DE3706907A1

DE3706907A1 - Spannungsreglervorstufe mit geringem spannungsverlust sowie spannungsregler mit einer solchen vorstufe

Info

Publication number: DE3706907A1
Application number: DE19873706907
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr Fleischer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1987-03-04
Filing date: 1987-03-04
Publication date: 1988-09-15
Anticipated expiration: 2007-03-05
Also published as: JP2736090B2; WO1988006757A1; JPH02502493A; US4950975A; DE3706907C2

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Spannungsreglerstufe nach dem Oberbegriff des Patentsanspruchs 1 sowie von einem Spannungsregler mit einer solchen Vorstufe.

Es sind bereits Spannungsreglervorstufen bzw. Spannungsregler dieser Art bekannt, bei denen der in dem als ausgangsseitigem Ladungsspeicherelement dienenden Kondensator fließende Ladestrom dann auf Null reduziert wird, wenn der Längstransistor in Sättigung geht. Diese Anordnungen haben aber den Nachteil, daß der Längstransistor dann auch einen sehr großen Basisstrom führt, was den Regler für Standby-Betrieb ungeeignet macht.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Spannungsreglerstufe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß bei der Ladestromreduktion des Kondensators in dem Falle, daß die Spannungsdifferenz zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung einen vorbestimmten Betrag unterschreitet, der Basisstromanstieg des Längstransistors überhaupt vermieden und dadurch ein sinnvoller Standby-Betrieb ermöglicht wird. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen in Verbindung mit der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Spannungsreglers mit Vorstufe und nachgeschalteter spannungsstabilisierender Reglerstufe ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine bekannte Spannungsregler-Grundschaltung,

Fig. 2 eine bekannte Low-Drop-Spannungsregler-Grundschaltung,

Fig. 3 eine bekannte ergänzende Beschaltung eines Low-Drop-Reglers zur Ladungsspeicherung,

Fig. 4 einen erfindungsgemäßen Spannungsregler mit Vorstufe und nachgeschalteten Reglerstufen,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel einer bekannten Low-Drop-Spannungsreglervorstufe,

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Low-Drop-Spannungsreglerstufe,

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen nachgeschalteten spannungsstabilisierenden Reglerstufe.

Beschreibung der Erfindung

Spannungsregler zur Erzielung möglichst geringer Spannungsverluste zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung sind unter dem kennzeichnenden Namen "Low-Drop-Regler" oder "Very-Low-Drop-Regler" bekannt (z. B. CG31-Bosch; L487, L387 u. a.-SGS; TEA 7034-Thomson; LM935-NS). Sie werden u. a. in der Kraftfahrzeugelektronik eingesetzt, um bei der unter Startlast bis auf ca. 6 V absinkenden Bordspannung noch eine ausreichende 5 V-Versorgung der Bordelektronik zu gewährleisten. Übliche Drop-Spannungen (minimal notwendige Spannungsdifferenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung) solcher Regler liegen zwischen 0,6 V und 1 V.

Spannungsregler ohne Low-Drop-Eigenschaft (Prinzip-Darstellung in Fig. 1) arbeiten im Regler-Längszweig mit einem Leistungstransistor T 1 in Spannungsfolgerschaltung (Emitterfolger), das heißt der Emitter des Transistors T 1 liegt lastseitig am Ausgangsanschluß 3 des Reglers und bringt dadurch keine zusätzliche Spannungsverstärkung in den geschlossenen Regelkreis (Emitter T 1; Rückführungsteiler R 1, R 2; invertierender Eingang von OP 1; Ausgang von OP 1 bzw. Basis von T 1) ein. Für die Stabilität solcher Regler genügt die interne Frequenzkompensation des den Endstufentransistor T 1 ansteuerenden Operationsverstärkers OP 1, wie sie beispielsweise in der US-PS 39 46 303 beschrieben ist. Der Kondensator C 1 parallel zu den Lastklemmen 2, 3 dient hier lediglich als Ladungsspeicher zur Pufferung von Impulslasten, die der Regler gegebenenfalls nicht schnell genug ausregeln könnte. Der Regler selbst arbeitet auch ohne den Kondensator C 1 stabil.

Im Gegensatz dazu liegt der Leistungstransistor T 2 im Längszweig der Spannungsregler vom Low-Drop-Typ (Prinzip-Darstellung in Fig. 2) mit seinem Kollektor auf der Lastseite (Anschluß 3) und mit seinem Emitter auf der Eingangsseite (Anschluß 1). Er arbeitet also als Spannungsverstärker in Emittergrundschaltung auf die Last und bringt dadurch eine zusätzliche Spannungsverstärkung (mit im allgemeinen sehr ungünstiger Lage der Polfrequenz) in die geschlossene Regelschleife ein. Für die Stabilität dieser Regler genügt die interne Frequenzkompensation des ansteuernden Operationsverstärkers OP 2 nicht mehr. Die interne Kompensation des Operationsverstärkers kann jetzt sogar von Nachteil sein, weil man in der geschlossenen Regelschleife vorzugsweise nur eine einzige Stelle haben sollte, an der die höherfrequenten Anteile der Übertragungsfunktion der offenen Regelschleife mit einer definierten Rate von 20 dB pro Frequenzdekade abgesenkt werden (einpoliges RC-Tiefpaßverhalten für die offene Schleife).

