DE4233826A1 - Spannungsstabilisierungsschaltung mit geringen Verlusten und einstellbarer Strombegrenzungskennlinie - Google Patents

Spannungsstabilisierungsschaltung mit geringen Verlusten und einstellbarer Strombegrenzungskennlinie

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Description

Titel
Die Erfindung betrifft eine Spannungsstabilisierungsschaltung mit einem N-Kanal-MOSFET als Leistungstransistor in Sourceschaltung, der von einem Strom-Spannungs-Wandler angesteuert wird, dieser wiederum erhält seinen Steuerstrom von einem Spannungs-Strom-Wandler, dessen Eingangsspannung die bewertete Regeldifferenz des Spannungsreglers ist. Weiterhin enthält die Stabilisierungsschaltung einen Stromregler, dessen Ausgangswert ebenfalls auf obigen Strom- Spannungs-Wandler eingreift und den Strom auf einen einstellbaren Wert begrenzt. Der Stromregler erhält seinen Istwert vom Spannungsabfall des laststromdurchflossenen Meßwiderstandes; die Sollwertvorgabe wird, nach Erreichen des Maximalstromes, in Abhängigkeit von der kleiner werdenden Ausgangsspannung der Stabilisierungsschaltung, durch einen der Ausgangsspannung quasi proportionalen, einstellbaren Strom im Sollwertspannungsteiler vermindert.
Stand der Technik
Elektronische Schaltungen werden bekanntlicherweise mit Gleichspannung versorgt, die auch bei Spannungsschwankungen der Quelle stabil sein muß. Für diesen Zweck wird eine Spannungsstabilisierungsschaltung zwischen die elektronische Schaltung und die Quelle geschaltet, die neben den Spannungsschwankungen am Eingang auch Laständerungen am Ausgang sowie Temperatureinflüsse in einem Toleranzbereich ausregelt. Als Quelle kann auch eine mit Welligkeit, z. B. 100 Hz behaftete, gleichgerichtete, an die Stabilisie­ rungsschaltung angepaßte Netzspannung dienen. Zum Schutz der Stabilisierungsschaltung gegen Zerstörung, bei Überlast am Ausgang, ist eine Strombegrenzungsschaltung vorgesehen. Spannungsstabilisierungschaltungen mit Serientransistor als Stellglied, in Kollektor oder Drainschaltung ohne Hilfsspannung, bekannt aus TEXAS INSTRUMENTS Linar and Interface Circuit Product Application Volume 1, 1986, S. 5-71 bis 5-72 arbeiten nur dann zufriedenstellend, wenn die Quellenspannung beträchtlich größer ist als die zu stabilisierende Ausgangsspannung, was einen schlechten Wirkungsgrad mit sich bringt.
Eine Strombegrenzungskennlinie mit I-Konstant nach der Überlastung führt bei größeren Ausgangsspannungen und Strömen zur Zerstörung des Endstufentransistors durch zu große Verlustleistung.
Aufgabe
Es ist die Aufgabe der Erfindung eine kostengünstige Spannungsstabilisierungschaltung vorwiegend für gleichgerichtete, angepaßte Netzspannung und möglichst ohne Hilfsspannung anzugeben, die im Betriebsfall "Netzunterspannung" und "Strömen größer 3 Ampere" auch noch mit kleinen Differenzspannungen zwischen Eingang und Ausgang der Stabilisierungschaltung, sowie mit geringen Steuerleistungen arbeitet, um einen möglichst großen Wirkungsgrad zu erhalten. Weiterhin ist Aufgabe der Erfindung eine Strombegrenzungsschaltung mit einstellbarer Strombe­ grenzungskurve anzugeben, um den maximalen Strom und den Strom im Betriebsfall "Netzüberspannung" und "Kurzschluß am Ausgang" getrennt einstellen zu können, damit die Verlustleistung unterhalb der Verlustleistungshyperbel des Endstufentransistors bleibt.
