EP1417553A1 - Schaltkreis zum erzeugen einer einstellbaren ausgangskennlinie - Google Patents

Schaltkreis zum erzeugen einer einstellbaren ausgangskennlinie

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EP1417553A1
EP1417553A1 EP03714810A EP03714810A EP1417553A1 EP 1417553 A1 EP1417553 A1 EP 1417553A1 EP 03714810 A EP03714810 A EP 03714810A EP 03714810 A EP03714810 A EP 03714810A EP 1417553 A1 EP1417553 A1 EP 1417553A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
voltage
control
section
circuit according
circuit
Prior art date
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EP03714810A
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English (en)
French (fr)
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EP1417553B1 (de
Inventor
Markus Rademacher
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Minebea Co Ltd
Original Assignee
Minebea Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Minebea Co Ltd filed Critical Minebea Co Ltd
Publication of EP1417553A1 publication Critical patent/EP1417553A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1417553B1 publication Critical patent/EP1417553B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current 
    • G05F1/46—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC
    • G05F1/613—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC using semiconductor devices in parallel with the load as final control devices

Definitions

  • the invention relates to a circuit for generating an adjustable output characteristic and in particular to a circuit for generating a variable output voltage using a constant voltage control loop.
  • Programmable or adjustable precision reference voltage generators are known in the art, such as the AS 2431 from ASTEC Semiconductor, a division of the Emerson Electric Company, Saint Louis, Missouri, USA.
  • a programmable reference voltage generator can supply an adjustable, constant output voltage largely independently of supply voltage fluctuations, such a reference voltage generator preferably having a low temperature coefficient, a precise switch-on characteristic and a low output impedance.
  • the reference voltage generator is connected to external components, in particular resistors.
  • An example of a programmable reference voltage generator is shown in FIG. 1.
  • the programmable reference voltage generator U shown in FIG. 1 is connected to a supply voltage V S U PP L Y via a series resistor Ry.
  • a bridge circuit consisting of two resistors RBI, R B 2 is connected in parallel to the reference voltage generator U.
  • the bridge circuit from the resistors R ß i, R B 2 generates a defined, adjustable by the resistors reference voltage V R EF, which is applied to a reference input of the reference voltage generator U, so that at its cathode K or output a very precise and stable, constant Output voltage Nou ⁇ is present.
  • FIG. 2 An example of a voltage characteristic curve that is required, for example, in power supplies for telecommunication devices, is shown in Fig. 2.
  • the output characteristic curve shown in FIG. 2 basically increases steadily and monotonously with an increasing control voltage V CO NT RO L; see the solid line in Fig. 2.
  • V O UT for control voltage values VC O NTRO L which are below a lower limit voltage VL I MITI or above an upper limit voltage V IMI T2, cut off and to a defined one , low output voltage value is limited. As a result, this leads to an output voltage V O U T.
  • the output characteristic should be particularly suitable for power supply units, battery charging devices and the like, and more particularly for use in telecommunication devices.
  • a circuit for generating an output characteristic curve which has a constant voltage control circuit which receives a supply voltage and generates a constant output voltage.
  • This constant voltage control loop can essentially correspond to the programmable reference voltage generator of FIG. 1.
  • the invention provides that the constant voltage control loop with a current to connect the lower section, which receives a control voltage and, depending on it, generates a control current which causes a change in the output voltage, in particular in order to bring about a monotonous steady rise or fall in the output voltage.
  • the invention further provides a limiter section connected to the current sink section, which receives a lower and an upper limit voltage and can selectively block or release the current sink section depending on this. The limiter section thus makes it possible to selectively switch the influencing of the output voltage of the constant voltage control circuit by the current sink section on and off.
  • the invention provides a structurally and circuit-technically simple solution that can be largely integrated and implemented inexpensively in order to generate a predetermined, adjustable output characteristic with high accuracy and stability.
  • the invention achieves this by using a stable, programmable reference voltage generator, which generates a fixed, constant output voltage, and adding a variable current sink in order to make the output voltage characteristic curve adjustable, and a limiter in order to be able to further influence, in particular trim, the output characteristic curve.
  • the supply voltage of the circuit according to the invention can vary widely, e.g. in the range of 20%, according to the invention an output characteristic curve with an accuracy of +/- 0.1% to 5% can be achieved, depending on the accuracy of the components used.
  • a programmable reference voltage generator is preferably used in the constant voltage control loop, the output voltage of which can be set via a voltage divider.
  • the above-mentioned AS 2431 shunt regulator from ASTEC Semiconductor or a corresponding component, for example from Alpha Semiconductor or Texas Instruments, can be used as the reference voltage generator.
  • ASTEC Semiconductor or a corresponding component, for example from Alpha Semiconductor or Texas Instruments, can be used as the reference voltage generator.
  • the invention is not restricted to a specific module.
  • the voltage divider is preferably divided into a first ohmic section with two resistors and a second ohmic section with a resistor in order to be able to influence the adjustable output characteristic in a particularly simple manner, as will be explained further below.
  • the current sink section has a resistor connected in series with one of the two resistors of the first ohmic section, so that the control current of the current sink section flows through these two series connected resistors to give the output voltage a voltage proportional to the control current to overlay. Depending on the configuration of the current sink section, this can lead to an increase or decrease in the output voltage.
