DE3904363A1 - Spannungsregler - Google Patents
SpannungsreglerInfo
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- G05F1/10—Regulating voltage or current
- G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
- G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
- G05F1/565—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor
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- G05F3/02—Regulating voltage or current
- G05F3/08—Regulating voltage or current wherein the variable is dc
- G05F3/10—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics
- G05F3/16—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
- G05F3/20—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations
- G05F3/26—Current mirrors
- G05F3/265—Current mirrors using bipolar transistors only
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Description
Die Erfindung betrifft einen Spannungsregler der im Ober
begriff des Patentanspruchs 1 angegeben Art. Derartige
Spannungsregler sind in verschiedenen Ausführungen be
kannt.
Eine wesentliche Eigenschaft solcher Spannungsregler ist,
daß die Referenzspannungsquelle von der geregelten Aus
gangsspannung versorgt und dadurch der Durchgriff der un
geregelten Eingangsspannung auf die Referenzspannung be
sonders gering wird. Beim Anlegen einer Eingangsspannung
kann daher der Regelverstärker noch kein Steuersignal für
das Stellglied liefern und es wird eine gesonderte, von
der Eingangsspannung versorgte Startschaltung zur Ansteue
rung des Stellgliedes benötigt.
Die Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines derartigen
Spannungsreglers als Blockschaltbild. Eingang E und Aus
gang A sind durch das Stellglied 3 verbunden. Am Ausgang
liegt eine Last L an. Eine Referenzspannungsquelle 1, die
von der Ausgangsspannung ua versorgt ist, liefert eine Re
ferenzspannung ur als Sollwert an einen Regelverstärker 2,
der ebenfalls von der Ausgangsspannung ua versorgt ist und
dem außerdem meine durch Spannungsteilung aus der Ausgangs
spannung genommene und dieser proportionale Ist-Spannung
ui zugeführt ist. Aus dem Vergleich von ui und ur wird im
Regelverstärker 2 ein Steuersignal sr für das Stellglied 3
erzeugt. Eine von der Eingangsspannung ue versorgte Start
schaltung 4 liefert ein Steuersignal ss für die Start
phase.
Eine mögliche Ausführung eines solchen Spannungsreglers
ist für positive Spannungen ue, ua in Fig. 2 am Beispiel
einer in bipolarer Technik realisierten Schaltungsanord
nung in detaillierter Form skizziert. Als Stellglied ist
ein pnp-Transistor T 3 eingesetzt. Dies bringt den Vorteil
eines minimalen Mindest-Spannungsabfalls über dem Stell
glied in der Größenordnung der Sättigungsspannung des
Stelltransistors T 3, die beispielsweise bei rund 100 mV
liegt. Transistoren der jeweils anderen Polarität würden
mindestens einen Spannungsabfall in der Größenordnung ei
ner Basis-Emitter-Diodenflußspannung bewirken, die mit ca.
700 mV wesentlich über der Sättigungsspannung liegt. Die
Referenzspannungsquelle ist in bekannter Weise als Bandab
stand (band-gap)-Referenz ausgeführt und zusammen mit dem
Regelverstärker durch die an der mit unterbrochener Linie
umrandeten Baugruppe 12 enthaltenen Bauelemente reali
siert. In dem dem Fachmann aus sich verständlichen Aufbau
der Baugruppe 12 sind für die weiteren Erläuterungen nur
die Transistoren T 2, T 4 und der ohmsche Widerstand RE im
einzelnen bezeichnet. Der Widerstand RE und der Transistor
T 4 sind sowohl Bestandteil des Regelverstärkers als auch
der Startschaltung. Die Bauelemente der Startschaltung
sind durch die in der umrandeten Baugruppe 14 enthaltenen
Bauelemente gegeben. Bei Anlegen einer Eingangsspannung ue
an der Eingang E des Spannungsreglers fließt über den Wi
derstand RS ein Strom zur durch die Dioden D 1, D 2 auf kon
stanten Potential liegenden Basis des Transistors T 4 und
steuert diesen aus, so daß ein Basisstrom ib im Stelltran
sistor T 3 und über den Kollektor von T 3 ein Strom zum Aus
gang fließen kann. Von der nun am Ausgang anliegenden
Spannung wurden auch Referenzspannungsquelle und Regelver
stärker versorgt und der Regelkreis ist in Betrieb. Bei
Ansteigen der an der Last abfallenden Spannung wird der
Strom durch Transistor T 2 erhöht und dadurch der Basis
strom von T 3 durch T 4 verringert, so daß sich bei Errei
chen der Nominalspannung ein Gleichgewichtszustand ein
stellt. Der Regelverstärker kann den Basisstrom von T 3
also nur reduzierend beeinflussen.
