DE3806982A1 - Spannungsversorgungseinheit - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spannungsversorgungseinheit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei elektronischen Geräten, bei denen dynamische Änderungen einer Last in einem Verbraucher eine Spannungsquelle nicht belasten sollen, ist es denkbar, parallel zu dem Verbraucher eine zusätzliche Laststufe vorzusehen, die jeweils die Differenz zwischen einer vom Verbraucher gerade benötigten Leistung und einer vorgegebenen maximalen Leistung übernimmt.

Eine Spannungsversorgungseinheit mit einer derartigen zusätzlichen Laststufe L ist in Fig. 1 dargestellt. Eine Spannungsquelle SP erzeugt eine Eingangsspannung U 1 und gibt diese über einen Meßwiderstand R als Ausgangsspannung U 2 über einen Filter F an einen Verbraucher V ab. Das Filter F ist beispielsweise als π-Tiefpaßfilter ausgebildet und besteht aus einer in Längsrichtung angeordneten Spule und zwei in Querrichtung angeordneten Kondensatoren. Der Verbraucher V stellt eine veränderbare Belastung der Spannungsquelle SP dar, die hier beispielsweise durch drei parallel geschaltete Reihenschaltungen aus Ohm'schen Widerständen oder Blindwiderständen und Schaltern schematisch dargestellt ist. Die Schalter können abwechselnd schließen, so daß unterschiedliche Ströme in den Verbraucher VB fließen. Falls beispielsweise nur der Schalter S 1 geschlossen ist, so fließt dann nur ein Strom durch den Widerstand ZV. Grobe kurzzeitige Änderungen der Belastung der Spannungsquelle SP durch den Verbraucher VB können von dem Filter F aufgefangen werden. Für noch verbleibende Änderungen der Belastung ist die Laststufe L vorgesehen, die derart ausgebildet ist, daß sie immer einen Strom I 1 aufnimmt, der sich aus der Differenz aus einem von der Spannungsquelle SP abgegebenen maximalen konstanten Strom I und einem dem Verbraucher VB über das Filter F zugeführten Strom I 2 ergibt. Die Ansteuerung der Laststufe L erfolgt unter Verwendung einer Meßstufe M, die den Strom I aufgrund des Spannungsabfalls in dem Meßwiderstand R mißt. In Abhängigkeit von dem Spannungsabfall an dem Meßwiderstand R wird damit die Laststufe L immer derart gesteuert, daß der Spannungsabfall an dem Meßwiderstand R und damit der Strom I konstant bleibt. Wenn alle Schalter im Verbraucher VB geöffnet sind, ist der Strom I 1 gleich dem Strom I und der Strom I 2 ist Null. Wenn alle Schalter in dem Verbraucher V geschlossen sind, ist im Idealfall der Strom I 1 Null und der Strom I 2 ist gleich dem Strom I.

Es wurde bereits vorgeschlagen, in der Meßstufe M eine Referenzspannungsquelle vorzusehen, die aus einer Reihenschaltung, aus einer Zenerdiode Z 1 und einem Widerstand R 1 gebildet wird und der Verbindungspunkt zwischen der Zenerdiode Z 1 und dem Widerstand R 1 wird mit dem invertierenden Eingang eines Verstärkers V verbunden und der nicht invertierende Eingang des Verstärkers V wird mit dem der Spannungsquelle SP abgewandten Anschluß des Meßwiderstands R verbunden. Die Laststufe L wird aus einer Serienschaltung aus einem Transistor T und einem Widerstand RL gebildet, wobei die Basis des Transistors T mit dem Verstärker V verbunden ist und der Widerstand RL im Emitterkreis des Transistors T angeordnet ist.

Für die Funktion des als Operationsverstärker ausgebildeten Verstärkers V ist es erforderlich, daß seine Eingangsspannungen niedriger sind als die Versorgungsspannung des Verstärkers V.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Spannungsversorgungseinheit anzugeben, bei der sichergestellt ist, daß die Eingangsspannungen des Verstärkers der Meßstufe kleiner sind als die Versorgungsspannungen und bei der von der Spannungsquelle unabhängig von der Belastung durch den Verbraucher immer derselbe Strom abgegeben wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Spannungsversorgungseinheit der eingangs genannten Art durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Spannungsversorgungseinheit gemäß der Erfindung hat den Vorteil, daß sie sehr zuverlässig arbeitet und auf einfache Weise durch einen Abgleich der Bezugsspannungen oder der Widerstände der Stromquellen eingestellt werden kann.

