DE3341345C2

DE3341345C2 - Längsspannungsregler

Info

Publication number: DE3341345C2
Application number: DE3341345A
Authority: DE
Inventors: Joachim G. Dr. 8019 Steinhöring Melbert
Original assignee: SGS-ATES Deutschland Halbleiter-Bauelemente GmbH, 8018 Grafing
Priority date: 1983-11-15
Filing date: 1983-11-15
Publication date: 1987-01-02
Also published as: FR2554990B1; DE3341345A1; GB2151376B; JPH0630030B2; FR2554990A1; IT8449160A0; ES537658A0; GB2151376A; GB8428769D0; US4704572A; US4731574A; ES8606683A1; IT1206170B; JPS60118918A

Abstract

Längsspannungsregler mit einem mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke in einem Reglerlängszweig angeordneten Regeltransistor (T1), dessen Basis über einen Steuertransistor (T2) von einem ersten Differenzverstärker (V) angsteuert wird, der eine Referenzspannung (UREF) mit einer der Reglerausgangsspannung (U2) proportionalen Spannung vergleicht. Es ist eine die Kollektor-Emitter-Spannung des Regeltransistors (T1) mit einer Hilfsspannung (U3) vergleichende Differenzschaltung (V2) vorgesehen, deren Ausgang eine auf den Steuertransistor (T2) einwirkende Strombegrenzungsschaltung (T3) nachgeschaltet ist. Die Hilfsspannung (U3) ist größer als die bei einsetzender Sättigung des Regeltransistors (T1) auftretende Kollektor-Emitter-Spannung des Regeltransistors. Die Strombegrenzungsschaltung (T3) begrenzt den vom Steuertransistor (T2) an die Basis des Regeltransistors (T1) gelieferten Strom, sobald die Differenzschaltung (V2) ein Absinken der Kollektor-Emitter-Spannung des Regeltransistors (T1) auf die Hilfsspannung (U3) feststellt. Dabei kann die Hilfsspannung (U3) proportional zum Reglerausgangsstrom gesteuert werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Längsspannungsregler gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 (GB-PS 14 74 265).
Ein aus der US-PS 30 25 451 bekannter Längsspannungsregler, wie er in beigefügter 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 des bekannten Längsspannungsreglers im 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.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale im Anspruch 1 gelöst.
Aus der GB-PS 14 74 265 ist ein Längsspannungsregler bekannt, dessen Eingangsanschlüsse mit einem RC-Filter überbrückt sind, das als Brummfilter wirksam wird, wenn die Eingangsspannung unterhalb desjenigen Eingangsspannungswertes liegt, bei welchem der Längsspannungsregler noch eine geregelte Ausgangsspannung liefern kann. Dadurch, daß man den Widerstand des RC-Filters mit dem Konstantstrom einer Konstantstromquelle beaufschlagt und zwischen den mit dem Kondensator verbundenen Anschluß des Widerstandes und den Kollektor des Regeltransistors die Basis-Emitter-Strecke eines Transistors schaltet, dessen Kollektor mit der Basis eines Begrenzungstransistors verbunden ist, der im eingeschalteten Zustand den in die Basis des Steuertransistors fließenden Strom begrenzt, wird die Eingangsspannungsgrenze, bis zu welcher der Längsspannungsregler Brummstörungen ausregeln kann, auf Werte abgesenkt, die niedriger sind als bei einem Längsspannungsregler ohne einen solchen Begrenzungstransistor. Mit der Begrenzung des Stroms des Steuertransistors wird erreicht, daß der Regeltransistor nicht in die Sättigung gelangt, in der er seine Regelfunktion verliert.