Als Kompensationsmittel für die Low-Drop-Regler wird der Kondensator C 2 parallel zu den Lastklemmen 2, 3 benutzt, da dieser Kondensator in seiner Eigenschaft als Ladungsspeicher (Lastpuffer) i. a. ohnehin vorgesehen wird. Er ist aus Gründen der Reglerstabilität jetzt aber in einer Mindestgröße von 10 µF bis 20 µF erforderlich. Das hat zur Folge, daß für den Betrieb bei niedrigen Temperaturen (Kraftfahrzeug-Einsatz bis -40°C) teure Tantal-Elektrolytkondensatoren eingesetzt werden müssen, weil die bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren in der Kälte auftretenden Serienwiderstände eine Abkopplung der kapazitiven Last von der Reglerschleife bewirken, was zur Instabilität der Regler führt. Weiterhin sind die vorgeschriebenen Mindestgrößen für C 2 in vielen Anwendungsfällen größer als nach dem eigentlichen Zweck der Ladungsspeicherung notwendig wäre.

Beim Einsatz von Low-Drop-Reglern im Kraftfahrzeug-Bordnetz werden fast ausnahmslos weitere (teure), äußere Beschaltungselemente verwendet, um die Auswirkungen positiver und negativer Spannungsspitzen im Bordnetz vom Regler-Ausgang fernzuhalten und eine unterbrechungsfreie Spannungsversorgung der vom Low-Drop-Regler versorgten Baugruppen zu garantieren. Dabei verlegt man aus im folgenden deutlicher werdenden Gründen den eigentlichen Haupt-Ladungsspeicher gern an den Eingang des Reglers und würde zur Impulspufferung am Reglerausgang nur noch noch kleinere Siebkondensatoren benötigen, wenn nicht die Mindestgrößen von C 2 aus Stabilitätsgründen notwendig wären. Das ist besonders lästig, wenn man mehrere Regler aus einem Haupt-Ladungsspeicher betreibt (Standby-Regler für RAM-Versorgung, Hauptregler für Prozessor und Prozessor-Peripherie, weitere Regler für lineare Schaltungsgruppen).

Möglich ist eine Eingangsschaltung nach Fig. 3 (siehe hierzu DE-OS 30 29 696). Ein als Haupt-Ladungsspeicher dienender Kondensator C 3 wird über eine Diode D auf nahezu Bordspannung aufgeladen, so daß der Regler RR in Zeiträumen negativ transienter Bordspannungen aus C 3 versorgt wird. Als Ladungsreserve steht Δ U · C 3 zur Verfügung, wobei Δ U die Differenz der Spannungen an C 3 (ca. 13 V) und an C 2 (5 V) abzüglich der Regler-Drop-Spannung (ca. 0,75 V) ist, als Δ U ≈ 7 V. Diese Ladungsreserve ist wesentlich größer als sie bei gleichem Aufwand an den Reglerausgängen sein könnte. Die Diode D verhindert die Rückwärtsentladung von C 3 ins Bordnetz. Über den zusätzlichen Aufwand hinaus tritt als weiterer Nachteil der Anordnung eine um den Spannungsabfall an D erhöhte Dropspannung von 0,7 V auf.

Gemäß der Erfindung werden die geschilderten Nachteile beseitigt, ohne daß die Low-Drop-Eigenschaften oder der umfassende Schutz gegen Störungen im Versorgungsnetz verloren gehen. Ferner wird die Verwendung preiswerter externer Komponenten (insbesondere Aluminium- Elektrolyt-Kondensatoren) bis zu Temperaturen von -40°C ermöglicht. Weiterhin wird die Möglichkeit geschaffen, daß mehrere der Vorstufe nachgeschaltete Reglerstufen aus einem Hauptladungsspeicher versorgt werden können, ohne daß Mindestgrößen für die lastseitigen Ladungsspeicher aus Stabilitätsgründen vorgeschrieben werden müssen.

Die Lösung nach der Erfindung besteht aus einer Vorstufe VS mit Low-Drop-Eigenschaft, beispielsweise nach Fig. 6, die den Haupt-Ladungsspeicher C 3 bis zu einer durch Konstruktion festlegbaren Spannung auflädt. Ferner können in beliebiger Anzahl nachschaltbare Reglerstufen RS 1, RS 2, . . . RSn, vorzugsweise vom Typ nach Fig. 1, vorgesehen sein. Im Unterschied zum Reglertyp nach Fig. 1 erhalten diese Stufen vorzugsweise eine spezielle Basisstromversorgung für den Längstransistor T 1 (T 11, T 12 usw. in Fig. 4) durch Einrichtungen G (G 1, G 2 usw.), die zur Erhaltung der Low-Drop-Eigenschaften den Basisstrom sowohl dem Ladungsspeicher C 3 als auch (bei geringer Versorgungsspannung) direkt der Versorgungsspannung am Anschluß 1 entnehmen können.

Die Vorstufe VS hat folgende Aufgaben:

a) Aufladung des Kondensators C 3 (Hauptladungsspeicher) bis zu einer durch Konstruktion vorgegebenen Maximalspannung U₃_max (z. B. 14 V), wenn die Versorgungsspannung am Anschluß 1 dazu ausreicht. Die Spannung U₃_max soll auch bei sehr großen Versorgungsspannungen nicht überschritten werden.
b) Aufladung des Kondensators C 3 auf eine möglichst hohe Spannung U₃, wenn die Versorgungsspannung am Anschluß 1 nicht ausreicht, um für U₃ den Wert U₃_max zu erreichen. Die verbleibende (möglichst kleine) Spannungsdifferenz, um die U₃ kleiner bleiben muß als die Versorgungsspannung am Anschluß 1, kann dabei durch Konstruktion festgelegt sein. Vorteilhaft bleibt sie etwas größer als die Kollektor-Emitter-Sättigungsrestspannung des Transistors T 3.
c) Beendigung des Ladevorganges bei der erreichbaren Lade-Endspannung U₃ bzw. U₃_max durch Reduktion des Kollektorstromes von T 3 auf die Größe des Laststromes, der parallel zu C 3 abfließt.
d) Begrenzung der Eigenstromaufnahme der Vorstufe VS im Betrieb ohne externe Last auf vernachlässigbare Werte (< 1‰ des extern entnehmbaren Nenn-Laststromes). Diese Eigenschaft unterscheidet die Lösung nach der Erfindung von bekannten Vorstufen (Fig. 5) und ist von entscheidender Bedeutung für den Standby-Betrieb, in welchem der Anschlußklemme 1 nur der für den Standby-Betrieb unumgänglich notwendige und möglichst kleine Strom entnommen werden darf, um z. B. die Batterie eines abgestellten Kraftfahrzeuges nicht mehr als unvermeidbar zu entladen.
e) Sperrung des Emitter-Kollektorstromes von T 3 für den Normalbetrieb dieses Transistors, wenn die Versorgungsspannung am Anschluß 1 eine bestimmte, durch Konstruktion festlegbare Größe (z. B. 26 V) überschreitet, und Sperrung des Kollektor-Emitterstromes von T 3 für den Inversbetrieb, wenn die Versorgungsspannung am Anschluß 1 kleiner wird als die momentane Ladespannung U₃ an C₃.
f) Begrenzung des Kollektorstromes von T 3 auf einen durch Konstruktion vorgegebenen Maximalstrom.

Diese Eigenschaften schaffen die Grundlage für eine von Störungen im Versorgungsnetz befreite Energieversorgung elektronischer Baugruppen, ohne die Nachteile bekannter Anordnungen hinnehmen zu müssen (z. B. unvollständige Vorstufe nach Fig. 5 - siehe unten).

Um diese Eigenschaften zu erstellen, sind Einrichtungen notwendig, die im folgenden beschrieben und anhand von Ausführungsbeispielen genauer erklärt werden.

Zuvor soll jedoch noch eine bekannte Vorstufe (Fig. 5) beschrieben werden, um auf Bekanntes hinzuweisen und den Vergleich mit der Lösung nach der Erfindung zu erleichtern.

Der Widerstand R 20, die Zenerdiode D 20, der Transistor T 20 und der Widerstand R 21 erzeugen einen durch Konstruktion festgelegten Basisstrom für den Transistor T 3 im Längszweig der Vorstufe (entspricht einer Einrichtung A - siehe unten). Der Kollektorstrom von T 3 lädt den Kondensator C 3 (Hauptladungsspeicher) bis zu einer durch Konstruktion festgelegten Maximalspannung U₃_max auf, die nicht überschritten wird (entspricht einer Einrichtung D - siehe unten). Bei dieser Spannung U₃_max führt der Diodenzweig aus Diode D 22 und Zenerdiode D 21 so viel Strom über den Widerstand R 21, daß T 20 nur noch gerade den Basisstrom für T 3 liefern kann, der zur Aufrechterhaltung des Stromes im Diodenzweig D 21, D 22 ausreicht. U₃_max ist also im wesentlichen festgelegt durch die Summe der Zenerspannungen von D 20 und D 21. Diese Vorstufe enthält keine Einrichtungen B, C, E und F nach der Erfindung (siehe unten).

Ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung gemäß der Erfindung zeigt die Vorstufe nach Fig. 6.

Aufgabe der Einrichtung A ist es, den Transistor T 3 im Längszweig der Vorstufe mit Basisstrom so zu versorgen, daß der Kollektor von T 3 den an Klemme 4 höchstens geforderten Laststrom liefern kann. Jede Vorstufe muß in irgend einer Form eine solche Einrichtung A enthalten (vergl. Vorstufe nach Fig. 5). Die Existenz einer Einrichtung A ist deshalb für sich allein auch nicht Bestandteil der Erfindung, wohl aber besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Einrichtung A, die folgendes zusätzliche Merkmal enthalten:

Innerhalb der Einrichtung A existiert wenigstens ein Knotenpunkt K, an dem zwei Teileinrichtungen A 1 und A 2 miteinander verbunden sind, wobei die Teileinrichtung A 1 einen durch Konstruktion festlegbaren und möglichst kleinen Steuerstrom I _s vom Knotenpunkt K zum Anschluß 2 des Versorgungsnetzes ableitet und wobei die Teileinrichtung A 2 ein Stromverstärker ist, der den Knotenpunkt K mit der Basis des Transistors T 3 so verbindet, daß bei fehlenden sonstigen Einflüssen durch die Einrichtungen B, C, D, E und F der Vorstufe der der Basis von T 3 zugeführte Basisstrom das Produkt aus dem erwähnten Steuerstrom I _s der Teileinrichtung A 1 und dem Stromverstärkungsfaktor der Teileinrichtung A 2 ist.

Im Ausführungsbeispiel (Fig. 6) ist die Einrichtung A 2 (Stromverstärker) als zweistufige Kollektorgrundschaltung mit den beiden Transistoren T 31 und T 32 und dem Widerstand R 31 als die bekannte Darlington-Schaltung dargestellt. Es könnte ebenso eine drei- oder mehrstufige Kollektorgrundschaltung oder eine beliebige andere Stromverstärkerschaltung (Spannungsfolgerschaltung) sein, wobei dann allerdings die weiteren Einrichtungen B, C, D, E und F an die ausgewählte Stromverstärkerschaltung funktionserhaltend anzupassen wären. Die Einrichtung A 1 ist ausgeführt als eine ebenfalls bekannte, sogenannte kreuzgekoppelte Ringstromquelle mit den Transistoren T 33, T 34, T 35 und T 36 und dem Widerstand R 33. Dieser Ringstromquelle wird ein Eingangsstrom über die Dioden D 31 und D 32 und den Widerstand R 32 aus der Klemme 1 des Versorgungsnetzes zugeführt, der über die Transistoren T 33 und T 35 zur Klemme 2 des Versorgungsnetzes abfließt. Den Ausgangsstrom (oben erwähnter Steuerstrom I _s) liefert der Kollektor von T 34 in folgender Größe:

Hierin bedeuten:

U _T = Temperatur-Spannungsäquivalent, m = Quotient der Emitterflächen von T 33 und T 34, n = Quotient der Emitterflächen von T 36 und T 35.