Ein einzelner Abgleich der beiden Stromquellen ist insbesondere dann nicht erforderlich, wenn bei der Verwendung von Widerständen mit engen Toleranzen an beiden Stromquellen eine gemeinsame Bezugsspannung anliegt.

Die Stromquellen werden vorteilhafterweise aus einer Serienschaltung aus einem Transistor und einem Widerstand gebildet, wobei der Transistor durch einen Verstärker angesteuert wird, dessen invertierender Eingang an dem Verbindungspunkt des Transistors und des Widerstands angeschlossen ist und an dessen nichtinvertierenden Eingang die Bezugsspannung anliegt. Dadurch ist es möglich, für beide Stromquellen eine gemeinsame Bezugsspannung zu verwenden.

Zur Beseitigung von eingangsseitigen Störungen ist es vorteilhaft, wenn parallel zur Spannungsquelle ein Kondensator vorgesehen ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Spannungsversorgungseinheit gemäß der Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer herkömmlichen Spannungsversorgungseinheit und

Fig. 2 ein Schaltbild einer Meßstufe und einer Laststufe der Spannungsversorgungseinheit gemäß der Erfindung.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Meßstufe M der Spannungsversorgungseinheit gemäß der Erfindung ist, ebenso wie bei der in Fig. 1 dargestellten herkömmlichen Spannungsversorgungseinheit in einer Meßstufe M ein Verstärker vorgesehen, an dessen invertierendem Eingang eine mittels einer Referenzspannungsquelle erzeugte Referenzspannung UR anliegt und an dessen nichtinvertierendem Eingang eine mittels einer Meßspannungsquelle erzeugte Meßspannung UM anliegt. Die Referenzspannungsquelle enthält eine Serienschaltung aus einem Widerstand R 2 und einer Stromquelle S 1, an deren Verbindungspunkt die Referenzspannung UR abgenommen wird. In entsprechender Weise enthält die Meßspannungsquelle eine Serienschaltung aus einem Widerstand R 4 und einer Stromquelle S 2, an deren Verbindungspunkt die Meßspannung UM abgegeben wird. Die Stromquellen S 1 und S 2 werden jeweils aus einem Transistor T 1 bzw. T 2, einem Widerstand R 2 bzw. R 5 und einem Verstärker V 1 bzw. V 2 gebildet. Die Transistoren T 1 und T 2 sind jeweils mit ihrem Emitter mit dem Widerstand R 3 bzw. R 5 verbunden und die Basis wird durch den Verstärker V 1 bzw. V 2 angesteuert. An dem nichtinvertierendem Eingang der Verstärker V 1 und V 2 liegt eine Bezugsspannung UB an, die vorzugsweise von derselben Bezugsspannungsquelle B erzeugt wird. Die invertierenden Eingänge der Verstärker V 1 und V 2 sind jeweils mit den Verbindungspunkten zwischen den Emittern der Transistoren T 1 bzw. T 2 und der Widerstände R 3 bzw. R 5 verbunden.

Um den Verstärker V in seinem Arbeitsbereich betreiben zu können, müssen seine Eingangsspannungen niedriger sein als die von der Spannungsquelle abgegebene Spannung U 1, die auch die Versorgungsspannung des Verstärkers V ist. Die an dem Meßwiderstand R 1 abfallende Spannung UR 1 wird deshalb an den Widerständen R 2 und R 4 pegelmäßig herabgesetzt. Gleichzeitig wird an dem Widerstand R 4 eine Spannungsdifferenz Ud zur Spannung UR 2 erzeugt, die gleich ist der Differenz aus der Spannung UR 2 am Widerstand R 2 und einer Spannung Ud, die dem Sollwert des Spannungsabfalls an dem Widerstand R 1 entspricht, der gleich ist dem Produkt aus dem maximalen Strom I 2 durch das Filter und dem Wert des Widerstands R 1.

Die Spannungen an den Widerständen R 2 und R 4 werden durch die beiden Stromquellen S 1 und S 2 bewirkt. Da die Bezugsspannung UB vorzugsweise als Bezugsspannung für beide Stromquellen S 1 und S 2 dient, kompensieren sich von der Toleranz der Bezugsspannung hervorgerufene Stromabweichungen größtenteils. Als Fehler wirkt sich nur eine relative Abweichung zwischen den Spannungen an den Widerständen R 2 und R 4 aus, nicht jedoch die Abweichung von dem absoluten Wert. Wenn als Widerstände R 2 bis R 5 Widerstände mit eng tolerierten Widerstandswerten verwendet werden, ist kein Abgleich der Spannungsversorgungseinheit erforderlich.

