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Die
Erfindung betrifft allgemein eine Spannungsüberwachungsschaltung und insbesondere eine
Schaltung zur Überwachung
der Versorgungsspannung von batteriegespeisten Mikroprozessoren.
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Bei
digitalen Systemen wie Mikrocomputern und Mikroprozessoren ist es
wichtig, dass sie nur dann in einen aktiven Zustand versetzt werden,
wenn ihre Versorgungsspannung sich auf ihrem Sollwert befindet.
Ein Absinken oder Zusammenbrechen der Versorgungsspannung kann zu
einem fehlerhaften Arbeiten dieser Systeme führen. Daher enthalten sie in
der Regel eine Schaltung, die den Wert der Versorgungsspannung überwacht.
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Eine
immer wichtigere Rolle spielen in jüngerer Zeit tragbare Systeme,
die von einer Batterie gespeist werden. Bei diesen Geräten überwachen
die Spannungsüberwachungsschaltungen
die Versorgungsspannung der Mikroprozessoren.
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Ein
Beispiel für
eine solche bisher verwendete Spannungsüberwachungsschaltung findet
sich in einer von der Firma Texas Instruments herausgegebenen technischen
Information vom 28. 4. 1995 mit dem Titel "TLC77XX Series of BiCMOS SUPPLY VOLTAGE
SUPERVISORS" auf
den Seiten 9ff.
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Bei
dieser Schaltung wird ein Komparator eingesetzt, der an einem Referenzeingang
als Sollspannung eine Spannung von einer Referenzspannungsquelle
empfängt.
Die Referenzspannungsquelle, die hier eine Bandabstands-Referenz
umfasst, wird zur Erzeugung der Referenzspannung Vref ständig mit
Strom versorgt. Die zu überwachende
Spannung Vcc wird durch einen aus zwei Widerständen bestehenden ohmschen Spannungsteiler
so aufgeteilt, dass an einem der beiden Widerstände eine Spannung abfällt, deren
Wert dann, wenn sich die zu überwachende
Spannung Vcc auf ihrem vollen Pegel befindet, in etwa dem Wert der
Referenzspannung entspricht. Tatsächlich liegt sie bei vollem
Pegel der zu überwachenden
Spannung Vcc um eine gewisse Sicherheitstoleranzschwelle über der
Referenzspannung. Die am Abgriff des Spannungsteilers anliegende
Spannung wird dann als Istspannung an den Signaleingang des Komparators
angelegt. Wenn die Istspannung kleiner als die Sollspannung ist,
gibt der Komparator ein Warnsignal ab.
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Aus
der
US 5440254 ist eine
Schaltung zur Überwachung
einer Versorgungsspannung bekannt. Bei dieser wird ein ohmscher
Spannungsteiler verwendet, der über
Schalter außer
Betrieb gesetzt werden kann.
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Ein
Nachteil bei den beschriebenen Spannungsüberwachungsschaltungen liegt
darin, dass sie durch den ständigen
Betrieb der Referenzspannungsquelle und die an den Widerständen des
ohmschen Spannungsteilers auftretenden Verluste relativ viel Energie
verbraucht.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Spannungsüberwachungsschaltung
der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die die Nachteile des
eingangs beschriebenen Standes der Technik vermeidet und dennoch
zuverlässig
auf Änderungen
der Versorgungsspannung reagiert.
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In
der erfindungsgemäßen Spannungsüberwachungsschaltung
sind während
Zeitperioden, in denen an den Komparatoren die Istspannung größer als
die Sollspannung ist; die wesentlichen Stromverbraucher von der
Versorgungsspannung abgetrennt, so dass sie keine Energie verbrauchen
können.
Die Komparatoren vergleichen in diesen Zeitperioden an Kondensatoren
gespeicherte Spannungen. Damit diese Spannungen stets ein getreues
Abbild der tatsächlich
zu überwachenden
Spannung sind, erzeugt der zweite Komparator durch den absichtlich
herbeigeführten
Leckstrom durch den mit seinem Signaleingang verbundenen Kondensator
ein Steuersignal, das zur Auffrischung der an den Kondensatoren
anliegenden Soll- und Istspannungen führt.
