EP0943974B1

EP0943974B1 - Spannungsregelschaltung

Info

Publication number: EP0943974B1
Application number: EP98105108A
Authority: EP
Inventors: Jürgen Meier; Hans-Jörg Florenz; Armin Wernet
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1998-03-20
Filing date: 1998-03-20
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2018-03-20
Also published as: US6094040A; HUP9900687A2; DE59813694D1; EP0943974A1; CA2264437C; HU9900687D0; HUP9900687A3; HU225080B1; CA2264437A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spannungsregelschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine solche Spannungsregelschaltung ist aus dem Artikel "Linearregler" in Radio Fernsehen Elektronik, Band 45, Nr. 12, Dezember 1996, Seite 70, XP 000682249 bekannt. Dort ist ein Linearregler offenbart, der für Eingangsspannungen von 3,3 Volt und Ausgangsspannungen von 2,9 Volt und Lastströme von max. 2 Ampere bemessen ist.
Aus der US-A-4 754 388 ist eine Spannungsregelschaltung bekannt, die für Eingangsspannungen verschiedener Höhe geeignet ist.
Diese Spannungsregelschaltung enthält im Längszweig vor dem eigentlichen Serienregler eine Transistorschaltung, die als Schalter wirkt und den zum Serienregler fließenden Strom unterbricht, sobald die Eingangsspannung einen vorbestimmten Wert überschreitet. Das Abschalten des Stroms kann zu hohen Strom- und Spannungsspitzen in der Schaltung führen, die dazu führt, daß in der Schaltung Bauelemente verwendet werden müssen, die diesen hohen Strom- und Spannungsspitzen widerstehen können
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spannungsregelschaltung der eingangs angegebenen Art zu schaffen, bei der an die Bauelemente, insbesondere die ausgangsseitig verwendeten Bauelemente keine hohen Anforderungen hinsichtlich der Strom- und Spannungsfestigkeit gestellt werden müssen und die dennoch für Eingangsspannungen verschiedener Höhe geeignet ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Spannungsregelschaltung gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 gekennzeichnet. In der erfindungsgemäßen Spannungsregelschaltung wird der Feldeffekttransistor des Serienreglers durch eine Spannung an seinem Steueranschluß zur Erzielung der gewünschten Regelfunktion gesteuert, was zur Folge hat, daß harte Schaltvorgänge des den Transistor durchfließenden Stroms vermieden werden. Der Feldeffekttransistor verhält sich vielmehr wie ein Element mit steuerbarer Impedanz, das mit Hilfe der Steuerspannungen aus den Schwellenwertschaltungen so zwischen dem niederohmigen Zustand und dem hochohmigen Zustand umgeschaltet werden kann, daß steile Schaltflanken und damit hohe Strom- und Spannungsspitzen vermieden werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Spannungsregelschaltung und
Figur 2a und 2b Diagramme, die den Verlauf der Spannung am Punkt A bzw. den Verlauf des Stroms am Punkt B veranschaulichen.

Die in Figur 1 dargestellte Spannungsregelschaltung dient dazu, aus einer Eingangsspannung, die zwischen die Eingangsklemmen 10, 12 angelegt wird, eine geregelte Gleichspannung an den Ausgangsklemmen 14, 16 zu erzeugen. Bei der Eingangsspannung kann es sich dabei um eine Gleichspannung oder auch um eine Wechselspannung handeln. Die Schaltung soll so ausgelegt sein, daß die Eingangsspannung eine Gleichspannung zwischen 20V und 55V oder eine Wechselspannung zwischen 20V und 253V ist. Die konstante Ausgangsgleichspannung soll 11V betragen. Für den Fall, daß die Eingangsspannung eine Wechselspannung ist, wird sie zunächst von einem Brückengleichrichter 18 gleichgerichtet.
