DE3341345A1

DE3341345A1 - Laengsspannungsregler

Info

Publication number: DE3341345A1
Application number: DE19833341345
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: DE3341345C2; US4704572A; IT1206170B; GB2151376B; ES537658A0; FR2554990B1; FR2554990A1; US4731574A; JPH0630030B2; IT8449160A0; JPS60118918A; ES8606683A1; GB2151376A; GB8428769D0

Description

Längsspannungsregler

Die Erfindung betrifft einen Längsspannungsregler gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein herkömmlicher Längsspannungsregler dieser Art, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, zeichnet sich durch einen sehr niedrigen minimalen Längsspannungsabfall aus. Solange seine Eingangsspannung jedoch unter demjenigen Spannungswert liegt, der erforderlich ist, um die ausgangsseitige Nominalspannung zu erreichen, belastet dieser Längsspannungsregler die an seinen Eingang angeschlossene Spannungsquelle mit einem hohen Strom, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Der Eingangsstrom nimmt bei von 0 ansteigender Eingangsspannung in einem Anlaufbereich zunächst sehr stark zu, bis dann derjenige Eingangsspannungsgrenzwert erreicht ist, bei dem die Ausgangsspannung den Nominalwert erreicht hat. In dem dann erreichten normalen Betriebsbereich ist die eingangsseitige Stromaufnahme dieses Längsspannungsreglers um ein Vielfaches kleiner als der Wert, der im Anlaufbereich erreicht werden kann.

Spannungsquellen, insbesondere Batterien, die im Hinblick auf die Stromentnahme im normalen Betriebsbereich ausgelegt sind, werden bei Unterspannungsbetrieb im Anlaufbereich übermäßig strapaziert. Die starke Stromentnahme im

··» » ·■» Λ1-ΙΙΛΙΜΛΙ

Anlaufbereich kann dazu führen, daß diese Spannungsquellen derart belastet werden, daß die von ihnen abgegebene Spannung den Grenzspannungswert nicht erreicht, bei dem der Übergang in den normalen Betriebsbereich mit der normalen Stromentnahme erreicht wird. Die Schaltungsanordnung aus diesem Längsspannungsregler und einer derartigen Spannungsquelle läuft sich also im Anlaufbereich fest, so daß es zu einer andauernden hohen Stromentnahme aus der Spannungsquelle kommt, im Fall einer Batterie als Spannungsquelle also zu einer raschen Entladung dieser Batterie.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Längsspannungsregler der beschriebenen Art so zu verbessern, daß die hohe Stromaufnahme im Anlaufbereich verhindert wird.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben und kann den weiteren Ansprüchen gemäß vorteilhaft ausgebildet werden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Steuertransistor des bekannten Längsspannungsreglers bei eingangsseitiger Unterspannung vom Differenzverstärker in die Sättigung und daher auf einen maximalen, nur durch den Kollektorwiderstand begrenzten Kollektorstrom gesteuert wird und daß dieser maximale Kollektorstrom, wenn er durch die Basis-Emitter-Diode des Regeltransistors fließt, den Regeltransistor in die Sättigung bringt.

Die erfindungsgemäße Abhilfe gegen die übermäßige Stromaufnahme des Längsspannungsreglers im Unterspannungsbereich besteht nun darin, die Tendenz des Regeltransistors, in die Sättigung zu gehen, rechtzeitig festzustellen und dann, wenn diese Tendenz erkannt ist, den vom Steuertransistor zur Basis des Regeltransistors gelieferten Strom zu begrenzen oder die Referenzspannung abzusenken.

Zu diesem Zweck wird die Kollektor-Emitter-Spannung des Regeltransistors mittels einer Differenzschaltung mit einer Hilfsspannung verglichen, die etwas größer als die bei einsetzender Sättigung des Regeltransistors auftretende Kollektor-Emitter-Spannung dieses Regeltransistors ist. Sobald die Kollektor-Emitter-Spannung auf den Wert der Hilfsspannung abgefallen ist, wirkt die Differenzschaltung, bei der es sich vorzugsweise um einen Differenzverstärker handelt, derart auf eine Begrenzungsschaltung ein, daß der vom Steuertransistor zur Basis des Regeltransistors gelieferte Strom begrenzt oder die am Referenzspannungseingang des ersten Differenzverstärkers liegende Referenzspannung abgesenkt wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform geschieht ersteres dadurch, daß der Basis-Emitter-Strecke des Steuertransistors ein Begrenzungstransistor parallel geschaltet ist, dessen Basis mit dem Ausgang der Differenzschaltung verbunden ist. Sobald die Differenzschaltung feststellt, daß die Kollektor-Emitter-Spannung des Regeltransistors auf die Hilfsspannung abgesunken ist, wird der Begrenzungstransistor eingeschaltet, so daß er dem Steuertransistor Basisstrom wegnimmt, und somit verhindert, daß der Steuertransistor einen hohen Kollektorstrom erreichen kann.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform mit Absenkung der Referenzspannung geschieht dies dadurch, daß der Begrenzungstransistor dem Referenzspannungseingang des ersten Differenzverstärkers parallel geschaltet ist. Sobald der Begrenzungstransistor von der Differenzschaltung eingeschaltet wird, senkt er die an den Referenzspannungseingang des ersten Differenzverstärkers gelieferte Referenzspannung ab, so daß der Steuertransistor nicht einen hohen Kollektorstrom erreichen kann.