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Es
entsteht daher eine Spannungsüberwachungsschaltung
mit geringem Energieverbrauch, die zuverlässig auf Änderungen der Versorgungsspannung
eines Verbrauchers, z.B. eines Mikroprozessors, reagiert.
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Die
Erfindung wird nun anhand einer Ausführungsform unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher
erläutert.
In der Zeichnung zeigt die einzige Figur ein Schaltbild einer Ausführungsform
der Spannungsüberwachungsschaltung
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Die
in der Zeichnung dargestellte Spannungsüberwachung enthält einen
ersten Komparator 10, der einen Signaleingang 12 und
einen Referenzeingang 14 aufweist. Der Ausgang 16 des
Komparators 10 ist mit der Ausgangsklemme 18 verbunden. Wie
zu erkennen ist, ist der Signaleingang 12 des Komparators 10 mit
dem Abgriff 20 eines kapazitiven Spannungsteilers aus einem
Kondensator C1 und einem damit in Serie geschalteten Kondensator
C2 verbunden, der zwischen der Versorgungsspannungsleitung 22 und
der Masseleitung 24 liegt. Parallel zu diesem kapazitiven
Spannungsteiler liegt ebenfalls zwischen der Versorgungsspannungsleitung 22 und
der Masseleitung 24 ein ohmscher Spannungsteiler aus einem
Widerstand R1 und einem damit in Serie geschalteten Widerstand R2.
Der Abgriff 26 dieses ohmschen Spannungsteilers ist über einen Schalter 28 mit
dem Abgriff 20 des kapazitiven Spannungsteilers und somit
auch mit dem Signaleingang 12 des Komparators 10 verbindbar.
Ferner ist sowohl mit dem Widerstand R1 als auch mit dem Widerstand R2
jeweils ein Schalter 30 bzw. 32 in Serie geschaltet,
so dass beim Öffnen
dieser Schalter die Widerstände
R1 und R2 von der Versorgungsspannungsleitung 22 bzw. der
Masseleitung 24 abgetrennt werden.
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Der
Referenzeingang 14 des Komparators 10 ist über einen
Schalter 34 mit dem Ausgang einer Referenzspannungsquelle 36 verbindbar.
Ferner liegt zwischen dem Referenzeingang 14 und der Masseleitung 24 ein
weiterer Kondensator C3.
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Über Versorgungseingänge 38, 40 ist
der Komparator 10 einerseits mit der Masseleitung 24 und
andererseits über
eine Stromquelle 42 mit der Versorgungsspannungsleitung 22 verbunden.
Durch Schließen
eines Schalters 44 kann eine weitere Stromquelle 46 zur
Stromquelle 42 parallelgeschaltet werden, so dass der Komparator 10 bedarfsweise
mit einem höheren
Versorgungsstrom gespeist werden kann. Der Schalter 44 wird
vom Ausgangssignal einer ODER-Schaltung 48 gesteuert, die
an einem Eingang über
einen Kondensator C4 mit der Versorgungsspannungsleitung 22 verbunden
ist, während ihrem
zweiten Eingang ein später
noch zu erläuterndes
Schaltsignal S zugeführt
werden kann.
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Die
Spannungsüberwachungsschaltung
enthält
außerdem
einen zweiten Komparator 50, dessen Signaleingang 52 über einen
Schalter 54 und eine Stromquelle 56 mit der Versorgungsspannungsleitung 22 verbindbar
ist. Außerdem
liegt zwischen dem Signaleingang 52 des Komparators 50 und
der Masseleitung 24 ein weiterer Kondensator C5. Der Referenzeingang 58 des
Komparators 50 ist mit dem Referenzeingang 14 des
Komparators 10 verbunden.
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Wie
der Komparator 10 weist auch der Komparator 50 zwei
Versorgungsanschlüsse
(60 und 62) auf, die hier mit der Masseleitung 24 bzw. über eine Stromquelle 64 mit
der Versorgungsspannungsleitung 22 in Verbindung stehen.