Der Kern der Regelschaltung ist ein herkömmlicher Serienregler aus einem Transistor 20, hier einem Feldeffekttransistor, einer Zenerdiode 22 und einem Widerstand 24. Ein solcher Serienregler erzeugt bekanntlich an seinem Ausgang eine konstante Ausgangsgleichspannung, die bis auf den Spannungsabfall am Transistor 20 der Zenerspannung der Zenerdiode 22 entspricht. Die Eingangsspannung dieses Serienreglers muß dabei natürlich immer größer als die gewünschte geregelte Ausgangsgleichspannung sein.
Da die Schaltung von Figur 1 mit einer Eingangswechselspannung von bis zu 253V beaufschlagt werden soll, muß für eine Begrenzung der in der Schaltung auftretenden Verlustleistung gesorgt werden. Eine Strombegrenzung durch den Transistor 20 tritt ein, sobald die Regelwirkung des Längsreglers einsetzt, dessen Hauptbauelement der Transistor 20 ist. Das Einsetzen der Längsregelung beginnt dann, wenn die Ausgangsspannung des Gleichrichters 18 die Zenerspannung der Zenerdiode 22 überschreitet. Da die Spannung am Ausgang des Gleichrichters 18 aber weiter ansteigt, würde dementsprechend auch die Verlustleistung im Feldeffekttransistor 20 ansteigen. Dies wird durch eine erste Schwellenwertschaltung verhindert, die, wie unten noch genauer erläutert wird, den durch den Feldeffekttransistor 20 fließenden Strom unterbricht, sobald ein vorbestimmter Wert der Ausgangsspannung des Gleichrichters 18 erreicht wird. Aufgrund dieser Unterbrechung des Stroms durch den Transistor 20 kann das unerwünschte Ansteigen der Verlustleistung in diesem Transistor wirksam verhindert werden. Die erste Schwellenwertschaltung besteht aus einem Spannungsteiler mit den Widerständen 26 und 28, einem Feldeffekttransistor 30 und einer Zenerdiode 32. Der Steueranschluß 21 des Feldeffekttransistors 30 ist mit dem Verbindungspunkt 34 der beiden Widerstände 26 und 28 verbunden, sein Drain-Anschluß ist mit dem Steueranschluß 21 des Feldeffekttransistors 20 verbunden, und sein Source-Anschluß ist mit der Katode der Zenerdiode 32 verbunden, deren Anode an Masse liegt.
In der Schaltung von Figur 1 ist ein weiterer Schwellenwertschalter enthalten, der aus der Serienschaltung aus einem Widerstand 36, einer Zenerdiode 38 und einem weiteren Widerstand 40 sowie einem NPN-Transistor 42 besteht. Die Serienschaltung aus dem Widerstand 36, der Zenerdiode 38 und dem Widerstand 40 liegt zwischen der Ausgangsklemme 16 und Masse. Der Kollektor des Transistors 42 ist mit dem Steueranschluß 21 des Feldeffekttransistors 20 verbunden, während sein Emitter an Masse liegt. Der Basisanschluß des Transistors 42 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen der Anode der Zenerdiode 38 und dem Widerstand 40 verbunden. Zwischen dem Transistor 20 und der Ausgangsklemme 16 liegt ein weiterer Widerstand 44. Ferner liegt zwischen den Ausgangsklemmen 14 und 16 ein Ladekondensator 46.