BAD ORIGINAL

Bei einer einfacheren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Längsspannungsreglers wird als HilfsspannungsqueiIe eine Konstantspannungsquelle benutzt. Immer dann, wenn die Kollektor-Emitter-Spannung auf diese Konstantspannung abgesunken ist, wird die Begrenzung des Kollektorstroms des Steuertransistors durchgeführt.

Bei einer Ausführungsform mit konstanter Hilfsspannung kann man die Hilfsspannungsquelle zwischen dem Emitter des Regeltransistors und der Differenzschaltung weglassen, wenn man für die Differenzschaltung eine unsymmetrische Differenzverstärkereinheit verwendet, die den Begrenzungstransistor nicht erst dann einschaltet, wenn die Differenz der beiden Eingangs spannungen dieser Differenzverstärkereinheit ihr Vorzeichen umkehrt, sondern schon dann, wenn diese Differenz einen bestimmten Schwellenwert unterschreitet. Dabei entspricht dieser Schwellenwert dem Spannungswert der Hilfsspannungsquelle.

Die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung eines Transistors ist bekanntlich von dessen Kollektorstrom abhängig. Daher muß man die Konstantspannung der Hilfsspannungsquelle so wählen, daß bei dem maximal zu erwartenden Ausgangsstrom des Längsspannungsreglers noch sicher verhindert wird, daß der Regeltransistor in die Sättigung gelangt. Dies führt allerdings dazu, daß bei kleinen Kollektorströmen des Regeltransistors und somit bei kleinen Ausgangsströmen des Längsspannungsreglers schon dann mit der Strombegrenzung eingegriffen x-jird, wenn die Kollektor-Emitter-Spannung des Regeltransistors noch relativ weit von dessen Sättigungsspannung entfernt ist.

Um nun den Längsspannungsregler unabhängig vom jeweiligen Ausgangsstrom immer bis an diejenige Grenze ausnutzen zu können, bei welcher die zu vermeidende Stromerhöhung ein-

ORiGIWAL

setzen würde, ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Längsspannungsreglers mit einer HiIfsspannungsquelle versehen, deren Spannung in Abhängigkeit von dem Ausgangsstrom des Längsregelverstärkers veränderbar ist. Dabei setzt sich die von der Hilfsspannungsquelle gelieferte veränderliche Spannung vorzugsweise aus einem konstanten Grundspannungswert und einer diesem Grundspannungswert überlagerten veränderlichen Spannung, die zum Reglerausgangsstrom proportional ist, zusammen.

In besonders bevorzugter Weise wird dies dadurch erreicht, daß die Hilfsspannungsquelle durch den Spannungsabfall über einem Widerstand gebildet wird, der einerseits mit dem Strom einer Konstantstromquelle und andererseits mit dem Strom einer Variabelstromquelle beaufschlagt wird. Der von der Konstantstromquelle gelieferte Strom bewirkt über diesem Widerstand den konstanten Grundspannungswert, während die Variabelstromquelle über diesem Widerstand die veränderliche Spannung verursacht.

Bei einer ersten besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Variabelstromquelle einen Hilfstransistor auf, dessen Emitter an den Emitter des Regeltransistors und dessen Basis an die Basis des Regeltransistors angeschlossen ist und dessen Kollektor ein zum Kollektorstrom des Regeltransistors proportionaler Strom entnehmbar ist, zu welchem Zweck die Emitterfläche des Hilfstransistors zu der Emitterfläche des Regeltransistors in ein Verhältnis gesetzt wird, das dem gewünschten Proportionalitätsfaktor zwischen dem Kollektorstrom des Regeltransistors und dem Kollektorstrom des Hilfstransistors entspricht.

Bei einer anderen besonders bevorzugten Ausführungsform wird als Regeltransistor ein Multitransistor mit einem

BAn

Hauptkollektor und einem Hilfskollektor verwendet, wobei dem Hilfskollektor ein zum Hauptkollektorstrom proportionaler Strom entnehmbar ist, zu welchem Zweck die Hilfskollektorflache zur Hauptkollektorfläche in ein solches Verhältnis gesetzt wird, daß zwischen dem Hilfskollektorstrom und dem Hauptkollektorstrom das gewünschte Proportionalitätsverhältnis entsteht.

Vorzugsweise ist der Kollektor des Hilfstransistors bzw. der Hilfskollektor mit dem Eingang einer Stromspiegelschaltung verbunden, deren Ausgang mit dem die Hilfsspannungsquelle bildenden Widerstand verbunden ist. Auf diese Weise wird einerseits der den Widerstand durchfließende variable Strom in die richtige Richtung gebracht und kann andererseits durch Auslegung der Stromspiegelschaltung zusätzlich in den Proportionalitätsfaktor zwischen dem Kollektorstrom des Regeltransistors und dem die variable Hilfsspannung verursachenden Strom eingegriffen werden.

