DE3733889A1 - Laengsregler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Längsregler mit einem ersten steuerbaren Widerstand und einem nachgeschalteten Meßwi­ derstand im ersten Längszweig und mit einem zweiten steuerbaren Widerstand zur Strombegrenzung, dessen Steu­ erelektrode über einen Vorwiderstand an den Verbindungs­ punkt des Meßwiderstandes und des ersten steuerbaren Wi­ derstandes geführt ist.

Ein solcher Längsregler ist z. B. aus der Patentschrift DD 1 45 352 bekannt.

Längsregler mit Strombegrenzung werden unter anderem zur Stromversorgung von Funtionseinheiten verwendet, die ei­ ne grob geregelte Versorgungsspannung benötigen und emp­ findlich auf Überströme reagieren. Zu solchen Funktions­ einheiten gehören z. B. getaktete Gleichspannungswandler mit nachgeschalteten Elektroniken.

Bei der Strombegrenzung durch einen Längsregler lassen sich drei grundsätzlich verschiedene Arten der Strombe­ grenzung unterscheiden. Das Unterscheidungskriterium ist dabei die Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie des Reglers. Bei der Fold-Back-Kennlinie laufen Ausgangsstrom und Aus­ gangsspannung des Reglers zu immer kleiner werdenden Wer­ ten, sobald der Strom einen Maximalwert überschritten hat. Bei der ohmschen Kennlinie sinkt - ebenfalls bei Überschreiten eines maximalen Stromwertes - die Ausgangs­ spannung mit weiter steigendem Ausgangsstrom. Bei der Rechteck-Kennlinie fällt die Spannung, jedoch bei kon­ stant bleibendem Maximalstrom. In den vorliegenden Ausführungen ist immer die letzte Art der Strombegrenzung gemeint.

Wird nun ein Längsregler mit Rechteck-Kennlinie - um ei­ nen solchen handelt es sich auch bei dem eingangs erwähn­ ten Längsregler - zwischen eine Versorgungsspannung und einen Gleichspannungswandler geschaltet, so garantiert die Strombegrenzung zwar den Schutz des Gleichspannungs­ wandlers und der nachgeschalteten Elektronik vor Über­ strömen, jedoch erfüllt der Gleichspannungswandler nicht mehr seine Sollfunktion, wenn seine Eingangsspannung (sie ist bei der angedeuteten Anordnung mit der Ausgangsspan­ nung des Längsreglers identisch) unter einem minimalen Wert liegt und damit aus dem Betriebsbereich des Gleich­ spannungswandlers herausfällt. In einem solchen Fall ist es besser, den Gleichspannungswandler ganz abzuschalten als einen gestörten Betrieb aufrecht zu erhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Längsreg­ ler der eingangs genannten Art anzugeben, der einen nach­ geschalteten Gleichspannungswandler automatisch abschal­ tet, sobald die Ausgangsspannung des Längsreglers unter eine vorgegebene Schwelle fällt.

Diese Aufgabe wird bei einem Längsregler der eingangs ge­ nannten Art dadurch gelöst, daß zwischen der Steuerelek­ trode des zweiten steuerbaren Widerstandes und dem zwei­ ten Längszweig des Längsreglers eine schaltbare Strom­ quelle liegt, die ihren Schaltzustand dann ändert, wenn die Ausgangsspannung des Längsreglers unter eine Schwelle fällt, und die dadurch den Stromfluß durch den Vorwider­ stand so ändert, daß die Strombegrenzung bei kleineren Ausgangsströmen liegt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Anhand der Figuren und eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Längsreglers,

Fig. 2 eine schaltbare Stromquelle und

Fig. 3 die Ausgangskennlinie eines erfindungsgemäßen Längsreglers.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Längsregler ent­ hält im oberen Längszweig einen npn-Transistor TO 1 als steuerbaren Widerstand und einen nachgeschalteten Meßwi­ derstand RO 1, dessen Widerstandswert etwa 1 Ohm beträgt. Die Polung einer Eingangsspannung UE und der Anschluß des Transistors TO 1 sind so gewählt, daß der Laststrom bzw. der Ausgangsstrom IA des Längsreglers im oberen Zweig von rechts nach links fließt. Der untere Längszweig ist auf Bezugspotential gelegt. Über einen Widerstand RO 3, der Kollektor und Basis des Transistors TO 1 miteinander ver­ bindet, wird der Transistor TO 1 beim Anlegen der Ein­ gangsspannung UE automatisch aufgesteuert. Über eine Re­ gelspannung UR zwischen der Basis des Transistors TO 1 und dem unteren Längszweig besteht die Möglichkeit, den Wi­ derstand der Kollektor-Emitter-Strecke des Transi­ stors TO 1 durch eine nicht gezeigte Regelschaltung zu be­ einflussen.

