DE4401330C1

DE4401330C1 - Schaltungsanordnung zum Regeln einer Spannung

Info

Publication number: DE4401330C1
Application number: DE19944401330
Authority: DE
Inventors: Alfons Dipl Ing Fisch; Michael Dipl Ing Kunz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1994-01-18
Filing date: 1994-01-18
Publication date: 1995-05-04
Anticipated expiration: 2014-01-19

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltungsanordnung zum Regeln ei ner Spannung gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.

Eine solche Schaltungsanordnung ist beispielsweise aus S. W. Wagner: "Stromversorgung elektronischer Schaltungen und Gerä te", R. v. Decker′s Verlag G. Schenck, Hamburg 1964, bekannt. Sie wird zur Stabilisierung einer konstanten Spannung an ei ner Last eingesetzt. Hierzu wird ein mit einer Spannungsquel le verbundener Serienspannungsregler (Längsregler) mit einer Last an seinem Ausgang verbunden. Mit einem Differenzverstär ker wird eine Abweichung der Ausgangsspannung von einer Refe renzspannung festgestellt. Die Abweichung steuert den im Strompfad in Reihe zur Last liegenden Längsregler so, daß die Abweichung der Ausgangsspannung von der Referenzspannung kleiner wird.

Als Regler und Differenzverstärker werden dort Transistoren eingesetzt. Als Referenzspannung dient die Durchbruchspannung einer Zenerdiode. Eine solche Schaltungsanordnung arbeitet jedoch zu ungenau, so daß sie nicht bei Anwendungen ein gesetzt werden kann, bei denen es auf eine hochpräzise Aus gangsspannung ankommt.

Aus der DE 42 24 202 A1 ist ein Gleichspannungsregler be kannt, bei dem ein Operationsverstärker als Differenzverstär ker für einen npn-Transistor als Längsregler verwendet wird. Die Versorgungsspannung des Operationsverstärkers muß minde stens ∼0,7 V über der zu stabilisierenden Spannung liegen.

In Kraftfahrzeugen werden zur Lagebestimmung von Drossel klappe oder Fahrpedal Potentiometer eingesetzt. Bei Verwen dung eines ratiometrischen Meßverfahrens müssen Versorgungs spannung des Potentiometers und Referenzspannung hochgenau übereinstimmen. Hierzu wird bei einem Batteriespannungsbe reich von etwa <6 V bis <25 V eine geregelte Spannungsversor gung benötigt,

a) bei der die Versorgungsspannung des Potentiometers rück wirkungsfrei und annähernd leistungslos von der Referenz spannung abgeleitet wird,
b) die kurzschlußfest gegen Batteriespannung und gegen Masse ist, und
c) die auch bei einem Load-Dump (Spannungsspitzen bei Lösen der Verbindung von Lichtmaschine und Batterie bei laufen dem Motor) funktionsfähig bleibt.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Schaltungsan ordnung zu schaffen, welche die genannten Bedingungen erfüllt und mit der die Spannung an einer Last so geregelt werden kann, daß sie genau mit einer Referenzspannung übereinstimmt.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Diese Lösung hat den Vorteil, daß die Ausgangsspannung rückwirkungsfrei und annähernd leistungslos von der Referenzspannung abgeleitet wird. Zudem ist die Aus gangsspannung sowohl gegen Masse als auch gegen Batteriespan nung kurzschlußfest. Selbst hohe Spannungsspitzen, wie sie bei einem Load Dump auftreten, können mit dieser Schaltungs anordnung ausgeregelt werden, so daß sie auch in diesem Fall funktionsfähig bleibt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schal tungsanordnung, und

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung eines Potentiometers.

Bei einem elektronischen Fahrpedal eines Kraftfahrzeugs wird die Stellung der Drosselklappe mit Hilfe eines Potentiometers (oder mehrerer) genau überwacht, indem dessen Abgriff ein Sensorsignal erfaßt, das von einem Rechner ausgewertet wird. Damit die Stellung der Drosselklappe genau erfaßt werden kann, muß das Potentiometer (im folgenden als Last bezeich net) mit einer konstanten Spannung versorgt werden. Diese Spannung muß möglichst identisch zu einer Referenzspannung sein, mit welcher der Rechner das Sensorsignal bewertet. Zum Regeln der Spannung an der Last wird die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eingesetzt.

