DE3716880A1 - Spannungsregelschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannungsregelschaltung für einen aus einer netzunabhängigen Betriebs-Gleichspan­ nungsquelle zu speisenden Verbraucher, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Spannungsregelschaltungen, die eine an einem Verbraucher anliegende Gleichspannung sowohl bei Schwankungen der Betriebsspannung als auch der Belastung stabilisieren können, sind bekannt, beispielsweise aus U. Tietze und Th. Schenck "Halbleiter-Schaltungstechnik", 3. Auflage, Springer-Verlag Berlin, 1976, Seiten 383-391. Die be­ kannten Spannungsregelschaltungen haben üblicherweise einen mit seiner Laststrecke in Serie zu dem Verbraucher an die Betriebs-Gleichspannungsquelle anzuschließenden Serientransistor, eine ein Referenzpotential festlegen­ de Referenzspannungsquelle und eine den Serientransistor abhängig von dem Referenzpotential und der Spannung an dem Verbraucher steuernde, aus der Betriebs-Gleichspan­ nungsquelle gespeiste Regelverstärkerschaltung.

Spannungsregelschaltungen der bekannten Art arbeiten zufriedenstellend, solange die Betriebs-Gleichspannung beträchtlich größer ist als die an dem Verbraucher zu stabilisierende Ausgangsspannung. Bei netzunabhängigen Spannungsquellen, beispielsweise Bordnetzbatterien in Kraftfahrzeugen, soll sich die an den Verbraucher an­ liegende Spannung nur wenig von der Batteriespannung unterscheiden. Mit herkömmlichen Spannungsregelschal­ tungen kann eine Minderung der Batteriespannung nur sehr beschränkt ausgeglichen werden. Darüber hinaus haben herkömmliche Spannungsregelschaltungen, wenn sie für den Ausgleich größerer Schwankungen der Batterie­ spannung nach unten bemessen sind, eine vergleichsweise hohe Verlustleistung. Insbesondere bei Spannungsregel­ schaltungen für Kraftfahrzeuge soll die Verlustleistung jedoch so gering wie möglich sein.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine insbesondere für Kraftfahrzeuge geeignete Spannungsregelschaltung anzu­ geben, die einerseits eine geringe Verlustleistung hat und andererseits die am Verbraucher anliegende Spannung auch dann noch stabilisieren kann, wenn sich der Wert der Betriebsspannung an den Wert der stabilisierten Spannung annähert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kenn­ zeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Im Rahmen der Erfindung wird die Regelverstärkerschal­ tung über eine Zerhacker-Spannungsverdopplerschaltung gespeist. Die Regelverstärkerschaltung liefert damit eine Ausgangsspannung, die größer ist als die am Ver­ braucher anliegende, zu stabilisierende Spannung, so daß der Serientransistor in einem voll geöffneten Zustand gesteuert werden kann, bei welchem die zu sta­ bilisierende Verbraucherspannung im wesentlichen gleich der von der Betriebs-Gleichspannungungsquelle geliefer­ ten Versorgungsspannung ist.

Besonders geringe Werte der Verlustleistung lassen sich erreichen, wenn es sich bei dem Serientransistor um einen Power-MOS-Transistor handelt. Derartige Transistoren haben einen sehr niedrigen Durchlaßwiderstand R _DS-ON im voll durchgeschalteten Zustand und einen hochohmigen Steuereingang. Hierbei werden N-Kanal-Power-MOS-Tran­ sistoren bevorzugt, da sie einen niedrigeren R _DS-ON - Wert haben als P-Kanal-Typen und preisgünstiger sind. Die für die volle Durchsteuerung von Power-MOS-Transis­ toren erforderliche, vergleichsweise hohe Steuerspannung läßt sich jedoch bei Verwendung der Zerhacker-Spannungs­ verdopplerschaltung auch für den Betrieb an Kraftfahr­ zeug-Batterien problemlos bereitstellen.

Eine besonders einfache Zerhacker-Spannungsverdoppler­ schaltung umfaßt ausgangseitig einen Parallelkondensator, der über eine Ladediode an die Betriebs-Gleichspannungs­ quelle und über einen Serienkondensator an einen perio­ disch schaltenden Zerhacker-Umschalter angeschlossen ist. Der Zerhacker-Umschalter sorgt abwechselnd für eine Verbindung des Serienkondensators mit der Betriebs- Gleichspannungsquelle oder für das Parallelschalten des Serienkondensators parallel zum Parallelkondensator.

Da die Spannungsverdopplerschaltung eine pulsierende Gleichspannung liefert, kann ihr eine Glättungsschaltung nachgeschaltet sein.