Am Verbindungspunkt vom Emitter des Transistors TO 1 mit dem Meßwiderstand RO 1 ist über einen Vorwiderstand RO 2 (Widerstandswert etwa 500 Ohm) die Basis eines weiteren Transistors TO 2 angeschlossen. Der Meßwiderstand RO 1 liegt im Basis-Emitter-Kreis des Transistors TO 2, dessen Kollektor an die Basis des Transistors TO 1 geführt ist.

Ist der Ausgangsstrom so groß, daß der dadurch erzeugte Spannungsabfall über den Meßwiderstand RO 1 den Transis­ tor TO 2 voll aufsteuert, dann ist der Transistor TO 1 durch den Meßwiderstand RO 1 stromgegengekoppelt. Ein wei­ teres Anwachsen des Stromes IA ist daher nicht mehr mög­ lich; gleichzeitig sinkt die Ausgangsspannung UA des Längsreglers.

Zwischen der Basis des Transistors TO 2 und dem unteren Längszweig des Längsreglers ist eine schaltbare Strom­ quelle SQ eingefügt. Sie wird durch die Ausgangsspan­ nung UA des Längsreglers geschaltet, und zwar wird sie ausgeschaltet, wenn die Ausgangsspannung UA unter einen vorgegebenen Wert sinkt. Im eingeschalteten Zustand fließt über die Stromquelle und damit über den Vorwieder­ stand RO 2 ein Strom von etwa 10 mA, der am Vorwider­ stand RO 2 einen Spannungsabfall erzeugt, der der Öffnung des Transistors TO 2 entgegenwirkt. Erst wenn der Aus­ gangsstrom IA so groß geworden ist, daß der Spannungsab­ fall am Vorwiderstand RO 2 durch den am Meßwiderstand RO 1 überkompensiert wird, setzt die Strombegrenzung mit dem fast senkrechten Abfall der Ausgangsspannung UA ein. Ist die Ausgangsspannung UA im vorliegenden Beispiel unter 28 Volt gefallen, wird die Stromquelle SQ abgeschaltet, also die Gegenwirkung des Spannungsabfalles über dem Wi­ derstand RO 2 aufgehoben und der Strom IA sofort auf einen Wert heruntergedrückt, der allein durch den Spannungsab­ fall über den Meßwiderstand RO 1 festgelegt ist. Bei die­ sem Stromwert fällt dann die Ausgangsspannung UA - eben­ falls fast senkrecht - auf null Volt herab.

Zur Verdeutlichung dieser Vorgänge ist in Fig. 3 die Ausgangskennlinie eines Längsreglers nach Fig. 1 schema­ tisch dargestellt. Die Einheiten für Ströme und Spannun­ gen sind willkürlich. Liegt die Ausgangsspannung UA des Längsreglers bei U 2 und wächst die Ausgangslast, so wächst der Ausgangsstrom IA bis zur Schwelle I 2; dann fällt die Ausgangsspannung UA senkrecht (bei wachsender Last) bis zum Werte U 1. Darauf wird die Strombegrenzung durch die Stromquelle SQ auf den Wert I 1 herabgesetzt. Da sich die Ausgangslast beim Wechsel der Strombegrenzung von I 2 auf I 1 nicht ändert, stellt sich mit dem Ausgangs­ strom I 1 eine Ausgangsspannung ein, die (bei gleicher Last) um den Faktor I 1/I 2 kleiner ist als U 1. Bei dieser Spannung wäre ein auf den Längsregler folgender Gleich­ spannungswandler abgeschaltet, denn sie liegt unter der Spannung, bei der die Bausteine des Wandlers (Schalter, Taktgenerator u. a.) erst ihre Funktion aufnehmen können.

