt der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung G, als starker Entlade- '' strom für den Kondensator C auswirkt. Es kann somit ' eine rasche Herabregelung der Ausgangsspannung Ui

bis auf einen solchen Wert erfolgen, bei dem die Diffe- ϊ

renzspannung Ud wieder oberhalb des unteren Schwellenwertes Ud 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 Übertragungsleit- ,· I wertskennlinie bei der Ausführungsform nach Fig.4

wird zusätzlich ermöglicht, daß sich der Längsspan- 30 *«'

nungsregler rasch auf extreme Betriebssituationen ein- 'ζ,

stellen kann.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Längsspannungsregler mit einem mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke in einem Reglerlängszweig angeordneten Regeltransistor (T), dessen Basis von einem Differenzverstärker (V) angesteuert wird, der eine der Reglerausgangsspannung (U₂) proportionale Spannung mit einer Bezugsspannung (Uc) vergleicht, wobei der Bezugsspannungsan-Schluß des Differenzverstärkers (V) mit einem Kondensator (C) verbunden ist dessen Spannung von einer Spannungsbegrenzungsschahung (B) auf einen Maximalwert (UR) begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (C) mit dem Ausgang einer spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung (G) verbunden ist, deren Ausgangsstrom (Ia) von der Differenz zwischen Eingangsspannung (U]) und Ausgangsspannung (U2) des Längsspannungsreglers abhängt

2. Längsspannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Spannungsbegrenzungsschahung (B) dem Kondensator (C) parallel geschaltet ist
daß diese Parallelschaltung einen Endes mit dem 2s nicht mit dem Regeltransistor (T) versehenen Reglerlängszweig und anderen Endes sowohl mit dem nicht-invertierenden Eingang des Differenzverstärkers fV^als auch mit dem Ausgang der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung (G) verbunden ist und daß der invertierende Eingang des Differenzverstärkers (V) mit einem Anzapfpunkt eines dem Reglerausgang (Ui) parallel geschalteten ersten Spannungsteilers (Ru R₂) 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 Begrenzerschaltungsanordnung gebildet ist.

5. Längsspannungsregler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsgesteuerte Stromquellenschaltung (Greine lineare Übertragungsleitwertslinie aufweist.

6. Längsspannungsregler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsgesteuerte Stromquellenschaltung (G) eine Übertragungsleitwertskennlinie aufweist, die oberhalb eines unteren Schwellenwertes (Uo 2) der Differenz zwischen der Reglereingangsspannung (U\) und der Reglerausgangsspannung (Ui) einen linearen Übertragungsleitwert (g) niedrigen Wertes und unterhalb dieses unteren Schwellenwertes (Up 2) einen großen Übertragungsleitwert (g) aufweist.

7. Längsspannungsregler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsgesteuerte Stromquellenschaltung (G) eine Übertragungsleitwertskennlinie aufweist, die unterhalb eines oberen Schwellenwertes (Uo 1) der Differenz zwischen der Reglereingangsspannung (U\) und der Reglerausgangsspannung (Ui) einen linearen Übertragungsleitwert (g) niedrigen Wertes und oberhalb dieses oberen Schwellenwertes (Ud 1) einen großen Übertragungsleitwert (g) aufweist

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

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

11. Längsspannungsregler nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet

daß die Differenzschaltung (G) zwei in einer Differenzvsrstärkerschaltung angeordnete Transistoren (Ti, T₂) aufweist,

daß die Basis des ersten Transistors (Tt) an die Hilfsspannungüquelle (Ul) und die Basis des zweiten Trans'Stors (Ti) an den Ausgangsanschluß (A) angeschlossen ist,

daß der Emitter des ersten Transistors (Tt) über eine erste Stromquelle (Ibt) und der Emitter des zweiten Transistors (T₂) über eine zweite Stromquelle (In₂) an den Eingangsanschluß f£J angeschlossen sind,
daß die Emitter der beiden Transistoren (T₁, T₂) über eine Emitterimpedanz (R5, Re) miteinander verbunden sind

und daß der Kondensator (C) an den Ausgang einer Summierschaltung (T₃, T*, X) angeschlossen ist deren EinRänge mit dem Kollektor des ersten Transistors (Ti₁J bzw. mit dem Kollektor des zweiten Transistors (T₂) verbunden sind.

12. Längsspannungsregler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Summierschaltung (T₃, T₄, X) eine Stromspiegelschaltung (T₃, T₄) aufweist deren Eingang an den Kollektor des ersten Transistors (Tt) und deren Ausgang an einen Verbindungspunkt (X)zwischen dem Kollektor des zweiten Transistors (T₂) und dem Kondensator (C) angeschlossen ist.

13. Längsspannungsregler nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Transistor (Tt, T₂) je als Multitransistor mit mindestens zwei Kollektoren mit stark verschiedenen Kollektorflächen ausgebildet sind und daß jeder Kollektor mit der geringeren Kollektorfläche an die Summierschaltung (T₃, T₄, ^angeschlossen ist.

14. Längsspannungsregler nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsspannungsquelle (Ui.) eine Serisrischaltung aus einem zw?i!?n Sp3ⁿiiingsieilcr (Dt, Rz, Ra) und einer dritten Stromquelle f/01) aufweist,

wobei der Verbindungspunkt zwischen dem /weiten Spannungsteiler (D\, Ri, R₄) und der dritten Stromquelle (los) mit der Basis des ersten Transistors (T\) verbunden ist,
und daß zwischen die Basis des zweiten Transistors

und den mit der Summierschaltung (T₁, T4, X) verbundenen Kollektor des ersten Transistors (T\) die Kollektor-Emitter-Strecke eines dritten Transistors (Ts) geschaltet ist, dessen Basis über eine Diodenstrecke (Eh) mit einem Teilspannungspunkt (Y) des zweiten Spannungsteilers (D], Rj, Ra) verbunden isL

15. Längsspannungsregler nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet to daß die Ep-itterimpedanz durch eine Reihenschaltung zweier Widerstände (R5, R₆) gebildet ist und daß zwischen den Emitter des ersten Transistors (T\) und den mit der Summierschaltung (Τι, Τ4, X) verbundenen Kollektor des zweiten Transistors (Ti) die Emitterstrecke eines vierten Transistors (T$) geschaltet ist, dessen Basis an den Verbindungspunkt (S) zwischen den beiden Widerständen (Rs, Re) 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).