Bei der Regelverstärkerschaltung kann es sich um einen einfachen Transistorverstärker handeln, dessen Transistor mit seinem Emitter an die beispielsweise durch eine Zenerdiode gebildete Referenzspannungsquelle angeschlos­ sen ist. Geringere lastabhängige Schwankungen der sta­ bilisierten Ausgangsspannung und eine Verringerung des Temperatureinflusses auf die Spannungsregelschaltung läßt sich erreichen, wenn die Regelverstärkerschaltung unter Verwendung eines rückgekoppelten Operationsverstär­ kers aufgebaut ist, insbesondere dann, wenn es sich bei der Referenzspannungsquelle um eine Präzisions-Referenz­ spannungsquelle, wie sie herkömmlich verfügbar ist, handelt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Prinzip-Schaltbild einer für die Stabili­ sierung der Lastspannung in einem Kraftfahr­ zeug geeigneten Spannungsregelschaltung;

Fig. 2 ein detailliertes Schaltbild einer nach dem Prinzip-Schaltbild der Fig. 1 arbeitenden Spannungsregelschaltung; und

Fig. 3 eine Variante der Spannungsregelschaltung nach Fig. 2.

Die in Fig. 1 dargestellte Spannungsregelschaltung erlaubt die Stabilisierung der an einem Verbraucher, dargestellt in Form eines Lastwiderstands R _L , anliegende Lastspannung U _L bei Schwankungen der Betriebs-Gleich­ spannung U _B einer netzunabhängigen Betriebs-Gleichspan­ nungsquelle, hier einer Kraftfahrzeugbatterie 1. Die Batterie 1 ist mit ihrem negativen Pol an Masse 3 an­ geschlossen. Der Lastwiderstand R _L ist einerseits eben­ falls mit der Masse 3 verbunden und andererseits über die Drain-Source-Strecke eines N-Kanal-Power-MOS-Tran­ sistors 5 mit dem positiven Pol 7 der Batterie 1 verbun­ den. Der Power-MOS-Transistor 5 wird von einer Regelver­ stärkerschaltung 9 gesteuert, deren Ausgang 11 an das Gate des Power-MOS-Transistors 5 angeschlossen ist. Die Regelverstärkerschaltung 9 ist mit dem massefernen Anschluß des Lastwiderstands R _L verbunden und steuert den Power-MOS-Transistor 5 abhängig von einer Referenz­ spannung U _Ref , die eine Referenzspannungsquelle 13 bezogen auf Masse erzeugt. Ändert sich die Batteriespan­ nung U _B , so wirkt die Regelverstärkerschaltung 9 einer Änderung der Lastspannung U _L durch eine komplementäre Änderung des über die Laststrecke des Power-MOS-Transis­ tors 5 fließenden Stroms und/oder der Drain-Source-Span­ nung an dem Transistor 5 entgegen. Entsprechendes gilt, wenn sich die Lastspannung U _L aufgrund einer Laständerung zu verändern sucht.

Der Power-MOS-Transistor 5 benötigt, um voll zu öffnen, eine Gatespannung, die um etwa 5 bis 10 Volt über dem Potential am massefernen Anschluß der Last R _L liegt. Um den Vorteil des sehr geringen Durchlaßwiderstands R _DS-ON des durchgeschalteten Power-MOS-Transistors 5 von weniger als 50 mOhm im voll geöffneten Zustand nutzen zu können, wird die Regelverstärkerschaltung 9 aus einer Zerhacker-Spannungsverdopplerschaltung 15 mit der doppelten Batteriespannung 2 U _B mit Betriebsspannung versorgt. Das Potential am Ausgang 11 der Regelver­ stärkerschaltung 9 läßt sich auf diese Weise auf ein Potential anheben, welches die volle Öffnung des Power- MOS-Transistors 5 gewährleistet. Die Lastspannung U _L läßt sich dementsprechend auch dann noch hinreichend stabilisieren, wenn sie nur wenig niedriger als die Batteriespannung U _B ist.

Die Verwendung des Power-MOS-Transistors 5 als Serien­ transistor der Spannungsregelschaltung hat darüber hinaus für Anwendungen im Kraftfahrzeug den Vorteil, daß die dem Power-MOS-Transistor 5 eigene Reverse-Diode positive Spannungsspitzen, die über die vom Transistor zur Last R _L führende Leitung zum Power-MOS-Transistor 5 gelangen, weiterleitet, so daß sie beispielsweise von einer Überspannungsschutzdiode 17 am Eingang der Span­ nungsregelschaltung abgefangen werden können.

Fig. 2 zeigt Einzelheiten einer Spannungsregelschaltung gemäß Fig. 1, wobei gleichwirkende Teile mit den Be­ zugszahlen der Fig. 1 bezeichnet und zur Unterscheidung mit dem Buchstaben a versehen sind. Zur näheren Erläute­ rung wird auf die Beschreibung der Fig. 1 Bezug genommen.