Das Problem des hohen Anlaufstroms im Unterspannungsbetrieb, wie es bei dem in Fig 1 dargestellten Längsspannungsregler auftritt, ist in der GB-PS 14 74 265 nicht angesprochen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der hohe Anlaufstrom dadurch zustande kommt, daß es dem Längsspannungsregler gemäß Fig 1 im Unterspannungsbereich nicht gelingt, die Ausgangsspannung auf denjenigen Wert zu regeln, der durch eine Referenzspannung vorgegeben ist, und daß er bei diesem Regelversuch den Steuertransistor in den maximal leitenden Zustand bringt, wodurch der Regeltransistor in den Sättigungsbereich gelangt. Man muß also verhindern, daß dieser Sättigungsbetrieb des Regeltransistors eintritt. Hierzu kann man sich der Maßnahme bedienen, wie sie aus der GB-PS für einen anderen Zweck bekannt sind. Das heißt, man verwendet die über dem Widerstand des RC-Filters abfallende Konstantspannung als Hilfsspannung und macht diese Hilfsspannung größer als die bei einsetzender Sättigung des Regeltransistors eintretende Kollektor-Emitter-Spannung des Regeltransistors. Bevor der Regeltransistor in die Sättigung gelangt, wird der die Hilfsspannung mit der Kollektorspannung des Regeltransistors vergleichende Transistor leitend und schaltet den Begrenzungstransistor ein, der daraufhin den Strom des Steuertransistors begrenzt und damit einer Sättigung des Regeltransistors entgegenwirkt.
Um der Abhängigkeit der Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung des Regeltransistors von dessen Kollektorstrom Rechnung zu tragen, muß man die Hilfsspannung der Hilfsspannungsquelle so groß machen, daß bei dem maximal zu erwartenden Ausgangsstrom des Längsspannungsreglers noch sicher verhindert wird, daß der Regeltransistor in die Sättigung gelangt. Dabei muß man in Kauf nehmen, daß beim Auftreten kleiner Kollektorströme des Regeltansistors und somit kleiner Ausgangsströme des Längsspannungsreglers schon dann mit der Strombegrenzung eingegriffen wird, wenn die Kollektor-Emitter-Spannung des Regeltransistors noch relativ weit von dessen Sättigungsspannung entfernt ist. Außerdem läuft man Gefahr, daß für unerwartet hohe Ausgangsströme die Sättigung des Regeltransistors erreicht wird, bevor der vom Wert der Hilfsspannung abhängende Strombegrenzungseingriff stattfindet, so daß in diesem Fall der Schutz vor einer übermäßigen Stromaufnahme des Längsspannungsreglers im Unterspannungsbereich nicht erreicht wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, den Spannungswert der Hilfsspannungsquelle proportional zum Ausgangsstrom des Längsspannungsreglers zu verändern, ist erreicht worden, daß der Längsspannungsregler unabhängig vom jeweiligen Ausgangsstrom immer bis an diejenige Grenze ausgenutzt werden kann, bei welcher die zu vermeidende Stromerhöhung einsetzen würde.
In bevorzugter Ausführungsform setzt sich die von der Hilfsspannungsquelle gelieferte veränderliche Spannung 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 Hauptkollektor und einem Hilfskollektor verwendet, wobei dem Hilfskollektor ein zum Hauptkollektorstrom proportionaler Strom entnehmbar ist, zu welchem Zweck die Hilfskollektorfläche 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.
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 eine Begrenzung des vom Steuertransistor zur Basis des Regeltransistors gelieferten Stroms bewirkt wird. Dies geschieht vorzugsweise entweder durch eine Begrenzung des Basisstroms des Steuertransistors oder dadurch, daß 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.
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 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 wird.
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 Ausführungsformen von Längsspannungsreglern näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig 1 ein Schaltungsschema eines bekannten Längsspannungsreglers gemäß US-PS 30 25 451;
Fig 2 das Anlaufstromverhalten dieses bekannten Längsspannungsreglers;
Fig 3 einen mit einer Begrenzungsschaltung versehenen Längsspannungsregler;
Fig 4 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Längsspannungsreglers;
Fig 5 die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung als Funktion des Kollektorstromes sowie die sich in Abhängigkeit vom Kollektorstrom des Regeltransistors ändernde Hilfsspannung bei der Ausführungsform nach Fig 4;
Fig 6 Betriebskennlinien der in Fig 1, 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen von Längsspannungsreglern; und