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Die
Referenzspannungsquelle 36 weist zwei Versorgungsanschlüsse 66 und 68 auf,
die mit der Masseleitung 24 bzw. über einen Schalter 70 mit
der Versorgungsspannungsleitung 22 in Verbindung stehen.
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An
die Versorgungsspannungsleitung 22 wird über einen
Anschluss 70 die Versorgungsspannung Vcc angelegt. Masse
wird über
einen Anschluss 72 an die Masseleitung 24 angelegt.
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Der
Ausgang 74 des Komparators 50 ist mit einem Ausgang
einer ODER-Schaltung 76 verbunden,
die einen weiteren, mit dem Ausgang 16 des Komparators 10 verbundenen
Eingang sowie einen mit einer Eingangsklemme 78 verbundenen
Eingang aufweist. Der Ausgang 80 der ODER-Schaltung 76 ist
mit den Steueranschlüssen
der Schalter 28, 30, 32, 34, 54 und 70 und
mit einem Eingang der ODER-Schaltung 48 verbunden.
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Die
bisher beschriebene Spannungsüberwachungsschaltung
arbeitet wie folgt:
Es wird angenommen, dass mit Hilfe der
beschriebenen Schaltung eine Spannung Vcc von 5 V überwacht
werden soll, die von einer Batterie über die Klemme 70 an
die Versorgungsspannungsleitung 22 angelegt wird. Wenn
die Schaltungen noch nicht in Betrieb sind, sind alle Schalter geöffnet, und
alle Kondensatoren sind entladen.
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Bei
der Inbetriebnahme der Spannungsüberwachungsschaltung
wird der Klemme 78 ein Einschaltimpuls angelegt, der zur
Folge hat, dass die ODER-Schaltung 76 an
ihrem Ausgang 80 diesen Einschaltimpuls in Form des Schaltsignals
S an die Schalter anlegt, so dass diese geschlossen werden. Dies
hat zur Folge, dass die Referenzspannungsquelle 36 ihren
Betrieb aufnimmt und über
den geschlossenen Schalter 34 sowohl dem Referenzeingang 14 des
Komparators 10 als auch dem Referenzeingang 58 des
Komparators 50 eine Referenzspannung zuführt. Wegen
des geschlossenen Zustandes der Schalter 28, 30 und 32 stellt
sich am Signaleingang 12 des Komparators 10 eine
vom Verhältnis
der Widerstände
R1 und R2 und vom Verhältnis
der Kondensatoren C1 und C2 abhängige
Spannung ein. Die Widerstände
R1 und R2 und die Kondensatoren C1 und C2 sind jeweils so dimensioniert, dass
sich an den Abgriffen der beiden Spannungsteiler jeweils die gleiche
Spannung ergibt. Dies setzt voraus, dass die Widerstände und
die Kondensatoren die angelegte Versorgungsspannung jeweils im gleichen
Verhältnis
teilen.
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Da
auch der Schalter 54 geschlossen wird, stellt sich am Signaleingang 52 des
Komparators 50 die an der Spannungsleitung 22 vorhandene
Spannung ein.
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Nach
Beendigung des Startimpulses endet auch das Schaltsignal S am Ausgang 80 der ODER-Schaltung 76,
so dass alle Schalter in der dargestellten Spannungsüberwachungsschaltung
in den geöffneten
Zustand übergehen.
Dies hat zur Folge, dass der Spannungsteiler aus den Widerständen R1 und
R2 von der Versorgungsspannung abgetrennt wird, während der
Abgriff 26 dieses Spannungsteilers vom Signaleingang 12 des
Komparators 10 abgetrennt wird. An diesem Signaleingang 12 liegt
in diesem Zustand die am Abgriff 20 des kapazitiven Spannungsteilers
aus den Kondensatoren C1 und C2 vorhandene Spannung. Wegen des Öffnens des
Schalters 34 wird die Referenzspannungsquelle 36 von den
Referenzeingängen
der beiden Komparatoren 10 und 50 abgetrennt,
so dass an diesen Re ferenzeingängen
nicht mehr die Ausgangsspannung der Referenzspannungsquelle 36,
sondern die am Kondensator C3 gespeicherte Spannung anliegt.