Die Startschaltung muß so dimensioniert sein, daß die bei
allen zulässigen Lastbedingungen das Stellglied zuverläs
sig ansteuert. Bei dem beschriebenen Beispiel nach Fig. 2
bedeutet dies beispielsweise, daß die Startschaltung auch
bei niedriger Eingangsspannung und niederohmiger Last
einen ausreichend hohen Basisstrom für den Stelltransistor
T 3 erzeugt. Der Vorwiderstand RS kann daher nicht beliebig
hochohmig gemacht werden. Ein hochohmiger Widerstand wäre
auch aus Gründen des Flächenbedarfs bei der Schaltungsin
tegration nachteilig. Bei höheren Eingangsspannungen
und/oder bei geringerem Laststrom führt dies aber dazu,
daß ein unnötig hoher Strom durch die Startschaltung
fließt. Der daraus resultierende, insbesondere bei hohen
Eingangsspannungen nicht vernachlässigbare Leistungsver
brauch ist sowohl wegen der Belastung der Eingangsspan
nungsquelle als auch hinsichtlich der Wärmeabfuhr uner
wünscht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, bei einem
Spannungsregler der im Oberbegriff des Patentanspruchs
angegebenen Art den Eigenleistungsverbrauch zu reduzieren.
Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Un
teransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen der Erfindung.
Kleine zur Startschaltung fließende Ströme, die nur einen
geringen Eigenleistungsverbrauch darstellen, fließen auch
bei dem erfindungsgemäßen Spannungsregler durch die Start
schaltung, so daß unverändert ein zuverlässiger Start un
ter allen zulässigen Lastbedingungen sichergestellt ist.
Höhere zur Startschaltung fließende Ströme werden aber
aufgeteilt in einen ersten Teilstrom durch die Startschal
tung und einen zweiten Teilstrom direkt zum Ausgang. Der
erste Teilstrom ist auf einen vorgegebenen Wert begrenzt
und ein ggf. darüber hinausgehender Anteil im zur Start
schaltung fließenden Strom wird als der zweite Teilstrom
der Last zugeführt und damit nutzbringend verwendet.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbei
spielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch einge
hend veranschaulicht. Dabei wird von einer Schaltung wie
in Fig. 2 skizziert, gegenüber der nur die von der Erfin
dung betroffenen Bauelemente oder Baugruppen verändert
sind, ausgegangen.
Bei der in Fig. 3 skizzierten Anordnung ist der Vorwider
stand RS aus Fig. 2 ersetzt durch einen Spannungsteiler
aus den Widerständen R 1 und R 2. Der Abgriff zwischen R 1
und R 2 ist über eine Serienschaltung von Dioden DL mit dem
Ausgang des Stellgliedes (Kollektor von Transistor T 3) und
damit mit dem Ausgang A des Spannungsreglers verbunden.
Der Knotenpunkt von R 1 und R 2 erreicht damit maximal eine
Spannung uz, die um die Durchflußspannung der Diodenreihe
(DL) über der Ausgangsspannung ua liegt. Die Spannungsdif
ferenz zwischen uz und ua wird vorteilhafterweise höher
gewählt als die Basisspannung von T 4, so daß auch bei nie
derohmiger Last über dem Widerstand R 2 eine Mindestspan
nung abfällt und somit ein Strom durch den Transistor T 4
sichergestellt ist. Der Strom iI durch die Startschaltung
ist auf einen durch R 2 und die Spannungsdifferenz zwischen
uz und dem Basispotential ub von T 4 festgelegten Wert be
grenzt. Bei kleinen Eingangsspannungen ue liegt die Span
nung am Knotenpunkt von R 1 und R 2 unterhalb der Grenzspan
nung uz und der gesamte durch R 1 zur Startschaltung
fließende Strom is fließt durch die Startschaltung R 2, D 1,
D 2, T 4 und RE. Bei zunehmender Eingangsspannung ue steigt
der Strom durch R 2 an bis zu einem durch uz, ub und R 2
festgelegten Grenzwert iI. Wenn der durch R 1 zur Start
schaltung fließende Strom is größer wird als iI bleibt der
Strom durch R 2 als ein erster Teilstrom konstant auf iI
und der Differenzstrom is-iI fließt als zweiter Teilstrom
iII durch die Dioden DL zur Last.