Fig 7 eine abgewandelte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Längsspannungsreglers.
Anhand von Fig 1 wird zunächst ein herkömmlicher Längsspannungsregler gemäß US-PS 30 25 451 erläutert. Dieser weist in einem der beiden Längszweige zwischen den Eingangsanschlüssen und den Ausgangsanschlüssen die Emitter-Kollektor-Strecke eines in Basisschaltung angeordneten Regeltransistors T&sub1; auf. Zwischen die Basis und den anderen, in Fig 1 unteren Längszweig ist die Emitter-Kollektor-Strecke eines Steuertransistors T&sub2; geschaltet, dessen Basis an den Ausgang eines Differenzverstärkers V angeschlossen ist. Zwischen dem Kollektor des Steuertransistors T&sub2; und der Basis des Regeltransistors T&sub1; befindet sich ein Begrenzungswiderstand R&sub3;. Parallel zum Ausgang des Längsspannungsreglers ist ein Spannungsteiler mit Widerständen R&sub1; und R&sub2; 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 _REF liefert. Der invertierende Eingang - des Differenzverstärkers V ist an den Verbindungspunkt zwischen den beiden Widerständen R&sub1; und R&sub2; 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 U&sub1; beaufschlagt, deren Wert sich ändern kann. Am Ausgang des Längsspannungsreglers wird eine geregelte Spannung U&sub2; abgenommen.
Ein derartiger Spannungsregler weist vorteilhafterweise einen sehr kleinen minimalen Längsspannungsabfall auf, der nur durch die Sättigungsspannung von T&sub1; bestimmt ist.
Im Normalbetrieb erhält man für die Ausgangsspannung U&sub2; den Nominalwert °=c:40&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz3&udf54; &udf53;vu10&udf54;
Dieser Zustand ist für Eingangsspannungen U&sub1; °=c:20&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz1&udf54; &udf53;vu10&udf54;gewährleistet. Hierbei ist U _{CE SAT T&sub1;} die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung des Transistors T&sub1;.
In diesem Normalbetrieb stellt sich also über dem Widerstand R&sub1; des Spannungsteilers ein Spannungsabfall gleich der Referenzspannung U _REF ein, so daß zwischen den Eingängen des Differenzverstärkers V eine verschwindende Differenzspannung auftritt. Dadurch wird die Basis des Steuertransistors T&sub2; auf einem konstanten Spannungswert gehalten. Hierbei wird stets vorausgesetzt, daß die Leerlaufverstärkung des Verstärkers unendlich groß ist.
Unterschreitet die Eingangsspannung U&sub1; den Grenzwert nach Gleichung (2), kann der Spannungsabfall über dem Widerstand R&sub1; des Spannungsteilers nicht mehr den Wert der Referenzspannung U _REF erreichen. Aufgrund der dadurch zwischen den Eingängen des Differenzverstärkers V entstehenden Differenzspannung und der üblicherweise sehr hohen Verstärkung eines solchen Differenzverstärkers wird der Steuertransistor T&sub2; in den maximal leitenden Zustand gesteuert. Der über die Emitter Basis-Diode des Regeltransistors T&sub1; fließende Kollektorstrom des Steuertransistors T&sub2; wird dann ausschließlich durch den Begrenzungswiderstand R&sub3; begrenzt. In diesem Zustand gilt: °=c:20&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;sb18&udf54;°KI°k°T°KC¤T°kÊ°t¤=¤°K(U°kÉ¤þ¤&udf53;sa10&udf54;L&udf53;sa21&udf54;¤°KU°k°T°KBE¤T°kÉ°t¤&udf53;sa10&udf54;L&udf53;sa21&udf54;¤þ¤-&udf53;sa10&udf54;L&udf53;sa21&udf54;¤°KU°k°T°KCE¤SAT¤T°kÊ°t¤&udf53;sa10&udf54;L&udf53;sa21&udf54;¤)/°KR°kË@,(3)&udf53;zl10&udf54;
Der maximale Kollektorstrom von T&sub2; 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 °=c:20&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;sb18&udf54;°KB°k°T°KPNP°k°t¤&udf58;F&udf56;¤3 .¤.¤. 10@,(4)&udf53;zl10&udf54;auf. Der Steuertransistor T&sub2; muß daher an die Basis des Regeltransistors T&sub1; einen entsprechend großen Treiberstrom liefern können. Der Begrenzungswiderstand R&sub3; muß daher entsprechend klein gewählt werden.