Lösung
Diese Aufgabe wird bei einer Spannungsstabilisierungs­ einrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Endstufentransistor ein kostengünstiger N-Kanal-MOSFET ist, in Sourceschaltung betrieben wird und der Strombegrenzungssollwert, nach Überschreiten des einstellbaren Maximalstromes, mit kleiner werdender Ausgangsspannung quasi proportional, einstellbar vermindert wird.
Figurbeschreibung:
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Schaltung in den Fig. 1 bis 3 näher erläutert.
Die Fig. 1 zeigt eine Spannungsstabilisierungsschaltung mit einstellbarer Strombegrenzungskennlinie.
Die Stabilisierungsschaltung liegt zwischen der schwankenden Eingangsgleichspannung UE und der elektronischen Schaltung, hier als Last RL dargestellt, die mit einer konstanten elektrischen Spannung UA versorgt werden soll. Der Kondensator C1 speichert, im Falle der Gleichrichtung der angepaßten Netzspannung, elektrische Spannung während der Ladepausen. Der Kondensator C2 verhindert eine zu schnelle Spannungsänderung am Ausgang. Der Laststrom IL fließt, technisch gesehen, von dem Quellenpol UE0, der auch gleichzeitig UA0 ist, über die Last RL, dem N-Kanal-MOSFET T1 und dem Meßwiderstand RM zum Quellenpol UE- zurück. Die Spannungsstabilisierung an der Last wird dadurch erreicht, daß T1, je nach Schwankung der Quellenspannung UE, mehr oder weniger durchsteuert.
Der Spannungsregelkreis besteht aus dem:
Spannungsregler, der nach Fig. 2 oder Fig. 3 ausgeführt werden kann und die bewertete Regeldifferenz URDS erzeugt, mit der die
spannungsgesteuerte Stromquelle angesteuert wird, bestehend aus dem PNP Kleinsignaltransistor T2 mit Emitterwiderstand R5, dessen Ausgangsstrom die
stromgesteuerte Spannungsquelle OP1 ansteuert, beschaltet mit der Referenz UREF1, dem Gegenkopplungswiderstand R3 und dem Widerstand R4 vom invertierenden Eingang nach UE- und den Dämpfungsspannungsteiler R2 und R1 am Ausgang des OP1, über den der
N-Kanal MOSFET T1, in Sourceschaltung, angesteuert wird, der die Ausgangsspannung UA stabilisiert.
Die beste Funktion der stromgesteuerten Spannungsquelle OP1 und damit die Ansteuerung des N-Kanal MOSFETs ist dann gegeben, wenn die Widerstände R3 und R4 gleiche Werte haben, so daß sich beim Steuerstrom von 0 Ampere, durch die spannungsgesteuerte Stromquelle, bestehend aus T2 und R5, die Ausgangsspannung von OP1 auf 2*UREF1, und umgekehrt bei einem Steuerstrom von UREF1/(R3 parallel R4) die Ausgangsspannung von 0 Volt einstellt. Da dieser Spannungshub, gedämpft durch den Spannungsteiler R1/(R1+R2), vom Gate des N-Kanal-MOSFETs T1 zum Source anliegt, kann dieser bis in den Bereich des niedrigen ON-Widerstandes gesteuert werden und dadurch mit sehr kleinen Spannungsabfällen zwischen Drain und Source arbeiten, was kleine Verluste zu Folge hat.
Der Stromregelkreis besteht aus dem:
Stromregler OP2, beschaltet als PI (auch PID) durch C3, R7 und R8, der aus dem Sollwert, dem Spannungsabfall an R11 und dem Istwert, den Spannungsabfall am laststromdurchflossenen Widerstand RM und am Widerstand R9, die bewertete Regeldifferenzspannung erzeugt, mit der die oben beschriebene
stromgesteuerte Spannungsquelle OP1 über die Dioden-, Widerstandsreihenschaltung D1, R6 angesteuert wird, um dem
N-Kanal-MOSFET T1 in Sourceschaltung so anzusteuern, daß der Ausgangsstrom durch den Spannungsabfall an R11 vorgegebene Wert nicht überschreitet.