Bei der in Fig. 4 skizzierten Ausführungsform ist der
Strom durch die Startschaltung mittels R 4 und T 5 begrenzt.
Bei kleinen Strömen is liegt der Spannungsabfall über R 4
unter der Basis-Emitterflußspannung von T 5 und T 5 sperrt.
Bei ansteigendem Strom is steigt der Strom durch R 4 und R 5
an, bis an R 4 ein Spannungsabfall von der Größe der Basis-
Emitterflußspannung ube von T 5 erreicht ist und bleibt auf
diesen Wert begrenzt. Ein darüber hinausgehender Stroman
teil in is wird als Kollektorstrom von T 5 zum Ausgang A
und damit zur Last L geführt. Unter der Annahme, daß der
Basisstrom von T 5 klein ist gegenüber dem Strom durch R 4
wird der Strom durch die Startschaltung auf einen durch R 4
und T 5 festgelegten Wert begrenzt.
Auf Spannungsregler für negative Spannungen ue, ua sind
die beschriebenen Beispiele in bekannter Weise durch Wech
sel der Polarität der Bauelemente übertragbar. Darüber
hinaus sind aber auch weitere Schaltungsvarianten, insbe
sondere Maßnahmen zur Spannungs- oder Strombegrenzung,
möglich und dem Fachmann bekannt, welche zur Realisierung
der Erfindung im Detail geeignet sind und grundsätzlich
nach dem beschriebenen Prinzip arbeiten.
Claims (6)
1. Spannungsregler als monolithisch integrierbare Schal
tungsanordnung nach dem Prinzip linearer Längsspannungs
regler mit einem Eingang und Ausgang verbindenden Stell
glied (3), einem Regelverstärker (2), einer aus der Aus
gangsspannung versorgten Referenzspannungsquelle (1) sowie
einer von der Eingangsspannung versorgten Startschaltung
(4) zur Erzeugung eines Steuersignals für das Stellglied,
dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, welche
den vom Eingang zur Startschaltung fließenden Startstrom
(is) in einen ersten begrenzten Teilstrom (iI) durch die
Startschaltung und einen den ggf. darüberhinausgehenden
Startstromanteil umfassenden zweiten Teilstrom (iII) auf
teilen und den zweiten Teilstrom unter Umgehung des Stell
gliedes (3) auf den Ausgang führen.
2. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Startschaltung mit dem Eingang über einen
Spannungsteiler verbunden ist und ein Abgriff des Span
nungsteilers auf eine über der Ausgangsspannung (ua) lie
gende Zwischenspannung (uz) begrenzt und mit dem Ausgang
verbunden ist.
3. Spannungsregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich
net, daß die Zwischenspannung um eine definierte Span
nungsdifferenz über der Ausgangsspannung liegt.
4. Spannungsregler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich
net, daß der Abgriff des Spannungsteilers über mehrere in
Serie geschaltete Dioden (DL) mit dem Ausgang verbunden
ist.
5. Spannungsregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der zweite Teilstrom über aktive Bau
elemente unter Umgehung des Stellgliedes auf den Ausgang
geführt wird.
6. Spannungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß bei Integration in Bipo
lartechnik die Startschaltung einen emittergegengekoppel
ten Steuertransistor (T 4) mit stabilisiertem Basispoten
tial enthält, dessen Kollektorstrom als Steuersignal den
Basisstrom (ib) eines als Stellglied eingesetzten
Längstransistors (T 3) bildet.
Priority Applications (1)
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-
1989
- 1989-02-14 DE DE19893904363 patent/DE3904363C2/de not_active Expired - Fee Related
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|
D2 | Grant after examination | ||
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