Dies führt dazu, daß der Treiberstrom im Anlaufbereich, d. h., im Unterspannungsbereich, in dem die Eingangsspannung U&sub1; unterhalb des Grenzwerts U&sub1;_G nach Gleichung (2) liegt, bis zu 50% des maximalen Ausgangsstroms I&sub2; des Längsspannungsreglers betragen kann, ohne daß dieser am Ausgang belastet wird.
Fig 2, die den Eingangsstrom I&sub1; des Längsspannungsreglers als Funktion der Eingangsspannung U&sub1; zeigt, veranschaulicht diesen Anlaufstrom für einen Betriebsfall mit kleinem Laststrom. Im Anlaufbereich nimmt der Anlaufstrom I&sub1; sehr stark zu, um dann bei Erreichen des Grenzwertes U&sub1;_G auf den normalen Betriebswert überzugehen, in dem die Ausgangsspannung U&sub2; ihren Nominalwert U&sub2; _NOM annimmt und der Eingangsstrom I&sub1; auf einem recht niedrigen konstanten Wert bleibt.
Ein Längsspannungsregler gemäß GB-PS 14 74 265, der zum Erhalt einer zuverlässigeren Störsignalunterdrückung mit einer Begrenzungsschaltung versehen ist, ist in Fig 3 dargestellt. Dieser Längsspannungsregler enthält zusätzlich zu dem in Fig 1 dargestellten Schaltungsteil eine Hilfsspannungsquelle U&sub3;, eine Differenzschaltung, die hier abweichend von der GB-PS 14 74 265 als zweiter Differenzverstärker V&sub2; dargestellt ist, einen Begrenzungstransistor T&sub3; und einen zweiten Begrenzungswiderstand R&sub4;. Dabei ist der nicht-invertierende Eingang + des zweiten Differenzverstärkers V&sub2; an den Kollektor des Regeltransistors T&sub1; angeschlossen. Der invertierende Eingang - des zweiten Differenzverstärkers V&sub2; ist über die Hilfsspannungsquelle U&sub3; an den Emitter des Regeltransistors T&sub1; angeschlossen. Der Begrenzungstransistor T&sub3; ist mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke parallel zur Emitter-Basis-Strecke des Steuertransistors T&sub2; geschaltet. Die Basis des Begrenzungstransistors T&sub3; ist an den Ausgang des zweiten Differenzverstärkers V&sub2; angeschlossen. Der zweite Begrenzungswiderstand R&sub4; ist zwischen den Ausgang des ersten Differenzverstärkers V und die Basis des Steuertransistors T&sub2; geschaltet. Bei den Transistoren T&sub2; und T&sub3; handelt es sich in dieser Ausführungsform um NPN-Transistoren.
Es folgen nun Überlegungen, wie man den aus der GB-PS 14 74 265 bekannten Längsspannungsregler zur Vermeidung des hohen Anlaufstroms im Unterspannungsbereich verwenden kann, was in dieser Druckschrift allerdings nicht angesprochen ist.
Die Hilfsspannungsquelle U&sub3; wird so dimensioniert, daß sie eine Konstantspannung liefert, die etwas größer ist als die Kollektor-Emitter-Sättigungs-Spannung des Regeltransistors T&sub1; bei maximal erforderlichem Ausgangsstrom I&sub2; des Längsspannungsreglers.
Der Nachteil des bekannten Längsspannungsreglers gemäß Fig 1, die Eingangsspannungsquelle im Anlaufbereich mit einem hohen Anlaufstrom zu belasten, wird dann durch den zusätzlichen Schaltungsteil gemäß Fig 3 aufgrund der im folgenden erläuterten Funktionsweise überwunden.
Liegt die Kollektor-Emitter-Spannung des Regeltransistors T&sub1; über der Hilfsspannung U&sub3;, hält der Ausgang des zweiten Differenzverstärkers V&sub2; den Begrenzungstransistor T&sub3; gesperrt, so daß sich dessen Parallelschaltung zur Basis-Emitter-Strecke des Steuertransistors T&sub2; nicht auswirkt. Unterschreitet die Kollektor-Emitter-Spannung von T&sub1; die Hilfsspannung U&sub3;, d. h., ist °=c:20&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;sb18&udf54;°KU°k°T°KCE¤T°kÉ°t¤<¤°KU°kË@,(5)&udf53;zl10&udf54;nimmt der Ausgang des zweiten Differenzverstärkers V&sub2; ein Potential an, das den Begrenzungstransistor T&sub3; leitend schaltet. Über den Begrenzungstransistor T&sub3; fließt dann mindestens ein Teil des vom Ausgang des ersten Differenzverstärkers V gelieferten Stroms ab. Folglich wird der Basisstrom des Steuertransistors T&sub2; 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 in Fig 1 gezeigten Längsspannungsregler der Differenzverstärker V den Steuertransistor T&sub2; und den Regeltransistor T&sub1; in die Sättigung bringen würde, übernimmt bei dem Längsspannungsregler gemäß Fig 3 der zweite Differenzverstärker V&sub2; die Führungsfunktion für eine vernünftige Begrenzung des vom Steuertransistor T&sub2; gelieferten Stroms und damit des der Eingangsspannungsquelle entnommenen Stroms.
