DE3931893A1 - Schaltung zur strombegrenzung mit foldback-verhalten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Strombegrenzung mit Foldback-Verhalten, welche auf allen Gebieten der Elek­ tronik in Stromversorgungseinrichtungen angewendet werden kann. Sie ist besonders für Geräte geeignet, die aus Batte­ rien bzw. aus dem Bordnetz von Fahrzeugen versorgt werden.

In den meisten elektronischen Einrichtungen ist es üblich, Schutzschaltungen zur Begrenzung der Versorgungsströme im Fehlerfall vorzusehen. Diese sind meist Bestandteil von elektronisch stabilisierten Netzteilen. Eine Auswahl davon ist u. a. im Buch "Halbleiter-Schaltungstechnik" von Tietze/ Schenk enthalten. Dabei wird im allgemeinen der Spannungs­ abfall an einem Fühlwiderstand mit der Basis-Emitter-Fluß­ spannung eines Transistors verglichen, der bei überschrei­ ten eines Grenzwertes den Längstransistor sperrt. Auf diese Weise wird der Laststrom auf einen Maximalwert begrenzt. Im Kurzschlußfall tritt dabei am Längstransistor eine Verlust­ leistung auf, die bis zum Vierfachen des Normalwertes be­ tragen kann. Für diese Leistung müssen Transistor und Kühl­ körper ausgelegt sein.

Weitere Möglichkeiten zur Reduzierung der Verlustleistung bestehen darin, die Ausgangsspannung im Kurzschlußfall ab­ zuschalten. In der DD-PS 1 51 833 wird dazu die Strombegren­ zungsschaltung entsprechend dem kennzeichnenden Teil der vorliegenden Erfindung mit einer Unterspannungsabschaltung kombiniert. In ähnlicher Weise wird in der DD-PS 1 47 430 bei Kurzschluß am Ausgang der Strombegrenzungstransistor akti­ viert, so daß der Ausgang abgeschaltet wird. Diese Schal­ tungen erfordern viele zusätzliche Bauelemente und müssen nach dem Abschalten oder Netzeinschalten durch besondere Maßnahmen aktiviert werden.

Günstiger sind Schaltungen, welche nach Beseitigung des Kurzschlusses bzw. Überstroms selbsttätig in den Betriebs­ zustand zurückkehren. So ist es möglich, in Strombegren­ zungsschaltungen, bei denen der Längstransistor in Kollek­ torschaltung betrieben wird, durch Anschalten der Basis des Strombegrenzungstransistors an einen Spannungsteiler, der zwischen Emitter des Längstransistors und Bezugspotential liegt, eine Vorspannung des Strombegrenzungstransistors und dessen Mitkopplung zu erreichen, so daß sich mit einsetzen­ der Strombegrenzung und abnehmender Ausgangsspannung der Laststrom verringert. Die sich daraus ergebende Kennlinie, die die am Längstransistor auftretende Verlustleistung be­ grenzt, wird als Foldback-Verhalten bezeichnet. Die damit ausgerüstete Schaltung ist durch die Applikationsschriften des Spannungsregler-Schaltkreises µA 723 zur Standardschal­ tung für Stromversorgungen geworden.

Nachteilig ist aber, daß bei maximalen Laststrom allein am Fühlwiderstand die dreifache Basis-Emitter-Spannung, also etwa 2 V, abfällt, wenn das Verhältnis Maximalstrom zu Kurz­ schlußstrom den Wert 3 aufweisen soll. Da außerdem 0,7 V für die Basis-Emitter-Strecke des Längstransistors und eine zu­ sätzliche Spannungsdifferenz zur Erzeugung des Basisstroms erforderlich ist, benötigt die Stabilisierungsschaltung bei maximalem Laststrom eine minimale Spannungsdifferenz von 3 bis 4 V. Durch den Einsatz eines PNP-Transistors in Emit­ terschaltung, wie in der µA 723-Applikation angegeben, kann dieser Wert auf 3 V verringert werden. Für viele Anwendungen ist aber dieser Spannungsabfall sowie die damit verbundene Verlustleistung zu hoch. Das gilt besonders für Geräte, die aus Batterien oder Fahrzeugnetzen gespeist werden, wo die erforderliche Eingangsspannung für den Stabilisierungsteil nicht erhöht werden kann.

Selbstverständlich ist es möglich, den Spannungsabfall am Fühlwiderstand wie in der DE-OS 28 22 897 zu verstärken und anschließend auszuwerten. Die für den Operationsverstärker erforderlichen Betriebsspannungen außerhalb des Bereichs der Eingangsspannung der Stabilisierungsschaltung erhöhen jedoch den Aufwand beträchtlich.

Einen geringen Spannungsabfall benötigen Schaltungen, die zur Erzeugung positiver Ausgangsspannungen einen PNP-Tran­ sistor im Längszweig verwenden und dessen Basisstrom über den Querzweig der Schaltung vom Bezugspotential her erzeu­ gen, wie in der DE-AS 34 07 800 (für negative Ausgangsspan­ nungen gilt dies sinngemäß). Die dort angegebene Schaltung besitzt aber kein Foldback-Verhalten.