Die Regelverstärkerschaltung 9 a besteht aus einem ein­ fachen Transistorverstärker, dessen Transistor 19 mit seiner Basis über einen Vorwiderstand 21 an den masse­ fernen Anschluß der Last R _L angeschlossen ist. Der Kol­ lektor des Transistors 19 ist über einen Strombegren­ zungswiderstand 23 mit dem Gate des Power-MOS-Transistors 5 a verbunden, während der Emitter des Transistors 19 an dem massefernen Anschluß, hier die Kathode einer in Sperrichtung gepolten Zenerdiode 25 angeschlossen ist. Die Zenerdiode 25 bildet zusammen mit ihrem in Serie geschalteten Arbeitswiderstand 27 die Referenzspannungs­ quelle 13 a. Zusammen mit dem Kollektor des Transistors 19 ist der Arbeitswiderstand 27 über einen Strombegren­ zungswiderstand 29 an einen den Ausgang der Zerhacker- Spannungsverdopplerschaltung 15 a bildenden Schaltungs­ punkt 31 angeschlossen.

Die Zerhacker-Spannungsverdopplerschaltung 15 a ist ähnlich einer Villard-Schaltung aufgebaut und hat einen Kondensator 33, welcher mit einem Anschluß an Masse 3 a und mit seinem anderen Anschluß 35 über eine in Durch­ laßrichtung gepolte Ladediode 37 an den positiven Pol 7 a der Batterie angeschlossen ist. Der Kondensator 33 ist, bezogen auf den Ausgang 31 der Schaltung 15 a in einem Parallelzweig angeordnet. Ein zweiter Kondensator 39 ist, bezogen auf den Ausgang 31, in einem Serienzweig angeordnet und mit seinem einen Anschluß an den Anschluß 35 des Kondensators 33 angeschlossen. Der andere Anschluß des Kondensators 39 ist über einen Strombegrenzungswider­ stand 41 ebenfalls mit dem positiven Pol 7 a der Batterie und zusätzlich über die Kollektoremitterstrecke eines Schalttransistors 43 mit Masse 3 a verbunden. Ein Impuls­ generator 45, beispielsweise ein astabiler Multivibrator mit einer Impulsfrequenz zwischen 10 kHz bis 100 kHz öffnet und schließt den Schalttransistor 43 perio­ disch aufeinanderfolgend. Die Impulsfrequenz kann je­ doch auch wesentlich niedriger sein.

Bei durchgesteuertem Schalttransistor 43 liegt der Kon­ densator 39 mit seinen dem Anschluß 35 abgewandten An­ schluß 47 auf Massepotential und ist dem Kondensator 33 parallelgeschaltet. Die Kondensatoren 33, 39 werden damit über die Ladediode 37 gemeinsam auf die Batterie­ spannung U _B aufgeladen. Bei geöffnetem Schalttransistor 43 hingegen wird der Anschluß 47 des Kondensators 39 über den Widerstand 41 auf das Potential am Pluspol 7 a angehoben. Für diese Polungsrichtung ist die Ladediode 37 in Sperrichtung gepolt, so daß sie den Kondensator 39 nicht entladen kann. Am Anschluß 35 liegt jedoch bei dieser Polung des Kondensators 39 das doppelte Poten­ tial der Batteriespannung U _B , so daß sich der Konden­ sator 33 auf die doppelte Batteriespannung aufzuladen sucht. Zur Glättung und Verringerung der Lastabhängig­ keit der Ausgangsspannung ist dem Kondensator 33 über einen Widerstand 49 ein Glättungskondensator 51 parallel­ geschaltet. Der Glättungskondensator 51 liegt dem Ausgang 31 der Zerhacker-Spannungsverdopplerschaltung parallel und liefert eine geglättete Versorgungsspannung für die Referenzspannungsquelle 13 a und die Regelver­ stärkerschaltung 9 a.

Die Spannungsregelschaltung kann Spannungsschwankungen der Batteriespannung U _B und Schwankungen der Last R _L umso besser ausgleichen, je höher die Verstärkung der Regelverstärkerschaltung ist und umso konstanter die von der Referenzspannungsquelle erzeugte Referenzspan­ nung ist. Fig. 3 zeigt eine Variante der Spannungsre­ gelschaltung, deren Komponenten mit den Bezugszahlen der Fig. 1 und zur Unterscheidung mit dem Buchstaben b bezeichnet sind. Zur Erläuterung wird auf die Beschrei­ bung der Fig. 1 Bezug genommen.