Die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung U _{CE SAT T&sub1;} des Regeltransistors T&sub1; hängt von der Stärke des Kollektorstroms I _C&sub1; des Regeltransistors T&sub1; ab, wie dies in der unteren Kurve in Fig 5 gezeigt ist. Die Hilfsspannung U&sub3; ist bei dem Längsspannungsregler gemäß Fig 3 so auszulegen, daß bei maximalem Laststrom I&sub2; _MAX des Längsspannungsreglers °=c:20&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;sb18&udf54;°KU°k°T°KCE¤SAT¤T°kÉ°t(°KI°k°T°KC°k°t¤É¤°T°KMAX°k°t)¤<¤°KU°kË@,(6)&udf53;zl10&udf54;gilt. Dadurch wird sichergestellt, daß auch bei maximalem Ausgangsstrom die Strombegrenzung des Kollektorstroms des Steuertransistors T&sub2; rechtzeitig vorgenommen wird.
Eine Einschränkung besteht bei dem Längsspannungsregler nach Fig 3 dadurch, daß der minimale Längsspannungsabfall über der Kollektor-Emitter-Strecke des Regeltransistors T&sub1; auf die konstante Hilfsspannung U&sub3; festgelegt wird, obwohl bei kleinen Lastströmen I&sub2; geringere Längsspannungsabfälle als U&sub3; zulässig wären, ohne daß eine unerwünschte Stromüberhöhung auftritt.
Hier schafft der erfindungsgemäße Längsspannungsregler Abhilfe, bei dem die Hilfsspannung U&sub3; als Funktion des Ausgangsstroms I&sub2; gesteuert wird. Dabei ist U&sub3; eine Funktion des Kollektor-Emitter-Sättigungsspannungsverlaufs von T&sub1;, wie dies in Fig 5 dargestellt ist.
Fig 3 zeigt somit auch einen erfindungsgemäßen Längsspannungsregler, wenn man die Hilfsspannungsquelle als eine solche betrachtet, deren Hilfsspannung U&sub3; eine Funktion des Ausgangsstroms I&sub2; ist.
Erreicht wird dies bei der in Fig 4 gezeigten Ausführungsform der Erfindung dadurch, daß die Konstantspannungsquelle U&sub3; in Fig 3 durch einen Widerstand R&sub5; ersetzt wird, der einen Endes an den Emitter des Regeltransistors T&sub1; und anderen Endes an den invertierenden Eingang des Differenzverstärkers V&sub2; angeschlossen ist. An den Verbindungspunkt A zwischen dem Widerstand R&sub5; und dem invertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers V&sub2; ist eine Konstantstromquelle I&sub0; angeschlossen, deren Strom über dem Widerstand T&sub5; einen Konstantspannungsabfall verursacht, der einen konstanten Grundanteil U&sub3;&sub0; der variablen Hilfsspannung U&sub3; bildet. Außerdem ist an den Verbindungspunkt A die Ausgangsseite einer Stromspiegelschaltung mit einem Transistor T&sub4; und einer Diode D angeschlossen, deren Eingang an den Kollektor eines Hilfstransistors T&sub1;&min; oder an einen Hilfskollektor eines als Multitransistor ausgebildeten Regeltransistors T&sub1; angeschlossen ist (in Fig 4 gestrichelt dargestellt). Bei der Variante mit Hilfstransistor T&sub1;&min; ist dieser wie der Regeltransistor T&sub1; als PNP-Transistor ausgebildet und seine Basis ist mit der Basis des Regeltransistors T&sub1; und sein Emitter ist mit dem Emitter des Regeltransistors T&sub1; verbunden.
Die Kollektor-Emitter-Strecke des zur Stromspiegelschaltung gehörenden Transistors T&sub4;, bei dem es sich um einen NPN-Transistor handelt, ist zur Konstantstromquelle I&sub0; parallel geschaltet. Die Anode der Diode D ist an einen Verbindungspunkt S zwischen dem Kollektor des Hilfstransistors T&sub1;&min; bzw. dem Hilfskollektor des Multitransistors T&sub1; und der Basis des Transistors T&sub4; angeschlossen. Die Kathode der Diode D ist mit dem unteren Längszweig des Längsspannungsreglers verbunden, an dem auch das untere Ende der Konstantstromquelle I&sub0; und die Emitter der Transistoren T&sub3; und T&sub4; angeschlossen sind.