Erkennbar ist dieser durch Konstruktion festlegbare Steuerstrom I _s unabhängig vom Eingangsstrom der Ringstromquelle. Man darf also den Widerstand R 32 sehr hochohmig und damit den Eingangsstrom der Ringstromquelle sehr klein festlegen, ohne dadurch den Steuerstrom I _s zu beeinflussen. Das kommt dem übergeordneten Ziel möglichst geringer Eingenstromaufnahme im Standby-Betrieb vorteilhaft entgegen. Auch die dargestellte Teileinrichtung A 1 kann durch andere Ausführungen ersetzt werden, die einen hinreichend geeigneten Steuerstrom I _s liefern.

Der Sinn des beschriebenen Zusatzmerkmales für den Knotenpunkt K besteht darin, daß mit diesem Punkt eine vorteilhafte Eingriffsstelle für die weiteren Einrichtungen B, C, D, E und F existiert, an der diese Einrichtungen den Stromfluß über den Transistor T 3 unterbrechen oder reduzieren können. Am Knotenpunkt K muß dazu nur der sehr kleine Steuerstrom I _s zum Versorgungsanschluß 1 abgeleitet werden und nicht der wesentlich größere, auf Maximallast auszulegende Basisstrom von T 3. In die Eigenstromaufnahme geht deshalb nur der Steuerstrom I _s und nicht der auf Maximallast auszulegende Basisstrom von T 3 ein. Die Vorstufe nach Fig. 5 enthält das geschilderte Zusatzmerkmal nicht, die Eigenstromaufnahme dieser Vorstufe ist deshalb auch mindestens von der Größe des für Maximallast notwendigen Basisstromes von T 3. Diese Vorstufe ist also für einen sinnvollen Standby-Betrieb ungeeignet.

Aufgabe der Einrichtung B ist es, den in den externen Kondensator C 3 fließenden Strom, wenn die Spannungsdifferenz aus der Versorgungsspannung an den Klemmen 1 und 2 abzüglich der Spannung an C 3 einen durch Konstruktion festgelegten Betrag unterschreitet, auf Null zu reduzieren, bevor der Längstransistor T 3 in Sättigung geht. Dadurch wird die oben unter b geschilderte Aufgabe erfüllt.

Im Ausführungsbeispiel (Fig. 6) wird diese Funktion durch den Transistor T 41 zusammen mit den Dioden D 31 und D 32 erstellt. Durch die Dioden D 31 und D 32 liegt das Basispotential von T 41 um zwei Dioden-Flußspannungen unter dem Versorgungspotential an Klemme 1. Da die Basis-Emitter-Strecke von T 41 selbst eine Dioden-Flußspannung benötigt, um einen ausreichend großen Emitter-Kollektorstrom zu führen, der sich dann vom Steuerstrom I _s abzieht und über T 3 zum Versorgungsanschluß 1 abfließt, kann das Potential am Kollektor von T 3 nur bis auf eine Dioden-Flußspannung unter das Potential am Versorgungsanschluß 1 ansteigen. Dann nämlich wird durch den Strom über T 41 der Steuerstrom I _s und damit auch der Basisstrom von T 3 so weit reduziert, daß C 3 nicht weiter aufgeladen werden kann. Die Bauteile R 41 und C 41 dienen der Frequenzkompensation des mit dem Eingriff von T 41 geschlossenen und auf den Knotenpunkt K einwirkenden Regelkreises. Die durch Konstruktion festgelegte, verbleibende Abstandsspannung vom Betrage einer Dioden-Flußspannung kann verringert werden (Low-Drop-Ziel), indem z. B. für die Diode D 32 eine Schottky-Diode (kleinere Flußspannung) gewählt wird.

Auch hierfür sind andere Ausführungen denkbar. Insbesondere wird man in integrierten Schaltungen für den Transistor T 3 - wegen dessen hoher Sperrspannungsbelastung sowohl in Vorwärts- als auch in Inversrichtung - eine laterale Konstruktion wählen: Innerhalb einer oberflächennahen Zone des einen Leitfähigkeitstyps, die die Basiszone des Transistors T 3 bildet, sollen nebeneinander (nicht übereinander) angeordnet zwei Zonen des anderen Leitfähigkeitstyps liegen, von denen die eine die Emitterzone und die andere die Kollektorzone des Transistors T 3 bildet. Ordnet man in einer solchen Struktur eine dritte Zone (Hilfskollektor) des anderen Leitfähigkeitstyps so an, daß Emitter, Kollektor und Hilfskollektor in dieser lateralen Reihenfolge nebeneinander liegen und die Kollektorzone die Emitterzone lateral vollständig umschließt, dann führt der Hilfskollektor nur dann Strom, wenn die Emitter-Kollektor-Spannung dieser Anordnung auf Werte in unmittelbarer Nähe der Emitter-Kollektor- Sättigungsrestspannung abgesunken ist. Auf diese Weise ist also eine zuverlässige Anzeige des sättigungsnahen Betriebes von T 3 möglich. Man verbindet also jetzt den Hilfskollektor von T 3 mit dem Emitter von T 41 (oder direkt mit dem Knotenpunkt K) und erhält damit äquivalente Lösungen für die Aufgabe der Einrichtung B, wobei auf die dann jeweils anders zu gestaltenden Mittel zur Sicherung regelungstechnischer Stabilität nicht weiter eingegangen wird.