Falls der Verbraucher VB einen geringeren Strom als einen vorgegebenen Strom aufnimmt, ist der Spannungsabfall am Meßwiderstand R 1 geringer als bei dem maximalen Strom und der Verstärker V gibt ein Signal S an die Laststufe L ab, die aus einer Serienschaltung eines Transistors T 1 und eines Widerstands R 6 besteht, wobei der Widerstand R 6 im Kollektorkreis angeordnet ist. Das Signal S steuert über einen Widerstand R 7 den Transistor T 1 leitend und zwar solange, bis der Strom I 1 durch den Widerstand R 6 und den Transistor T 1 gleich ist der Differenz aus dem vorgegebenen Strom und dem dem Verbraucher VB über das Filter F zugeführten Strom I 2. Sobald der Strom I 1 gleich ist der Differenz zwischen dem vorgegebenen Strom und dem Strom I 2, ist der Spannungsabfall am Meßwiderstand R 1 so groß, daß das Signal S sich nicht mehr verändert, solange sich der Strom I 2 nicht verändert.

Durch die Laststufe L wird damit sichergestellt, daß der Spannungsquelle SP immer der gleiche vorgegebene Strom entnommen wird, unabhängig davon, wie groß der Strom I 2 innerhalb zulässiger Grenzen ist, da die Differenz zwischen dem vorgegebenen Strom und dem Strom I 2 jeweils durch die Laststufe L aufgenommen wird. Der Widerstand R 6 dient dabei zur Strombegrenzung und Leistungsentlastung des Transistors T 3.

Parallel zur Spannungsquelle ist ein Kondensator C vorgesehen, der eingangsseitige Störungen abblockt.

Claims (7)

1. Spannungsversorgungseinheit zum Erzeugen einer konstanten Belastung einer Spannungsquelle unabhängig von einer veränderbaren Belastung durch einen Verbraucher, wobei parallel zum Verbraucher eine zusätzliche Laststufe mit veränderbarer Balastung angeschlossen ist, wobei eine Meßstufe vorgesehen ist, die mittels eines in Reihe mit dem Verbraucher angeschlossenen Meßwiderstandes den von der Spannungsquelle abgegebenen Strom mißt und eine zur Spannungsquelle parallel geschaltete Referenzspannungsquelle zum Erzeugen einer Referenzspannung und einen Verstärker enthält, an dessen invertierendem Eingang die Referenzspannung anliegt und dessen Ausgang die Laststufe derart steuert, daß der von der Spannungsquelle durch den Verbraucher konstant ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannungsquelle einer Serienschaltung aus einem ersten Widerstand (R 2) und einer Stromquelle (S 1) enthält, die die Referenzspannung (UR) an den invertierenden Eingang des Verstärkers (V) abgibt, daß parallel zum Verbraucher (VB) eine Meßspannungsquelle vorgesehen ist, die eine Serienschaltung aus einem zweiten Widerstand (R 4) und einer zweiten Stromquelle (S 2) enthält und die Meßspannung an den nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers (V) abgibt.

2. Spannungsversorgungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Stromquellen (S 1, S 2) eine gemeinsame Bezugsspannung (UB) anliegt.

3. Spannungsversorgungseinheit nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquellen (S 1, S 2) jeweils aus einem Transistor (T 1 bzw. T 2), an dessen Emitter ein Wiederstand (R 3 bzw. R 5) angeschlossen ist und dessen Basis durch einen Verstärker (V 1 bzw. V 2) angesteuert wird, gebildet wird, dessen invertierender Eingang an dem Verbindungspunkt zwischen dem Emitter und dem Widerstand (R 3 bzw. R 5) angeschlossen ist und an dessen nichtinvertierendem Eingang die Bezugsspannung (UB) anliegt.

4. Spannungsversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Spannungsquelle (SP) ein Kondensator (C) angeschlossen ist.

5. Spannungsversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärker (V, V 1, V 2) intern kompensierte Operationsverstärker vorgesehen sind.

6. Spannungsversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verbraucher (VB) der Strom (I 2) über ein Tiefpaßfilter (F) zugeführt wird.

7. Spannungsversorgungseinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Tiefpaßfilter (F) ein π-Tiefpaßfilter ist.