  • the current sink section is preferably activated via a first switching element contained therein in order to selectively enable or disable the control current.
  • This switching element is preferably activated via the limiter section.
  • the limiter section can have a comparator that receives the lower and the upper limit voltage and the control voltage and generates a comparator output signal. This comparator output signal activates or deactivates the current sink section via the first switching element.
  • the limiter section can contain a bypass circuit, which is also released or blocked depending on the comparator output signal.
  • the limiter section is preferably designed so that it deactivates the current sink section when the control voltage is less than the lower limit voltage or greater than the upper limit voltage, and otherwise releases it. Furthermore, the limiter section can have a second switching element, which likewise receives the comparator output signal and optionally enables or blocks the bypass circuit.
  • the bypass circuit has a resistor which is connected in parallel to the one of the two resistors of the first ohmic section of the voltage divider of the constant voltage control circuit. The bypass circuit is activated when the control voltage is less than the lower limit voltage or greater than the upper limit voltage and is otherwise blocked.
  • the output characteristic of the circuit for control voltages that lie outside the interval between the lower and the upper limit voltage can be reduced to a defined, constant voltage value.
  • a corresponding modification of the limiter circuit for example by hen a series connection instead of the parallel connection of the bypass circuit, it is also possible to raise the output voltage of the circuit to a defined, constant value.
  • the invention also provides a method for generating an output characteristic curve with the following method steps: generating a constant output voltage as a function of a supply voltage and a reference voltage; Generating a control current depending on a control voltage and changing the output voltage depending on the control current; and optionally enabling or disabling the control current depending on whether the control voltage is within or outside an interval between a lower and an upper limit voltage.
  • Figure 1 is a circuit diagram of a connected programmable reference voltage generator according to the prior art.
  • Fig. 3 is a circuit diagram of a circuit for generating an output characteristic according to the invention.
  • FIG. 3 shows a preferred embodiment of a circuit for generating the output characteristic, which is shown in FIG. 2.
  • the circuit basically consists of three sections, a constant voltage control circuit 1, a current sink section 2 and a limiter section 3.
  • the constant voltage control circuit 1 is constructed similarly to the programmable reference voltage generator shown in FIG. 1.
  • the constant voltage control circuit 1 has a reference voltage generator 10, U2, which is connected to a supply voltage V S U PPL Y via a series resistor 11, R4.
  • a voltage divider 12 is connected in parallel with the reference voltage generator 10 and has a first ohmic section with two resistors 13 and 14, R1 and R2, and a second ohmic section with a resistor 15, R3.
  • the reference voltage generator 10 which is also referred to in practice as a programmable shunt regulator, generates a very precise and stable, constant output voltage V O UT at its output or cathode K, which is dependent on a reference voltage V REF at a control input C. of the reference voltage generator U2.
  • the reference voltage VR E F is set by the voltage divider 12 and in particular the ratio of the first resistive section 13, 14 to the second resistive section 15.
  • the output voltage VOUT only the constant voltage control loop 1 without consideration of the current reduction section 2 and the limiter 3, according to the following equation depends on the current I 3 flowing through the resistor 15, R3:
  • the constant voltage control circuit 1 thus generates the constant output voltage VOUT- defined above.
  • the current sink section 2 is added to the constant voltage control circuit 1.
  • the current sink section 2 comprises an operational amplifier 20, U1, the output of which is connected to the control input B of an electronic switching element 22, Q1 via a base resistor 21, R B.
  • the electronic switching element 22 can be implemented, for example, as a bipolar npn transistor or as a field effect transistor.
  • the electronic switching element 22 is connected in series with a current sink resistor 23, R4, and this series connection 22, 23 is connected in parallel with the resistors 14, 15 of the voltage divider 12 of the constant voltage control circuit 1.
  • the operational amplifier 20 receives at its one (+) input a control voltage VC O NTR OL , its other (-) Input is connected to the connection point between the electronic switch 22 and the resistor 23.
  • VOUT Ob + Ic) * Rl + 1 3 * (R2 + R3)
  • I 3 * (Rl + R2 +. R3) is constant and Ic is variable depending on the control voltage V CO NTROL.
  • the accuracy with which the output characteristic V O U T can be set corresponds to the accuracy of the control voltage V CONT R OL -
  • the operational amplifier 20 and the base resistor 21 serve in particular to decouple the control voltage V CO NTR OL , where the person skilled in the art can design suitable other embodiments for the wiring of the current sink.
  • the limiter section 3 is added to the constant voltage control circuit 1 and the current sink section 2.
  • the limiter section 3 comprises two operational amplifiers 30 U3, and 31, U4, which operate as comparators, and a further electronic switching element 32, Q2, a bypass resistor 33, R5, and a diode 34, Dl.
  • the two operational amplifiers 30, 31 receive a lower limit voltage VLIM I T I or an upper limit voltage VLIM IT2 at its negative (-) or positive (+) input and the control voltage V CO N T R O L at its other (+ / -) input.
  • the output of both operational amplifiers 30, 31 is led to a control input B of the electronic switch 32.
  • the electronic switch 32 can be configured, for example, as a bipolar transistor, in particular as a pnp transistor, or as a field effect transistor or the like.
  • the electronic switch 32 forms, together with the bypass resistor 33, a bypass circuit which is connected in parallel with the resistor 13 of the voltage divider 12 of the constant voltage control circuit 1.