Aufgabe der Einrichtung C ist es, den Kollektorstrom von T 3 auf einen durch Konstruktion vorgegebenen Maximalstrom zu begrenzen.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 wird diese Aufgabe durch die Transistoren T 51, T 52, T 53, die Diode D 51 und die Widerstände R 51 und R 52 gelöst. Die Basis-Emitterstrecken der beiden Transistoren T 51 und T 3 sind direkt parallel geschaltet, so daß über T 51 immer ein (sehr kleiner) Proportionalteil des Emitter-Kollektorstromes von T 3 fließt. Der Proportionalitätsfaktor ist das Emitterflächenverhältnis q : p der beiden Transistoren T 51 und T 3 (q « p). Der Strom über T 51 wird am Basisknoten von T 53 verglichen mit einem festen Referenzstrom I _R, der seinerseits mit T 52 und R 52 in ähnlicher Weise erzeugt wird wie der früher beschriebene Steuerstrom I _s. Wird der Strom über T 51 größer als der Referenzstrom I _R, dann wird T 53 leitend und führt den am Knotenpunkt K zu viel angebotenen Teil des Steuerstromes I _s über D 31 ab zum Versorgungsanschluß 1. Der maximale Kollektorstrom von T 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel damit festgelegt auf I _R · p : q. Die Diode D 51 verhindert den Sättigungsbetrieb von T 52; der Widerstand R 51 hat lediglich regelungstechnische Bedeutung.

Aufgabe der Einrichtung D ist es, die Spannung am externen Kondensator C 3 auf eine durch Konstruktion vorgegebene Maximalspannung U₃_max zu begrenzen.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 wird diese Aufgabe durch die Transistoren T 61, T 62, T 63 und die Zenerdioden D 61 und D 62 gelöst. Die Summe der Zenerspannungen von D 61 und D 62 gibt eine Spannungsschwelle für die Spannung am Kondensator C 3 vor, bis zu der die gesamte Einrichtung D stromlos bleibt. Wird diese Spannungsschwelle zuzüglich einer gewissen Basis-Emitter-Flußspannung von T 63 überschritten, dann wird der durch den Stromspiegel T 61, T 62 auf den Basisknoten von T 53 gespiegelte Strom von T 63 größer als der am Basisknoten von T 53 abfließende Referenzstrom I _R. Der Regelvorgang ist dann der gleiche, wie schon für die Einrichtung C geschildert wurde, nur mit der Wirkung, daß jetzt die Spannung an C 3 über den Betrag der genannten Spannungsschwelle zuzüglich der gewissen Basis-Emitter-Flußspannung von T 63 hinaus nicht ansteigen kann.

Alternative Ausführungsbeispiele sind sofort erkennbar: Eine direkte Verbindung von Kollektor T 62 mit dem Knotenpunkt K anstelle der Verbindung mit dem Basisknoten von T 53 ergibt etwa die gleiche Wirkung. Weiterhin kann man mit einer für die Einrichtung D separaten Referenzstromquelle - ähnlich wie für Einrichtung C - arbeiten und über ein ebenfalls separates T 53 - Äquivalent mit dem Knotenpunkt K verbinden.

Aufgabe der Einrichtung E ist es, den Transistor T 3 für die inverse Betriebseinrichtung vollständig zu sperren, d. h. den Stromfluß über den Transistor T 3 zu unterbinden, wenn die Versorgungsspannung zwischen den Klemmen 1 und 2 kleiner wird als die momentane Ladespannung an C 3.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 wird diese Aufgabe durch die Transistoren T 71 und T 72 gelöst. Die Basis-Emitter-Strecken dieser beiden Transistoren sind parallel geschaltet und liegen emitterseitig am Ausgangsanschluß 4 der Vorstufe. Das Basispotential der beiden Transistoren ist um die Flußspannung der Diode D 31 geringer als das Potential am Versorgungsanschluß 1. Sobald also die Versorgungsspannung zwischen den Anschlüssen 1 und 2 gleich oder kleiner wird als die momentane Ladespannung an C 3 (zwischen den Anschlüssen 2 und 4), werden die Transistoren T 71 und T 72 leitend. Der Transistor T 71 schließt die Kollektor-Basis-Strecke von T 3 kurz, die im Inversbetrieb funktional zur Emitter-Basis-Strecke wird, so daß kein Inversstrom über T 3 fließen kann. Damit der Transistor T 71 jetzt nicht den über die Einrichtung A 2 verstärkten Steuerstrom I _s aufnehmen muß, wird der Steuerstrom I _s vom leitenden Transistor T 72 zum Anschluß 4 abgeleitet. Der Bassistrom der Transistoren T 71 und T 72 fließt über die Diode D 32, den Widerstand R 32 und die Eingangsseite der früher beschriebenen Ringstromquelle zum Kondensator C 3 (Anschluß 2), der jetzt als Energiespeicher die Schaltung versorgt.

