DE3725009C2 - Serieller Spannungsregler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen seriellen Spannungsregler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein serieller Spannungsregler der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art ist aus der DE-Zeitschrift: Funkschau 17/1984, Seite 84, bekannt. Der bekannte Spannungsregler, der für den Einsatz bei bat­ teriebetriebenen Geräten bestimmt ist, soll eine niedrige Leistungsaufnahme haben und mit einem kleinen Spannungsabfall über dem Feldeffekttransistor einwandfrei arbeiten. Der N-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistor ist bei der bekannten Anordnung mit seiner Drain-Source-Strecke zwischen dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle und dem negativen Ausgang des Spannungsreglers angeordnet, wobei die Kathode der Referenzquelle unmittelbar mit dem Gate des Feldeffekttransistors verbunden ist.

Bekannt ist auch ein serieller Spannungsregler, der zwischen einem Pol einer Gleichspannungsquelle und einem positiven Ausgang einen n-Kanal- MOSFET enthält, der von einem Differenzverstärker angesteuert wird. Der Differenzverstärker ist mit seinem nichtinvertierenden Eingang an den positiven Ausgang und mit dem invertierenden Eingang über eine Zener- Diode an den Abgriff eines Spannungsteilers gelegt (DE-Zeitschrift: Elektronik 16/13.08.1982, Seiten 41-43).

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen einfach aufgebauten Spannungsregler zu entwickeln, der mit nur einem Transistor als Längs­ regler einen großen Ausgangsstrom bei geringen Querströmen gegenüber dem Ausgangsstrom und geringem Spannungsabfall am Transistor erzeugt.

Das Problem wird bei einem seriellen Spannungsregler der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruchs 1 gelöst. Der im Patent­ anspruch 1 beschriebene Spannungsregler kann mit nur einem Transistor die hohen Ausgangsströme ausgeben, wobei die programmierbare Referenz­ quelle nur einen geringen Strom verbraucht.

Dieser Spannungsregler arbeitet nicht nur bei hohen Lastströmen sondern auch beim Ausgangsstrom null sicher. Es lassen sich Restspannungen am Transistor im Millivoltbereich bei Querströmen von einigen µA erreichen. Auch niedrige Ausgangsspannungen können mit dem im Patentanspruch 1 beschriebenen Serienregler genau geregelt werden. Durch die geringen Spannungsabfälle im Längszweig ergibt sich auch bei niedrigen Aus­ gangsspannungen ein hoher Wirkungsgrad. Programmierbare Referenzquellen sind kommerziell z. B. von der Fa. Motorola unter der Type TL 431 als integrierte Schaltung erhältlich, die einen Anoden-, einen Kathoden- und einen Referenzspannungseingang hat. Für die Erzeugung des Steuersignals reichen bei dieser Anordnung wenige, kompakte Bausteine aus, so daß sich die Anordnung besonders wirtschaftlich fertigen läßt.

Vorzugsweise ist zwischen der Drain-Elektrode und der Gate-Elektrode des selbstsperrend ausgebildeten MOS-Feleffekttransistors ein Widerstand angeordnet. Mit diesem Widerstand läßt sich das Sperrverhalten des Transistors verbessern.

Es ist günstig, wenn zwischen dem Referenzeingang und der Kathode der programmierbaren Referenzquelle die Parallelschaltung eines Kondensators und eines Widerstands angeordnet ist. Diese Parallelschaltung verbessert das dynamische Verhalten des Spannungsreglers. Über den Kondensator beeinflussen z. B. Änderungen der Ausgangsspannung schneller als das von der programmierbaren Referenzquelle erzeugte Ansteuersignal das Gate- Potential des MOS-Feldeffekttransistors.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist der Referenzeingang der programmierbaren Referenzquelle mit dem Abgriff eines Spannungsteilers verbunden, der an die Ausgänge des Spannungsreglers angeschlossen ist und einen Widerstand aufweist, dem zu ein Kondensator parallel gelegt ist. Mit dieser Anordnung wird das Ansprechverhalten des Spannungsreglers verbessert, da über den Widerstand bei Ausgangsspannungsänderungen dynamisch höhere Spannungswerte auf den Abgriff gelangen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.