Diese realisiert die Schaltung nach DE-PS 35 23 369, indem ein Widerstand zwischen der Ausgangsspannung und der Basis des Strombegrenzungstransistors eingefügt ist, welcher bei sinkender Ausgangsspannung einen zusätzlichen Basisstrom erzeugt und so den Ausgangsstrom verringert.

Diese Schaltung kann aber nicht in stabilisierten Netztei­ len eingesetzt werden, da bei diesen generell eine unter­ schiedlich hohe Spannung über dem Längstransistor anliegt, welche den Strombegrenzungstransistor ansteuern und damit den Ausgangsstrom undefiniert begrenzen würde.

Es besteht auch die Möglichkeit, einen geringen Spannungs­ abfall an der Stabilisierungsschaltung durch Wegfall des Fühlwiderstandes und dessen Verlagerung in die Basiszulei­ tung des Längstransistors oder durch Begrenzung von dessen Basisstrom zu erreichen. Eine solche Schaltung, die sogar ein Foldback-Verhalten aufweist, ist in der DE-AS 23 59 845 angegeben. Schaltungen dieser Art erfordern jedoch in jedem Fall eine individuelle Einstellung der Strombegrenzung, da die Stromverstärkung des Längstransistors exemplarabhängig ist. Außerdem ist durch die Temperaturabhängigkeit der Stromverstärkung keine hohe Stabilität der Strombegrenzung erreichbar.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine Schaltung anzu­ geben, welche einen wesentlich geringeren Aufwand als die bekannten Lösungen erfordert und durch ihre Eigenschaften universell einsetzbar ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltung zur Strombegrenzung zu schaffen, welche ein Foldback-Verhalten aufweist, nur einen geringen Spannungsabfall benötigt, kei­ ne Einstellelemente erfordert und deren Parameter in einem weiten Bereich vorgebbar sind.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in ei­ ner Stabilisierungsschaltung mit einem Längstransistor, dessen Emitter über einen Fühlwiderstand mit der Eingangs­ spannung verbunden ist, einem Strombegrenzungstransistor, der über einen Basisvorwiderstand mit dem Fühlwiderstand verbunden ist und dessen Kollektor an die Basis des Längs­ transistors angeschlossen ist sowie einem Operationsver­ stärker, dessen Ausgang über einen Widerstand mit der Basis des Längstransistors verbunden ist, wobei der invertieren­ de Eingang an einer Referenzspannungsquelle und der nicht- invertierende Eingang über einen Spannungsteiler an der Ausgangsspannung anliegt, ein Transistor entgegengesetzter Leitfähigkeit eingefügt ist, dessen Kollektor mit der Basis des Strombegrenzungstransistors verbunden ist, wobei die Basis mit der Referenzspannungsquelle und der Emitter mit dem Spannungsteiler verbunden ist.

Wenn der durch den Fühlwiderstand festgelegte Maximalstrom erreicht wird, sperrt der Strombegrenzungstransistor den Längstransistor. Mit sinkender Ausgangsspannung sinkt die Spannung am Emitter des zusätzlich eingefügten Transistors, so daß er einen zusätzlichen Strom in die Basis des Strom­ begrenzungstransistors einspeist. Dieser Strom steigt mit sinkender Ausgangsspannung, so daß der Ausgangsstrom im Kurzschlußfall nur noch einen Teil des Maximalstroms auf­ weist.

Die erfindungsgemäße Schaltung wird nachfolgend anhand ei­ ner Zeichnung näher erläutert.

Die Figur zeigt eine komplette Netzteilschaltung mit Span­ nungsstabilisierung und Strombegrenzung entsprechend den erfindungsgemäßen Merkmalen des Patentanspruches.

Die Schaltung erzeugt eine positive Ausgangsspannung, kann aber durch Einsatz komplementärer Transistortypen auch für negative Spannung eingesetzt werden.

Zwischen Eingangsspannung Ue und Ausgangsspannung Ua befin­ den sich der Längstransistor 1 und der Fühlwiderstand 2. Am Fühlwiderstand 2 ist über den Widerstand 3 der Strombegren­ zungstransistor 4 angeschlossen. Dessen Kollektor liegt an der Basis des Längstransistors 1, der seinen Basisstrom vom Operationsverstärker 5 über den Widerstand 6 erhält. Der Kollektor des Transistors 7 ist mit der Basis des Strombe­ grenzungstransistors 4 verbunden, seine Basis mit der aus Widerstand 8 und Z-Diode 9 erzeugten Referenzspannung, und der Emitter liegt an einem Spannungsteiler, der aus den Wi­ derständen 10 und 11 besteht und an die Ausgangsspannung Ua angeschlossen ist.