Der Kollektor des Hilfstransistors T&sub1;&min; bzw. der Hilfskollektor des Multitransistors T&sub1; liefern einen Hilfskollektorstrom I _C&sub1;/k, der zum Hauptkollektorstrom des Regeltransistors T&sub1; proportional ist. Im Fall der Verwendung des Hilfstransistors T&sub1;&min; wählt man für diesen Hilfstransistor T&sub1;&min; eine Emitterfläche, die 1/k-mal so groß ist wie die Emitterfläche des Regeltransistors T&sub1;. Bei Verwendung eines Multitransistors T&sub1; 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&sub5; einen Stromanteil I _C&sub1;/k, der sich dem Konstantstrom I&sub0; überlagert. Man erhält somit eine variable Hilfsspannung °=c:20&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;sb18&udf54;°KU°kË¤=¤°KU°kËø¤+¤°KU°kË¤°T°KV°k°t¤=¤°KR°kÍ °K(I°kø¤+¤°KI°k°T°KC°k¤°tÉ/°Kk)°k@,-(7)&udf53;zl10&udf54;
Dabei ist U&sub3;&sub0; der Konstantanteil und U&sub3;_V der variable Anteil der Hilfsspannung U&sub3;.
Die Stromspiegelschaltung bewirkt eine Umkehr der Stromrichtung des vom Kollektor des Hilfstransistor T&sub1;&min; bzw. vom Hilfskollektor des Multitransistors T&sub1; gelieferten Stroms. Mit Hilfe der Stromspiegelschaltung kann man zusätzlich, wenn dies gewünscht ist, in den Proportionalitätsfaktor zwischen dem Kollektorstrom des Steuertransistors T&sub1; und dem von der Stromspiegelschaltung an den Widerstand R&sub5; 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 I&sub1; des Längsspannungsreglers in Abhängigkeit von der Eingangsspannung U&sub1; gestrichelt für den herkömmlichen Längsspannungsregler gemäß Fig 1 und ausgezogen für die Längsspannungsregler gemäß Fig 3 und 4. Man sieht, daß letztere Längsspannungsregler den hohen Anlaufstrom, wie ihn der herkömmliche Regler aufweist, nicht mehr zeigen.
Fig 6b zeigt die Differenz zwischen der Eingangspannung U&sub1; und der Ausgangsspannung U&sub2;, d. h., den Längsspannungsabfall, des in Fig 3 gezeigten Längsspannungsreglers mit konstanter Hilfsspannungsquelle U&sub3;.
Fig 6c zeigt den Längsspannungsabfall U&sub1;-U&sub2; als Funktion der Eingangsspannung U&sub1; für die Ausführungsform mit veränderlicher Hilfsspannung U&sub3; gemäß Fig 5. Durch die Anpassung der Hilfsspannung U&sub3; an den jeweiligen Ausgangsstrom des Längsspannungsreglers kommt es zu einer entsprechenden Anpassung des Längsspannungsabfalls, wie die verschiedenen Kennlinien in Fig 6c zeigen, die für verschieden große Ausgangsströme I&sub2; des Längsspannungsreglers gelten. Bei maximalem Ausgangsstrom I&sub2; _MAX erhält man den gleichen Längsspannungsabfallverlauf wie in Fig 6b. Bei niedrigeren Ausgangsströmen, die zwischen I&sub2; _MAX und I&sub2; = 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.
Eine abgewandelte 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&sub4; nicht zwischen den Ausgang des ersten Differenzverstärkers V und die Basis des Steuertransistors T&sub2; 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&sub3; nicht an die Basis des Steuertransistors T&sub2; sondern an den Referenzspannungseingang + des ersten Differenzverstärkers V angeschlossen.
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 V&sub2; festgestellt wird, daß der Regeltransistor T&sub1; davor steht, in die Sättigung zu gelangen, wird durch Leitendschalten des Begrenzungstransistors T&sub3; 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 T&sub1; einen über der Hilfsspannung U&sub3; liegenden Wert einnehmen kann, schaltet der zweite Differenzverstärker V&sub2; den Begrenzungstransistor T&sub3; ab, so daß am Eingang des ersten Differenzverstärkers V wieder die volle Referenzspannung wirksam werden kann und die Ausgangsspannung U&sub2; auf die eigentliche Nominalspannung geregelt werden kann.