Es wird nun angenommen, daß an die in Figur 1 dargestellte Spannungsregelschaltung die Netzspannung von 220V angelegt wird. Diese Spannung wird im Brückengleichrichter 18 gleichgerichtet, so daß zwischen der Masseleitung und der mit A bezeichneten Leitung eine gleichgerichtete Spannung mit dem in Figur 2a dargestellten Verlauf entsteht. An dem in Figur 2b angegebenen Zeitpunkt t₀ beginnt mit dem Ansteigen der Spannung durch den Transistor 20 ein Strom zu fließen, der mit dem Ansteigen der Spannung ebenfalls ansteigt. Sobald die Spannung einen Wert erreicht, der größer als der Wert der Zenerspannung der Zenerdiode 22 ist, setzt die Regelwirkung des Serienreglers ein, so daß die Spannung am Punkt B auf diesen Spannungswert begrenzt wird. Gleichzeitig tritt durch die Regelwirkung auch eine Begrenzung des durch den Transistor 20 fließenden Stroms ein. Um zu verhindern, daß mit dem weiteren Ansteigen der Ausgangsspannung des Gleichrichters 18 die Verlustleistung am Transistor 20 weiter ansteigt, setzt die Wirkung des oben genannten ersten Schwellenwertschalters bei Erreichen eines vorbestimmten Werts der gleichgerichteten Wechselspannung ein. Sobald die Spannung am Abgriff 34 des Spannungsteilers aus den Widerständen 26 und 28 einen vorgegebenen Spannungswert erreicht, geht der Feldeffekttransistor 30 in den leitenden Zustand über, so daß die Spannung am Steueranschluß 21 des Transistors 20 sinkt, bis dieser Transistor in den gesperrten Zustand übergeht. Oben wurde erwähnt, daß die Schaltung so ausgelegt sein soll, daß sie auch bei Eingangsgleichsspannungen bis zu 55V am Ausgang die gewünschte geregelte Gleichspannung von 11V abgibt. Aus diesem Grund darf der erste Schwellenwertschalter natürlich erst dann den Übergang des Transistors 20 in den gesperrten Zustand einleiten, wenn die Ausgangsspannung des Gleichrichters 18 den Spannungswert 55V überschreitet. Ein früheres Einsetzen des ersten Schwellenwertschalters würde den gewünschten Bereich der Eingangsgleichspannung reduzieren.
In Figur 2b ist zu erkennen, wie der Strom durch den Einsatz der Regelwirkung des Serienreglers ab dem Zeitpunkt t₁ begrenzt wird, obgleich die Eingangsspannung immer noch ansteigt. Gleichzeitig ist zu erkennen, daß ab dem Einsatzzeitpunkt t₂ des ersten Schwellenwertschalters der Strom durch den Feldeffekttransistor 20 auf den Wert Null absinkt.
Der durch den Transistor 20 fließende Strom lädt über den Widerstand 44 den Kondensator 46 auf. Sobald die Spannung am Kondensator 46 aufgrund einer ungenügenden Regelwirkung des Serienreglers den gewünschten Ausgangsspannungswert überschreitet, der durch die Dimensionierung der Zenerdiode 38 und der Widerstände 36 und 40 festgelegt werden kann, ergibt sich am Schaltungspunkt 48, also am Basisanschluß des Transistors 42 ein Spannungswert, der diesen Transistor 42 in den leitenden Zustand versetzt. Dies hat zur Folge, daß der Steueranschluß 21 des Transistors 20 praktisch an Masse gelegt wird, so daß dieser Transistor 20 in den gesperrten Zustand übergeht. Dieser Zustand hält so lange an, wie am Ladekondensator 46 eine Spannung anliegt, die höher als die gewünschte Ausgangsspannung an den Klemmen 14, 16 ist.
Es ist somit zu erkennen, daß die Schaltung von Figur 1 zusätzlich zur Regelwirkung durch den Serienregler 20, 22, 24 auch die Ladespannung am Kondensator 46 auf einen konstanten Wert geregelt wird, indem der zweite Schwellenwertschalter 36, 38, 40, 42 immer dann wirksam wird und den dem Kondensator 46 zugeführten Strom unterbricht, wenn die Ladespannung an diesen Kondensator und damit die gewünschte geregelte Ausgangsgleichspannung über den Sollwert ansteigt.