  • the diode 34 as shown in Fig. 3, connects the control inputs B of the first and second electronic switching elements 22, 32 and causes the first electronic switching element 22 of the current sink section 2 to be blocked when the second electronic switching element 32 of the limiter section is activated ,
  • the limiter section 3 works as follows:
  • control voltage V C ON T R OL lies in the interval between the lower and the upper limit voltage VLIMITI, V IMIT2,
  • the current sink section 2 is blocked or deactivated via the diode 34 and the first electronic switch 22, so that no more current (Ic) flows through the electronic switch 22 and the current sink resistor 23.
  • a constant, low current level Nou ⁇ is thus present at the output of the circuit, as shown by the dashed line in FIG. 2.
  • NCONTROL> NLIMIT2- In this case, a negative voltage difference arises at the input of the operational amplifier 31, U4, which leads to the output of the operational amplifier 31 becoming low-resistance and going to a low voltage level (0). Also by the electronic switch 32 is conductive, so that the bypass resistor 33 and unlocked 'of Stromsenkenab- section 1 via the diode 34 is blocked, as described above.
  • the inventive design of the limiter circuit 2 allows an output voltage characteristic of the overall circuit to be set which jumps to certain voltage values at certain limit values, the voltage values being obtained by connecting the resistors 13 and 33, Rl and R5 in parallel, on the one hand and by the resistors 13 and 23, Rl and R4 are determined on the other hand.
  • the dashed line in FIG. 2 shows the complete output characteristic curve during operation of all three sections 1, 2, 3 of the circuit according to the invention. Such a characteristic is typical of battery chargers, e.g. in telecom applications.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schaltkreis zum Erzeugen einer Ausgangskennlinie, mit einem Konstantspannungsregelkreis, der eine Versorgungsspannung empfängt und eine konstante Ausgangsspannung erzeugt, einem Stromsenkenabschnitt, der eine Steuerspannung empfängt und abhängig davon einen Steuerstrom erzeugt, der eine Veränderung der Ausgangsspannung bewirkt, und einem Begrenzerabschnitt, der eine untere und eine obere Grenzspannung empfängt und den Stromsenkenabschnitt wahlweise sperrt oder freigibt. Die Erfindung betrifft auch ein entsprechendes Verfahren zum Erzeugen einer Ausgangskennlinie.

Description

Minebea Co., Ltd., a Japanese Corporation
Schaltkreis zum Erzeugen einer einstellbaren Ausgangskennlinie
Die Erfindung betrifft einen Schaltkreis zum Erzeugen einer einstellbaren Ausgangskennlinie und insbesondere einen Schaltkreis zum Erzeugen einer variablen Ausgangsspannung unter Verwendung eines Konstantspannungsregelkreises.
Im Stand der Technik sind programmierbare oder einstellbare Präzisions- Referenzspannungserzeuger bekannt, wie der AS 2431 von ASTEC Semiconductor, eine Abteilung der Emerson Electric Company, Saint Louis, Missouri, USA. Ein programmierbarer Referenzspannungserzeuger kann weitgehend unabhängig von Nersorgungsspannungs- schwankungen, eine einstellbare, konstante Ausgangsspannung liefern, wobei ein solcher Referenzspannungserzeuger vorzugsweise einen niedrigen Temperaturkoeffizient, eine präzise Einschaltcharakteristik und eine niedrige Ausgangsimpedanz hat. Zur Erreichung der gewünschten Eingangsspannung wird der Referenzspannungserzeuger mit externen Kompo- nenten, insbesondere Widerständen beschaltet. Ein Beispiel eines programmierbaren Referenzspannungserzeugers ist in Fig. 1 gezeigt.
Der in Fig. 1 gezeigte programmierbare Referenzspannungserzeuger U ist über einen Vorwiderstand Ry mit einer Nersorgungsspannung VSUPPLY verbunden. Zu dem Referenzspannungserzeuger U ist eine Brückenschaltung aus zwei Widerständen RBI, RB2 parallel geschal- tet. Die Brückenschaltung aus den Widerständen Rßi, RB2 erzeugt eine definierte, durch die Widerstände einstellbare Referenzspannung VREF, die an einen Referenzeingang des Referenzspannungserzeugers U angelegt wird, so daß an dessen Kathode K oder Ausgang eine sehr präzise und stabile, konstante Ausgangsspannung Nouτ anliegt.