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Nach Öffnen der
erwähnten
Schalter vergleicht der Komparator 10 die am Abgriff 20 des
kapazitiven Spannungsteilers C1 und C2 anliegende Spannung mit der
am Referenzeingang 14 anliegenden, am Kondensator C3 gespeicherten
Spannung. Der Komparator 50 vergleicht die an seinem Referenzeingang 58 anliegende
Spannung mit der am Kondensator C5 gespeicherten Spannung.
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Sollte
die zu überwachende
Spannung Vcc nach dem Öffnen
der Schalter noch nicht ihren Sollwert erreicht haben, dann stellt
der Komparator 10 fest, dass die an seinem Signaleingang 12 anliegende
Spannung kleiner als die an seinem Referenzeingang 14 anliegende
Spannung ist. Dies hat zur Folge, dass am Ausgang 16 des
Komparators 10 ein Signal mit dem Wert "1" erscheint,
das einerseits der Ausgangsklemme 18 als Warnsignal und
andererseits der ODER-Schaltung 76 als Steuersignal zugeführt wird,
das die Abgabe des Schaltsignals S am Ausgang 80 dieser
ODER-Schaltung zur Folge hat. Das Schaltsignal S bewirkt das erneute
Schließen der
Schalter, so dass die Spannungen an den Eingängen der zwei Komparatoren 10 und 50 aufgefrischt
werden. Das Signal mit dem Wert "1" am Ausgang 16 des
Komparators 10 hält
solange an, bis der Spannungswert am Signaleingang 12 des
Komparators 10 größer als
der Spannungswert am Referenzeingang 14 ist. Sobald dies
eintritt, nimmt das Steuersignal am Ausgang 16 des Komparators 10 den Wert "0" an, so dass daraufhin das Schaltsignal
S nicht mehr am Ausgang 80 der ODER-Schaltung 76 erscheint.
Die genannten Schalter gehen dann alle in den geöffneten Zustand über.
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Der
Vergleich der am Abgriff 20 und somit am Signaleingang 12 des
Komparators anliegenden Spannung mit der Spannung an dessen Referenzeingang 14 ermöglicht eine
tatsächliche Überwachung der
Spannung an der Versorgungsspannungsleitung 22. Aufgrund
von Leckströmen ändert sich
nämlich die
Spannung am Abgriff 20, so dass sie nicht mehr in dem durch
das Verhältnis
der Kondensatoren C1 und auch der Widerstände R1 und R2 vorgegebenen Verhältnis zur
Versorgungsspannung Vcc steht.
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In
der beschriebenen Spannungsüberwachungsschaltung
sind Maßnahmen
vorgesehen, die gewährleisten,
dass die Spannung am Abgriff 20 stets so aufgefrischt wird,
dass sie im richtigen Verhältnis
zur überwachten
Versorgungsspannung Vcc steht. Sie verhält sich dadurch so, als würde sie
direkt die Spannung Vcc und nicht eine davon abgeleitete und auf
Kondensatoren gespeicherte Spannung überwachen. Das Steuersignal
zur Erzielung dieses Auffrischvorgangs wird vom Komparator 50 erzeugt.
