DE3901560A1 - Linearspannungsregler mit geringen verlustleistungen und grossem eingangsspannungsbereich - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Linearspannungsregler mit geringen Verlustleistungen und großem Eingangsspannungsbereich nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Es sind Spannungsregler bzw. Spannungsstabilisierer bekannt, die einen Emitterfolger verwenden, dessen Basis an eine Referenzspannungsquelle angeschlossen wird. Die Referenzspannung kann beispielsweise mit Hilfe einer Z-Diode aus der unstabilisierten Eingangsspannung gewonnen werden. Ein derartiger Spannungsregler weist relativ hohe Verlustleistungen auf und der Eingangs­ spannungsbereich ist nur klein.

Aus dem Buch "Halbleiter-Schaltungstechnik" von U. Tietze, Ch. Schenk, Springer-Verlag, 1978, Seite 377, ist weiterhin ein Spannungsregler mit geringem Spannungsverlust bekannt, der eine Ausgangs-Darlington-Schaltung aufweist, wobei PNP-Transistoren verwendet werden.

Die Ausgangsstufe arbeitet dabei in Emitter­ schaltung und der Kollektorstrom des Ansteuer­ transistors wird als Basisstrom für die Ausgangsstufe verwendet. Auch für diese bekannte Schaltungsanordnung ist der zu verarbeitende Eingangsspannungsbereich relativ klein.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Linearspannungsregler insbesondere für die Versorgung von Mikroprozessoren zu schaffen, der geringe Verlustleistungen und einen großen Eingangsspannungsbereich aufweist und variabel einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.

Dadurch, daß zwei mit dem Eingang des Spannungs­ reglers in Reihe liegende Transistoren vorge­ sehen sind, von denen der erste Bestandteil einer Darlington-Schaltung ist und der zweite mit seinem Emitter den Ausgang bildet, wobei die Referenzdiode über eine Konstantstromquelle gespeist ist, die gleichzeitig an die Basis des zweiten Transistors angeschlossen ist, wird ein regelbarer Spannungseingangsbereich von 15 bis 265 V effektiv, gesiebt und ungesiebt ermöglicht, wobei die Eigenleistung, d.h. die Verlustleistungen sehr klein gehalten werden können.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich. Besonders vorteil­ haft ist, daß die Reset-Spannung für einen nachgeschalteten Mikroprozessor von der Referenzspannung der Referenzdiode abgeleitet werden kann.

Weiterhin ist vorteilhaft, daß die Steuer­ spannung für den Steuereingang eines nachge­ schalteten Mikroprozessors ebenfalls aus der Eingangsspannung für den Leistungsspannungs­ regler gewonnen werden kann, wobei die schon geregelte Ausgangsspannung des Spannungsregler­ teils als Referenz für die Steuersignalregelung verwendet werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt die schaltungsgemäße Ausgestaltung eines Linearspannungsreglers als Versorgungsspannungsschaltung für einen Mikroprozessor mit einer Regelung für das Steuersignal des Mikroprozessors.

Die Schaltungsanordnung, die für die Versorgung eines Mikroprozessors verwendet wird, besteht im wesentlichen aus drei Teilanordnungen, dem Spannungsregelteil 1 mit dem Eingang 2 und dem Ausgang 3, an dem die Versorgungsspannung Vcc für den Mikroprozessor anliegt, der Schaltung 4 zum Ableiten eines Reset-Signals mit dem Reset- Eingang 5 und dem Steuerspannungsregelteil 6 mit dem Steuereingang 7 und dem Steuerausgang 8 als Steuersignaleingang für den Mikroprozessor.

