DE3740733A1

DE3740733A1 - Schaltungsanordnung zur begrenzung einer betriebsspannung fuer elektrische verbraucher, insbesondere in kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE3740733A1
Application number: DE19873740733
Authority: DE
Inventors: Manfred Glehr
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-12-01
Filing date: 1987-12-01
Publication date: 1989-06-15

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß dem Ober begriff von Anspruch 1.

Zum Schutz elektrischer Verbraucher vor Betriebsspannungen, die über einem maximal zulässigen Grenzwert liegen, werden Begren zerschaltungen eingesetzt, die die Betriebsspannung auf den Grenzwert einstellen. Bei einer bekannten Schaltung dieser Art (Tietze/Schenk "Halbleiterschaltungstechnik", 5. Aufl., Seite 371, Abb. 16.6) fällt am Längstransistor auch dann eine relativ hohe Spannung ab, wenn die Betriebsspannung unterhalb des Grenz wertes liegt. Dementsprechend liegt dann nur ein Rest der Be triebsspannung am Verbraucher an.

Normalerweise wird der Verbraucher mit einer Betriebsspannung betrieben, die unterhalb des Grenzwerts liegt. Ein hoher Span nungsverlust am Längstransistor muß dann vermieden werden, da die reduzierte Betriebsspannung eventuell nicht mehr ausreicht, um den Verbraucher zu versorgen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Betriebs spannung unterhalb des Grenzwertes mit möglichst geringem Span nungsverlust dem Verbraucher zuzuführen.

Die erfindungsgemäße Lösung ist im Anspruch 1 gekennzeichnet.

Danach steuert der Regler den Längstransistor in den Sättigungs bereich, wenn die Betriebsspannung zwischen einem Schwellwert und einem Grenzwert liegt, der z.B. dem maximal zulässigen Span nungswert zur Versorgung des Verbrauchers, z.B. eines CMOS-Pro zessors entspricht. Dadurch wird erreicht, daß der Spannungsab fall am Längstransistor in einem großen Bereich der Betriebs spannung unterhalb des Grenzwertes der Kollektor-Emitter-Sätti gungsspannung entspricht, also minimal wird und damit in etwa die volle Betriebsspannung am Verbraucher anliegt. Das ist ins besondere dann wichtig, wenn die Stromversorgungsanlage überla stet wird und dadurch nur eine relativ niedrige Betriebsspan nung zur Versorgung bereitsteht.

Zum Beispiel wird beim Kaltstart eines Kraftfahrzeugs die Batte rie so stark belastet, daß die Betriebsspannung von ihrem Nor malwert (12 Volt) für 20 ms bis 30 ms auf einen erheblich nied rigeren Wert (etwa 6 Volt) absinkt. Durch den geringen Span nungsabfall am Längstransistor stellt die Erfindung sicher, daß der elektrische Verbraucher auch bei einem solch extremen Be triebsfall noch mit einer ausreichenden Spannung versorgt wird.

Überschreitet die Betriebsspannung den zulässigen Grenzwert, steuert der Regler den Längstransistor derart an, daß die Span nungsdifferenz zwischen überhöhter Betriebsspannung und dem Grenzwert am Längstransistor abfällt. Dadurch wird der Ver braucher vor einer Überspannung geschützt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Unter anspruch gekennzeichnet.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zei gen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel zur Erfindung,

Fig. 2 eine Kennlinie, die die Ausgangsspannung zur Versorgung eines Verbrauchers in Abhängigkeit von der Betriebsspan nung darstellt.

In Fig. 1 ist eine Stromversorgungsanlage 6 dargestellt, die eine Betriebsspannung UB einem Eingang 2 der Schaltungsanord nung S zuführt, die an einen Ausgang 3 eine Ausgangsspannung UA an einen elektronischen Verbraucher 5 abgibt. Als Stromversor gungsanlage 6 wird z.B. in Kraftfahrzeugen üblicherweise eine Batterie eingesetzt, die einem geregelten Generator und einem Begrenzer, z.B. einer Suppressordiode, parallel geschaltet ist, der die Betriebsspannung UB auf etwa den doppelten Normalwert UN begrenzt.

Zwischen dem Eingang 2 und dem Ausgang 3 ist in einem Längs zweig die Emitter-Kollektorstrecke eines Längstransistors 1 vom pnp-Typ angeordnet.

Parallel zum Eingang 2 ist ein Regler 4 mit einem Serienzweig angeordnet, der einen Widerstand 42 und eine Schwellwertzener diode 41 hat. Der Ausgang 3 ist mit einer Serienschaltung ver bunden, die einen Widerstand 44 und eine Zenerdiode 43 hat, die mit dem Kollektor des Längstransistors 1 verbunden ist. Der Reg ler 4 hat einen Ansteuertransistor 45, dessen Basis-Emitter strecke zusammen mit einem Emitterwiderstand 46 zur Schwellwert zenerdiode 41 parallel geschaltet ist. Der Kollektor des Ansteu ertransistors 45 ist mit der Basis des Längstransistors 1 ver bunden. Zum Widerstand 44 ist die Emitter-Basisstrecke eines Regeltransistors 47 in Serie mit dem Emitterwiderstand 46 pa rallel geschaltet. Der Kollektor des Regeltransistors 47 ist mit dem Emitter des Längstransistors 1 verbunden.

Dem Ausgang 3 ist ein Kondensator 7 parallel geschaltet, der Regelschwingungen unterdrückt und Hochfrequenzanteile kurz schließt.