Wird ein Gleichspannungswandler in Betrieb genommen, so muß seine Eingangsspannung über einer Anlaufschwelle lie­ gen, bevor der Wandler einwandfrei arbeitet. Diese An­ laufschwelle liegt etwa um zwei Volt über der Eingangs­ spannung, bei der der Wandler - vom ordnungsgemäßen Be­ trieb ausgehend - nur zu einem gestörten Betrieb fähig ist. Daher ist es vorteilhaft, bei einem vorgeschlagenen Längsregler die schaltbare Stromquelle SQ so auszulegen, daß sie bei einer Ausgangsspannung eingeschaltet wird, die um UO größer ist als die Ausgangsspannung U 1, bei der sie abgeschaltet wird (vgl. die Hysterese in Fig. 3). Nennenswerte Ströme (größer als der Strom I 1) können durch den Längsregler (also durch den nachgeschalteten Gleichspannungswandler) somit erst dann fließen, wenn die Ausgangsspannung UA größer als U 1 + U 0 ist und der nach­ geschaltete Wandler fehlerfrei arbeiten kann.

Eine schaltbare Stromquelle SQ mit Hysterese zeigt Fig. 2 im Detail. Ein npn-Transistor T 2 ist mit seinem Kollektor an die Basis des Transistors TO 2 gekoppelt; sein Emitter ist über einen Widerstand R 9 auf Bezugspo­ tential gelegt. Durch einen nicht linearen Spannungstei­ ler R 2, Z 1, der eine Zenerdiode Z 1 enthält, wird das Ba­ sispotential des Transistors T 2 festgelegt für den Fall, daß die Stromquelle eingeschaltet ist. Mit dieser Festle­ gung ist auch der Strom der Stromquelle im eingeschalte­ ten Zustand bestimmt.

Parallel zur Zenerdiode Z 1 liegt die Kollektor-Emitter- Strecke eines weiteren Transistors T 4. Dieser Transistor wird als Schalter betrieben. Seine Kontaktstrecke schließt die Zenerdiode Z 1 kurz, sobald die durch einen Spannungsteiler R 1, R 8 heruntergeteilte Ausgangsspannung des Längsreglers einen vorbestimmten Wert unterschrei­ tet. Mit dem Kurzschließen der Zenerdiode Z 1 ist die Stromquelle abgeschaltet.

Das Durchschalten und das Sperren des Transistors T 4 wird von einem Vergleicher gesteuert, der aus zwei weiteren Transistoren T 1, T 3, zwei weiteren Spannungsteilern R 6, R 10 sowie R 3, R 5 und einem weiteren nicht linearen Span­ nungsteiler R 4, Z 2 besteht. Der Spannungsteiler R 6, R 10 liegt in der Kollektorleitung des pnp-Transistors T 1. Der Mittenabgriff dieses Spannungsteilers ist an die Basis des Transistors T 4 geführt. Der Spannungsteiler R 3, R 5 liegt in der Kollektorleitung des Transistors T 3; sein Mittenabgriff ist wiederum mit der Basis des Transis­ tors T 1 verbunden. Beim Transistor T 3 handelt es sich um einen npn-Transistor, dessen Emitterpotential durch die Zenerdiode Z 2 des nicht linearen Spannungsteilers R 4, Z 2 auf einem festen Wert erhalten wird. Die Zündspannung der Zenerdiode Z 2 ist im wesentlichen die Vergleichsspan­ nung, mit der die heruntergeteilte Ausgangsspannung ver­ glichen wird. Darum ist die Basis des Transistors T 3 ist mit dem Mittenabgriff des Spannungsteilers R 1, R 8 verbun­ den. Sobald das Potential an der Basis des Transistors T 3 unter das Potential seines Emitters fällt, ist der Tran­ sistor T 3 gesperrt. Das wiederum hat zur Folge, daß auch der Transistor T 1 gesperrt und der Transistor T 4 geöffnet wird. Die Stromquelle SQ ist dann abgeschaltet. Ist umge­ kehrt der Transistor T 3 geöffnet, wird auch der Transis­ tor T 1 geöffnet und der Transistor T 4 gesperrt. Die Stromquelle ist dann eingeschaltet. Der Transistor T 1 ist erforderlich, um die Basis des Transistors T 4 auf hohes Potential zu legen und den Transistor T 4 damit sicher zu sperren.

