DE4114073A1 - Schaltungsanordnung zur stabilisierung einer spannung - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zur Stabili­ sierung einer Spannung nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Schaltungsanordnungen zur Stabilisierung einer Spannung, die mehr oder weniger aufwendig sind, gehören zum Stand der Technik und sind beispielsweise aus dem Fachbuch Tietze/Schenck: Halbleiterschal­ tungstechnik, 4. Auflage, 1978, Seite 370 bis 378 bekannt.

Bei den angesprochenen Schaltungsanordnungen handelt es sich um Serienstabilisierungen, die Schwankungen der zugeführten Spannung ausregeln. In einer speziellen Stabilisierungsschaltung wird bei­ spielsweise ein Operationsverstärker, dem die zu stabilisierende Spannung zugeführt wird, und dessen Ausgangsstrom durch einen als Emitterfolger geschalteten Operationsverstärker verstärkt wird, ein­ gesetzt.

Damit der Ausgangsstrom nicht so hoch wird, wird eine Strombegren­ zung durchgeführt und zur Verlustleistungsbegrenzung wird dieser Stromgrenze mit abnehmender Ausgangsspannung reduziert, so daß eine rückläufige Stromspannungskennlinie entsteht.

Die angegebenen Schaltungsanordnungen weisen jedoch den Nachteil auf, daß bei niedrigen Betriebsspannungen eine Funktion nicht mög­ lich ist, da die Spannungsdifferenz zwischen der Operationsverstär­ ker-Versorgungsspannung und dem Operationsverstärkerausgang zu gering ist.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß zusätzliche Bauelemente zur Realisierung der Strombegrenzung erforderlich sind.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Stabilisierung einer Spannung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß trotz relativ geringem Aufwand eine präzise Span­ nungsquelle entsteht, die eine geringe Betriebsspannung benötigt, in einem weiten Temperaturbereich einsetzbar ist und die außerdem einen umfassenden Kurzschlußschutz aufweist.

Besonders vorteilhaft ist, daß durch die nichtlineare Übertragungs­ kennlinie eine Strombegrenzung ohne Einsatz von zusätzlichen Bauele­ menten erhalten wird.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale möglich.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge­ stellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und in Fig. 2 ist die zugehörige Übertragungskennlinie aufgetragen.

Beschreibung des Ausführungsbeispieles

Die in der Fig. 1 abgebildete Schaltungsanordnung weist einen inte­ grierten Operationsverstärker im nachfolgenden Text als integrier­ ter Schaltkreis IC1 bezeichnet, auf, der zwischen der Versorgungs­ spannung UV und Masse geschaltet ist. Der nicht invertierende Ein­ gang des integrierten Schaltkreises IC1 ist über einen Widerstand R1 mit einem Anschluß eines nicht dargestellten Steuergerätes verbun­ den, wobei an diesem Anschluß die Steuergerätespannung UST liegt. Über einen weiteren Widerstand UR2 liegt der nicht invertierende Eingang des integrierten Schaltkreises IC1 auf Masse.

Der Ausgang des integrierten Schaltkreises IC1 ist mit der Basis eines Transistors T1 verbunden, dessen Kollektor über einen Wider­ stand R7 und einen Widerstand R6 an die Versorgungsspannung UV ange­ schlossen ist und dessen Kollektor über einen Widerstand R8 auf Mas­ se gelegt ist.

Ein weiterer Transistor T2, dessen Basis mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R6 und dem Widerstand R7 verbunden ist, ist über einen Widerstand R5 ebenfalls an die Versorgungsspannung UV an­ geschlossen und kollektorseitig über die Reihenschaltung der Wider­ stände R3, R4 mit Masse verbunden.

Am Kollektor des Transistors T2 wird die geregelte Spannung UR abge­ griffen, wobei zwischen dem entsprechenden Anschluß und Masse ein Kondensator C2 liegt.

Die geregelte Spannung UR wird dem zu versorgenden Bauelement, das im Ausführungsbeispiel als Lastwiderstand RL dargestellt ist, zuge­ führt.

Damit eine Spannungsregelung erfolgen kann, ist der Ausgang des in­ tegrierten Schaltkreises IC1 über einen Kondensator C1 mit dem Ver­ bindungspunkt zwischen den Widerständen R3 und R4 verbunden, die­ selbe Verbindung führt auch noch auf den invertierenden Eingang des integrierten Schaltkreises IC1.

Mit der in Fig. 2 dargestellten Schaltungsanordnung soll aus der vom Steuergerät gelieferten geregelten Spannung eine Referenzspan­ nung für steuergeräteexterne Verbraucher erzeugt werden.

Dazu wird die Steuergerätespannung UST dem üblicherweise als Opera­ tionsverstärker ausgebildeten integrierten Schaltkreis IC1 zuge­ führt, ebenso wie die zwischen Widerständen R3 und R4 abgegriffene Spannung UR′, die der um den Spannungsabfall an R3 verminderten Re­ ferenzspannung UR entspricht.

Im integrierten Schaltkreis IC1 wird die Referenzspannung UR bzw. UR′ mit der Steuergerätespannung UST verglichen, der integrierte Schaltkreis IC1 regelt die Referenzspannung nach durch Einwirkung auf die nachfolgenden gekoppelten Stromquellen.

