DE3341344C2 - Längsspannungsregler - Google Patents
LängsspannungsreglerInfo
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- G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
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Abstract
Bei einem Längsspannungsregler mit einem mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke in einem Reglerlängszweig angeordneten Regeltransistor (T), dessen Basis von einem Differenzverstärker (V) angesteuert wird, der eine der Reglerausgangsspannung (U2) proportionale Spannung mit einer Bezugsspannung (UC) vergleicht, wird diese Bezugsspannung von einem Kondensator (C) abgenommen, dem eine die Bezugsspannung auf einen Maximalwert (UR) begrenzende Spannungsbegrenzungsschaltung (B) zugeordnet ist und der mit dem Ausgang einer Transkonduktanzschaltung (G) verbunden ist, deren Ausgangsstrom (IA) von der Differenz (UD) zwischen Ausgangsspannung (U2) und Eingangsspannung (U1) des Längsspannungsreglers abhängt.
Description
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Die Erfindung betrifft einen Längsspannungsregler gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein herkömmlicher Längsspannungsregler, wie er in F i g. 1 gezeigt und aus F i g. 1 der DE-OS 27 OO 111 bekannt
ist, wird dazu verwendet, einen Verbraucher mit einer stabilisierten Gleichspannung zu versorgen. Um
die nominelle Ausgangsspannung des Längsspannungsrcglers zu erhalten, muß dessen Eingangsspannung einen
bestimmten Grenzwert überschreiten. Fällt die Eingangsspannung unter diesen Grenzwert, steuert der
Differenzverstärker den Regeltransistor in die Sättigung. Aufgrund des niedrigen Kollektor-Emitter-Sättigungswiderstandes
des Regeltransistors T können in diesem Sättigungszustand Störspannungen, beispiels- so
weise Störwechselspannungen, nahezu ungehindert zum Reglerausgang gelangen. Eine Störunterdrückung
tritt also nur im Normalspannungsbereich auf, d. h., bei Eingangsspannungen, die über dem Grenzwert liegen,
bei dem auf der Ausgangsseite die Nominalspannung erreicht werden kann.
In verschiedenen Anwendungen, z. B. für Autoradios, wird neben der Stabilisierung des Gleichspannungsmittelwertes
am Ausgang des Längsspannungsreglers eine Unterdrückung der Wechselspannungsanteile des Eingangssignals
gefordert.
Zu diesem Zweck weisen Längsspannungsregler, wie sie aus den F i g. 2 und 3 der DE-OS 27 00 111 und auch
aus »FUNK-TECHNIK«, 1965, Nr. 23, Seiten 947-950, bekannt sind, einen RC-Tieipaü auf, dessen R durch den
Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke des Regel-Iransistors
und dessen Cdurch einen dem Ausgang des Längsspannungsreglers parallel geschalteten Kondensator
gebildet ist Bei feststehendem Kapazitätswert dieses Kondensators nimmt die Siebwirkung eines solchen
Tiefpasses mit kleiner werdendem R ab. Da der Tiefpaß bei diesen bekannten Längsspannungsreglern
für den Normalspannungsbereich dimensioniert ist, in dem der Widerstand R der Kollektor-Emitter-Strecke
des Regeltransistors groß ist, verschlechtert sich die Siebwirkung dieses Tiefpasses gewaltig, wenn der Regeltransistor
im eingangsseitigen Unterspannungsbereich des Längsspannungsreglers in die Sättigung übergeht
und der von ihm gebildete Widerstand R nur noch sehr klein ist Diese bekannten Längsspannungsregler
erfüllen daher die Aufgabe der Störunterdrückung allenfalls im Bereich normaler Eingangsspannungen, nicht
jedoch im eingangsseitigen Unterspannungsbereich, in dem die Ausgangsspannung ihren Nominalwert nicht
mehr erreicht und der Regeltransistor in den Sättigungszustand übergeht
Die Störunterdrückung auch im Unterspannungsbereich könnte man nun dadurch erreichen, daß man einem
solchen Längsspannungsregler einen herkömmlichen ÄC-Tiefpaß nachschaltet. Dies führt allerdings zu
zusätzlichem Aufwand und zusätzlicher Verlustleistung im Widerstand dieses zusätzlichen ÄC-Tiefpasses. Diskrete
Schaltungen aus einer Transistor-Zenerdioden-Kondensator-Kornbination führen nur zu nicht zufriedenstellenden
Näherungslösungen.