Das Prinzip dieser Schaltungsanordnung wird im folgenden mit Hilfe des Blockdiagramms (Fig. 1) näher erläutert. Über eine Gleichstromregelstrecke 1, die von einer Speisespannungsquel le 2 mit der Speisespannung U_B versorgt wird, soll eine Last 3 mit einer konstanten Spannung (im folgenden als Ausgangs spannung U_A bezeichnet) gespeist werden. Mit einem Regler 4 wird die Ausgangsspannung U_A erfaßt und deren Abweichung von einer von einer Referenzspannungsquelle 5 erzeugten konstan ten Referenzspannung U_R festgestellt. Mit Hilfe dieser Abwei chung wird die Gleichstromregelstrecke 1 so geregelt, daß die Ausgangsspannung U_A sich der Referenzspannung U_R angleicht und damit die Abweichung möglichst klein wird.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 weist an ihrem Ausgang die Last 3 auf, die als Potentiometer ausgebildet ist. An ei nem Anschluß des Potentiometers 3 liegt die Ausgangsspannung U_A (beispielsweise +5 V), der andere Anschluß ist mit Masse verbunden. Der Abgriff des Potentiometers 3 ist über einen A/D-Wandler 6 mit einem Rechner 7 verbunden, in dem das Sen sorsignal ausgewertet wird.

Der A/D-Wandler 6 und der Rechner 7 werden über die Referenz spannungsquelle 5 mit der Referenzspannung U_R gespeist. Da der A/D-Wandler 6 das Sensorsignal in Abhängigkeit der Refe renzspannung U_R bewertet, muß die Ausgangsspannung U_A mög lichst identisch mit der Referenzspannung U_R sein, damit die genaue Stellung des Potentiometer-Abgriffs erfaßt werden kann. Die Ausgangsspannung U_A muß jedoch von der Referenz spannung U_R entkoppelt sein, d. h. rückwirkungsfrei auf die Referenzspannung U_R sein, damit die Spannungsversorgung des Rechners 7 und des A/D-Wandlers 6 weiterhin gewährleistet bleibt, falls an der Last 3 ein Kurzschluß gegen Masse oder gegen Batteriespannung bzw. eine höhere Spannung (Load-Dump) auftritt.

Die Ausgangsspannung U_A wird mit Hilfe der Speisespannung U_B erzeugt. Hierzu liegt zwischen der Speisespannungsquelle 2 und der Last 3 als Gleichstromregelstrecke 1 ein pnp-Transi stor T1 als an sich bekannter, sog. "Low-Drop-Regler". Das hat den Vorteil, daß die Speisespannung U_B nur ∼0,2 V über der Ausgangsspannung U_A liegen muß, im Gegensatz zu ∼0,7 V bei ei nem npn-Transistor. Das kann beispielsweise beim Start im Winter von ausschlaggebender Bedeutung für die Funktionsfä higkeit der Schaltungsanordnung sein.

Der Transistor T1 kann als veränderlicher Widerstand gedacht werden, der die Differenz zwischen der zu stabilisierenden Ausgangsspannung U_A und der Speisespannung U_B aufnimmt. Durch Verändern seines Basisstroms kann die Ausgangsspannung U_A ge ändert (reguliert) werden.

Damit die Ausgangsspannung U_A kurzschlußfest wird, ist vor dem Transistor T1 eine Strombegrenzerstufe mit einem Wider stand R1 zwischen Transistor T1 und Speisespannungsquelle und mit einem pnp-Transistor T2 eingefügt, dessen Emitter mit der Speisespannungsquelle, dessen Basis mit dem Emitter des Längstransistors T1 und dessen Kollektor mit der Basis des Längstransistors T1 verbunden ist. Bei einem unzulässig hohen Ausgangsstrom, wie es bei einem Kurzschluß an der Last der Fall ist, wird der Transistor T1 durch die Strombegrenzerstu fe mehr oder weniger gesperrt. Somit kann der Transistor T1 nicht thermisch zerstört werden.