Während für viele Anwendungen eine stabile, konstante Ausgangsspannung gewünscht wird, gibt es andere Anwendungen, welche programmierbare oder einstellbare, ansteigende oder abfallende Spannungskennlinien benötigen. Ein Beispiel einer Spannungskennlinie, die beispielsweise in Leistungsversorgungen für Telekommunikationseinrichtungen benötigt wird, ist in Fig. 2 gezeigt. Die in Fig. 2 gezeigte Ausgangskennlinie steigt mit einer zunehmenden Steuerspannung VCONTROL grundsätzlich stetig und monoton an; siehe die durchgezogene Linie in Fig. 2. Zusätzlich kann vorgesehen sein, daß die Ausgangskennlinie VOUT ür Steuerspannungswerte VCONTROL, die unterhalb einer unteren Grenzspannung VLIMITI oder oberhalb einer oberen Grenzspannung V IMIT2 liegen, abgeschnitten und auf einen definierten, niedrigen Ausgangsspannungswert begrenzt wird. Im Ergebnis führt dies zu einer Ausgangsspannung VOUT. die bis zu der unteren Grenzspannung VLIMITI einen konstanten, niedrigen Wert hat, bei Überschreitung von VLIMITI auf einen definierten, höheren Wert ansteigt, zwischen der unteren und der oberen Grenzspannung VLIMITI bzw. VLIMΓΠ stetig monoton ansteigt und dann, wenn die Steuerspannung VCONTROL die obere Grenzspannung VLIMIT2 überschreitet, wieder auf einen konstanten, niedrigen Wert abfällt, der gleich oder anders sein kann als der konstante niedrige Ausgangsspannungswert beim Einschalten der Steuerspannung VCONTROL- Eine solche Kennlinie kann beispielsweise in Netzteilen zum Laden von Batterien, insbesondere in Telekommunikationssystemen, verwendet werden. Es sei darauf hingewiesen, daß die Kennlinie in Fig. 2 lediglich ein Beispiel für eine einstellbare Ausgangsspannungskennlinie ist und daß es zahlreiche Anwendungen für verschiedene einstellbare Ausgangsspannungskennlinien in allen Gebieten der Elektroindustrie gibt.
Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen einer einstellbaren und sehr präzisen Ausgangskennlinie, ausgehend von einem Konstant- spannungserzeuger anzugeben. Die Ausgangskennlinie soll insbesondere geeignet sein für Netzteile, Batterieladeeinrichtungen und dergleichen und noch spezieller für die Anwendung in Telekommunikationseirrrichtungen.
Die oben genannte Aufgabe wird durch einen Schaltkreis mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 14 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Schaltkreis zum Erzeugen einer Ausgangskennlinie vorgesehen, der einen Konstantspannungsregelkreis aufweist, welcher eine Versorgungsspannung empfängt und eine konstante Ausgangsspannung erzeugt. Dieser Konstantspannungsregelkreis kann im wesentlichen dem programmierbaren Referenzspannungserzeuger der Fig. 1 entsprechen. Zusätzlich sieht die Erfindung vor, den Konstantspannungsregelkreis mit einem Strom- senkenabschnitt zu verbinden, der eine Steuerspannung empfängt und abhängig davon einen Steuerstrom erzeugt, welcher eine Veränderung der Ausgangsspannung bewirkt, insbesondere um einen monotonen stetigen Anstieg oder Abfall der Ausgangsspannung zu bewirken. Die Erfindung sieht ferner einen mit dem Stromsenkenabschnitt verbundenen Begrenzerabschnitt vor, der eine untere und eine obere Grenzspannung empfängt und den Stromsenkenabschnitt abhängig hiervon wahlweise sperren oder freigeben kann. Der Begrenzerabschnitt macht es somit möglich, die Beeinflussung der Ausgangsspannung des Konstantspannungsregelkreises durch den Stromsenkenabschnitt wahlweise ein- und auszuschalten.
Die Erfindung ergibt eine konstruktiv und schaltungstechnisch einfache Lösung an, die weit- gehend integrierbar und kostengünstig realisierbar ist, um eine vorgegebene, einstellbare Ausgangskennlinie mit hoher Genauigkeit und Stabilität zu erzeugen. Die Erfindung erreicht dies durch Verwendung eines stabilen, programmierbaren Referenzspannungserzeuger, welcher eine feste, konstante Ausgangsspannung erzeugt, und Hinzufügen einer variablen Stromsenke, um die Ausgangsspannungskennlinie einstellbar zu gestalten, sowie eines Begrenzers, um eine weitere Beeinflussung, insbesondere Beschneidung der Ausgangskennlinie realisieren zu können. Während die Versorgungsspannung des erfindungsgemäßen Schaltkreises starke Schwankungen aufweisen kann, z.B. im Bereich von 20 %, kann erfindungsgemäß eine Ausgangskennlinie mit einer Genauigkeit von +/- 0,1 % bis 5 % erreicht werden, abhängig von der Genauigkeit der verwendeten Komponenten.
Erfindungsgemäß wird in dem Konstantspannungsregelkreis bevorzugt ein programmierbarer Bezugsspannungserzeuger verwendet, dessen Ausgangsspannung über einen Spannungsteiler einstellbar ist. Als Bezugsspannungserzeuger kann beispielsweise der obengenannte Shunt- Regler AS 2431 von ASTEC Semiconductor oder ein entsprechendes Bauteil beispielsweise von Alpha Semiconductor oder Texas Instruments verwendet werden. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf einen bestimmten Baustein beschränkt.
In dem erfindungsgemäßen Konstantspannungsregelkreis ist der Spannungsteiler vorzugsweise in einen ersten ohmschen Abschnitt mit zwei Widerständen und einen zweiten ohmschen Abschnitt mit einem Widerstand aufgeteilt, um die einstellbare Ausgangskennlinie besonders einfach beeinflussen zu können, wie weiter unter noch erläutert ist. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Stromsenkenabschnitt einen Widerstand auf, der zu einem der zwei Widerstände des ersten ohmschen Abschnitts in Reihe geschaltet ist, so daß der Steuerstrom des Stromsenkenabschnitts durch diese beiden in Reihe geschalteten Widerstände fließt, um der Ausgangsspannung eine zu dem Steuerstrom proportionale Spannung zu überlagern. Abhängig von der Ausgestaltung des Stromsenkenabschnitts kann dies zu einer Erhöhung oder Verminderung der Ausgangsspannung führen.
