DE3603482A1

DE3603482A1 - Einstellbare halbdigitale spannungsregelschaltung

Info

Publication number: DE3603482A1
Application number: DE19863603482
Authority: DE
Inventors: Bernd Roellgen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-02-05
Filing date: 1986-02-05
Publication date: 1987-08-06

Description

Die Erfindung betrifft eine einstellbare Spannungsregelschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine einstellbare Spannungsregelschaltung dient dazu, Stromverbraucher auch bei sich änderndem Innenwiderstand mit der jeweils gewünschten konstanten Gleichspannung zu versorgen. Dabei kommt es darauf an, daß der Lastregelfaktor, die Restwelligkeit, der Temperaturkoeffizient und der Eingangsregelfaktor möglichst niedrig sind.

Spannungsregelschaltungen sind bisher ausnahmslos vollanalog konzipiert. Sie verfügen über eine Referenzspannungsquelle, deren stabilisierende Teile Z-Dioden sind. Bei den einstellbaren Spannungsregelschaltungen erfolgt die Einstellung der Ausgangsspannung ausschließlich durch Potentiometer, und zwar sowohl die Grob- als auch die Feineinstellung. Als Stellglied im Regelkreis dient ein Leistungstransistor, dessen Ansteuerung über eine Darlingtonschaltung erfolgt und der als steuerbarer Widerstand im Stromkreis wirkt. Bei Netzgeräten für hohe Ansprüche an die Genauigkeit, etwa bei Labornetzgeräten, werden, wenn auch bei unterschiedlichen Gerätetypen, wie sie im Handel erhältlich sind (siehe Katalog E 86 der Firma Conrad Electronic GmbH, Hirschau, Seiten 309-311), maximal folgende Werte erreicht:

Lastregelfaktor:≦ωτ 2 mV Restwelligkeit:≦ωτ 0,25 mV Ausregelzeit:70 µs Temperaturkoeffizient:0,01%/K Betriebstemperatur:0-50°C

Die Ergonomik der vollanalogen Spannungsregelschaltungen läßt schon beim Einstellen der Ausgangsspannung zu wünschen übrig. Wegen der Abhängigkeit der Fein- von der Grobeinstellung kann bei ungenauer Grobeinstellung die Feineinstellung nur mit Hilfe eines digitalen Spannungsmeßgerätes zu einer höheren Genauigkeit führen. Die für die Referenzspannungserzeugung verwendeten Z-Dioden sind ohne zu großen technischen Aufwand nicht geeignet, besonders günstige Werte des Eingangs- und des Lastregelfaktors zu ermöglichen. Allgemein ist der Aufwand zur Erzielung akzeptabler Meßwerte zu hoch, die Einstellzeit einer gewünschten Ausgangsspannung für genaues Arbeiten zu lang. Da einige Schaltungsteile sich erwärmen, muß wegen der Wärmedrift der Einstellvorgang oftmals wiederholt werden. Es fehlen zudem deutlich sichtbare Lichtsignale, welche die eingestellte Spannung oder einen eventuellen Kurzschluß anzeigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit geringem Schaltungsaufwand ohne Zuhilfenahme eines Voltmeters ein genaueres und zeitsparenderes Einstellen zu ermöglichen, sowie für eine besonders stabile Referenzspannung und für günstigere Meßwerte zu sorgen. Zugleich soll die Ergonomik beim Einstellen und Ablesen verbessert werden.

Eine besonders stabile Referenzspannung und teilweise auch die günstigeren Meßwerte, insbesondere was den Eingangs- und den Lastregelfaktor anbetrifft, werden durch eine neuartige Konzeption der Konstantspannungsquelle, wie sie eines der Merkmale des Anspruchs 1 ist, erreicht. Die gewünschte genauere Einstellmöglichkeit der Ausgangsspannung wird schaltungstechnisch dadurch bewirkt, daß Fein- und Grobeinstellung voneinander getrennt sind und die DA-Wandlung sehr präzise funktioniert. Weil die Spannungsstufen in Volt näherungsweise genau einstellbar sind, kann die Feineinstellung, gestützt hierauf, exakter erfolgen. Die bei vollanalogen Spannungsregelschaltungen für ein genaues Arbeiten unerläßliche und zugleich zeitraubende Nachkontrolle mittels eines externen digitalen Meßgerätes und die in der Regel notwendige Nachregulierung der eingestellten Spannung entfällt. Das Ablesen der Ausgangsspannung wird durch eine Siebensegment-LED-Anzeige (für die Spannungsstufen in Volt) erleichtert. Die halbdigitale Spannungsregelschaltung erreicht in der beschriebenen Form folgende Meßwerte:

Lastregelfaktor:0,4 mV bei 3,5 A Restwelligkeit:0,3 mV_eff bei 16 V; 3,5 A Ausregelzeit:nicht meßbar Temperaturkoeffizient:0,004%/K Betriebstemperatur:0-50°C Eingangsregelfaktor:0 mV

Die Erfindung kann sowohl in ein Netzgerät eingebaut als auch in einem Chassis als Nachregelschaltung für die Ausgangsspannung anderer Netzgeräte Verwendung finden.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die in Anspruch 2 gekennzeichnete Vorregelung der Betriebsspannung der Operationsverstärker dadurch zu ermöglichen, daß vor die Vcc-Pins der Operationsverstärker ein Spannungsregler geschaltet wird.

Eine dritte Ausgestaltung der Erfindung ersetzt den in Anspruch 1 gekennzeichneten Binärzähler durch einen Codierschalter, dessen einzelne Schaltelemente Umschalter sein müssen.