Die einstellbare Strombegrenzungskennlinie wird dadurch realisiert, daß der Stromsollwert, d. h. der Spannungsabfall an R11, je nach Ausgangsspannung, im Falle der Überlastung, einstellbar verkleinert wird. Der durch R11 fließende Strom setzt sich zusammen aus dem Strom, der von der Referenzspannung UREF1 durch die Widerstände R12 und TR1 fließt und dem Strom, den die einstellbare ausgangsspannungsgesteuerte Stromquelle, bestehend aus dem PNP Kleinsignaltransistor T3 und den Emitterwiderständen R13 und TR2 liefert.
Bei Kurzschluß am Ausgang der Spannungsstabilisierungs­ schaltung ist der Stromwert mit dem Widerstand TR1 so einzustellen, daß das Produkt aus Kurzschlußstrom und Drain- Sourcespannung unterhalb der Verlustleistungshyperbel des N- Kanal-MOSFETs T1 liegt.
Der Einsatzpunkt der Strombegrenzung liegt höher als der Kurzschlußstrom, da bei vorhandener Ausgangsspannung UA die einstellbare, von UA spannungsgesteuerte Stromquelle bestehend aus T3, R13 und TR2 einen zusätzlichen Strom durch R11 fließen läßt und damit den Stromsollwert erhöht. Mit TR2 ist der Strombegrenzungseinsatz einzustellen.
Der Stromfluß von UREF1 über die Widerstände R10 und R9 hebt das Spannungspotential des nichtinvertierenden Eingangs des Stromreglers OP2, damit dieser spannungsmäßig oberhalb der UE- Schiene fühlt.
Die Kondensatoren C4 und C5 parallel zu R9 und R11 begrenzen Spannungsanstiege an den Eingängen des Stromreglers OP2.
Die Spannungsversorgung der Verstärker OP1, OP2 und der Referenz UREF1 läßt sich bei Ausgangsspannungen UA größer 11V direkt aus der Eingangsspannung UE über D2 gewinnen; bei kleineren Ausgangsspannungen muß eine Spannungsverdopplung im Eingang oder eine Hilfsspannung UHILF über D3 für genügend Spannung sorgen, damit die Verstärker OP1 und OP2 auch bei Überlast, am Ausgang der Stabilisierungsschaltung, noch zufriedenstellend arbeiten.
In beiden Fällen muß mit dem kondensatorbeschaltenen (C6, C7) IC1 nachstabilisiert werden, damit die Verstärker OP1 und OP2 sowie der Eingang des N-Kanal-MOSFETs, durch die schwankende Eingangsspannung UE, spannungsmäßig nicht überlastet werden.
Die Fig. 2 zeigt die kostengünstige Form des Spannungs­ reglers der Spannungsstabilisierungsschaltung mit guter Funktion.
Der Spannungsregler ist mit den Ausgangsklemmen der Stabilisierungsschaltung UA0 und UA- verbunden oder kann auch ausgelagert, direkt an der entfernt liegenden Last angeschlossen werden (Senesebetrieb) und erzeugt die bewertete Regeldifferenzspannung URDS, mit der die spannungsgesteuerte Stromquelle bestehend aus T2 und R5 angesteuert wird.
Der Spannungsregler, mit dem Shuntregler IC2 realisiert, vergleicht den über den Spannungsteiler R18 zu R19 und TR3 geteilten Istwert der Ausgangsspannung mit der integrierten temperaturkompensierten Referenz und bildet die bewertete Regeldifferenzspannung URDS über den niederohmigen, längs zum Shuntregler liegenden Spannungsteiler R14 zu R15 ab. Die PI- Bewertung erfolgt über den Gegenkopplungszweig C8 und R16 sowie dem Vorwiderstand R17.