Die Regelverstärkerschaltung 9 b umfaßt einen Operationsverstärker 55, dessen Ausgang über einen Strombegrenzungswiderstand 57 mit dem Gate des Power-MOS-Transistors 5 b verbunden ist. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 55 ist über einen die Verstärkung des Operationsverstärkers 55 festlegenden Rückkopplungswiderstand 59 mit dem Ausgang des Verstärkers sowie mit der Last R _L verbunden. In dieser Leitung eventuell vorhandene Ein­ gangsserienwiderstände sind nicht dargestellt. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 55 ist an eine Präzisions-Referenzspannungsquelle 61 angeschlossen, bei der es sich um eine herkömmliche IC-Schaltung handeln kann. Die Referenzspannungsquelle 61 wird unmittelbar aus der Batterie, deren positiver Pol bei 7 b dargestellt ist, gespeist. Die Betriebsspan­ nung des Operationsverstärkers 55 hingegen wird wiede­ rum aus einer Zerhacker-Spannungsverdopplerschaltung 15 b geliefert. Die Spannungsverdopplerschaltung 15 b hat bevorzugt die anhand Fig. 2 erläuterte Schaltung der Zerhacker-Spannungsverdopplerschaltung 15 a. Mit einer Spannungsregelschaltung gemäß Fig. 3 läßt sich die Lastspannung U _L bis auf sehr geringe Schwankungen von weniger als 10 mV bei einem Temperatureinfluß von ± 2,5%, bezogen auf eine Temperaturschwankung von -40°C bis 85°C stabilisieren.

Claims (7)

1. Spannungsregelschaltung für einen aus einer netz­ unabhängigen Betriebs-Gleichspannungsquelle (1) zu speisenden Verbraucher (R _L ) insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit einem mit seiner Laststrecke in Serie zu dem Verbraucher (R _L ) an die Betriebs- Gleichspannungsquelle (1) anzuschließenden Serien­ transistor (5), mit einer ein Referenzpotential festlegenden Referenzspannungsquelle (13), und mit einer den Serientransistor (5) abhängig von dem Referenzpotential und der Spannung an dem Verbraucher (R _L ) steuernden, aus der Betriebs-Gleichspannungs­ quelle (1) gespeisten Regelverstärkerschaltung (9), dadurch gekennzeichnet, daß die Regelverstärkerschaltung (9) zur Erhöhung ihrer den Serientransistor (5) steuernden Ausgangs­ spannung über eine Zerhacker-Spannungsverdoppler­ schaltung (15) an die Betriebs-Gleichspannungs­ quelle (1) angeschlossen ist.

2. Spannungsregelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Serientransistor als Power-MOS-Transistor, insbesondere als N-Kanal-Power-MOS-Transistor (5) ausgebildet ist.

3. Spannungsregelschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerhacker-Spannungsverdopplerschaltung (15 a) ausgangseitig einen Parallelkondensator (33) aufweist, der über eine Ladediode (37) an die Be­ triebs-Gleichspannungsquelle (1) und über einen Serienkondensator (39) an einen periodisch schal­ tenden Zerhacker-Umschalter (41, 43, 45) angeschlos­ sen ist, welcher den Serienkondensator (39) abwech­ selnd mit der Betriebs-Gleichspannungsquelle (1) verbindet bzw. dem Parallelkondensator (33) parallel­ schaltet.

4. Spannungsregelschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zerhacker-Umschalter (41, 43, 45) einen von einem Impulsgenerator (45) periodisch geschal­ teten Schalttransistor (43) aufweist, dessen Last­ strecke in Serie zu einem Widerstand (41) mit der Betriebs-Gleichspannungsquelle (1) und in Serie zum Serienkondensator (39) mit dem Parallelkonden­ sator (33) verbunden ist.

5. Spannungsregelschaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den Parallelkondensator (33) eine Glättungs­ schaltung (49, 51) mit einem weiteren Parallelkon­ densator (51) über einen Serienwiderstand (49) angeschlossen ist.

6. Spannungsregelschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Regelverstärker­ schaltung (9 a) einen Transistor (19) aufweist, dessen Kollektor mit dem Steueranschluß des Serien­ transistors (5 a) verbunden ist, dessen Emitter mit der Referenzspannungsquelle (13 a) verbunden ist und dessen Basis mit dem Verbraucher (R _L ) verbunden ist.

7. Spannungsregelschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Regelverstärker­ schaltung (9 b) einen rückgekoppelten Operations­ verstärker (55) umfaßt, dessen Ausgang mit dem Steueranschluß des Serientransistors (5 b) verbun­ den ist, dessen nicht invertierender Eingang mit der Referenzspannungsquelle (61) verbunden ist und dessen invertierender Eingang mit dem Verbraucher (R _L ) verbunden ist.