Der Stromsenkenabschnitt wird vorzugsweise über ein erstes Schaltelement, das in diesem enthalten ist, aktiviert, um den Steuerstrom wahlweise freizugeben oder zu sperren. Dieses Schaltelement wird vorzugsweise über den Begrenzerabschnitt aktiviert.
Hierzu kann der Begrenzerabschnitt bei einer bevorzugten Ausführungsform einen Vergleicher aufweisen, der die untere und die obere Grenzspannung sowie die Steuerspannung empfängt und ein Vergleicher-Ausgangssignal erzeugt. Dieses Vergleicher-Ausgangssignal aktiviert oder deaktiviert den Stromsenkenabschnitt über das erste Schaltelement. Zusätzlich kann der Begrenzerabschnitt einen Bypass-Kreis enthalten, der ebenfalls abhängig von dem Ver- • gleicher- Ausgangssignal freigegeben oder gesperrt wird.
Der Begrenzerabschnitt ist vorzugsweise so gestaltet, daß er den Stromsenkenabschnitt deaktiviert, wenn die Steuerspannung kleiner als die untere Grenzspannung oder größer als die obere Grenzspannung ist, und andernfalls freigibt. Ferner kann der Begrenzerabschnitt ein zweites Schaltelement aufweisen, welches ebenfalls das Vergleicher-Ausgangssignal emp- fängt und den Bypass-Kreis wahlweise freigibt oder sperrt. Der Bypass-Kreis weist bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform einen Widerstand auf, der zu dem einen der zwei Widerstände des ersten ohmschen Abschnitts des Spannungsteilers des Konstantspannungsre- gelkreises parallel geschaltet ist. Der Bypass-Kreis wird aktiviert, wenn die Steuerspannung kleiner als die untere Grenzspannung oder größer als die obere Grenzspannung ist, und an- dernfalls gesperrt. Dadurch kann die Ausgangskennlinie des Schaltkreises für Steuerspannungen, die außerhalb des Intervalls zwischen der unteren und der oberen Grenzspannung liegen, auf einen definierten, konstanten Spannungswert gesenkt werden. Selbstverständlich ist es bei einer entsprechenden Modifikation des Begrenzerschaltkreises, beispielsweise durch Vorse- hen einer Reihenschaltung anstelle der Parallelschaltung des Bypass-Kreises, auch möglich, die Ausgangsspannung des Schaltkreises auf einen definierten, konstanten Wert anzuheben.
Die Erfindung sieht auch ein Verfahren zum Erzeugen einer Ausgangskennlinie mit folgenden Verfahrensschritten vor: Erzeugen einer konstanten Ausgangsspannung abhängig von einer Versorgungsspannung und einer Bezugsspannung; Erzeugen eines Steuerstroms abhängig von einer Steuerspannung und Verändern der Ausgangsspannung abhängig von dem Steuerstrom; und wahlweise Freigeben oder Sperren des Steuerstroms abhängig davon, ob die Steuerspannung innerhalb oder außerhalb eines Intervalls zwischen einer unteren und einer oberen Grenzspannung liegt.
Die Erfindung ist im folgenden anhand einer bevorzugten Ausführungsform mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Aus der Lektüre der folgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen wird der Fachmann ohne weiteres Erkennen, daß zahlreiche Modifikationen an dem gezeigten Schaltkreis vorgenommen werden können, insbesondere um eine andere als die in Fig. 2 gezeigte Kennlinie zu erzeugen, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. In den Figuren zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild eines beschalteten programmierbaren Referenzspannungserzeugers gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 eine Ausgangskennlinie eines Schaltkreises gemäß der Erfindung; und
Fig. 3 ein Schaltbild eines Schaltkreises zum Erzeugen einer Ausgangskennlinie gemäß der Erfindung.
Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Schaltkreises zum Erzeugen der Ausgangskennlinie, die in Fig. 2 dargestellt ist. Der Schaltkreis besteht grundsätzlich aus drei Abschnitten, einem Konstantspannungsregelkreis 1, einem Stromsenkenabschnitt 2 und einem Begrenzerabschnitt 3. Der Konstantspannungsregelkreis 1 ist ähnlich aufgebaut wie der programmierbare Referenzspannungserzeuger, der in Fig. 1 gezeigt ist. Der Konstantspannungsregelkreis 1 weist einen Bezugsspannungserzeuger 10, U2, auf, der über einen Vorwiderstand 11, R4, mit einer Versorgungsspannung VSUPPLY verbunden ist. Zu dem Bezugsspannungserzeuger 10 ist ein Span- nungsteiler 12 parallel geschaltet, der einen ersten ohmschen Abschnitt mit zwei Widerständen 13 und 14, Rl bzw. R2, und einen zweiten ohmschen Abschnitt mit einem Widerstand 15, R3, aufweist. Der Bezugspannungserzeuger 10, der in der Praxis auch als programmierbarer Shunt-Regler bezeichnet wird, erzeugt an seinem Ausgang oder Kathode K eine sehr präzise und stabile, konstante Ausgangsspannung VOUT, die abhängig ist von einer Bezugsspan- nung VREF an einem Steuereingang C des Bezugsspannungserzeugers U2. Die Bezugsspannung VREF wird eingestellt durch den Spannungsteiler 12 und insbesondere das Verhältnis des ersten ohmschen Abschnitts 13, 14 zu dem zweiten ohmschen Abschnitt 15. Die Ausgangsspannung VOUT nur des Konstantspannungsregelkreises 1, ohne Berücksichtigung des Stromsenkenabschnitts 2 und des Begrenzerabschnitts 3, ist gemäß der folgenden Gleichung abhän- gig von dem durch den Widerstand 15, R3, fließenden Strom I3:
Nouτ= l3 * (Rl + R2 + R3)
Der Konstantspannungsregelkreis 1 erzeugt somit die oben definierte konstante Ausgangsspannung VOUT-
Um ausgehend von dieser Ausgangsspannung eine einstellbare, ansteigende oder abfallende Ausgangskennlinie zu erzeugen, wird zu dem Konstantspannungsregelkreis 1 der Stromsenkenabschnitt 2 hinzugefügt. Der Stromsenkenabschnitt 2 umfaßt einen Operationsverstärker 20, Ul, dessen Ausgang über einen Basiswiderstand 21, RB, mit dem Steuereingang B eines elektronischen Schaltelements 22, Ql, verbunden ist. Das elektronische Schaltelement 22 kann beispielsweise als bipolarer npn-Transistor oder als Feldeffekttransistor realisiert sein. Das elektronische Schaltelement 22 ist mit einem Stromsenkenwiderstand 23, R4, in Reihe geschaltet, und diese Reihenschaltung 22, 23 ist zu den Widerständen 14, 15 des Spannungsteilers 12 des Konstantspannungsregelkreises 1 parallel geschaltet. Der Operationsverstärker 20 empfängt an seinem einen (+) Eingang eine Steuerspannung VCONTROL, sein andere (-) Eingang ist mit dem Verbindungspunkt zwischen dem elektronischen Schalter 22 und dem Widerstand 23 verbunden.
Sobald eine Steuerspannung VCONTROL an den einen (+) Eingang des Operationsverstärkers 20 angelegt wird, erzeugt dieser ein Ausgangssignal, das über den Basiswiderstand 21 an den Steuereingang B des elektronischen Schalters 22 angelegt wird. Dadurch wird der elektronische Schalter 22 geschlossen, und ein Steuerstrom Ic fließt durch den elektronischen Schalter 22 und den Stromsenkenwiderstand 23, wie in Fig. 3 gezeigt. Da die Bezugsspannung VREF am Steuereingang C des Bezugsspannungserzeugers 10 immer konstant ist, bleibt auch der Strom I3 durch den Widerstand 15, R3, und somit auch durch den Widerstand 14, R2, kon- stant. Somit muß der Steuerstrom Ic aus dem Konstantspannungsregelkreis 1 durch den Widerstand 13, Rl, gezogen werden. Der Steuerstrom Ic bewirkt somit einen zusätzlichen Spannungsabfall an dem Widerstand 13, Rl, der proportional zur Steuerspannung VCONTROL ist. Dieser zusätzliche Spannungsabfall überlagert sich der Ausgangsspannung VOUT und erzeugt eine Ausgangsspannungskennlinie abhängig von der Steuerspannung VCONTROL, die in Fig. 2 als durchgezogene Linie dargestellt ist. Die Ausgangsspannung V0uτ ergibt sich unter Berücksichtigung des Konstantspannungsregelkreises 1 und des Stromsenkenabschnittes 2 zu:
VOUT = Ob + Ic) * Rl + 13 * (R2 + R3),
wobei I3 * (Rl + R2 +. R3) konstant ist und Ic abhängig von der Steuerspannung VCONTROL veränderlich ist.
Wenn der Widerstand 23 gleich groß gemacht wird wie der Widerstand 13, R4 = Rl, ergibt sich am Widerstand 23, R4, ein Spannungsabfall, R4 * Ic, der gleich der Spannungserhöhung der Ausgangskennlinie VOUT ist. Bei der gezeigten Ausmhrungsform entspricht die Genauigkeit, mit der die Ausgangskennlinie VOUT eingestellt werden kann, der Genauigkeit der Steuerspannung VCONTROL- Der Operationsverstärker 20 und der Basiswiderstand 21 dienen insbe- sondere der Entkopplung der Steuerspannung VCONTROL, wobei der Fachmann geeignete andere Ausführungsformen für die Beschaltung der Stromsenke konzipieren kann. Um die in Fig. 2 mit durchgezogener Linie dargestellte Kennlinie weiter zu modifizieren, insbesondere zu beschneiden, wie in Fig. 2 mit gestrichelter Linie dargestellt, wird dem Konstantspannungsregelkreis 1 und dem Stromsenkenabschnitt 2 der in Fig. 3 gezeigte Begrenzerabschnitt 3 hinzugefügt. Der Begrenzerabschnitt 3 umfaßt zwei Operationsverstärker 30 U3, und 31, U4, welche als Vergleicher arbeiten, sowie ein weiteres elektronisches Schaltelement 32, Q2, einen Bypass- Widerstand 33, R5, und eine Diode 34, Dl. Die beiden Operationsverstärker 30, 31 empfangen eine untere Grenzspannung VLIMITI bzw. eine obere Grenzspannung VLIMIT2 an ihrem negativen (-) bzw. positiven (+) Eingang sowie die Steuerspannung VCONTROL an ihrem jeweils anderen (+ / -) Eingang. Der Ausgang beider Operationsver- stärker 30, 31 ist auf einen Steuereingang B des elektronischen Schalters 32 geführt. Der elektronische Schalter 32 kann beispielsweise als bipolarer Transistor, insbesondere als pnp- Transistor, oder als Feldeffekttransistor oder dergleichen ausgestaltet sein. Der elektronische Schalter 32 bildet zusammen mit dem Bypass-Widerstand 33 einen Bypass-Kreis, der zu dem Widerstand 13 des Spannungsteilers 12 des Konstantspannungsregelkreis 1 parallel geschaltet ist. Die Diode 34 verbindet, wie in Fig. 3 gezeigt, die Steuereingänge B des ersten und des zweiten elektronischen Schaltelements 22, 32 und bewirkt, daß das erste elektronische Schaltelement 22 des Stromsenkenabschnitts 2 gesperrt wird, wenn das zweite elektronische Schaltelement 32 des Begrenzerabschnitts aktiviert wird.