Die Ausgangsspannung U_A wird über einen Widerstand R2 dem Plus-Eingang eines Operationsverstärkers 8 zugeführt. Der Operationsverstärker 8 vergleicht die Ausgangsspannung U_A mit der Referenzspannung U_R, die über einen Widerstand R3 dem Mi nus-Eingang des Operationsverstärkers 8 zugeführt wird.

Der Operationsverstärker 8 ist mit Hilfe von Widerständen R2, R3 und R4 sowie eines Kondensators C1 als PI-Regler beschal tet, an dessen Eingängen die Ausgangsspannung U_A und die Re ferenzspannung U_R liegen. Da die Differenz der beiden Span nungen im Idealfall zu Null werden soll, wird der Transistor T1 so angesteuert, daß er mehr oder weniger sperrt, falls die Differenz größer oder kleiner als Null ist.

Der Vorteil eines solchen PI-Regler ist, daß die Schaltung nicht schwingfähig wird und die Regeldifferenz im Regelkreis zu Null wird. Ein solcher PI-Regler weist ein genügend ge dämpftes Verhalten auf und ist hinreichend stabil. Außerdem ist ein solcher PI-Regler für diese Anwendung ausreichend schnell.

Der Operationsverstärker 8 kann mit einer separaten Span nungsquelle versorgt werden, die beispielsweise +5 V liefert. Ebenso kann er auch direkt von der Referenzspannungsquelle 5 gespeist werden, die bei dem Ausführungsbeispiel die Refe renzspannung U_R = +5 V liefert.

Wenn der Operationsverstärker 8 mit +5 V versorgt wird, dann kann seine Ausgangsspannung maximal +5 V betragen. Und wenn die Speisespannungsquelle die Fahrzeugbatterie mit der Spei sespannung U_B = +12 V ist (bei Load-Dump bis ca. +40 V), die von dem Transistor T1 in die Ausgangsspannung U_A = +5 V umge setzt wird, so kann der Transistor T1 nur dann vernünftig an gesteuert werden, wenn seine Basisspannung zwischen +12 V (oder höher) und 0 V liegt. Da aber integrierte Operationsver stärker mit einem solchen Arbeitsbereich nicht handelsüblich sind, muß zwischen den Operationsverstärker 8 und die Basis von T1 eine Pegelanpaßstufe mit einem Widerstand R5 und einem Transistor T3 eingefügt werden, die den Ausgangspegel des Operationsverstärkers 8 entsprechend anhebt.

Die Pegelanpaßstufe weist einen npn-Transistor T3 auf, dessen Emitter über einen Widerstand R6 mit dem Ausgang des Operati onsverstärkers 8 verbunden ist, dessen Kollektor mit der Ba sis des Längstransistors T1 verbunden ist, und dessen Basis über einen Widerstand R5 mit der Referenzspannungsquelle 5 verbunden ist.

Der Transistor T3, dessen Basis über den Widerstand R5 an der Referenzspannung U_R liegt, senkt die erforderliche Mindest- Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 8 auf (U_R - 0,7) V. Die Spannungsdifferenz zwischen der Basis des Transistors T3 und dem Ausgang des Operationsverstärkers 8 fällt an der Pe gelanpaßstufe ab. Operationsverstärker mit solchen Anforde rungen sind Standardbausteine, die in großer Vielfalt am Markt erhältlich sind.

Die Regelung der Ausgangsspannung U_A erfolgt somit nicht di rekt über die Variation der Basisspannung von T1 durch die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 8, sondern viel mehr durch die Regelung des durch T3 fließenden Stromes, der wiederum die Basisspannung von T1 beeinflußt.

Der zwischen dem Pegelanpaß-Transistor T3 und dem Operations verstärker 8 eingefügte Widerstand R6 dient als Basisstrombe grenzung für den Transistor T1 und auch als Strombegrenzung für den Transistor T2, für den Fall, daß ein Kurzschluß gegen Masse an der Last 3 auftritt.