Im Normalbetrieb arbeitet der Operationsverstärker 5 als Spannungsregler, der die mit den Widerständen 10 und 11 ge­ teilte Ausgangsspannung am nichtinvertierenden Eingang mit der Referenzspannung am invertierenden Eingang vergleicht und über den Widerstand 6 den Längstransistor 1 ansteuert. Wenn der Spannungsabfall am Fühlwiderstand 2 etwa 0,7 V er­ reicht, wird der Strombegrenzungstransistor 4 angesteuert. Er schließt den Basisstrom des Längstransistors 1 kurz und begrenzt so den Ausgangsstrom auf den durch den Fühlwider­ stand 2 bestimmten Wert. Damit sinkt die Ausgangsspannung. Mit ihr sinkt auf die Emitterspannung von Transistor 7, so daß dieser leitend wird. Er erzeugt einen Strom, der durch die Widerstände 10 und 11 sowie die Höhe der Referenzspan­ nung und der aktuellen Ausgangsspannung bestimmt wird und im Kurzschlußfall am größten ist. Dieser Strom erzeugt am Widerstand 3 einen Spannungsabfall, welcher zu dem am Fühl­ widerstand 2 zu addieren ist.

Da aber die Gesamtspannung über der Basis-Emitter-Strecke von Transistor 4 während der Strombegrenzung konstant ist, bewirkt dies einen mit sinkender Ausgangsspannung abnehmen­ den Ausgangsstrom. Damit ist das gewünschte Foldback-Ver­ halten erreicht.

Die Schaltung benötigt bei maximalem Ausgangsstrom eine Spannung von etwa 0,7 V über dem Fühlwiderstand 2. Wenn für den Spannungsteiler am Emitter des Transistors 7 nicht die Widerstände 10 und 11, sondern zwei zusätzliche Widerstände verwendet werden, kann man diese so dimensionieren, daß be­ reits im normalen Betrieb der Schaltung ein Strom in den Widerstand 3 eingespeist wird. So kann erreicht werden, daß in besonderen Fällen bereits bei Spannungen von 0,3 bis 0,4 V über dem Fühlwiderstand 2 und damit einem Gesamtspan­ nungsabfall von 0,5 V eine Strombegrenzung einsetzt.

Den geringsten Aufwand erfordert aber die in der Figur dar­ gestellte Schaltung, welche zusätzlich zur bekannten Stabi­ lisierungsschaltung nur den Transistor 7 benötigt. Opera­ tionsverstärker 5 und Referenzspannungsquelle 9 können selbstverständlich Bestandteile eines integrierten Span­ nungsreglers, z. B. des erwähnten µA 723, sein.

Damit ist die Aufgabe der Erfindung mit einfachsten Mitteln erfüllt. Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt durch die Di­ mensionierung der Widerstände eine einfache Anpassung von Maximalstrom und Kurzschlußstrom an alle Anforderungen.

Außerdem benötigt die Schaltung nur eine minimale Spannung über R 1 und Längstransistor von 0,6 bis 0,9 V. In der Praxis ist es so möglich, eine Stabilisierungsschaltung für 5 V Ausgangsspannung mit einer Eingangsspannung von 7 V zu be­ treiben, welche bei -15% Netzspannungsabweichung von 5,9 V beträgt und somit ausreichend ist. Herkömmliche Stabilisie­ rungsschaltungen mit Foldback-Verhalten benötigen dagegen etwa 9,5 V, die bei -15% auf 8 V absinken. Damit kann die Verlustleistung der Stabilisierungsschaltung um 50% redu­ ziert bzw. der Arbeitsbereich batteriebetriebener Geräte wesentlich erweitert werden.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 Längstransistor
2 Fühlwiderstand
3 Widerstand
4 Strombegrenzungstransistor
5 Operationsverstärker
6 Widerstand
7 Transistor
8 Widerstand
9 Referenzspannungsquelle
10 Widerstand
11 Widerstand

Claims (1)

1. Schaltung zur Strombegrenzung mit Foldback-Verhalten für stabilisierte Netzteile, enthaltend einen Längstransistor, dessen Emitter über einen Fühlwiderstand mit der Eingangs­ spannung verbunden ist, einen Strombegrenzungstransistor, der über einen Basisvorwiderstand mit dem Fühlwiderstand verbunden ist und dessen Kollektor an die Basis des Längs­ transistors angeschlossen ist sowie einen Operationsver­ stärker, dessen Ausgang über einen Widerstand mit der Basis des Längstransistors verbunden ist, wobei der invertierende Eingang an einer Referenzspannungquelle und der nichtin­ vertierende Eingang über einen Spannungsteiler an der Aus­ gangsspannung anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß an die Basis des Strombegrenzungstransistors der Kollektor eines Transistors entgegengesetzter Leitfähigkeit angeschlossen ist, dessen Basis mit der Referenzspannungsquelle und des­ sen Emitter mit dem Spannungsteiler verbunden ist.