DE3933433A1 - Stromregler - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Stromregler nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Stromregler für größere Ströme, deren Ausgangsstrom eine Funktion einer Eingangsgröße ist, sind bezüglich ihrer dynamischen Stabilität wegen den großen Steilheiten und den damit verbundenen hohen Ver­ stärkungen von Open-Kollektor-Stufen nur schwer zu beherrschen. Insbesondere bei schnell arbeitenden Reglern, die universell ein­ setzbar sein sollen und die deshalb über Kabelbäume unterschied­ licher Länge mit Betriebsspannung, Steuergerät und Verbraucher ver­ bunden sein können, sind hochfrequente Schwingungen über den gesam­ ten Bereich des Betriebsstroms für alle Einsatzbedingungen nur schwer zu unterbinden.

Da die Transitfrequenz von Transistoren mit fallender Stromdichte abnimmt, müßte die obere Grenzfrequenz der Rückkopplungsschleife für den in der Nähe des Ausgangsstroms "Null" liegenden Bereich niedri­ ger als für den Bereich höherer Ströme ausgelegt sein. Variable Grenzfrequenzen erfordern jedoch einen größeren Schaltungsaufwand.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Stromregler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die niedrigen Ströme ausgeblendet werden. Bei üblichen Verbrauchern wie Motoren, Glühlampen oder dergleichen ist ein Ausgangsstrom unterhalb eines Werts von ca. 20% des Maximalstroms nicht interessant, da sie in diesem Bereich sowieso kaum ansprechen. Außerdem ergibt sich der Vorteil, daß eine übliche Offsetspannung des Operationsverstärkers im Regelkreis oder auch ein äußerer Potentialversatz, der sich auf den Eingang des Reglers einkoppelt, zu keinem Ausgangsstrom führt. Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 10.

Zeichnung

Die Erfindung wird anhand der Fig. 1 und 2 erläutert. Fig. 1 zeigt die Transferkennlinie, Fig. 2 das Blockschaltbild des Stromreglers.

Beschreibung der Erfindung

In Fig. 1 ist die Transferkennlinie 13 des Ausgangsstroms I eines Stromreglers für I nenn = 30 A als Funktion einer Eingangsgröße E mit 5 Einheiten dargestellt. Der Einfachheit halber wurde ein linearer Zusammenhang angenommen. Die Eingangsgröße E kann eine von außen zugeführte elektrische Spannung oder ein elektrischer Strom sein; sie kann aber auch, wie etwa im Fall eines monolithisch integrierten Stromreglers, im Innern der Schaltung selbst erzeugt werden wie etwa durch eine Temperatur für einen Temperaturregler mit einem Kühlgebläse oder auch durch andere Größen wie etwa mechanische Verspannungen, einen Lichtstrom oder dergleichen. Bei einem linearen Zusammenhang zwischen Ausgangsstrom und Eingangsgröße wie in diesem Beispiel kann der Bereich, in dem der Ausgangsstrom Null ist, durch den Ausgangsstrom oder die Eingangsgröße definiert werden. Da der Ausgangsstrom für die dynamische Instabilität maßgebend ist, ist es vorteilhaft, diesen Bereich auch mittels des Ausgangsstroms zu definieren.

In diesem Beispiel wird der Ausgangsstrom durch eine von Null aus ansteigende Eingangsgröße erst eingeschaltet, nachdem sie bei 11 einen Stromwert von ca. 4 A ergibt; entsprechend wird bei fallender Eingangsgröße der Ausgangsstrom erst ausgeschaltet, wenn bei 12 ein Stromwert von ca. 3 A unterschritten wird. Diese Hysterese ist er­ forderlich, um definierte Verhältnisse zu schaffen und so ein Schwingen um den Schaltpunkt zu verhindern. Außerdem ist wie üblich die Anstiegsgeschwindigkeit des Ausgangsstroms beim Einschalten den Verhältnissen anzupassen, was möglich ist, ohne die obere Grenz­ frequenz des Regelkreises zu beeinflussen. Als vorteilhaft für den Einschaltpunkt hat sich ein Stromwert von bis zu ca. 20% vom maxi­ malen Ausgangsstrom erwiesen mit einer Hysterese von ca. 50% bis 80% dieses Werts. Je mehr sich der Ausgangsstrom beim Einschalt­ punkt dem Wert "Null" nähert, desto kritischer wird die dynamische Stabilität des Stromreglers bzw. desto tiefer ist seine obere Grenz­ frequenz zu legen. Der Gegenstand der Erfindung ist also besonders für schnelle Stromregler mit kurzen Übergangszeiten vorteilhaft, insbesondere auch für monolithisch integrierte Schaltungen, da dort der Aufwand für frequenzabsenkende Kapazitäten große Chipflächen erfordert.

Im Blockschaltbild der Fig. 2 ist mit 1 der masseseitige Anschluß, mit 2 der Eingang und mit 3 der Ausgang des Stromreglers bezeichnet. Ferner bilden die Widerstände 4 und 5 einen Spannungsteiler mit dem Verbindungspunkt 16 zur Anpassung der Transferkennlinie an den ge­ forderten Eingangsspannungsbereich, 6 ist der Meßwiderstand für den Ausgangsstrom; 7 ist der Operationsverstärker im Regelkreis mit seinem Ausgang 18. Mit 8 ist ein nachgeschalteter Transistor als Emitterfolger zur weiteren Stromverstärkung und mit 9 der Leistungs­ transistor bezeichnet. Die positive Eingangsklemme des Operations­ verstärkers 7 liegt am Punkt 16 des Widerstandsteilers, die nega­ tive am Punkt 17 des Meßwiderstands 6; damit ist der Regelkreis geschlossen. Auf die Darstellung von Maßnahmen zum Erreichen der dynamischen Stabilität wurde verzichtet.