Bei Betriebsspannungen UB, die unterhalb eines Schwellwerts US (Fig. 2) liegen, ist die Schwellwertzenerdiode 41 gesperrt; über den Widerstand 42 fließt ein Strom auf die Basis des Ansteuer transistors 45, der dadurch leitend wird und einen Stromfluß durch den Längstransistor 1 hervorruft. Der relativ große Span nungsabfall an der Kollektor-Emitterstrecke des Längstransi stors 1 führt zu einer Ausgangsspannung UA, die kleiner als die sowieso schon geringe Betriebsspannung UB am Eingang 2 ist. Die Ausgangsspannung UA reicht zum Betreiben des elektronischen Verbrauchers 5, z.B. eines FET oder einer Rechnereinheit nicht mehr aus. In Fig 1 ist deshalb die Ausgangsspannung UA für Be triebsspannungen UB kleiner als der Schwellwert US gestrichelt eingezeichnet.

Liegt die Betriebsspannung UB zwischen dem Schwellwert US und dem Grenzwert UG, leitet die Schwellwertzenerdiode 41 und durch den Widerstand 46 fließt ein konstanter Emitterstrom, der durch den Widerstand 46 und die Zenerspannung der Schwellwertzener diode 41 festgelegt ist, die gleich dem Schwellwert US ist. Da der Emitterstrom durch den Widerstand 46 ungefähr gleich dem Kollektorstrom des Ansteuertransistors 45 ist, wird die Basis des Längstransistors 1 mit einem konstanten Basisstrom ange steuert, der so bemessen ist, daß er den Längstransistor 1 in den Sättigungsbereich steuert. Damit fällt am Längstransistor 1 im gesamten Bereich zwischen dem Schwellwert US und dem Grenz wert UG die relativ niedrige, konstante Kollektor-Emitter-Sätti gungsspannung (ca. 0,4 Volt) ab, die dem kleinstmöglichen Span nungsabfall am leitenden Längstransistor 1 entspricht.

Die Zenerdiode 43 bricht durch, wenn die Ausgangsspannung UA einen Wert erreicht hat, der gleich der Zenerspannung der Ze nerdiode 43 ist. Der Regeltransistor 47 ist jedoch nach wie vor gesperrt, da sein Basispotential kleiner als sein Emitterpoten tial ist. Erst mit zunehmender Ausgangsspannung UA nimmt auch der Spannungsabfall am Widerstand 44 zu, bis das Basispotential am Regelwiderstand 47 ausreicht, um diesen leitend zu machen. Demzufolge bleibt der minimale Spannungsabfall am Längstransi stor 1 solange bestehen, bis die Ausgangsspannung UA den Grenz wert UG erreicht.

Wenn die Betriebsspannung UB über den Grenzwert UG hinaus an steigt, nimmt die Ausgangsspannung UA am Ausgang 3 einen kon stanten Wert an, der dem Grenzwert UG entspricht und der durch die Summe der Zenerspannungen der Schwellwertzenerdiode 41 und der Zenerdiode 43 festgelegt ist. Die Spannungsdifferenz zwi schen der Betriebsspannung UB, die über dem Grenzwert UG liegt, und der Grenzwertspannung UG fällt an der Kollektor-Emitter strecke des Längstransistors 1 ab, der auf einem Kühlkörper montiert ist.

Durch die Schwellwertzenerdiode 41 wird zusätzlich ein Kurz- Schlußschutz erreicht, da der konstante Kollektorstrom des An steuertransistors 45 den Strom durch den Längstransistor 1 festlegt. Da ein Kurzschluß am Ausgang 3 zu einem relativ hohen Spannungsabfall am Längstransistor 1 führt, wird der maximale Kurzschlußstrom auf etwa die Hälfte des maximal möglichen Durch laßstroms des Längstransistors 1 eingestellt, damit der Längs transistor 1 im Kurzschlußfall relativ große Kollektor-Emitter spannungen aufnehmen kann, ohne zerstört zu werden.

Claims

1. Schaltungsanordnung (S) zur Begrenzung einer Betriebsspan nung (UB) für elektrische Verbraucher (5), insbesondere in Kraftfahrzeugen,

- mit einem Längstransistor (1) in einem Längszweig zwischen einem Eingang (2), dem die Betriebsspannung (UB) zugeführt wird, und einem Ausgang (3) mit einer Ausgangsspannung (UA), und
- mit einem Regler (4), der den Längstransistor (1) ansteuert, dadurch gekennzeichnet,
- daß der Regler (4) den Längstransistor (1) in den Sättigungs bereich steuert, wenn die Betriebsspannung (UB) zwischen ei nem Grenzwert (UG) und einem Schwellwert (US) liegt, der kleiner als der Grenzwert (UG) ist, und
- daß der Regler (4) den Längstransistor (1) so durchsteuert, daß die Ausgangsspannung (UA) gleich dem Grenzwert (UG) ist, wenn die Betriebsspannung (UB) über dem Grenzwert (UG) liegt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (4) aufweist:

- einen Schwellwertzweig der eine Schwellwert-Zenerdiode (41) und einen Widerstand (42) hat und dem die Betriebsspannung (UB) zugeführt wird,
- einen Grenzwertzweig, der eine Zenerdiode (43) und einem Wi derstand (44) hat und der parallel zum Ausgang (3) angeord net ist,
- einen Ansteuertransistor (45), dessen Basis-Emitter-Strecke zusammen mit einem Emitterwiderstand (46) in einem Serien zweig parallel zur Schwellwert-Zenerdiode (41) geschaltet ist und dessen Kollektor mit der Ansteuerelektrode des Längs transistors (1) vom pnp-Typ verbunden ist, und
- einen Regeltransistor (47), dessen Basis-Emitter-Strecke in Serie mit dem Emitterwiderstand (46) in einem Parallelzweig zum Widerstand (44) angeordnet ist und dessen Kollektor mit dem Emitter des Längstransistors (1) verbunden ist.