Der Eingang 2 des Spannungsregelteils 1, an dem eine gesiebte oder ungesiebte Spannung von 15 V bis 265 V effektiv, d.h. 265 anliegen kann, wird über einen Schalter S 1 mit dem Regel­ teil verbunden. Hauptbestandteil des Spannungs­ regelteils 1 sind die Transistoren T 2, T 4, wobei der Kollektor des Transistors T 2 mit dem Eingang 2 und der Emitter mit dem Kollektor des Transistors T 4 verbunden sind. Der Emitter des Transistors T 4 bildet den Ausgang 3 des Spannungsregelteils 1. Der Transistor T 2 ist Bestandteil einer allge­ mein bekannten Darlington-Schaltung und seine Basis wird von einem Transistor T 1 angesteuert, dessen Basis über einen Widerstand R 1 und dessen Kollektor mit dem Eingang 2 in Verbindung stehen. Der Widerstand R 1 ist Bestandteil eines Spannungsteilers mit einem weiteren Widerstand R 2, der an die Basis eines weiteren Transistors T 3 angeschlossen ist, dessen Kollektor über einen Basisemitter-Widerstand R 3 an den Emitter des Transistors T 1 angeschlossen ist und mit dem Verbindungspunkt des Transistors T 2 mit dem Transistor T 4 verbunden ist. Der Emitter des Transistors T 3 ist über einen Widerstand R 4 mit der Basis des Transistors T 4 und mit einer Spannungsreferenzdiode D 3 verbunden, die als Zenerdiode ausgebildet ist und an Masse 9 liegt. Zwischen Emitter des Transistors T 4 und Masse 9 ist ein Kondensator C 1 ge­ schaltet. Außerdem liegen zwischen Emitter des Transistors T 4 und Basis des Transistors T 3 eine Diode D 2 und eine Zenerdiode D 1, deren Anode miteinander verbunden sind.

Die Transistoren T 2 und T 4 sind gleichen Typs und sind bei kleiner Bauform, die beispielsweise für die SMD-Technik geeignet ist, für 250 V ausgelegt. Sie sind nicht satt durchgeschaltet sondern regeln im dynamischen Bereich. Die Widerstände R 1, R 2 sind ebenfalls vom gleichen Typ und weisen einen relativ hohen Widerstand von beispielsweise 220 kΩ auf. Damit der Transistor T 2 auch bei kleinen Spannungen, beispielsweise 15 V und somit bei kleinem Strom, bei diesen hohen Widerstandwerten richtig arbeitet, ist die Darlingtonstufe T 1, T 2 vor­ gesehen, bei der der Transistor T 1 den Basis­ strom für T 2 verstärkt.

Der Transistor T 3 und der Widerstand R 4 bilden eine Konstantstromquelle für die Referenz­ diode D 3, die etwa eine Referenzspannung von 5,6 V aufweist, wobei sie bei einem kleinen Strom, beispielsweise 250 µA definiert ist. Die Referenzspannung für die Konstantstromquelle T 3, R 4 wird durch die Zenerdiode D 1 vorgegeben, wobei der Konstantstrom über R 4 einstellbar ist. Am Ausgang 3 liegt eine geregelte Spannung von 5 V an, die sich aus der Referenzspannung abzüglich der Basisemitterspannung des Transistors T 4 zusammensetzt.

Da die Eingangsspannung ungesiebt sein kann, d.h. es kann ein Brummen auf der Eingangsspannung liegen, ist zur Glättung der Ausgangsspannung ein Kondensator C 1 vorgesehen, der sich beim Einschalten über den Schalter S 1 schnell auflädt. Damit sich der Kondensator C 1 beim Abschalten nicht über die Zenerdiode D 1 entlädt, ist D 2 als Sperrdiode für den Kondensator C 1 vorgesehen, so daß die Entladung über T 4 und D 3 erfolgt. Der Widerstand R 3 zwischen Kollektor des Transistors T 3 und Emitter des Transistors T 1 ist nicht unbedingt notwendig, er dient zur Verhinderung von Sperrströmen.

Wenn die Eingangsspannung über S 1 abgeschaltet wird, wird die Ausgangsspannung, d.h. die Ver­ sorgungsspannung Vcc für den Mikroprozessor noch über den Kondensator C 1 gehalten und klingt langsam ab. Damit diese Ausschaltzeit für den Mikroprozessor nicht zu lang ist und er gleich nach Ausschalten wieder bereit ist, muß ein Reset-Signal vorgesehen werden, damit intern der Mikroprozessor schnell auf Null gesetzt wird. Dieses Reset-Signal wird durch die Schaltungs­ anordnung 4 erzeugt, bei der ein Kondensator C 2 parallel zur Referenzdiode D 3 geschaltet ist und parallel zu dem Kondensator C 2 ein Spannungs­ teiler R 5, R 6 vorgesehen ist, dessen Verbindungs­ punkt der beiden Widerstände R 5, R 6 den Reset- Eingang 5 bildet. Der Kondensator C 2 hat zwei Funktionen, er dient einmal zur Glättung des Reset-Eingangs, da sonst das Reset-Signal ebenfalls verbrummt ist. Andererseits bestimmen C 2 und im wesentlichen R 6 - der Widerstand R 5 dient in der Hauptsache dazu, die Reset-Spannung von der Referenzspannung von 5,6 auf 5 V herabzusetzen - die Zeit beim Abschalten der Versorgungsspannung, d.h. die Wiederbereitschaftszeit des Mikroprozessors. Somit wird der Reset unabhängig von dem Kondensator C 1 gesteuert, wobei er von der Referenzspannung abgeleitet wird.