Die Fig. 3 zeigt die aufwendigere Form des Spannungsreglers der Spannungsstabilisierungsschaltung mit guter Funktion. Hier ist der Spannungsregler mit dem Verstärker OP3 realisiert, der den über R22 zu R23 und TR4 geteilten Istwert der Ausgangsspannung mit der externen Referenz UREF2 vergleicht und die bewertete Regeldifferenzspannung URDS erzeugt. Die PI-Bewertung erfolgt über den Gegenkopplungszweig C9 und R20 sowie dem Vorwiderstand R21.

Claims (10)

1. Spannungsstabilisierungsschaltung mit geringen Verlusten und einstellbarer Strombegrenzungskennlinie mit einem
  • - Spannungsregelkreis bestehend aus Leistungstransistor (T1), einem als Strom-Spannungs-Wandler beschalteten Ansteuerverstärker (OP1), einem Spannungs-Strom-Wandler (T2 und R5), einem regelungstechnisch beschalteten Spannungsregler, der die Ausgangsspannung (UA) mit einer Referenzspannung vergleicht und einem
  • - Stromregelkreis mit einstellbarer Strombegrenzungskennlinie bestehend aus regelungstechnisch beschaltetem Stromregler (OP2), der den Spannungsabfall am laststromdurchflossenen Meßwiderstand (RM) mit dem, aufgrund der Ausgangsspannung angesteuerten Spannungs-Strom-Wandler (T3, R13, TR2) und der geteilten Referenz (UREF1, R12, TR1), variablen Spannungsabfall am Widerstand zur Stromsollwertvorgabe (R11) vergleicht, sowie dem Strom-Spannungs-Wandler (OP1) und dem Leistungstransistor (T1),
dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungstransistor (T1) ein N-Kanal-MOSFET ist, in Sourceschaltung, auf dem Bezugspotential (UE-) betrieben wird und seine Ansteuerung über den Dämpfungsspannungsteiler (R1, R2) von der invertierenden stromgesteuerten Spannungsquelle erhält, bestehend aus einem Verstärker (OP1), der ersten Referenzspannungsquelle (UREF1), die mit dem nichtinvertierenden Eingang verbunden ist, dem Gegenkopplungswiderstand (R3), und dem Widerstand vom invertierenden Eingang zum Bezugspotential (R4), die ihren Eingangsstrom von der durchgeschleiften Schiene (UA0) durch die spannungsgesteuerte Stromquelle erhält, bestehend aus einem PNP-Transistor (T2) mit Emitterwiderstand (R5), die mit der bewerteten Regeldifferenzspannung des Spannungsreglers (URDS) angesteuert wird, die zwischen der durchgeschleiften Schiene (UA0) zur Basis (B) des PNP-Transistors (T2) erscheint, um die Ausgangsspannung (UA) bei sich ändernder Eingangsspannung (UE) zu stabilisieren.
2. Spannungsstabilisierungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsregler an der durchgeschleiften Schiene (UA0) als Shuntregler (IC2) mit integrierter, temperaturkompensierter Referenz arbeitet, über die Widerstands-Kondensator-Reihenschaltung (R16, C8) gegengekoppelt ist, den Vorwiderstand (R17) hat und die Ausgangsspannung (UA) über dem Istwertspannungsteiler (R18, R19, TR3) fühlt, um die bewertete Regeldifferenzspannung (URDS) über den niederohmigen Spannungsteiler, längs zum Shuntregler (R14, R15) zu erzeugen.
3. Spannungsstabilisierungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsregler an der durchgeschleiften Schiene (UA0) als Verstärker (OP3) mit der externen Referenz (UREF2) arbeitet, über die Widerstands- Kondensator-Reihenschaltung (R20, C9) gegengekoppelt ist, den Vorwiderstand (R21) hat und die Ausgangsspannung (UA) über den Istwertspannungsteiler (R22, R23, TR4) fühlt, um die bewertete Regeldifferenzspannung (URDS) zu erzeugen.