Der Begrenzerabschnitt 3 arbeitet wie folgt:
Wenn die Steuerspannung VCONTROL im Intervall zwischen der unteren und der oberen Grenzspannung VLIMITI, V IMIT2 liegt,
VLIMITI < VCONTROL < NLI IT2
liegt jeweils eine positive Spannungsdifferenz an den Eingängen der Operationsverstärker 30, 31 an, so daß deren Ausgang hoch ohmig wird, was einem positiven Signalpegel (1) ent- spricht. Dieses Signal wird an den Steuereingang B des elektronischen Schalters 32 angelegt, so daß der elektronische Schalter 32, Q2, bei der gezeigten Ausführungsform ein pnp- Transistor, sperrt und somit der Begrenzerabschnitt 3 nicht aktiv ist; d.h. der Bypass- Widerstand 33 ist deaktiviert und der Begrenzerabschniτt 3 hat auch keinen Einfluß auf den Stromsenkenabschnitt 2.
Wenn
NCONTROL < NLIMIT1
liegt eine negative Spannungsdifferenz am Eingang des Operationsverstärker 30 an, so daß der Ausgang des Operationsverstärkers 30 niederohmig wird und somit auf einen niedrigen Spannungspegel (0) geht. Dieser niedrige Spannungspegel (0) wird an den Steuereingang B des Schaltelementes 32, bei der gezeigten Ausfülirungsform ein pnp-Transistor, angelegt, das leitend wird. Somit fließt in dem zu Widerstand 13, Rl, parallel geschalteten Zweig, der das zweite Schaltelement 32 und den Bypass- Widerstand 33, R5, enthält, einen Strom, wobei der Gesamtwiderstands wert der Parallelschaltung aus den Widerständen 13, 33, wie dem Fachmann bekannt, geringer ist als der Widerstandswert Rl des Widerstands 13 alleine, so daß die Ausgangsspannung Nouτ insgesamt auf einen niedrigeren Wert fällt.
Gleichzeitig wird der Stromsenkenabschnitt 2 über die Diode 34 und den ersten elektronischen Schalter 22 gesperrt oder deaktiviert, so daß kein Strom (Ic) mehr durch den elektronischen Schalter 22 und den Stromsenkenwiderstand 23 fließt. Am Ausgangs des Stromkreises liegt somit ein konstanter, niedriger Strompegel Nouτ an, wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 2 dargestellt.
Nouτ = Is * (Rl // R5 + R2 + R3)
Ein ähnliches Verhalten des Schaltkreises ergibt sich für
NCONTROL > NLIMIT2- In diesem Fall entsteht am Eingang des Operationsverstärkers 31, U4, eine negative Spannungsdifferenz, die dazu führt, daß der Ausgang des Operationsverstärkers 31 niederohmig wird und auf einen niedrigen Spannungspegel (0) geht. Auch dadurch wird der elektronische Schalter 32 leitend, so daß der Bypass-Widerstand 33 freigeschaltet und' der Stromsenkenab- schnitt 1 über die Diode 34 gesperrt wird, wie oben beschrieben.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Begrenzerschaltkreises 2 läßt sich eine Ausgangsspannungskennlinie des Gesamtschaltkreises einstellen, die bei bestimmten Grenzwerten auf bestimmte Spannungswerte springt, wobei die Spannungswerte durch die Parallelschaltung der Widerstände 13 und 33, Rl bzw. R5, einerseits sowie durch die Widerstände 13 und 23, Rl und R4 andererseits bestimmt werden. Die gestrichelte Linie in Fig. 2 zeigt die vollständige Ausgangskennlinie bei Betrieb aller drei Abschnitte 1, 2, 3 des erfindungsgemäßen Schaltkreises. Eine solche Kennlinie ist beispielsweise typisch für Batterieladegerät, z.B. in Telekom- Anwendungen.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merk- " male können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Nerwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.