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Der
Komparator 50 vergleicht wie der Komparator 10 die
an seinem Signaleingang 52 anliegende Spannung mit der
Spannung an seinem Referenzeingang 58, wobei diese beiden
Spannungen am Kondensator C5 bzw. am Kondensator C3 gespeichert
sind. Der Kondensator C5 ist ein Kondensator mit einem im Verhältnis zum
Kondensator C3 sehr kleinen Wert (1/10 oder auch 1/100 des Kapazitätswerts
des Kondensators C3), damit er gegenüber den anderen in der Schaltung
verwendeten Kondensatoren einen hohen Leckstrom hat. Dies hat zur
Folge, dass die an ihm gespeicherte und somit am Signaleingang 52 des
Komparators 50 anliegende Spannung aufgrund dieses hohen
Leckstroms deutlich schneller absinkt als die Spannungen an den
anderen Kondensatoren. Sobald die Istspannung am Signaleingang 52 des
Komparators 50 kleiner als die Sollspannung am Referenzeingang 58 wird,
gibt der Komparator 50 ein Steuersignal ab, das von der ODER-Schaltung 76 als
Schaltsignal S an die Schalter 28, 30, 32, 34, 54, 70 und über die
ODER-Schaltung 48 auch an den Schalter 44 angelegt
wird, was das Schließen
dieser Schalter zur Folge hat. Durch das Schließen der Schalter wird über den
ohmschen Spannungsteiler R1, R2 wieder die Sollspannung an den Signaleingang 12 des
Komparators 10 angelegt, und die Referenzspannung wird
an die Referenzeingänge 14 und 58 der
Komparatoren 10 bzw. 50 angelegt. Am Kondensator
C5 wird ferner wieder die Versorgungsspannung Vcc hergestellt.
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Bisher
wurde angenommen, dass sich die Versorgungsspannung Vcc nicht geändert hat,
sondern immer noch den Sollwert von 5 V hat. Nach dem Auffrischvorgang
liegt am Signaleingang 52 des Komparators 50 wieder
eine Spannung, die größer als
die Referenzspannung am Referenzeingang 58 ist, so dass
der Komparator 50 das Steuersignal nicht mehr abgibt. Im
beschriebenen Beispiel bedeutet dies, dass das Ausgangssignal des
Komparators 50 wieder den Signalwert "0" annimmt.
Demzufolge geht auch das Schaltsignal S wieder auf den Wert "0" zurück,
so dass die Schalter wieder in den geöffneten Zustand übergehen.
Es liegt nunmehr wieder der Zustand vor, in dem die Komparatoren
die an den Kondensatoren C1, C2, bzw. C3, C5 gespeicherten Spannungen
miteinander vergleichen. Da in diesem Zustand weder der Spannungsteiler
R1, R2 noch die Referenzspannungsquelle 36 mit der Versorgungsspannung
Vcc verbunden sind, ist die Stromaufnahme der Spannungsüberwachung
in dieser Zeitperiode drastisch reduziert. In der Praxis hat sich
nämlich gezeigt,
dass gerade eine hochgenaue Referenzspannungsquelle im Verhältnis zu
den anderen in der Schaltung enthaltenen Komponenten einen relativ hohen
Betriebsstrom benötigt,
so dass die Abschaltung der Referenzspannungsquelle zu einer deutlichen
Verringerung der Stromaufnahme führt.
Auch das Abschalten des ohmschen Spannungsteilers R1, R2 trägt zu dieser
Stromreduzierung bei.
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Es
wird nun angenommen, dass die Versorgungsspannung Vcc nach dem letztmaligen
Erzeugen des Schaltsignals S und dem daraus resultierenden Schließen der
Schalter auf einen Wert abgesunken ist, der unterhalb eines noch
tolerierbaren Toleranzwerts liegt. Dieser Wert der Versorgungsspannung
Vcc muss daher zur Abgabe des Alarmsignals am Ausgang 16 des
Komparators 10 führen.
Das Absinken der Versorgungsspannung Vcc führt dazu, dass auch am Abgriff 20 des
kapazitiven Spannungsteilers und auch am Signaleingang 12 des
Komparators 10 ein niedrigerer Spannungswert auftritt,
der angenommenerweise kleiner als der Referenzspannungswert am Referenzeingang 14 ist.