Bevorzugt ist der erfindungsgemäße Längsspannungsregler mit Bipolartransistoren aufgebaut, und zwar zum Zweck des Erhalts eines möglichst kleinen Längsspannungsabfalls mit einem PNP-Leistungstransistor als Regeltransistor für Regler mit positiver Ausgangsspannung. Man kann aber den Längsspannungsregler auch mit einem NPN-Regeltransistor aufbauen, bei entsprechender Anpassung der Restschaltung.

Es ist aber auch die Verwendung von Feldeffekttransistoren möglich, entweder nur für einen Teil der Transistoren oder für alle Transistoren des Längsspannungsreglers mit Ausnahme des Leistungstransistors im Längszweig.

Außerdem ist der erfindungsgemäße Längsspannungsregler in besonders bevorzugter Weise in einer einzigen monolithisch integrierten Schaltung untergebracht. Gerade hier ist wegen

BAD ORIGINAL

der kleinen Stromverstärkung der Leistungs-PNP-Transistoren die Erfindung von besonderer Bedeutung.

Mit der Erfindung ist also ein Längsspannungsregler verfügbar gemacht worden, dessen Regeltransistor stets in einem Arbeitsbereich betrieben wird, in dem sein Basisstrom zwar den benötigten Ausgangsstrom des Längsspannungsreglers gewährleistet, eine Übersteuerung mit der Folge einer überhöhten Stromaufnahme jedoch vermieden wi rd.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Maßnahmen sind Längsspannungsregler verfügbar gemacht worden, die auch im Anlauf-, d.h. Unterspannungsbereich eine Leistungsaufnahme besitzen, die im wesentlichen durch die Lastimpedanz vorgegeben ist.

Aufgabe und Lösung der Erfindung, Vorteile der Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden nun anhand von Alisführungsformen von Längsspannungsreglern näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Schaltungsschema eines herkömmlichen Längsspannungsreglers ;

Fig. 2 das Anlaufstromverhalten dieses herkömmlichen Längsspannungsreglers;

Fig. 3 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Längsspannungsreglers;

Fig. 4 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Längsspannungsreglers;

Fig. 5 die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung als Funktion des Kollektorstromes sowie die sich in Abhängigkeit vom Kollektrostrom des Regeltransistors ändernde Hilfsspannung bei der Ausführungsform nach Fig. 4;

Fig. 6 Betriebskennlinien der in den Fig. 1, 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen von Längsspannungsreglern; und

Fig. 7 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Längsspannungsreglers.

Anhand von Fig. 1 wird zunächst ein herkömmlicher Längsspannungsregler erläutert. Dieser weist in einem der beiden Längszweige zwischen den Eingangsanschlüssen und den Ausgangsanschlüssen die Emitter-Kollektor-Strecke eines

BAD ORIGINAL

in Emitterschaltung angeordneten Regeltransistors T₁ auf. Zwischen die Basis und den anderen, in Fig. 1 unteren Längszweig ist die Emitter-Kollektor-Strecke eines Steuertransistors T₂ geschaltet, dessen Basis an den Ausgang eines Differenzverstärkers V angeschlossen ist. Zwischen dem Kollektor des Steuertransistors T₇ und der Basis des Regeltransistors T₁ befindet sich ein Begrenzungswiderstand R,. Parallel zum Ausgang des Längsspannungsreglers ist ein Spannungsteiler mit Widerständen R₁ und R₂ geschaltet. Parallel zu den Eingangsanschlüssen des Längsspannungsreglers ist ein Referenzspannungsgenerator REF geschaltet, der an den nicht-invertierenden Eingang + des Differenzverstärkers V eine konstante Referenzspannung U_REp liefert. Der invertierende Eingang - des Differenzverstärkers V ist an den Verbindungspunkt zwischen den beiden Widerständen R₁ und R₂ des Spannungsteilers angeschlossen. Der Differenzverstärker V erhält seine Versorgungsspannung von den beiden an die Eingangsanschlüsse angeschlossenen Längszweigleitungen des Längsspannungsreglers .

Die Eingangsanschlüsse des Längsspannungsreglers werden mit einer Eingangsspannung U₁ beaufschlagt, deren Wert sich ändern kann. Am Ausgang des Längsspannungsreglers wird eine geregelte Spannung IL abgenommen.

Ein derartiger Spannungsregler weist vorteilhafterweise einen sehr kleinen minimalen Längsspannungabfall auf, der nur durch die Sättigungsspannung von T₁ bestimmt ist.

Im Normalbetrieb erhält man für die Ausgangsspannung U₂ den Nominalwert

^U2 ^{= U}2 NOM= « ⁺ ^) U CD

BAD QRfGJNAI

Dieser Zustand ist für Eingangsspannungen U₁

^U1 " ^U2 NOM ^{+ U}CE SAT T₁ ^{= U}1G ⁽²⁾

gewährleistet. Hierbei ist U^ „_{Ατ T} die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung des Transistors T₁.