Minebea Co., Ltd., a Japanese Corporation
Bezugszeichenliste
1 Konstantspannungsregelkreis 2 Stromsenkenabschnitt
3 Begrenzerabschnitt
10 Bezugsspannungserzeuger U2
11 Widerstand R4
12 Spannungsteiler 13 Widerstand Rl
14 Widerstand R2
15 Widerstand R3
20 Operationsverstärker Ul
21 Basiswiderstand RB 22 Elektronischer Schalter Ql
23 Stromsenkenwiderstand R4
30 Operationsverstärker, Nergleicher U3
31 Operationsverstärker, Nergleicher U4
32 Elektronischer Schalter Q2 33 Bypass- Widerstand R5
34 Diode Dl

Claims

Minebea Co., Ltd., a Japanese CorporationPatentansprüche :
1. Schaltkreis zum Erzeugen einer Ausgangskennlinie, mit einem Konstantspannungsregelkreis (1), der eine Nersorgungsspannung (VSUPPLY) empfängt und eine konstante Ausgangsspannung (Nouτ) erzeugt; einem Stromsenkenabschnitt (2), der eine Steuerspannung (VCONTROL) empfängt und ab- hängig davon einen Steuerstrom (Ic) erzeugt, der eine Veränderung der Ausgangsspannung (VOUT) bewirkt; und einem Begrenzerabschnitt (3), der eine untere und eine obere Grenzspannung (VLIMITI, VLIMΓΠ) empfängt und den Stromsenkenabschnitt (2) wahlweise sperrt oder freigibt.
2. Schaltkreis nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Konstantspan- nungsregelkreis (1) einen programmierbaren Bezugsspannungserzeuger (10) aufweist, dessen Ausgangsspannung (VOUT) über einen Spannungsteiler (13, 14, 15) einstellbar ist.
3. Schaltkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler (13, 14, 15) einen ersten ohmschen Abschnitt mit zwei Widerständen (13, 14) und einen zweiten ohmschen Abschnitt mit einem Widerstand (15) umfaßt.
4. Schaltkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsenkenabschnitt (2) einen Widerstand (23) aufweist, derzu einem (13) der zwei Widerstände des ersten ohmschen Abschnitts in Reihe geschaltet ist, so daß der Steuerstrom (Ic) durch den einen Widerstand (23) des Stromsenkenabschnitts und durch den einen (13) der zwei Widerstände des ersten ohmschen Abschnitts fließt, um der Ausgangsspannung (VOUT) eine zu dem Steuerstrom (Ic) proportionale Spannung (Ic .Rl) zu überlagern.
5. Schaltkreis nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsenkenabschnitt (2) ein erstes Schaltelement (22) aufweist, das den Steuerstrom (Ic) wahlweise freigibt oder sperrt.
6. Schaltkreis nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzerabschnitt (3) einen Vergleicher (30, 31) aufweist, der die untere und die obere Grenzspannung (VLIMITI, VLIMΓΠ) sowie die Steuerspannung (VCONTROL) empfängt und ein Vergleicher-Ausgangssignal erzeugt.
7. Schaltkreis nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzerabschnitt (3) abhängig von dem Vergleicher-Ausgangssignal den Stromsenkenabschnitt (2) sperrt oder freigibt und wahlweise einen Bypass-Kreis (32, 33) aktiviert, der einen Spannungsabfall der Ausgangsspannung (VOUT) erzeugt.
8. Schaltkreis nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergleicher- Ausgangssignal des Begrenzerabschnitts (3) mit dem ersten Schaltelement (22) des
Stromsenkenabschnitts (2) verbunden ist, um den Steuerstrom (Ic) freizugeben oder zu sperren.
9. Schaltkreis nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergleicher- Ausgangssignal mit dem ersten Schaltelement (22) über eine Diode (34) verbunden ist.
10. Schaltkreis nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Schaltelement (22) den Steuerstrom (Ic) sperrt, wenn die Steuerspannung (VCONTROL) kleiner als die untere Grenzspannung (VLIMITI) oder größer als die obere Grenzspannung (VLIMΓΠ) ist, und andernfalls freigibt.
11. Schaltkreis nach Anspruch 7 und einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch. g e- kennzeichnet, daß der Begrenzerabschnitt (3) ein zweites Schaltelement (32) aufweist, welches das Vergleicher-Ausgangssignal empfängt und den Bypass-Kreis (32, 33) wahlweise freigibt oder sperrt.
12. Schaltkreis nach Anspruch 11 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bypass- Kreis (32, 33) einen Widerstand (33) aufweist, der zu einem (13) der zwei Widerstände des ersten ohmschen Abschnitts über das zweite Schaltelement (32) parallel geschaltet ist.
13. Schaltkreis nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Schaltelement (32) den Bypass-Kreis (32, 33) freigibt, wenn die Steuerspannung (VCONTROL) kleiner als die untere Grenzspannung (VLIMITI) oder größer als die obere Grenzspannung (VLIMΓΠ) ist, und andernfalls sperrt.
14. Verfahren zum Erzeugen einer Ausgangskennlinie mit den Verfahrensschritten:
Erzeugen einer konstanten Ausgangsspannung abhängig von einer Versorgungsspannung und einer Bezugsspannung;
Erzeugen eines Steuerstroms abhängig von einer Steuerspannung und Verändern der Ausgangsspannung abhängig von dem Steuerstrom; und wahlweise Freigeben oder Sperren des Steuerstroms abhängig davon, ob die Steuerspannung innerhalb oder außerhalb eines Intervalls zwischen einer unteren und einer oberen Grenzspannung liegt.
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