Vorteile der Erfindung sind:

- Die Ausgangsspannung läßt sich schneller und genauer einstellen.
- Impedanzen beliebiger Referenzspannungen lassen sich wandeln.
- Die Meßwerte sind günstiger als bei vollanalogen Spannungsregelschaltungen.
- Die Bedienungsfreundlichkeit beim Einstellen und Ablesen der Ausgangsspannung wird verbessert.
- Bei besonderer Leitungsführung können Spannungsabfälle an den Versorgungsleitungen des angeschlossenen Verbrauchers kompensiert werden.
- Der maximal verfügbare Ausgangsstrom hängt weitgehend von der Konstruktion der die Ausgangsspannung regelnden Darlingtonschaltung ab.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Schaltplan dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Um eine digitale Einstellung der Referenzspannung zu ermöglichen, wird ein 4 bit-Wort durch einen DA-Wandler in eine analoge Spannung umgewandelt. Es stehen 15 verschiedene Spannungen zur Verfügung. Ihre Werte bilden die Glieder einer arithmetischen Zahlenfolge. In IC 1 wird das 4 bit-Wort erzeugt und gespeichert. Um Zwischenwerte einstellen zu können, wird die Schleiferspannung des Potentiometers R 19 von OP 2 mit dem Faktor 1 verstärkt und sodann über R 20 mit der DA-Wandler-Ausgangsspannung gemischt. Die Ausgangsspannung der Mischstufe wird durch Vollausschlag des Potentiometers annähernd gleich stark erhöht wie durch Addition von 1 zum Wert des 4 bit-Wortes. Ein DC-gekoppelter Verstärker, zu dem OP 1 und OP 3 gehören, verstärkt die Ausgangsspannung der Mischstufe, so daß beispielsweise der auf 1111B eingestellte Zählerstand am Ausgang von OP 3 eine Spannung von 15,00 V (± 0,03 V) herbeiführt. S 3 schaltet in der einen Schalterstellung die Ausgangsspannung von OP 3 auf den Eingang des die Ausgangsspannung der Endstufe regelnden Spannungsfolgers, in der anderen auf diesen eine beliebig hohe (bis 16 V) externe Spannung. OP 4 in der Endstufe hält die Ausgangsspannung der Schaltung immer auf gleicher Höhe wie die Eingangsspannung an seinem nichtinvertierenden Eingang, unabhängig davon, wie groß - in Grenzen - seine Last ist. IC 1 ist ein 4 bit-Binärzähler, dessen Betriebsspannungsbereich bis 16 V reicht und der das 4 bit-Wort erzeugt. Der Zählerstand läßt sich mit S 2 löschen. Das Einstellen des Zählers erfolgt durch ein- oder gegebenenfalls mehrmaligen Tastendruck von S 1. Diesem ist ein RS-Flip-Flop nachgeschaltet. Die übrigen Bauelemente im Schaltungsbereich "Takterzeugung und Anzeige" dienen lediglich dazu, den jeweiligen Zählerstand durch zwei Siebensegment-LED-Anzeigen anzugeben. Die Lampe La 1 in dem die Ausgangsspannung regelnden Spannungsfolger ist vornehmlich ein Anzeigeinstrument für die Spannungsverhältnisse am Ausgang der Schaltung. Für die Erzeugung der Konstantspannung, die als Grundreferenz für die gesamte Schaltung dient, ist eine 15 V-Batterie eingesetzt. Ihr ist ein Spannungsfolger nachgeschaltet, der ihre Impedanz wandelt. Die Batterie selbst wird nur mit 1,5 µA belastet, während am Ausgang des Spannungsfolgers unvergleichlich mehr Strom abgenommen werden kann. Damit liegt der Meßwert des Eingangsregelfaktors bei 0 mV.

Claims

1 Einstellbare halbdigitale Spannungsregelschaltung, insbesondere auch zur Nachregelung der Ausgangsspannung von Netzgeräten, gekennzeichnet durch

- eine Konstantspannungsquelle in Form eines um einen Darlingtontransistor erweiterten Spannungsfolgers, der die Impedanz einer 15 V-Batterie wandelt und die zur Einstellung der Ausgangsspannung dienenden Schaltungsglieder versorgt,
- einen 4 bit-Binärzähler, der beim Inkrementieren die Ausgangsspannung eines nachfolgenden DA-Wandlers jeweils um einen konstanten Wert erhöht, und einen Potentiometer, dem ein Spannungsfolger nachgeschaltet ist,
- eine Mischstufe, welche die Ausgangsspannung des DA-Wandlers, der durch den 4 bit-Binärzähler angesteuert wird, mit der Ausgangsspannung des dem Potentiometer nachgeschalteten Spannungsfolgers mischt, so daß der Vollausschlag des Potentiometers die Ausgangsspannung der Mischstufe annähernd in gleicher Stärke erhöht, wie es dem Inkrementieren des Zählerstands entspricht,
- einen DC-gekoppelten Verstärker zwischen dem Ausgang der Mischstufe und dem Eingang des die Ausgangsspannung der Endstufe regelnden Spannungsfolgers.

2 Einstellbare halbdigitale Spannungsregelschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorregelung der Betriebsspannung der Operationsverstärker für den Fall, daß der höchstzulässige Wert überschritten wird.

3 Einstellbare halbdigitale Spannungsregelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der 4 bit-Binärzähler durch einen Codierschalter ersetzt wird.