Der Komparator 10 gibt somit an seinem Ausgang 16 das
Alarmsignal mit dem Wert "1" ab, das über die
Anschlussklemme 18 dem mit der geschilderten Spannungsüberwachungsschaltung
ausgestatteten Gerät
zugeführt
werden kann, und es kann dort gewünschte Reaktionen auslösen. Beispielsweise
kann einem Benutzer über
eine Anzeigevorrichtung mitgeteilt werden, dass ein Batteriewechsel
im Gerät
vorgenommen werden muss. Das Alarmsignal könnte beispielsweise aber auch
in dem Gerät
das Abspeichern wichtiger Daten auslösen und einen in dem Gerät vorhandenen
Mikroprozessor wieder auf einen definierten Anfangszustand zurücksetzen.
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Das
oben geschilderte Verhalten gilt für den Fall einer langsamen Änderung
der zu überwachenden
Spannung Vcc. Damit die Spannungsüberwachungsschaltung mit möglichst
geringer Verzögerung auch
auf schnelle Änderungen
der Versorgungsspannung ansprechen kann, ist eine zusätzliche Stromquelle 46 vorgesehen,
die über
den Schalter 44 parallel zur Stromquelle 42 geschaltet
werden kann. Das Schließen
des Schalters wird einerseits vom Schaltsignal S während des
Normalbetriebs bewirkt. Der Komparator 10 reagiert dann,
wenn er mit einem erhöhten
Strom gespeist wird, schneller auf eine Änderung der Spannung an seinem
Signaleingang 12. Das Steuersignal zum Schließen des
Schalters 44 wird auch von der ODER-Schaltung 48 dann
abgegeben, wenn über
den Kondensator C4 ein Impuls zu dieser ODER-Schaltung 48 gelangt,
der immer dann auftritt, wenn eine sehr schnelle Änderung
der Versorgungsspannung Vcc auftritt. Diese schnelle Spannungsänderung
gelangt über
den Kondensator C1 auch an den Signaleingang 12 des Komparators 10. Für die Fälle, in
denen ein sehr schnelles Reagieren des Komparators 10 erforderlich
ist, sorgt das Parallelschalten der Stromquelle 46 zur
Stromquelle 42 für eine
Erhöhung
des Versorgungsstroms des Komparators, so dass dieser den Anforderungen
nach entsprechend reagieren kann.
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Als
Referenzspannungsquelle kann in der beschriebenen Spannungsüberwachungsschaltung vorzugsweise
eine Bandabstands-Referenz verwendet werden, die eine hochkonstante
Ausgangsspannung von 1,2 V abgibt. In einem konkreten Fall kann angenommen
werden, dass die zu überwachende Versorgungsspannung
Vcc einen Wert von 5 V hat und ein Absinken bis auf 4,85 V noch
nicht zum Ansprechen des Komparators 10 und zur Abgabe
des Alarmsignals führen
soll. Erst wenn die Spannung unter 4,85 V absinkt, soll das Alarmsignal
erzeugt werden. Wenn in diesem Beispiel für den Widerstand R1 ein Widerstand
von 3,65 kΩ und
für den
Widerstand R2 ein Widerstand von 1,2 kΩ verwendet wird, dann stellt
sich dann, wenn die Versorgungsspannung Vcc den Wert 5 V hat, am
Signaleingang 12 des Komparators 10 eine Spannung
von 1,237 V ein. Sobald die Versor gungsspannung Vcc unter 4,85 V
absinkt, wird am Signaleingang ein Spannungswert unter 1,2 V erreicht,
der kleiner als die Referenzspannung aus der Referenzspannungsquelle 36 von
1,2 V ist. Dies führt
zum Ansprechen des Komparators 10 und zur Abgabe des Alarmsignals
an dessen Ausgang. Die Kondensatoren C1 und C2 teilen, wie bereits
oben erwähnt,
die Spannung Vcc im gleichen Verhältnis wie die Widerstände R1 und
R2, wobei die Kapazitätswerte
dieser Kondensatoren je nach den Möglichkeiten und Anforderungen
gewählt
werden können.
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Die
gesamte Spannungsüberwachungsschaltung
kann in Form einer integrierten Schaltung ausgeführt werden, wobei sie mit geringem
Platzbedarf direkt auf dem Halbleiter-Chip eines Mikroprozessors
zur Überwachung
seiner Versorgungsspannung untergebracht wird.