Der Abschnitt 11, 12 der Transferkennlinie wird erreicht mittels des Komparators 10 mit Hysterese, dessen negative Eingangsklemme eben­ falls mit der Eingangsspannung (Klemme 16) und dessen positive Eingangsklemme mit einer Referenzspannung 14 verbunden ist. Anstelle des Komparators 10 mit Referenzspannung 14 kann auch ein Schmitt- Trigger eingesetzt sein. Der Ausgang des Komparators 10 ist mit der Basis des Transistors 15 verbunden, dessen Kollektor am Ausgang 18 des Operationsverstärkers 7 eingreift.

Ist das Eingangspotential 16/1 (Potential der Klemme 16 gegen die Masse 1) kleiner als die Referenzspannung 14, so ist der Ausgang 19 des Komparators hoch, der Transistor 15 erhält Basisstrom, sein Kollektor zieht den Ausgang 18 des Operationsverstärkers 7 gegen Massepotential, die Transistoren 8, 9 erhalten keinen Basisstrom, der Ausgangsstrom bleibt so lange Null, bis das Potential 16/1 größer wird als das von 14; von diesem Punkt ab schlägt der Komparator 10 um, sein Ausgang 19 geht gegen Massepotential, der Transistor 15 wird stromlos und ermöglicht so die Ansteuerung des Endverstärkers mit den Transistoren 8, 9.

Gegenstand der Erfindung ist eine Schaltung zum Ausblenden eines an "Null" grenzenden Abschnitts der Transferkennlinie eines Strom­ reglers für relativ große Ausgangsströme. Da diese Regler wegen der stromdichteabhängigen Transitfrequenz der Leistungstransistoren besonders bei kleinen Strömen zu dynamischer Instabilität neigen, ist es vorteilhaft, den Bereich der nicht benötigten kleinen Ströme auszublenden. Das Ziel, die Stromregler für beliebige in einem Kraftfahrzeug auftretende Kabelbäume dynamisch stabil zu machen, läßt sich so mit einem geringeren Schaltungsaufwand erreichen, was sich besonders bei monolithisch integrierten Schaltungen kosten­ senkend auswirkt. Darüber hinaus wird so eine etwa vorhandene Offsetspannung des Operationsverstärkers und ein etwa am Eingang vorhandener Potentialversatz eliminiert.

Claims (10)

1. Stromregler für große Ströme, vorzugsweise in monolithisch integrierter Technik, dessen Ausgangsstrom eine Funktion einer Eingangsgröße ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsstrom in einem Bereich der Eingangsgröße, der von dem Wert Null verschieden ist, kleiner ist als der durch den funktionalen Zusammenhang zwischen Eingangsgröße und Ausgangsstrom in diesem Bereich vorge­ gebene Wert (Fig. 1).

2. Stromregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von außen zugeführte Eingangsgröße dargestellt ist durch eine Steuer­ spannung oder einen Steuerstrom.

3. Stromregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsgröße als Steuerspannung oder -strom innerhalb des Strom­ reglers selbst aus einer Temperatur, einer mechanischen Verspannung, einem optischen Signal oder dergleichen gewonnen ist.

4. Stromregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsstrom in einem Bereich der Eingangs­ größe entsprechend einem Ausgangsstromwert zwischen Null und etwa 20% des Ausgangsstromendwerts kleiner ist als der durch den funktio­ nalen Zusammenhang zwischen Eingangsgröße und Ausgangsstrom vor­ gegebene Wert.

5. Stromregler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsstrom in einem Bereich der Eingangsgröße entsprechend einem Ausgangsstromwert zwischen Null und etwa 20% des Ausgangsstromend­ werts durch den Reststrom des Leistungstransistors vorgegeben ist.

6. Stromregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsstrom mit in etwa von Null aus ansteigender Eingangsspannung bzw. ansteigendem Eingangsstrom am Ende des Bereichs den durch den funktionalen Zusammenhang zwischen Eingangsgröße und Ausgangsstrom vorgegebenen Wert annimmt.

7. Stromregler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsstrom im stromziehenden Bereich mit fallender Eingangsgröße bei einem niedrigeren Wert der Eingangsgröße ausgeschaltet ist als er eingeschaltet wird (Hysterese).

8. Stromregler nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Wert des Ausgangsstroms am Ausschaltpunkt, der ca. 80% und weniger des Werts des Ausgangsstroms am Einschaltpunkt beträgt.

9. Stromregler nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Wert des Ausgangsstroms am Ausschaltpunkt, der 50% bis 80% des Werts des Ausgangsstroms am Einschaltpunkt beträgt.

10. Stromregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch einen Komparator, dessen Eingang einerseits mit einer Referenzspannung, andererseits mit dem Eingang des in der Regel­ schleife liegenden Operationsverstärkers verbunden ist und dessen Ausgang so mit der Schaltung des Operationsverstärkers bzw. mit dem zwischen Operationsverstärker und Leistungstransistor liegenden Schaltungsteil verbunden ist, daß der Leistungstransistor in dem genannten von Null verschiedenen Bereich ausgeschaltet ist (Fig. 2).