Aufgabe der Einrichtung F ist es, den Stromfluß über den Transistor T 3 durch Kurzschließen seiner Basis-Emitter-Strecke zu unterbinden, wenn die Versorgungsspannung zwischen den Anschlüssen 1 und 2 eine durch Konstruktion festgelegte Größe überschreitet. Der geforderte Basis-Emitter-Kurzanschluß für den Transistor T 3 erhöht dessen Zerstörfestigkeit gegenüber hohen Sperrspannungen, die in diesem Betriebszustand der Vorstufe auftreten können.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 wird diese Aufgabe durch die Transistoren T 81, T 82, T 83, den Widerstand R 81 und die Zenerdiodenkette D 81, D 82, D 83 und D 84 gelöst. Überschreitet die Versorgungsspannung zwischen den Anschlüssen 1 und 2 die durch die Zenerspannungen der Diodenkette D 81 bis D 84 festgelegte Spannungsschwelle zuzüglich der Flußspannung des als Diode geschalteten Transistors T 81, dann werden die Transistoren T 82 und T 83 leitend. Der Transistor T 83 schließt die Basis-Emitter-Strecke des Transistors T 3 kurz und unterbindet damit den Stromfluß über T 3. Der Transistor T 82 leitet den Steuerstrom I _s zum Versorgungsanschluß 1 ab, damit nicht der Transistor T 83 einen durch die Einrichtung A 2 verstärkten Strom aufnehmen muß. Der Widerstand R 81 begrenzt den Stromfluß im Zenerdiodenzweig (Schutzfunktion).

Der Transistor T 84 ist in diesem Betriebszustand (Überspannung) der Vorstufe funktionslos. Seine Aufgabe ist ähnlich der Aufgabe des Transistors T 71: Sperrung des Transistors T 83 für den Inversbetrieb.

Die Erfindung ist hinsichtlich der Vorstufe VS nicht auf die anhand der Fig. 6 beschriebenen speziellen Ausführungsformen der Einrichtungen A, B, C, D, E und F beschränkt. Für diese Einrichtungen ist vielmehr eine nahezu unbegrenzte Vielfalt denkbar.

In vielen Fällen sind die anhand der Fig. 6 beschriebenen Vorstufen- Eigenschaften für eine störungsfreie Versorgung von Elektronik aus einem gestörten Versorgungsnetz bereits ausreichend.

Für Mikroprozessoren und Datenspeicher werden jedoch stabilisierte Spannungen benötigt, die in der Lösung nach der Erfindung mit nachgeschalteten Spannungsreglern erzeugt werden. Da diese Regler jetzt keine Störungen des Versorgungsnetzes mehr aufnehmen müssen (insbesondere keine hohen Spannungen beiderlei Polaritäten), können es intern kompensierbare Regler nach dem in Fig. 1 dargestellten Bauprinzip sein, wenn man deren Dropspannung bis zu 1,2 V nicht in voller Größe der Dropspannung der Vorstufe hinzufügen muß.

Eine solche Lösung läßt sich angeben.

Eine geringe Gesamt-Dropspannung wird durch die Eigenschaften der Vorstufe nur noch dann benötigt, wenn die Versorgungsspannung für längere Zeit nur wenig größer ist als die verlangte, stabilisierte Ausgangsspannung. Gerade dann gibt es aber keine Hochspannungsbelastung, so daß man einen Regler nach Fig. 1 für diesen Betriebsfall direkt an das Versorgungsnetz schalten könnte. Im Sinne der Einsparung von Dropspannung genügt es allerdings auch, wenn man eine Einrichtung zur Basisstromversorgung des Transistors T 1 in diesem Betriebsfall direkt an das Versorgungsnetz anschaltet, um den darauf entfallenden Anteil an der Gesamt-Hinzufügung von Dropspannung einzusparen.

Aufgabe der Einrichtung G (G 1, G 2 . . . usw.) ist es, den Transistor T 1 (T 11, T 12 . . . usw.) im Längszweig einer der Vorstufe VS nachgeschalteten weiteren Reglerstufe RS (RS 1, RS 2 . . . usw.; Fig. 4) mit Basisstrom so zu versorgen, daß der genannte Basisstrom dem Haupt-Ladungsspeicher C 3 entnommen wird, solange die Spannung an C 3 dazu ausreichend hoch ist, und daß der genannte Basisstrom dem Anschluß 1 des Versorgungsnetzes ohne Zwischenspeicherung in C 3 direkt entnommen wird, wenn die Spannung an C 3 eine durch Konstruktion festgelegte Größe unterschreitet. Die durch Konstruktion festgelegte Größe muß nicht konstant sein.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 wird diese Aufgabe durch die mit G 1 gekennzeichnete Anordnung mit den Transistoren T 21 bis T 28 gelöst. Außerhalb des mit G 1 gekennzeichneten Bereiches sind u. a. die bekannten Baugruppen gezeigt: Zwischen den Versorgungsanschlüssen 1 und 2 die Vorstufe VS mit ihrem Ausgangsanschluß 4 und dem Haupt-Ladungsspeicher C 3, weiterhin eine der Vorstufe VS nachgeschaltete weitere Reglerstufe im Aufbau nach Fig. 1 mit dem Längszweig-Transistor T 11 und dem Operationsverstärker OP 11, dessen Ausgang das Basispotential von T 11 so führt, daß am Ausgangsanschluß 31 die mit dem Spannungsteiler R 11, R 21 einstellbare stabilisierte Ausgangsspannung (z. B. 5 V) auftritt.

Die Stromzuführung zur Basis von T 11 ist Bestandteil der Einrichtung G 1. Es genügt also, wenn der Ausgang von OP 11 Strom vom Basisanschluß von T 11 wegführen kann. Der Ausgang von OP 11 darf, aber muß nicht in der Lage sein, der Basis von T 11 Strom zuzuführen.