Claims

1. Längsspannungsregler mit einem mit seiner Emitter- Kollektor-Strecke in einem Reglerlängszweig angeordneten Regeltransistor (T&sub1;), dessen Basis über einen Steuertransistor (T&sub2;) von einem ersten Differenzverstärker (V) angesteuert wird, der eine Referenzspannung (U _REF) mit einer der Regelausgangsspannung (U&sub2;) proportionalen Spannung vergleicht,
mit einer die Kollektor-Emitter-Spannung des Regeltransistors (T&sub1;) mit einer Hilfsspannung (U&sub3;) einer Hilfsspannungsquelle vergleichenden Differenzschaltung (V&sub2;), deren Ausgang eine auf den Steuertransistor (T&sub2;) einwirkende Begrenzungsschaltung (T&sub3;) nachgeschaltet ist, wobei die Begrenzungsschaltung (T&sub3;) eine Begrenzung des vom Steuertransistor (T&sub2;) an die Basis des Regeltransistors (T&sub1;) gelieferten Strom bewirkt, sobald die Differenzschaltung (V&sub2;) ein Absinken der Kollektor-Emitter-Spannung des Regeltransistors (T&sub1;) auf die Hilfsspannung (U&sub3;) feststellt, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsspannung (U&sub3;) in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom (I&sub2;) des Längsspannungsreglers derart verändert wird, daß sie immer größer ist als die bei einsetzender, vom jeweiligen Ausgangsstrom (I&sub2;) abhängiger Sättigung des Regeltransistors (T&sub1;) auftretende Kollektor-Emitter- Spannung des Regeltransistors (T&sub1;).

2. Längsspannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzschaltung (V&sub2;) einen zweiten Differenzverstärker (V&sub2;) aufweist, dessen nichtinvertierender Eingang (+) mit dem Kollektor des Regeltransistors (T&sub1;) verbunden und dessen invertierender Eingang (-) über die Hilfsspannungsquelle (U&sub3;) an den Emitter des Regeltransistors (T&sub1;) angeschlossen ist.

3. Längsspannungsregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Hilfsspannungsquelle (U&sub3;) gelieferte Spannung aus einem konstanten Grundspannungswert (U&sub3;&sub0;) und einer diesem Grundspannungswert (U&sub3;&sub0;) überlagerten veränderlichen Spannung, die zum Reglerausgangsstrom proportional ist, zusammengesetzt ist.