In diesem Normalbetrieb stellt sich also über dem Widerstand R₁ des Spannungsteilers ein Spannungsabfall gleich der Referenzspannung U_Rpp ein, so daß zwischen den Eingängen des Differenzverstärkers V eine verschwindende Differenzspannung auftritt. Dadurch wird die Basis des Steuertransistors T~ auf einem konstanten Spannungswert gehalten. Hierbei wird stets vorausgesetzt, daß die Leerlaufverstärkung des Verstärkers unendlich groß ist.

Unterschreitet die Eingangsspannung U₁ den Grenzwert nach Gleichung (2), kann der Spannungsabfall über dem Widerstand R₁ des Spannungsteilers nicht mehr den Wert der Referenzspannung U_Rpp erreichen. Aufgrund der dadurch zwischen den Eingängen des Differenzverstärkers V entstehenden Differenzspannung und der üblicherweise sehr hohen Verstärkung eines solchen Differenzverstärkers wird der Steuertransistors T_ in den maximal leitenden Zustand gesteuert. Der über die Emitter-Basis-Diode des Regeltransistors T₁ fließende Kollektorstrom des Steuertransistors T- wird dann ausschließlich durch den Begrenzungswiderstand R, begrenzt. In diesem Zustand gilt:

¹C T₂ ⁼ <^U1 - Ke T₁I- |^uce sat t₂ I ^}/V ⁽³⁾

Der maximale Kollektorstrom von T₂ muß so dimensioniert sein, daß der maximale Ausgangsstrom des Längsspannungsreglers ermöglicht wird, der von dem an den Längsspannungsregler angeschlossenen Verbraucher benötigt wird.

Bei derartigen Längsspannungsreglern verwendet man vorzugsweise PNP-Leistungstransistoren, um einen möglichst niedrigen Längsspannungsabfall zu ermöglichen. Solche PNP-Leistungstransistoren weisen bei üblichen Längsspannungsreglern im Bereich maximalen Ausgangsstroms jedoch nur eine relativ niedrige Stromverstärkung

B_pNp » 3 ... 10 (4)

auf. Der Steuertransistor T₂ muß daher an die Basis des Regeltransistors T. einen entsprechend großen Treiberstrom liefern können. Der Begrenzungswiderstand R, muß daher entsprechend klein gewählt werden.

Dies führt dazu, daß der Treiberstrom im Anlaufbereich, d.h., im Unterspannungsbereich, in dem die Eingangsspannung U₁ unterhalb des Grenzwerts U₁ ρ nach Gleichung (2) liegt, bis zu 501 des maximalen Ausgangsstroms I~ des Längsspannungsreglers betragen kann, ohne daß dieser am Ausgang belastet wird.

Fig. 2, die den Eingangsstrom I₁ des Längsspannungsreglers als Funktion der Eingangsspannung IL zeigt, veranschaulicht diesen Anlaufstrom für einen Betriebsfall mit kleinem Laststrom. Im Anlaufbereich nimmt der Anlaufstrom I. sehr stark zu, um dann bei Erreichen des Grenzwertes U „ auf den normalen Betriebswert überzugehen, in dem die Ausgangsspannung U₂ ihren Nominalwert U_{? NQ}w annimmt und der Eingangsstrom I. auf einem recht niedrigen konstanten Wert bleibt.

Eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Längsspannungsreglers, der diesen hohen Anlaufstrom nicht aufweist, ist in Fig. 3 dargestellt. Dieser Längsspannungsregler enthält zusätzlich zu dem in Fig. 1 dargestellten Schaltungsteil eine Hilfsspannungsquelle U,, einen als

Differenzschaltung wirkenden zweiten Differenzverstärker V₂, einen Begrenzungstransistor T, und einen zweiten Begrenzungswiderstand R.. Dabei ist der nicht-invertierende Eingang + des zweiten Differenzverstärkers V₂ an den Kollektor des Regeltransistors T- angeschlossen. Der invertierende Eingang - des zxveiten Differenzverstärkers V₂ ist über die Hilfsspannungsquelle U₇. an den Emitter des Regeltransistors T₁ angeschlossen. Der Begrenzungstransistor T, ist mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke parallel zur Emitter-Basis-Strecke des Steuertransistors T₂ geschaltet. Die Basis des Begrenzungstransistors T, ist an den Ausgang des zweiten Differenzverstärkers V₂ angeschlossen. Der zweite Begrenzungswiderstand R. ist zwischen den Ausgang des ersten Differenzverstärkers V und die Basis des Steuertransistors T₂ geschaltet. Bei den Transistoren T₂ und T, handelt es sich in dieser Ausführungsform um NPN-Transistoren.

Die Hilfsspannungsquelle U, liefert eine Konstantspannung, die etwas größer ist als die Kollektor-Emitter-Sättigungs-Spannung des Regeltransistors T₁ bei maximal erforderlichem Ausgangsstrom I₂ des Längsspannungsreglers.