Die Transistoren T 21, T 22 und T 23 sowie die Transistoren T 24, T 25 und T 26 bilden jeweils einen Stromspiegel mit Basisstromverstärker, von denen der zuerst genannte seinen Versorgungsstrom vom Versorgungsanschluß 1 und der zuletzt genannte seinen Versorgungsstrom über den Anschluß 4 aus dem Haupt-Ladungsspeicher C 3 erhält. Die Ausgänge der beiden Stromspiegel (Kollektor von T 22 und Kollektor von T 25) sind miteinander und mit der Basis von T 11 sowie mit dem Ausgang von OP 11 verbunden. Jeder der beiden Stromspiegel muß für sich allein in der Lage sein, an seinem Ausgang den maximal von T 11 benötigten Basisstrom zu liefern, wenn er an seinem Eingang mit einem Eingangsstrom I _o angesteuert wird. Um den dazu notwendigen Eingangsstrom I _o klein zu halten, wählt man vorteilhaft übersetzende Stromspiegel, die dann ebenfalls vorteilhaft mit den angegebenen Basisstromverstärkern T 23 und T 26 ausgerüstet werden. Welcher der beiden Stromspiegel-Eingänge mit dem Eingangsstrom I _o angesteuert wird, entscheidet das emittergekoppelte Transistorpaar T 27, T 28. Dieses Transistorpaar vergleicht durch seine Basisanschlüsse die stabilisierte Spannung am Ausgangsanschluß 31 der nachgeschalteten Spannungsreglerstufe mit der um zwei Dioden-Flußspannungen (derjenigen von T 24 und T 26) verminderten Spannung am Anschluß 4 des Haupt-Ladungsspeichers C 3. Solange also die Spannungsdifferenz zwischen Anschluß 4 und Anschluß 31 größer ist als die genannte Flußspannungssumme an T 24, T 26, wird der Strom I _o über T 28 auf den Eingang des Stromspiegels T 24, T 25, T 26 gegeben, weil dann genügend Spannung an C 3 zur Verfügung steht, um die gesamte Dropspannung der nachgeschalteten Spannungsreglerstufe aus der Spannung an C 3 mit abdecken zu können. In diesem Zustand ist der Stromspiegel T 21, T 22, T 23 nicht aktiv; es ist sogar von Vorteil, ihn für die Hochspannungsfälle am Anschluß 1 aktiv zu sperren, um die Sperrspannungsfestigkeit seiner Transistoren T 21, T 22, T 23 zu erhöhen. Die dazu notwendigen Sperrsignale können z. B. einer sinngemäßen Erweiterung der Einrichtung F der Vorstufe entnommen werden, oder sie werden separat erstellt in einer Einrichtung H mit einer der Einrichtung F der Vorstufe analogen Aufgabe.

Wird die Spannungsdifferenz zwischen Anschluß 4 und Anschluß 31 kleiner als die genannte Flußspannungssumme an T 24, T 26, dann wird der Strom I _o über T 27 auf den Eingang des Stromspiegels T 21, T 22, T 23 gegeben, so daß der auf die Basisstromversorgung von T 11 entfallende Dropspannungs-Anteil der nachgeschalteten Spannungsreglerstufe jetzt von der Versorgungsspannung am Anschluß 1 abgedeckt wird. Da dieser Dropspannungs-Anteil nie größer ist als die Dropspannung der Vorstufe, entsteht kein zusätzlicher Spannungsverlust für diesen Anteil.

Es bleibt zu ergänzen, daß ein erster steuernder Strom I _o für die Basisstromerzeugung des Längszweigtransistors T 11 in jedem Spannungsregler auf irgend eine Weise enthalten sein muß. Die Quelle für I _o ist deshalb nicht notwendig der Einrichtung G zuzuordnen, sondern eher der nachgeschalteten Spannungsreglerstufe.

Aufgabe der Einrichtung H ist es, die aus dem Versorgungsanschluß 1 versorgte Stromquelle der Einrichtung G, die die Basis des Querzweig- Transistors T 1 einer nachgeschalteten Spannungsreglerstufe mit Basisstrom versorgt, aktiv zu sperren, wenn die Versorgungsspannung zwischen den Anschlüssen 1 und 2 eine durch Konstruktion festgelegte Größe überschreitet.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 wird diese Aufgabe durch die Transistoren T 91, T 92, T 93, den Widerstand R 91, die Zenerdiodenkette D 91, D 92, D 93, D 94 und die Dioden D 95, D 96 und D 97 gelöst. Die Einrichtung arbeitet bezüglich der Sperrauslösung in derselben Weise, wie es für die Einrichtung F der Vorstufe beschrieben wurde. Die Dioden D 95, D 96 und D 97 sperren die Transistoren T 92 und T 93 für den Inversbetrieb.

Claims

1. Spannungsreglervorstufe mit geringem Spannungsverlust mit einem Eingangsspannungsanschluß (1), einem Ausgangsspannungsanschluß (4), einem für Eingangs- und Ausgangsspannung gemeinsamen Anschluß (2) und einem als ausgangsseitigem Ladungsspeicherelement dienenden Kondensator (C 3), dessen einer Anschluß mit dem Ausgangsspannungsanschluß (4) und dessen anderer Anschluß mit dem für Eingangs- und Ausgangsspannung gemeinsamen Anschluß (2) verbunden ist, wobei die Spannungsreglervorstufe (VS) zur Erzielung eines möglichst geringen Spannungsverlustes zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung mit einem Transtistor (T 3) im Regler-Längszweig arbeitet, dessen Emitter mit dem Eingangsspannungsanschluß (1) und dessen Kollektor mit dem Ausgangsspannungsanschluß (4) verbunden ist, und wobei die Spannungsreglerstufe (VS) weiterhin zwei Einrichtungen (A und D) enthält, von denen die eine (A) den Längstransistor (T 3) so mit Basisstrom versorgt, daß der Kollektor dieses Transistors (T 3) den am Ausgangsspannungsanschluß (4) höchstens geforderten Laststrom liefern kann, und von denen die andere (D) die an dem als ausgangsseitigem Ladungsspeicherelement dienenden Kondensator (C 3) auftretende Ausgangsspannung der Spannungsreglervorstufe (VS) auf eine maximale Ausgangsspannung begrenzt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (B) vorgesehen ist, die, wenn die Spannungsdifferenz zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung einen vorbestimmten Betrag unterschreitet, den im Kondensator (C 3) fließenden Strom auf Null reduziert, bevor der Längstransistor (T 3) in Sättigung geht.

2. Spannungsreglervorstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (E) vorgesehen ist, die den Stromfluß über den Längstransistor (T 3) für dessen inverse Betriebsrichtung durch Schaltmittel sperrt, die den Basis-Kollektor-Übergang dieses Transistors (T 3) aktiv kurzschließen, wenn die Eingangsspannung der Vorstufe kleiner als deren Ausgangsspannung wird.

3. Spannungsreglervorstufe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (C) vorgesehen ist, die den Kollektorstrom des Längstransistors (T 3) bei einem vorbestimmten Maximalstrom begrenzt.

4. Spannungsreglervorstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (F) vorgesehen ist, die den Stromfluß über den Längstransistor (T 3) durch Schaltmittel sperrt, die den Basis-Emitter-Übergang dieses Transistors (T 3) aktiv kurzschließen, wenn die Eingangsspannung der Vorstufe eine festgelegte Größe überschreitet.

5. Spannungsreglervorstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Einrichtung (A), die den Längstransistor (T 3 ) so mit Basisstrom versorgt, daß der Kollektor dieses Transistors (T 3) den am Ausgangsspannungsanschluß (4) höchstens geforderten Laststrom liefern kann, wenigstens ein Knotenpunkt (K) vorgesehen ist, an dem eine erste und eine zweite Teileinrichtung (A 1 und A 2) miteinander verbunden sind, die Bestandteil der genannten Einrichtung (A) sind, wobei die erste Teileinrichtung (A 1) eine Stromquelle ist, die einen weitgehend konstanten und im Vergleich zum maximalen Basisstrom des Längstransistors (T 3) kleinen Strom (I _s) vom Knotenpunkt (K) zu dem für Eingangs- und Ausgangsspannung gemeinsamen Anschluß (2) abführt, und wobei die zweite Teileinrichtung (A 2) ein Stromverstärker ist, der den Knotenpunkt (K) mit der Basis des Längstransistors (T 3) so verbindet, daß bei fehlenden sonstigen Einflüssen auf die Basis des Längstransistors (T 3), die von den anderen, die Basis des Längstransistors (T 3) beeinflussenden Einrichtungen (B, C, D, E und F) herrühren, der der Basis des Längstransistors (T 3) zugeführte Basisstrom das Produkt aus dem Strom (I _s) der ersten Teileinrichtung (A 1) und dem Stromverstärkungsfaktor der zweiten Teileinrichtung (A 2) ist.

6. Spannungsregler mit einer nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgestalteten Spannungsreglervorstufe (VS), dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsregler mindestens eine weitere, an die Ausgangsspannung der Vorstufe (VS) angeschlossene spannungsstabilisierende Reglerstufe (RS 1, RS 2, . . . RSn) enthält, welche in ihrem Regler-Längszweig zwischen dem Ausgangsspannungsanschluß (4) der Vorstufe (VS) und dem Ausgangsspannungsanschluß (31, 32, . . . 3 n) der weiteren Reglerstufe mit einem zweiten Längstransistor (T 11, T 12, . . . T 1 n) arbeitet, dessen Kollektor mit dem Ausgangsspannungsanschluß (4) der Vorstufe (VS) und dessen Emitter mit dem Ausgangsspannungsanschluß (31, 32, . . . 3 n) der weiteren Reglerstufe (RS 1, RS 2, . . . RSn) verbunden ist.

7. Spannungsregler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine sowohl an die Eingangsspannung der Vorstufe (VS) als auch an die Ausgangsspannung der Vorstufe (VS) angeschlossene erste Hilfseinrichtung (G bzw. G 1, G 2, . . . Gn) vorgesehen ist, die Bestandteil der weiteren Reglerstufe ist und den zweiten Längstransistor (T 11, T 12, . . . T 1 n) so mit Basisstrom versorgt, daß dieser Basisstrom dem zweiten Längstransistor über den Ausgangsstromanschluß (4) der Vorstufe zugeführt wird, solange die Spannung zwischen dem Ausgangsspannungsanschluß (4) der Vorstufe und dem Ausgangsspannungsanschluß (31, 32, . . . 3 n) der weiteren Reglerstufe dazu ausreichend groß ist, und daß dieser Basisstrom dem zweiten Längstransistor über den Eingangsspannungsanschluß (1) der Vorstufe zugeführt wird, sobald die Spannung zwischen dem Ausgangsspannungsanschluß (4) der Vorstufe und dem Ausgangsspannungsanschluß (31, 32, . . . 3 n) der weiteren Reglerstufe eine vorbestimmte Größe unterschreitet.

8. Spannungsregler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Reglerstufe (RS 1, RS 2, . . . RSn) eine zweite Hilfseinrichtung (H) enthält, die eine in der ersten Hilfseinrichtung (G) enthaltene Stromquelle, die dem zweiten Längstransistor (T 11, T 12, . . . T 1 n) Basisstrom über den Eingangsspannungsanschluß (1) der Vorstufe (VS) zuführt, durch Schaltmittel sperrt, welche mindestens einen Basis-Emitter-Übergang eines zur genannten Stromquelle gehörigen Transistors aktiv kurzschließen, wenn die Eingangsspannung der Vorstufe (VS) eine vorbestimmte Größe überschreitet.