Für den Fachmann ist erkennbar, daß die Schwellenwertschalter, die jeweils auf den Steueranschluß 21 des Transistors 20 einwirken, nur zur Einwirkung kommen, wenn die Spannungsregelschaltung mit einer Wechselspannung gespeist wird. Beim Anlegen einer Gleichspannung innerhalb des festgelegten Bereichs der Eingangsgleichspannungen darf nämlich der Strom durch den Transistor 20 nicht vollständig unterbrochen werden, da sonst keine kontinuierliche Ausgangsspannung zwischen den Klemmen 14 und 16 mehr erzeugt werden könnte.
Wie oben bereits erwähnt wurde, soll die Spannungsregelschaltung Eingangsgleichspannungen von 20V bis 55V und einer Eingangswechselspannung bis zu 253V verarbeiten können. Die Ausgangsspannung zwischen den Klemmen 14 und 16 soll dabei auf einem konstanten Wert von 11V gehalten werden. In diesem Fall hat die Zenerdiode 22 einen Zenerspannungswert von 16V, die Zenerdiode 32 einen Zenerspannungswert von 5,6V und die Zenerdiode 38 einen Zenerspannungswert von 10V.

Claims

Spannungsregelschaltung zum Erzeugen einer geregelten Ausgangsgleichspannung aus einer Eingangsspannung, welche Spannungsregelschaltung einen Serienregler mit einem über einen Steueranschluß (21) steuerbaren Transistor (20) umfaßt, der in einem leitenden Zustand von einem von der Eingangsspannung getriebenen Strom durchflossen ist, wobei mittels des durch den Transistor (20) im leitenden Zustand fließenden Stromes ein Ladekondensator (46) aufgeladen und mittels der Ladespannung des Ladekondensators (46) die geregelte Ausgangsspannung gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Steueranschluß (21) des Transistors (20) eine an der Eingangsspannung liegende erste Schwellenwertschaltung (26, 28, 30, 32) verbunden ist, die an diesen Steueranschluß (21) eine den Transistor (20) sperrende Spannung anlegt, sobald die Eingangsspannung über einen vorgegebenen Schwellenwert steigt, und daß mit dem Steueranschluß (21) des Transistors (20) eine an der Ausgangsgleichspannung liegende zweite Schwellenwertschaltung (36, 38, 40, 42) verbunden ist, die an diesen Steueranschluß (21) eine sperrende Spannung anlegt, sobald die Ausgangsgleichspannung über einen vorgegebenen Sollwert ansteigt.
Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (20) des Serienreglers ein Feldeffekttransistor ist.
Spannungsregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannung eine ungeregelte Gleichspannung ist.
Spannungsregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannung eine ungeregelte Wechselspannung ist, die mittels eines eingangs des Serienreglers vorgesehenen Gleichrichters (18) gleichgerichtet wird
Spannungsregelschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schwellenwertschaltung einen zwischen der positiven Ausgangsklemme des Gleichrichters (18) und der die Masse bildenden negativen Ausgangsklemme des Gleichrichters (18) liegenden Spannungsteiler aus zwei in Serie geschalteten Widerständen (26, 28) enthält, dessen Abgriff (34) mit dem Steueranschluß eines Feldeffekttransistors (30) verbunden ist, wobei der Drain-Anschluß dieses Feldeffekttransistors (30) mit dem Steueranschluß des Transistors (20) des Serienreglers verbunden ist, während sein Source-Anschluß mit der Katode einer Zenerdiode (32) verbunden ist, deren Anode an Masse liegt.
Spannungsregelschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schwellenwertschaltung einen an der geregelten Ausgangsgleichspannung liegenden Spannungsteiler mit einer Serienschaltung aus einem Widerstand (36), eine Zenerdiode (38) und einen weiteren Widerstand (40) sowie einen bipolaren npn-Transistor (42) enthält, dessen Basisanschluß am Verbindungspunkt (48) zwischen der Anode der Zenerdiode (38) und dem weiteren Widerstand (40) angeschlossen ist und dessen Kollektor-Emitter-Strecke zwischen dem Steueranschluß des Transistors (20) des Serienreglers und Masse liegt.