Der Nachteil des herkömmlichen Längsspannungsreglers gemäß Fig. 1, die Eingangsspannungsquelle im Anlaufbereich mit einem hohen Anlaufstrom zu belasten, wird durch den zusätzlichen Schaltungsteil gemäß Fig. 3 aufgrund der im folgenden erläuterten Funktionsweise überwunden.

Liegt die Kollektor-Emitter-Spannung des Regeltransistors T₁ über der Hilfsspannung U₇, hält der Ausgang des zweiten Differenzverstärkers V₂ den Begrenzungstransistor T, gesperrt, so daß sich dessen Parallelschaltung zur Basis-Emitter-Strecke des Steuertransistors T₂ nicht auswirkt. Unterschreitet die Kollektor-Emitter-Spannung von T₁ die Hilfsspannung U~, d.h., ist

^UCE T₁ *^U3' ⁽⁵⁾

nimmt der Ausgang des zweiten Differenzverstärkers V- ein Potential an, das den Begrenzungstransistor T, leitend schaltet. Über den Begrenzungstransistor T, fließt dann mindestens ein Teil des vom Ausgang des ersten Differenzverstärkers V gelieferten Stroms ab. Folglich wird der Basisstrom des Steuertransistors T- begrenzt, was wiederum zu einer Begrenzung des Kollektorstroms des Steuertransistors und damit zu einer Begrenzung der Stromaufnahme des Längsspannungsreglers führt.

Im Anlaufbereich, in dem bei dem herkömmlichen Längsspannungsregler der Differenzverstärker V den Steuertransistor T- und den Regeltransistor T. in die Sättigung bringen würde, übernimmt bei dem erfindungsgemäßen Längsspannungsregler der zweite Differenzverstärker V₂ die Führungsfunktion für eine vernünftige Begrenzung des vom Steuertransistor T- gelieferten Stroms und damit des der Eingangsspannungsquelle entnommenen Stroms.

Die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung U_{rE SAT} _, des Regeltransistors T. hängt von der Stärke des Kollektorstroms Ip₁ des Regeltransistors T₁ ab, wie dies in der unteren Kurve in Fig. 5 gezeigt ist. Die Hilfsspannung U, ist bei dem Längsspannungsregler gemäß Fig. 3 so auszulegen, daß bei maximalem Laststrom I-, _MAy des Längsspannungsreglers

^UCE SAT T₁ ^(IC1 MAX-¹ ^ ^U3 ¹^

gilt. Dadurch wird sichergestellt, daß auch bei maximalem Ausgangsstrom die Strombegrenzung des Kollektorstroms des Steuertransistors T- rechtzeitig vorgenommen wird.

Eine Einschränkung besteht bei der Ausführungsform nach Fig. 3 dadurch, daß der minimale Längsspannungsabfall über der Kollektor-Emitter-Strecke des Regeltransistors T. auf die konstante Hilfsspannung U, festgelegt wird, obwohl bei kleinen Lastströmen I- geringere Längsspannungsabfälle als U, zulässig wären, ohne daß eine unerwünschte Stromüberhöhung auftritt.

Hier schafft die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform der Erfindung Abhilfe. Bei dieser Ausführungsform wird die Hilfsspannung U, als Funktion des Ausgangsstroms I₂ gesteuert. Dabei ist U, eine Funktion des Kollektor-Emitter-Sättigungsspannungsverlaufs von T₁, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist.

Erreicht wird dies dadurch, daß die KonstantspannungsquelIe U, in Fig. 3 durch einen Widerstand R₅ ersetzt wird, der einen Endes an den Emitter des Regeltransistors T. und anderen Endes an den invertierenden Eingang des Differenzverstärkers V₀ angeschlossen ist. An den Verbindungspunkt A zwischen dem Widerstand R- und dem invertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers V₉ ist eine Konstantstromquelle I₀ angeschlossen, deren Strom über dem Widerstand R,-einen Konstantspannungsabfall verursacht, der einen konstanten Grundanteil U_„ der variablen Hilfsspannung U, bildet. Außerdem ist an den Verbindungspunkt A die Ausgangsseite einer Stromspiegelschaltung mit einem Transistor T₄ und einer Diode D angeschlossen, deren Eingang an den Kollektor eines Hilfstransistors T₁' oder an einen Hilfskollektor eines als Multitransistor ausgebildeten Regeltransistors T angeschlossen ist (in Fig. 4 gestrichelt dargestellt). Bei der Variante mit Hilfstransistor T ' ist dieser wie der Regeltransistor T₁ als PNP-Transistor ausgebildet und seine Basis ist mit der Basis des Regeltransistors T₁ und sein Emitter ist mit dem Emitter des Regeltransistors T₁ verbunden.

Die Kollektor-Emitter-Strecke des zur Stromspiegelschaltung gehörenden Transistors T₄, bei dem es sich um einen NPN-Transistor handelt, ist zur Konstantstromquelle I_Q parallel geschaltet. Die Anode der Diode D ist an einen Verbindungspunkt S zwischen dem Kollektor des Hilfstransistors T₁' bzw. dem Hilfskollektor des Multitransistors T₁ und der Basis des Transistors T. angeschlossen. Die Kathode der Diode D ist mit dem unteren Längszweig des Längsspannungsreglers verbunden, an den auch das untere Ende der Konstantstromquelle 1~ und die Emitter der Transistoren T, und T₄ angeschlossen sind.