4. Längsspannungsregler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsspannungsquelle einen zwischen den Emitter des Regeltransistors (T&sub1;) und den invertierenden Eingang (-) des zweiten Differenzverstärkers (V&sub2;) geschalteten Widerstand (R&sub5;) aufweist und das der Verbindungspunkt (A) zwischen dem Widerstand (R&sub5;) und dem invertierenden Eingang (-) des zweiten Differenzverstärkers (V&sub2;) sowohl an eine den Grundspannungswert (U&sub3;&sub0;) hervorrufende Konstantstromquelle (I&sub0;) als auch an eine die veränderliche Spannung hervorrufende Variabelstromquelle (T&sub1;&min;, D, T&sub4;), deren Strom zum Kollektorstrom (I _C&sub1;) des Regeltransistors (T&sub1;) proportional ist, angeschlossen ist.

5. Längsspannungsregler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Variabelstromquelle einen Hilfstransistor (T&sub1;&min;) aufweist, dessen Emitter an den Emitter des Regeltransistors (T&sub1;) und dessen Basis an die Basis des Regeltransistors (T&sub1;) angeschlossen ist und dessen Kollektor ein zum Kollektorstrom des Regeltransistors (T&sub1;) proportionaler Strom (I _C1/k) entnehmbar ist, wobei die Emitterfläche des Hilfstransistors (T&sub1;&min;) und die Emitterfläche des Regeltransistors (T&sub1;) in einem dem gewünschten Proportionalitätsfaktor zwischen deren Kollektorströmen entsprechenden Verhältnis stehen.

6. Längsspannungsregler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Regeltransistor (T&sub1;) als Multitransistor 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 Hilfskollektorfläche in einem dem gewünschten Proportionalitätsverhältnis zwischen Haupt- und Hilfskollektorstrom entsprechenden Verhältnis stehen.

7. Längsspannungsregler nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des Hilfstransistors (T&sub1;&min;) bzw. der Hilfskollektor mit der Eingangsseite eines Stromspiegels (D, T&sub4;) verbunden ist, dessen Ausgangsseite an den Verbindungspunkt (A) zwischen dem Widerstand (R&sub5;) und dem invertierenden Eingang (-) des zweiten Differenzverstärkers (V&sub2;) angeschlossen ist.

8. Längsspannungsregler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des Hilfstransistors (T&sub1;&min;) bzw. der Hilfskollektor mit der Basis eines mit seiner Emitter- Kollektor-Strecke zur Konstantstromquelle (I&sub0;) parallel geschalteten Transistors (T&sub4;) verbunden ist, zu dessen Basis- Emitter-Strecke eine Diode (D) parallel geschaltet ist.

9. Längsspannungsregler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsschaltung einen Begrenzungstransistor (T&sub3;) aufweist, dessen Emitter-Kollektor-Strecke zur Basis- Emitter-Strecke des Steuertransistors (T&sub2;) parallel geschaltet ist und dessen Basis an den Ausgang der Differenzschaltung (V&sub2;) angeschlossen ist.

10. Längsspannungsregler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsschaltung (T&sub3;) eine Absenkung der Referenzspannung (U _REF) bewirkt, sobald die Differenzschaltung (V&sub2;) ein Absinken der Kollektor-Emitter-Spannung des Regeltransistors (T&sub1;) auf die Hilfsspannung (U&sub3;) feststellt.

11. Längsspannungsregler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsschaltung einen Begrenzungstransistor (T&sub3;) aufweist, dessen Emitter-Kollektor-Strecke zwischen den Referenzspannungseingang (+) des ersten Differenzverstärkers (V) und den nicht mit dem Regeltransistor (T&sub1;) versehenen Längszweig des Längsspannungsreglers geschaltet ist und dessen Basis an den Ausgang der Differenzschaltung (V&sub2;) angeschlossen ist.

12. Längsspannungsregler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Steuertransistors (T&sub2;) an den Ausgang des ersten Differenzverstärkers (V) angeschlossen ist, dessen nichtinvertierender Eingang (+) an die Referenzspannungsquelle (U _REF) und dessen invertierender Eingang (-) an einen Anzapfpunkt eines den Ausgang des Längsspanungsreglers parallel geschalteten Spannungsteilers (R&sub1;, R&sub2;) angeschlossen ist.

13. Längsspannungsregler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, 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.

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