Ein Widerstand R 7, der zwischen der Basis des Transis­ tors T 3 und der Basis des Transistors T 2 liegt, sorgt für die Hysterese der schaltbaren Stromquelle, denn der Stromfluß durch diesen Widerstand beeinflußt das Potenti­ al an der Basis des Transistors T 3. Die Richtung des Stromes durch den Widerstand R 7 ist vor dem Einschalten der Stromquelle SQ eine andere als vor dem Ausschalten. Daher wird die schaltbare Stromquelle SQ bei einer ande­ ren (höheren) Ausgangsspannung UA eingeschaltet als aus­ geschaltet.

Die Spannungsteiler R 1, Z 1 und R 4, Z 2 sowie die Transis­ toren T 1, T 3 und T 4 werden alle von der gleichen Versor­ gungsspannung gespeist, nämlich der Eingangsspannung UE des Längsreglers.

Claims (6)

1. Längsregler mit einem ersten steuerbaren Widerstand und einem nachgeschalteten Meßwiderstand im ersten Längs­ zweig und mit einem zweiten steuerbaren Widerstand zur Strombegrenzung, dessen Steuerelektrode über einen Vorwi­ derstand an den Verbindungspunkt des Meßwiderstandes und des ersten steuerbaren Widerstandes geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Steuerelektrode des zweiten steuerbaren Widerstandes (TO 2) und dem zweiten Längszweig des Längs­ reglers eine schaltbare Stromquelle (SQ) liegt, die ihren Schaltzustand dann ändert, wenn die Ausgangsspannung (UA) des Längsreglers unter eine Schwelle fällt, und die da­ durch den Stromfluß (I) durch den Vorwiderstand (RO 2) so ändert, daß die Strombegrenzung bei kleineren Ausgangs­ strömen (IA) liegt.

2. Längsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schaltbare Stromquelle (SU) eine Hysterese auf­ weist.

3. Längsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schaltbare Stromquelle (SQ) aus einem ersten Transistor (T 2) besteht, dessen Kollektor mit der Steuer­ elektrode des zweiten steuerbaren Widerstandes (TO 2) ver­ bunden ist, dessen Emitter über einen ersten Wider­ stand (R 9) an den zweiten Längsweg des Längsreglers ge­ führt ist und dessen Basispotential durch eine erste Ze­ nerdiode (Z 1) stabilisiert ist, daß die erste Zenerdio­ de (Z 1) durch die Kontaktstrecke eines durch einen zwei­ ten Transistor (T 4) dargestellten Schalters kurzgeschlos­ sen wird, sobald ein Vergleicher (T 1, R 6, R 10, R 3, R 5, T 3, R 4, Z 2) feststellt, daß die durch einen ersten Span­ nungsteiler (R 1, R 8) heruntergeteilte Ausgangsspan­ nung (UA) des Längsreglers unter eine Vergleichsspannung sinkt.

4. Längsregler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß der Vergleicher aus einem dritten und einem vierten Transistor (T 1, T 3) entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps besteht, daß der dritte Transistor (T 1) in seiner Kollek­ torzuleitung einen zweiten Spannungsteiler (R 6, R 10) und der vierte Transistor (T 3) in seiner Kollektorzuleitung einen dritten Spannungsteiler (R 3, R 4) enthält, daß der Mittenabgriff des zweiten Spannungsteilers (R 6, R 10) mit der Basis des zweiten Transistors (T 4) verbunden ist, daß der Mittenabgriff des dritten Spannungsteilers (R 3, R 4) an die Basis des ersten Transistors (T 2) geführt ist und daß das Potential am Emitter des vierten Transistors (T 3) durch eine zweite Zenerdiode (Z 2) auf einem festen Wert gehalten wird und daß die Basis des vierten Transis­ tors (T 3) mit dem Mittenabgriff des ersten Spannungstei­ lers (R 1, R 8) verbunden ist.

5. Längsregler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer Hysterese die Basis des vierten Transistors (T 3) über einen Widerstand (R 7) mit der Ba­ sis des ersten Transistors (T 2) verbunden ist.

6. Längsregler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Versorgungsspannungsquelle für die schaltbare Stromquelle (SQ) die Eingangsspannung (UE) des Längsreg­ lers verwendet wird.