Der Kollektor des Hilfstransistors T₁' bzw. der Hilfskollektor des Multitransistors T₁ liefern einen Hilfskollektorstrom 1^₁/k, der zum Hauptkollektorstrom des Regeltransistors T proportional ist. Im Fall der Verwendung des Hilfstransistors T₁' wählt man für diesen Hilfstransistor T ' eine Emitterfläche, die 1/k-mal so groß ist wie die Emitterfläche des Regeltransistors T₁. Bei Verwendung eines Multitransistors T₁ wählt man für den Hauptkollektor und den Hilfskollektor eine Kollektorteilung von k:1. Unter der Voraussetzung, daß der vom Ausgang der Stromspiegelschaltung gelieferte Strom gleich groß ist wie der in den Eingang der Stromspiegelschaltung gelieferte Strom, liefert die Variabelstromquelle dem Widerstand R,- einen Stromanteil I„ /k, der sich dem Konstantstrom I₀ überlagert. Man erhält somit eine variable Hilfsspannung

^U3 ^{= U}30 ^{+ U}3 V ^{= R}5 ^(I0 ^{+ 1}C

Dabei ist U,_n der Konstantanteil und U, _v der variable Anteil der Hilfsspannung U,.

Die Stromspiegelschaltung bewirkt eine Umkehr der Strom richtung des vom Kollektor des Hilfstransistors T₁' bzw

vom Hilfskollektor des Multitransistors T₁ gelieferten Stroms. Mit Hilfe der Stromspiegelschaltung kann man zusätzlich, wenn dies gewünscht ist, in den Proportionalitätsfaktor zwischen dem Kollektorstrom des Steuertransistors T₁ und dem von der Stromspiegelschaltung an den Widerstand R₁. gelieferten Strom eingreifen.

Durch die bei der Ausführungsform nach Fig. 4 verwendete Methode der Steuerung des Längsspannungsabfalls des Spannungsreglers als Funktion von dessen Ausgangsstrom erzielt man gleichzeitig eine minimale Stromaufnahme und einen minimalen Spannungsabfall. Dies zeigt ein Vergleich der in Fig. 6 dargestellten Kennlinien.

Fig. 6a zeigt die Stromaufnahme I₁ des Längsspannungsreglers in Abhängigkeit von der Eingangsspannung U₁ gestrichelt für den herkömmlichen Längsspannungsregler gemäß Fig. 1 und ausgezogen für die erfindungsgemäßen Längsspannungsregler gemäß Fig. 3 und 4. Man sieht, daß die erfindungsgemäßen Längsspannungsregler den hohen Anlaufstrom, wie ihn der herkömmliche Regler aufweist, nicht mehr zeigen.

Fig. 6b zeigt die Differenz zwischen der Eingangsspannung U₁ und der Ausgangsspannung U₂, d.h., den Längsspannungsabfall, des in Fig. 3 gezeigten Längsspannungsreglers mit konstanter Hilfsspannungsquelle U₇..

Fig. 6c zeigt den Längsspannungsabfall U₁ - U- als Funktion der Eingangsspannung U₁ für die Ausführungsform mit veränderlicher Hilfsspannung U, gemäß Fig. 5. Durch die Anpassung der Hilfsspannung U, an den jeweiligen Ausgangsstrom des Längsspannungsreglers kommt es zu einer entsprechenden Anpassung des Längsspannimgsabfalls, wie die verschiedenen Kennlinien in Fig. 6c zeigen, die für verschieden große Ausgangsströme I₇ des Längsspannungsreglers gel-

ten. Bei maximalem Ausgangsstrom I_ _MAy erhält man den gleichen Längsspannungsabfallverlauf wie in Fig. 6b. Bei niedrigeren Ausgangsströmen, die zwischen I₇ ,..-^ und I -, = 0 liegen, erhält man niedrigere Längsspannungsabfälle.

Auch wenn man den Längsspannungsregler gemäß Fig. 4 für verschiedene Verbraucher verwendet, die unterschiedliche Maximalstromanforderungen mit sich bringen, arbeitet er immer mit minimalem Längsspannungsabfall.

Entschließt man sich dagegen für den Einsatz des einfacher aufgebauten Längsspannungsregler nach Abb. 3, empfiehlt es sich, den Längsspannungsregler je nach Einsatzzweck, d.h., je nach der Maximalstromanforderung des jeweils zu versorgenden Verbrauchers, hinsichtlich des Konstantspannungswertes der Hilfsspannungsquelle U, unterschiedlich zu dimensionieren .