Eine Gleichspannungsquelle 1, die z. B. aus einem Doppelweg-Netzgleich­ richter mit Glättungskondensator besteht, ist mit ihren Polen 2, 3 an einen seriellen Spannungsregler 4 angeschlossen. Der Spannungsregler 4 enthält einen mit seiner Source-Elektrode an den negativen Pol 3 angeschlossenen, selbstsperrenden MOS-Feldeffekttransistor 5, dessen Drain-Elektrode mit einem Ausgangsanschluß 6 des Spannungsreglers 4 verbunden ist. Der andere Ausgang 7 des Spannungsreglers 4 steht unmittelbar mit dem positiven Pol 2 in Verbindung. Parallel zu den Ausgängen 6, 7 ist ein aus drei Widerständen 8, 9, 10 bestehender Spannungsteiler geschaltet. Der eine Widerstand 8 ist einstellbar ausgebildet. Die gemeinsame Verbindungsstelle der beiden Widerstände 8, 9 ist an den Referenzeingang einer programmier­ baren Referenzquelle 1 angeschlossen, die noch eine Kathode K und eine Anode A hat. Die programmierbare Referenzquelle 1 wird kommerziell unter den Typen TL 431 CLP, TL 431 CP, TL 431 CJG, TL 431 ILP, TL 431 IJG, TL 431 MJM von der Fa. Motorola vertrieben. Sie hat die Funktion einer programmierbaren Zener-Diode, die einen niedrigen Temperatur-Koeffizienten hat. Über den Spannungsteiler ist die Referenzspannung der Referenz­ quelle 1 einstellbar.

Die Kathode K der Referenzquelle 11 ist einerseits mit der Kathode einer Zener-Diode 12 und andererseits mit einem Anschluß eines Widerstands 13 verbunden, dessen anderer Anschluß an den positiven Pol 14 einer Hilfs­ spannungsquelle angeschlossen ist. Die Anode der Zener-Diode 12 steht mit der Gate-Elektrode des MOS-Feldeffekttransistors 5 in Verbindung. Zwischen der Gate-Elektrode und der Source-Elektrode des Feldeffekttransistors 5 ist ein Widerstand 15 angeordnet. Ein weiterer Widerstand 16 verbindet die Gate-Elektrode mit der Drain-Elektrode des Feldeffekttransistors 5.

Die Parallelschaltung eines Kondensators 17 und eines Widerstandes 18 ist zwischen dem Referenzeingang und der Kathode der Referenzquelle 11 ange­ ordnet. Zum Widerstand 10 ist ein Kondensator 19 parallel geschaltet. Eine der Spannungen an den Ausgängen 6, 7 proportionale Spannung gelangt zum Referenzeingang der Referenzquelle 11, die diese Spannung mit einer bauteilinternen Referenzspannung vergleicht. Bei einer Abweichung wird die Ausgangsspannung der Referenzquelle verändert, so daß sich auch der Wider­ stand der Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors 5 ändert. Hier­ durch wird die Spannung an den Ausgängen 6, 7 derart beeinflußt, daß die am Spannungsteiler abgegriffene Spannung gleich der internen Referenzspan­ nung wird.

Mit der Zener-Diode 12 wird die Sättigungsspannung der Referenzquelle 11 kompensiert. Wenn die Referenzquelle 11 gesättigt ist, gelangt noch eine ausreichende Spannung zum Gate des Feldeffekttransistors 5, um diesen zu sperren. Durch höhere Zenerspannungen der Zener-Diode 12, die die Sätti­ gungsspannung der Referenzquelle 11 übersteigen, kann der Stellbereich der Ausgangsspannung zuzüglich zum Stellbereich verändert werden, der mittels der Referenzquelle 11 erzielt werden kann.