Die erzielbare Regelgenauigkeit ist durch die Genauigkeit der Wider­ stände R1 bis R4 und die Offsetspannung UO des integrierten Schalt­ kreises IC1 begrenzt.

Für die Regelspannung UR gelten die Beziehungen:
UR=K1·K2·UST-K2·UO
mit den Teilerfaktoren: K1=R2/(R1+R2), K2=(R3+R4) R4.

Wird als integrierter Schaltkreis IC1 ein Operationsverstärker ein­ gesetzt, der einen ausreichend großen Gleichtakteingangsspannungs­ bereich hat, kann auf die Widerstände R1 bis R4 verzichtet werden, damit K1 und K2 gleich 1 sind. Die erzielbare stationäre Genauigkeit entspricht dann der Offsetspannung des Operationsverstärkers die beispielsweise bei einem Operationsverstärker SA 5230 D über der Temperatur etwa 4 Millivolt beträgt. Bei einem derart geringen Feh­ ler kann eine analoge Meßgröße auf etwa 10 bit genau gemessen werden.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist kurzschlußfest, da bei einem Kurzschluß nach UB beide Stromquellen vom Regelkreis abge­ schaltet werden, es fließt dann nur noch der Querstrom über die Widerstände R3 und R4.

Bei einem Kurzschluß nach Masse versucht der Operationsverstärker die Spannung an der Referenzspanungsquelle, also UR zu erhöhen, dies bedeutet, daß das Basispotential des Transistors T1 angehoben wird, wodurch gleichzeitig das Kollektorpotential am Transistor T1 ab­ sinkt. Der Transistor T2 liefert daher an seinem Kollektor mehr Strom zur Referenzspannungsklemme.

Aufgrund des vorliegenden Kurzschlusses ist dieser Arbeitspunkt jedoch nicht stabil und der Operationsverstärker IC1 versucht, die Spannung am Referenzspannungs-Ausgang weiter zu erhöhen.

Dazu wird vom Ausgang des Operationsverstärkers bzw. des integrier­ ten Schaltkreises IC1 die an der Basis des Transistors T1 liegende Spannung an die obere Grenze der Ausgangsspannung des integrierten Schaltkreises IC1 gezogen, die etwa um 1,5 Volt unterhalb der Be­ triebsspannung UB liegt.

Durch den Transistor T1 fließt dann ein kräftiger Basisstrom, der die Emitter-Basis-Spannung des Transistors T1 sehr klein werden läßt. Am Kollektor des Transistors T1 stellt sich dann die gleiche Spannung ein wie am Emitter des Transistors T1, sie liegt etwa 2,2 Volt unterhalb der Betriebsspannung.

Durch diese Maßnahme wird im Kurzschlußfall nach Masse der Ausgangs­ strom IA geringer sein als der maximal entnehmbare Strom IM im Nor­ malfall, also im Regelbetrieb.

Die Strom-Spannungskennlinie ist für die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 sehr nichtlinear und weist eine Fold-Back-Charakteristik auf, in Fig. 2 ist die Übertragungskennlinie aufgetragen, dabei ist zu erkennen, daß der in Kurzschlußfall fließende Strom IK wesentlich geringer ist, als der maximal entnommene Strom IM.

Die Verlustleistung, die im Transistor T2 auftritt, ist damit sehr stark begrenzt so daß als Transistor T2 beispielsweise ein Transi­ stor in einem TO 92 Gehäuse verwendet werden kann.

Der integrierte Schaltkreis IC1 sowie der Transistor T1 sind lei­ stungsmäßig nicht belastet und eignen sich daher besonders gut für Hybridisierung oder SMD-Technik.

Die beschriebene Schaltungsanordnung zur Stabilisierung einer Span­ nung eignet sich besonders gut zur Versorgung von steuergeräteex­ ternen Verbrauchern, es sind beispielsweise: Beschleunigungssensoren die beispielsweise ASR eingesetzt werden, Pedal- und Drosselklap­ pensensoren wie sie im Zusammenhang mit E-Gas verwendet werden oder Drosselklappensensoren beim ADS.

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung zur Stabilisierung einer Spannung mit einer integrierten Schaltung, deren einem Eingang eine Spannung, vorzugs­ weise eine von einem Steuergerät stabilisierte Spannung zugeführt wird, deren anderem Eingang eine von der zu stabilisierenden Span­ nung abhängige Spannung zugeführt wird und deren Ausgang mit einer Transistoranordnung verbunden ist, die zwischen Versorgungsspannung und Masse liegt und die stabilisierte Spannung liefert, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Transistoranordnung zwei gekoppelte Stromquel­ len umfaßt, die von der integrierten Schaltung (IC1) gesteuert wer­ den.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierte Schaltung (IC1) einen Operationsverstärker umfaßt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers (IC1) über einen Widerstand (R1) mit dem Steuergerät (ST) und über einen Wider­ stand (R2) mit Masse verbunden ist, daß der invertierende Eingang über einen Spannungsteiler (R3, R4) an die Referenzspannungsklemme (UR) angeschlossen ist und dessen Ausgang mit der Basis des Transi­ stors (T1) der Transistorschaltung verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoranordnung einen weiteren Transistor (T2) enthält, des­ sen Basis über einen Widerstand (R7) mit dem Kollektor des Transi­ stors (T1) und über einen Widerstand (R6) mit der Versorgungsspan­ nungsklemme (UB) verbunden ist.