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 7 gezeigt. Diese stimmt weitgehend mit derjenigen Ausführungsform überein, die in Fig. 3 dargestellt ist, und weist auch die dort verwendeten Bezeichnungen auf. Im Unterschied zu der Ausführungsform nach Fig. 3 ist bei der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform der zweite Begrenzungswiderstand R. nicht zwischen den Ausgang des ersten Differenzverstärkers V und die Basis des Steuertransistors T₇ geschaltet, sondern zwischen den Ausgang der Referenzspannungsquelle REF und den nicht-invertierenden, den Referenzspannungseingang bildenden Eingang des ersten Differenzverstärkers V geschaltet. Außerdem ist der Kollektor des Begrenzungstransistors T, nicht an die Basis des Steuertransistors T₂ sondern an den Referenzspannungseingang + des ersten Differenzverstärkers V angeschlossen.

BAD ORIGfMAL

In dem mit Fig. 3 übereinstimmenden Schaltungsteil kann die Ausführungsform nach Fig. 7 gemäß Fig. 4 ausgebildet sein, d.h., eine vom Laststrom gesteuerte Hilfsspannungsquelle in der in Fig. 4 gezeigten einen oder anderen Ausführungsform aufweisen.

Der Unterschied der Ausführungsform nach Fig. 7 gegenüber der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform führt zu folgender funktionsmäßigen Änderung:

Sobald mit Hilfe des zweiten Differenzverstärkers V₂ festgestellt wird, daß der Regeltransistor T₁ davor steht, in die Sättigung zu gelangen, wird durch Leitendschalten des Begrenzungstransistors T, die am Referenzspannungseingang + des ersten Differenzverstärkers V auftretende Referenzspannung abgesenkt. Sobald dann die Eingangsschaltung, beispielsweise beim Einschaltvorgang, einen derartigen Spannungswert einnimmt, daß die Kollektor-Emitter-Spannung des Regeltransistors T₁ einen über der Hilfsspannung U, liegenden Wert einnehmen kann, schaltet der zweite Differenzverstärker V₀ den Begrenzungstransistor T, ab, so daß am Eingang des ersten Differenzverstärkers V wieder die volle Referenzspannung wirksam werden kann und die Ausgangsspannung U₇ auf die eigentliche Nominalspannung geregelt werden kann.

BAD ORIGINAL

Leerseite

Claims

IiAIX)R · KUINKER · SCHMITT-NILSON · HIRSCH BVTENT\N\ÜLTK KlROT1KAN B\TKNTVm>K\K\S SGS-ATES ^Deutschland u.Z.: K 20 777SM/6 15. November 1983 LÄNG S SPANNUNG SREGLER Patentansprüche

1. Längsspannungsregler mit einem mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke in einem Reglerlängszweig angeordneten Regeltransistor (T.) dessen Basis über einen Steuertransistor (T„) von einem ersten Differenzverstärker (V) angesteuert wird, der eine Referenzspannung (U_Rpp) mit einer der Reglerausgangsspannung (U₇) proportionalen Spannung vergleicht, dadurch gekennzeichnet,

daß eine die Kollektor-Emitter-Spannung des Regeltransistors (T-) mit einer Hilfsspannung (U,) vergleichende Differenzschaltung (V₂) vorgesehen ist, deren Ausgang eine auf den Steuertransistor (T₂) einwirkende Begrenzungsschaltung (T,) nachgeschaltet ist, wobei die Hilfsspannung (U,) größer als die bei einsetzender Sättigung des Regeltransistors (T-) auftretende Kollektor-Emitter-Spannung des Regeltransistors (T-) ist und die Begrenzungsschaltung (T,) den vom Steuertransistor (T₂) an die Basis des Regeltransistors (T-) gelieferten Strom begrenzt, sobald die Differenzschaltung (V₂) ein Absinken der Kollektor-Emitter-Spannung des Regeltransistors (T-| ) auf die Hilf sspannung (U.,) feststellt.

BAD ORIGINAL

2. Längsspannungsregler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannung (U_RPp) in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Eingangsspannung (U₁) und der Ausgangsspannung (U₉) des Längsspannungsreglers steuerbar ist

3. Längsspannungsregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß eine die Kollektor-Emitter-Spannung des Regeltransistors (T ) mit einer Hilfsspannung (U-) vergleichende Differenzschaltung (V_) vorgesehen ist, deren Ausgang eine auf den Referenzspannungseingang (+) des ersten Differenzverstärkers (V) einwirkende Begrenzungsschaltung (T,) nachgeschaltet ist,

wobei die Hilfsspannung (U,) größer als die bei einsetzender Sättigung des Regeltransistors (T₁) auftretende Kollektor-Emitter-Spannung des Regeltransistors (T₁) ist und die Begrenzungsschaltung (T₇.) die von der Referenzspannungsquelle (U_Rpp) an den Referenzspannungseingang (+) des ersten Differenzverstärkers (V) gelieferte Referenzspannung absenkt, sobald die Differenzschaltung (V~) ein Absinken der Kollektor-Emitter-Spannung des Regeltransistors (T₁) auf die Hilfsspannung (U₃) feststellt.

4. Längsspannungsregler nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzschaltung (V₂) einen zweiten Differenzverstärker aufweist, dessen nicht-invertierender Eingang (+) mit dem Kollektor des Regeltransistors (T₁) verbunden und dessen invertierender Eingang (-) über eine die Hilfsspannung (U,) liefernde Hilfsspannungsquelle an den Emitter des Regeltransistors (T₁) angeschlossen ist.