Ein Kondensator C2 am Ausgang der Schaltung stabilisiert die Ausgangsspannung U_A; er hat allerdings keinen Einfluß auf den Regelkreis.

Mit der beschriebenen Schaltungsanordnung kann eine Differenz zwischen der Ausgangsspannung U_A und der Referenzspannung U_R kleiner als 1 mV erzielt werden. Ein Lastwechsel hat nur einen geringen dynamischen Einfluß auf die Höhe der Ausgangsspan nung U_A. Schwankungen der Speisespannung U_B wirken sich nicht aus, da die Ausgangsspannung U_A nur in Abhängigkeit der Refe renzspannung U_R geregelt wird und das Sensorsignal nur in Ab hängigkeit der Referenzspannung U_R bewertet wird.

Damit kann diese Schaltungsanordnung vorzüglich für ein soge nanntes ratiometrisches Meßverfahren verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung hat den Vorteil, daß die Spannungsfestigkeit durch die Transistoren T1, T2 und T3 bestimmt ist, und nicht durch die Spannungsfestigkeit des Operationsverstärkers 8. Somit ist die Verwendung eines han delsüblichen Operationsverstärkers 8 möglich.

Die Ausgangsspannung U_A steht - bedingt durch die Spannungs festigkeit - auch bei einem Load Dump uneingeschränkt an der Last 3 zur Verfügung. Ebenso ist die Schaltungsanordnung auch bei einem Dauerkurzschluß der Last 3 gegen Masse oder gegen eine Überspannung geschützt.

Durch den diskreten Transistor T1 steht der Last 3 eine hohe Ausgangsleistung zur Verfügung. Der Ausgangsstrom kann dabei durch den Widerstand R1 variabel begrenzt werden.

Die Referenzspannung U_R kann auf bekannte Weise aus der Spei sespannung U_B erzeugt werden; mit der beschriebenen Schal tungsanordnung ist die Ausgangsspannung U_A rückwirkungsfrei bezüglich der Referenzspannung U_R.

Claims

1. Schaltungsanordnung zum Regeln einer Spannung (U_A) an ei ner Last (3),
mit einer einen Längstransistor (T1) aufweisenden Gleich stromregelstrecke (1), welche in Abhängigkeit der Differenz zwischen der Spannung (U_A) an der Last und einer Referenz spannung (U_R) geregelt wird, an deren erstem Eingang eine Speisespannungsquelle (2) angeschlossen ist und mit deren Ausgang die Last (3) verbunden ist,
mit einem Operationsverstärker (8), dessen einer Eingang mit dem Ausgang der Gleichstromregelstrecke (1) und dessen ande rer Eingang sowie dessen Versorgungsanschlüsse mit einer Re ferenzspannungsquelle (5) verbunden sind und dessen Ausgang mit einem zweiten Eingang der Gleichstromregelstrecke (1) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Gleichstromregelstrecke (1) als Low-Drop-Regler aus gebildet ist,die bei Regelung positiver Spannungen (U_A) einen pnp-Transistor (T1) aufweist,
daß der Operationsverstärker (8) als PI-Regler ausgebildet ist, und
daß zwischen den Ausgang des Operationsverstärkers (8) und den zweiten Eingang der Gleichstromregelstrecke (1) eine Pe gelanpaßstufe (T3, R5) geschaltet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromregelstrecke (1) einen Strombegrenzer auf weist, der einen Widerstand (R1) zwischen Speisespan nungsquelle (2) und dem Emitter des Längstransistors (T1) so wie einen pnp-Transistor (T2) umfaßt, dessen Emitter mit der Speisespannungsquelle (2), dessen Basis mit dem Emitter des Längstransistors (T1) und dessen Kollektor mit der Basis des Längstransistors (T1) verbunden ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pegelanpaßstufe einen npn-Transistor (T3) aufweist, dessen Emitter über einen Widerstand (R6) mit dem Ausgang des Operationsverstärkers (8) verbunden ist, dessen Kollektor über den zweiten Eingang der Gleichstromregelstrecke mit der Basis des Längstransistors (T1) verbunden ist, und dessen Basis über einen Widerstand (R5) mit der Referenzspannungs quelle (5) verbunden ist.