Wenn keine Steuerspannungsregelschaltung 6 vor­ gesehen ist, kann eine Anzeigediode D 5 über einen Widerstand R 9 an den Ausgang 3 ange­ schlossen werden. In diesem Fall wird immer angezeigt, wenn Spannung an dem Mikroprozessor anliegt.

Die Steuerspannungsregelschaltung 6 benutzt als Steuereingangssignal am Eingang 7 über den Schalter S 2 ebenfalls die Eingangsspannung des Spannungsregelteils 1, wobei am Eingang 7 ähnlich zu dem Spannungsregelteil 1 eine Reihenschaltung aus zwei Transistoren T 5, T 6 liegt, deren Basen über den Spannungsteiler R 7, R 8 angesteuert werden. Der die Versorgungsspannung Vcc führende Ausgang 3 ist über einen PNP-Transistor T 7, d.h. über dessen Basis und dessen Emitter mit der Basis des Transistors T 6 verbunden, wobei der Kollektor des Transistors T 7 an Masse liegt. Der Emitter des Transistors T 6 liegt an der Anode einer Diode D 4, die in Reihe mit dem Schutzwiderstand R 14 und dem Spannungsteiler R 15, R 16 geschaltet ist, wobei der Widerstand R 16 auf Masse 9 liegt. Der Spannungsteiler R 15, R 16 ist mit einem Glättungswiderstand C 3 überbrückt. An dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R 15, R 16 ist die Basis eines Transistors T 9 angeschlossen, dessen Kollektor auf Masse 9 liegt und dessen Emitter über einen Widerstand R 13 am Emitter des Transistors T 6 und über einen Widerstand R 9 am Ausgang 3 liegt. Parallel zur Emitterkollektorstrecke des Transistors T 9 ist eine Leuchtdiode D 5 geschaltet, ebenfalls parallel zu der Leuchtdiode D 5 liegt ein Spannungsteiler R 11, R 12, wobei der Verbindungspunkt der Widerstände R 11, R 12 mit der Basis eines Transistors T 8 verbunden ist, dessen Emitter auf Masse 9 liegt und dessen Kollektor den Steuereingang 8, d.h. den Steuersignaleingang des Mikroprozessors bildet. Zwischen Steuerausgang 8 und Ausgang 3 ist ein Widerstand R 10 geschaltet. Der Transistor T 8 und der Spannungsteiler R 11, R 12 bilden lediglich einen Inverter, der das Signal für den Steuerausgang invertiert.

Wenn der Schalter S 2 offen ist, d.h. keine Eingangs­ spannung am Steuereingang 7 liegt, ist der Transistor T 9 über die Ausgangsspannung Vcc, den Widerstand R 9, den Widerstand R 13 und die Reihenschaltung D 4, R 14, R 15, R 16 leitend und schließt somit die Leuchtdiode D 5 kurz, d.h. die Leuchtdiode D 5 leuchtet nicht, wenn kein Steuersignal am Steuereingang 7 anliegt. Wenn ein Steuersignal angelegt wird, geht der Ver­ bindungspunkt zwischen Emitter des Transistors T 6 und Diode D 4 schlagartig auf die Spannung Vcc, da an diesem Punkt die Summe der Spannungen Vcc Basis-Emitter-Spannung von Transistor T 7 und Basis-Emitter-Spannung des Transistors T 6 ge­ bildet wird. Somit wird die Ausgangsspannung Vcc als Referenzspannung verwendet. Wenn diese Spannung an dem Verbindungspunkt anliegt, wird der Transistor T 9 über seine Basis in den Sperr­ zustand gesteuert und die Diode D 5 erhält über R 9 und über R 13 Strom, so daß sie leuchtet. Wenn die Diode D 5 leuchtet, wird die Basis des Transistors T 8 über den Widerstand R 11 ange­ steuert, so daß der Transistor T 8 in den leitenden Zustand übergeht und an dem Steuerausgang 8 liegt ein Low-Signal an. Wenn kein Steuersignal am Steuereingang 7 anliegt, ist der Transistor T 8 gesperrt und der Steuerausgang 8 bekommt über R 10 ein High-Signal.