5. Längsspannungsregler nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsschaltung einen Begren-

BAT)

— J "■

zungstransistor (T,) aufweist, dessen Emitter-Kollektor-Strecke zur Basis-Emitter-Strecke des Steuertransistors (T₇) parallel geschaltet ist und dessen Basis an den Ausgang der Differenzschaltung (V-) angeschlossen ist.

6. Längsspannungsregler nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die Begrenzungsschaltung einen Begrenzungstransistor (T,) aufweist, dessen Emitter-Kollektor-Strecke zwischen den Referenzspannungseingang (+) des ersten Differenzverstärkers (V) und den nicht mit dem Regeltransistor (T-) versehenen Längszweig des Längsspannungsreglers geschaltet ist und dessen Basis an den Ausgang der Differenzschaltung (V₉) angeschlossen ist.

7. Längsspannungsregler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 und 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Steuertransistors (T₉) an den Ausgang des ersten Differenzverstärkers (V) angeschlossen ist, dessen nichtinvertierender Eingang (+) an die Referenzspannungsquelle (U_Rpp) und dessen invertierender Eingang (-) an einen Anzapfpunkt eines dem Ausgang des Längsspannungsreglers parallel geschalteten Spannungsteilers (R-, R₉) angeschlossen ist.

8. Längsspannungsregler nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsspannungsquelle durch eine Konstantspannungsquelle (U₃) gebildet ist.

9. Längsspannungsregler nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Hilfsspannungsquelle gelieferte Spannung in Abhängigkeit von dem Ausgangsstrom (I₉) des Längsregelverstärkers veränderbar ist.

10. Längsspannungsregler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Hilfsspannungsquelle (U,) gelieferte Spannung aus einem konstanten Grundspannungswert (U-„) und einer diesem Grundspannungswert (U^₀) überlagerten veränderlichen Spannung, die zum Reglerausgangsstrom proportional ist, zusammengesetzt ist.

11. Längsspannungsregler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsspannungsquelle einen zwischen den Emitter des Regeltransistors (T₁) und den invertierenden Eingang (-) des zweiten Differenzverstärkers (V„ ) geschalteten Widerstand (Rr) aufweist und daß der Verbindungspunkt (A) zwischen dem Widerstand (R^) und dem invertierenden Eingang (-) des zweiten Differenzverstärkers (V₂) sowohl an eine den Grundspannungswert (U,_n) hervorrufende Konstantstromquelle (I_n) als auch an eine die veränderliche Spannung hervorrufende Variabelstromquelle (T ', D, Tj, deren Strom zum Kollektorstrom (Ip₁) des Regeltransistors (T.) proportional ist, angeschlossen ist.

12. Längsspannungsregler nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Variabelstromquelle einen Hilfstransistor (T ') aufweist, dessen Emitter an den Emitter des Regeltransistors (T-) und dessen Basis an die Basis des Regeltransistors (T₁) angeschlossen ist und dessen Kollektor ein zum Kollektorstrom des Regeltransistors (T₁) proportionaler Strom (Ip₁ /τ.) entnehmbar ist, wobei die Emitterfläche des Hilfstransistors (T₁') und die Emitterfläche des Regeltransistors (T₁) in einem dem gewünschten Proportionalitätsfaktor zwischen deren Kollektorströmen entsprechenden Verhältnis stehen.

13. Längsspannungsregler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Regeltransistor (T₁) als Multitransistor

BAD

mit einem mit dem Ausgang des Längsspannungsreglers verbundenen Hauptkollektor und einem Hilfskollektor, dem ein zum Hauptkollektorstrom proportionaler Strom entnehmbar ist, ausgebildet ist, wobei die Hauptkollektorfläche und die Hilfskollektorflache in einem dem gewünschten Proportionalitätsverhältnis zwischen Haupt- und Hilfskollektorstrom entsprechenden Verhältnis stehen.

14. Längsspannungsregler nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des Hilfstransistors (T ') bzw. der Hilfskollektor mit der Eingangsseite eines Stromspiegels (D, T.) verbunden ist, dessen Ausgangsseite an den Verbindungspunkt (A) zwischen dem Widerstand (R₁-) und dem invertierenden Eingang (-) des zweiten Differenzverstärkers (V^) angeschlossen ist.

15. Längsspannungsregler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des Hilfstransistors (T ') bzw. der Hilfskollektor mit der Basis eines mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke zur Konstantstromquelle (Iq) parallel geschalteten Transistors (T.) verbunden ist, zu dessen Basis-Emitter-Strecke eine Diode (D ) parallel geschaltet ist.

16. Längsspannungsregler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß für wenigstens einen Teil der Transistoren Feldeffekttransistoren vorgesehen sind, wobei deren Source-, Drain- und Gate-Elektroden an die Stelle der Emitter-, Kollektor-, bzw. Basiselektroden treten.

17. Längsspannungsregler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß er monolithisch integriert ist.