4. Spannungsstabilisierungsschaltung nach Anspruch 1 und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßwiderstand (RM) zur Stromerfassung vom Source des N-Kanal-MOSFETs zum Bezugspunkt (UE-) geschaltet ist.
5. Spannungsstabilisierungsschaltung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromregler (OP2) seine bewertete Regeldifferenz, über die Widerstands-Dioden- Serienschaltung (R6, D1), in Form von Strom zum invertierenden Eingang der invertierenden stromgesteuerten Spannungsquelle (OP1) fließen läßt, seinen Bezugspunkt auf der UE- Schiene hat, über die Widerstands-Kondensator-Reihenschaltung (R7, C3) gegengekoppelt ist, den Vorwiderstand (R6) zum invertierenden Eingang hat und sein Eingangssignal aus einer Brückenschaltung erhält, bestehend aus der Brückenhälfte zur Istwerterfassung (R9, R10), die mit dem nichtinvertierenden Eingang des Stromreglers verbunden ist, der Brückenhälfte zur Sollwertvorgabe (R11, R12 und TR1), die mit dem Vorwiderstand (R8) verbunden ist, dem Meßwiderstand (RM) zur Laststromerfassung, der im Fußpunkt der Brücke geschaltet ist, der ersten Referenz (UREF1), die die Brücke speist und der ausgangsspannungsgesteuerten Stromquelle, bestehend aus dem PNP-Transistor (T3) mit den Emitterwiderständen (R13, TR2), die einen Strom quasi proportional zur Ausgangsspannung (UA) von der durchgeschleiften Schiene (UA0) durch den Brückenwiderstand zur Stromsollwertvorgabe (R11) schickt, um den Stromsollwert, d. h. den Spannungsabfall (UISOLL) am Stromsollwertwiderstand (R11), bei Nennspannung am Ausgang größer festzulegen als den Stromsollwert bei Kurzschluß am Ausgang, der dann durch den Brückenspannungsteiler zur Sollwertvorgabe (R11/[R11+R12+TR1]) vorgegeben wird.
6. Spannungsstabilisierungsschaltung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits der maximale Stromfluß bei Kurzschluß der Ausgangsspannung mit dem variablen Widerstand im Spannungsteiler zur Stromsollwertvorgabe (TR1), andererseits der maximale Stromfluß beim Beginn der Überlastung mit dem Widerstand im Emitterzweig der ausgangsspannungsgesteuerten Stromquelle (TR2) eingestellt wird, um die einstellbare Strombegrenzungskennlinie zu erzeugen.
7. Spannungsstabilisierungsschaltung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Widerstand zur Stromsollwertvorgabe (R11) und vom Shiftwiderstand (R9) zur Bezugsschiene (UE-) je ein Kondensator (C4, C5) zur Spannungsanstiegsbegrenzung geschaltet ist.
8. Spannungsstabilisierungsschaltung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannung des Stromreglers (OP2) sowie der invertierenden, stromgesteuerten Spannungsquelle (OP1) und der ersten Referenzspannung (UREF1), bei Ausgangsspannungen (UA) größer 11 Volt, direkt aus der schwankenden Eingangsspannung (UE) über die Trenndiode (D2) gewonnen wird, wobei die Höhe der Versorgungsspannung durch die Hilfsstabilisierung (IC1), mit Kondensatorbeschaltung (C6, C7) begrenzt wird.
9. Spannungsstabilisierungsschaltung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannung des Stromreglers (OP2) sowie der invertierenden, stromgesteuerten Spannungsquelle (OP1) und der ersten Referenzspannung (UREF1), bei Ausgangsspannungen (UA) kleiner 11 Volt, aus der aufgestockten Hilfsspannung (UHILF) über die Trenndiode (D3) gewonnen wird, wobei die Höhe der Versorgungsspannung durch die Hilfsstabilisierung (IC1), mit Kondensatorbeschaltung (C6, C7) begrenzt wird.
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