Anstelle des Transistors T 7 könnte auch eine Diode vorgesehen sein, es ist aber ein Transistor vorzuziehen, da bei hohen Steuerspannungen der Strom auf Masse abgeleitet wird, damit die Ausgangsspannung Vcc nicht überfahren wird.

Claims (9)

1. Linearspannungsregler mit geringen Verlust­ leistungen und großem Eingangsspannungsbereich mit einer die Referenzspannung vorgebenden Referenzdiode und einer Darlingtonschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Transistoren (T 2, T 4) in Reihe geschaltet sind, von denen der erste Bestand­ teil der Darlingtonschaltung (T 1, T 2) ist und an den Eingang (2) angeschlossen ist und der zweite Transistor (T 4) mit seinem Emitter den Ausgang (3) bildet, wobei die Referenzdiode (D 3) über eine Konstantstrom­ quelle (T 3, R 4, D 1) gespeist ist, die gleich­ zeitig an die Basis des zweiten Transistors (T 4) angeschlossen ist.

2. Linearspannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantstrom­ quelle aus einem dritten Transistor (T 3), einem Widerstand (R 4) und einer Referenz­ diode (D 1) besteht, wobei der Kollektor des dritten Transistors (T 3) mit dem Verbindungs­ punkt zwischen den in Reihe geschalteten ersten und zweiten Transistoren (T 2, T 4) verbunden ist und die die Referenzspannung bildende Referenzdiode (D 1) der Konstant­ stromquelle zwischen Basis des dritten Transistors (T 3) und den den Ausgang (3) bildenden Emitter des zweiten Transistors (T 4) geschaltet ist.

3. Linearspannungsregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang (2) mit einem Spannungsteiler (R 1, R 2) verbunden ist, dessen Verbindungspunkt an die Basis eines mit den ersten Transistor (T 2) die Darlingtonschaltung bildenden vierten Transistors (T 1) ange­ schlossen ist, wobei der Spannungsteiler in Reihe mit der Referenzdiode (D 1) der Konstantstromquelle liegt und der Kollektor des dritten Transistors (T 3) mit dem Emitter des vierten bzw. der Basis des ersten Transistors (T 2) in Verbindung steht.

4. Linearspannungsregler nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Versorgung eines Mikroprozessors mit einem Reset-Eingang, wobei der Ausgang am Versorgungseingang des Mikroprozessors liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Reset-Spannung von der Referenz­ spannung der Referenzdiode (D 3) abgeleitet wird.

5. Linearspannungsregler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Referenzdiode (D 3) ein parallel geschaltetes RC-Glied (C 2, R 6) liegt, wobei der Reset- Eingang (5) an dem Verbindungspunkt zwischen Kondensator (C 2) und Widerstand (R 6) des RC-Gliedes liegt.

6. Linearspannungsregler nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Versorgung eines Mikroprozessors mit Steuereingang, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer­ spannung für den Mikroprozessor von der Eingangspannung abgeleitet wird, wobei die Ausgangsspannung (Vcc) am Ausgang (3) als Referenzspannung für eine Steuersignal­ reglung dient.

7. Linearspannungsregler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuer­ eingang (7) mit einer Reihenschaltung von zwei Transistoren (D 5, D 6) verbunden ist, deren Basen an einem Spannungsteiler (R 7, R 8) liegen, der einerseits an den Steuereingang (7) und andererseits mit dem Ausgang (3) in Verbindung steht und daß die Reihenschaltung der zwei Transistoren (T 5, T 6) mit einem elektronischen Schalter (T 9) in Verbindung steht, der abhängig von seinem Schaltzustand das Steuersignal für den Mikroprozessor steuert.

8. Linearspannungsregler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem Schalter einer Leuchtdiode (D 5) ge­ schaltet ist, die kurzgeschlossen wird, wenn kein Steuereingangssignal anliegt.

9. Linearspannungsregler nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (3) mit der Basis eines Transistors (T 7) verbunden ist, dessen Emitter an die Basis des Transistors (T 6) angeschlossen ist und dessen Kollektor auf Masse liegt.