Mit den Widerständen 13 und 15 wird die Stromversorgung der Referenz­ quelle 11 und der Zener-Diode 3 eingestellt. Die Widerstandswerte beein­ flussen aber auch den Verstärkungsfaktor des Feldeffekttransistors 5.

Eine Verbesserung hinsichtlich des Sperrverhaltens des Feldeffekttran­ sistors 5 läßt sich mit dem Widerstand 10 erreichen.

Das dynamische Verhalten des Spannungsreglers 4 wird durch die Konden­ satoren 17 und 19 und dem Widerstand 18 beeinflußt. Der Kondensator 19 führt bei schnellen Änderungen der Ausgangsspannung zu einem kurzzeitig höheren Spannungswert am Abgriff des Spannungsteilers, so daß die Referenz­ quelle 11 schneller anspricht. Der Kondensator 1 leitet schnelle Spannungs­ änderungen an der Referenzquelle vorbei, so daß die Anordnung trotz einer etwaigen Trägheit der Referenzquelle schnell reagiert.

Je nach der Höhe der Ausgangsspannung können die Widerstände 8, 9, 10 durch ein Potentiometer ersetzt werden. Wenn eine wenig empfindliche Anordnung für die Spannungsregelung ausreicht, können die Elemente 17, 18 und 19 entfallen.

Der Feldeffekttransistor 5 ist ein Leistungsfeldeffekttransistor. Wenn noch höhere Stromstärken benötigt werden, können mehrere Feldeffekttran­ sistoren parallel geschaltet werden.

Als Hilfsspannung kann auch das Potential des Pols 2 verwendet werden.

Die Referenzquelle 11 ist Teile einer Regeleinrichtung, der über den Referenzeingang der Istwert der Spannung zugeführt wird, der mit einem intern in der Referenzquelle erzeugten Sollwert verglichen wird. Ein der Regelabweichung entsprechendes, verstärktes Signal steuert den Widerstand des Feldeffekttransistors 5.

Claims (5)

1. Serieller Spannungsregler mit mindestens einem zwischen einem Pol einer Gleichspannungsquelle und einem Ausgang angeordneten Feldeffekt- Transistor, der von einer Regeleinrichtung mit einer programmierbaren Referenzquelle angesteuert wird, die die Spannung am Ausgang mit einer Referenzspannung vergleicht und ein Regelabweichungssignal erzeugt, das durch Ansteuerung des Feldeffekt-Transistors auf null oder nahezu null vermindert wird, wobei die Referenzquelle mit der Kathode über einen Widerstand an eine Spannung gelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldeffekt-Transistor ein selbstsperrender Leistungs-MOS- Feldeffekt-Transistor (5) ist, der mit seiner Drain-Source-Strecke zwischen dem negativen Pol (3) der Gleichspannungsquelle und dem negativen Ausgang (6) des Spannungsreglers (4) angeordnet ist, daß die Kathode der Referenzquelle (11) mit der Kathode einer Zener-Diode (12) verbunden ist, deren Anode mit der Gate-Elektrode des MOS-Feldeffekt-Transistors (5) verbunden ist und daß die Spannung eine Hilfsspannung ist.

2. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Source-Elektrode und der Gate-Elektrode des MOS- Feldeffekttransistors (5) ein Widerstand (15) angeordnet ist.

3. Spannungsregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Drain-Elektrode und der Gate-Elektrode des MOS-Feld­ effekttransistors (5) ein Widerstand (16) angeordnet ist.

4. Spannungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Referenzeingang und der Kathode der Referenz­ quelle (11) die Parallelschaltung eines Kondensators (17) und eines Widerstands (18) angeordnet ist.

5. Spannungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzeingang der Referenzquelle (11) mit dem Abgriff eines Spannungsteilers verbunden ist, der an die Ausgänge (6, 7) des Spannungsreglers (4) angeschlossen ist und einen Widerstand (10) auf­ weist, zu dem ein Kondensator (19) parallel gelegt ist.