Ein Längsspannungsregler der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art, wie er aus der US-PS
39 16 294 bekannt ist, weist auf der Eingangsseite einen ersten Kondensator zum Dämpfen störender Wechselspannungsanteile
der Eingangsspannung auf. Ein zweiter Kondensator ist zu einer Zenerdiode parallel geschaltet,
die einerseits an den Emitter eines den Differenzverstärker bildenden Transistors und andererseits
an einen dem Ausgang des Längsspannungsreglers parallel geschalteten Spannungsteiler angeschlossen ist
Dieser zweite Kondensator dient dazu, Wechselspannungsanteile, die in der Ausgangsspannung des Längsspannungsreglers
vorhanden sind, zu dämpfen, um deren Einfluß auf die Regelung des Regeltransistors zu
reduzieren. Gelangt bei diesem bekannten Längsspannungsregler der Regeltransistor bei eingangsseitigem
Unterspannungsbetrieb in Sättigung, gelangen die diesen Regeltransisior erreichenden Störsignale nahezu
ungehindert zum Ausgang des Längsspannungsreglers.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Längsspannungsregler der eingangs angegebenen Art
so zu verbessern, da3 im gesamten Eingangsspannungsbereich eine sichere Störunterdrückung auf möglichst
einfache und leistungssparende Art ermöglicht wird.
Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben und kann den Unteransprüchen gemäß vorteilhaft
weitergebildet werden.
Der aus der genannten Veröffentlichung in »FUNKTECHNIK« bekannte Längsspannungsregler weist einen
sogenannten Vorregler auf, der zwar mit der Eingangs- und der Ausgangsspannungsseite des Längsspannungsreglers
in Verbindung steht, dessen Ströme jedoch konstant, d. h. von der Eingangs- und der Ausgangsspannung
unabhängig sind.
Mit der Erfindung ist ein Längsspannungsregler verfügbar gemacht worden, der die Funktion eines Reglers
im Normalspannungsbereich mit der Funktion eines Tiefpaßfilters im Unterspannungsbereich vereinigt, wobei
der Spannungsabfall am Regler für die Tiefpaßoperation stromunabhängig ist. Der erfindungsgemäße
Längsspannungsregler besitzt im Unterspannungsbe-
reich Tiefpaßcharakter, ohne daß die Nachteile eines konstanten ohmschen Längswiderstands auftreten.
Im Normalspannungsbereich stellt sich eine Differenz zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung
ein, die am Ausgang der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung einen Strom verursacht, der
den Kondensator zunehmend auflädt, bis dessen Ladespannung von der Spannungsbegrenzungsschaltung auf
einen Maximalwert begrenzt wird. Solange die Eingangsspannung so groß ist, daß selbst negative Störspitzen
begrenzter Amplitude den Regeltransistor nicht in die Sättigung bringen, zeigt der Längsspannungsregler
das übliche Regelverhalten. Sobald aber negative Störspitzen auftreten, während welcher der Regeltransistor
in die Sättigung gelangen könnte, was anhand der Diffe- is renz zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung
festgestellt wird, wird die Ausgangsspannung des Längsregelverstärkers auf einen niedrigeren
Wert herabgeregelt, derart, daß der Regeltransistor nachfolgend auch während solcher negativen Störspitzen
nicht in die Sättigung gelangt. Dies wird dadurch erreicht, daß bei einer Differenzspannung zwischen dem
Eingang und dem Ausgang des Längsregelverstärkers, bei deren Unterschreiten der Regeltransistor durch Störungen
in die Sättigung gelangen würde, der am Ausgang der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung
fließende Strom umgekehrt wird und somit eine Entladung des Kondensators bewirkt. Dadurch verringert
sich die Bezugsspannung des Differenzverstärkers und als Folge davon wird die Reglerausgangsspannung auf
einen »verringerten Nominalwert« herabgeregelt. Durch die Absenkung der Ausgangsspannung stellt sich
die Differenz zwischen der Eingangs- und der Ausgangspannung wieder auf einen Wert ein, bei dem einerseits
der Regeltransistor durch Störungen nicht in die Sättigung gelangen kann und andererseits der Strom am
Ausgang der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung auf 0 zurückgeht Steigt danach die Eingangsspannung
wieder an, kann der Strom am Ausgang der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung wieder seine
Richtung umkehren und den Kondensator erneut auf eine höhere Bezugsspannung aufladen.
Die Herabregelung der Ausgangsspannung unter den Nominalwert findet auch statt wenn die Eingangsspannung
gleichspannungsmäßig im Unterspannungsbereich liegt
Bei dem erfindungsgemäßen, mit zeitlich gesteuerter Bezugsspannung arbeitenden Längsspannungsregler
weicht man Störspannungen am Eingang gewissermaßen aus, und zwar durch Absenkung des ausgangsseitigen
Gleichspannungswertes des Längsspannungsreglers. Eine solche Veränderung des Gleichspannungsmittelwertes am Ausgang des Längsspannungsreglers
verkraften vom Längsspannungsregler versorgte Verbraucher im allgemeinen, da sie normalerweise für ein
Funktionieren in einem weiten Bereich der Versorgungsspannung ausgelegt sind. Störspannungen, beispielsweise
Brummspannungen oder dergleichen, könnten solche Verbraucher aber üblicherweise nicht verkraften.
Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen brauchen sie dies nun auch nicht mehr, auch
nicht im Unterspannungsbereich auf der Eingangsseite des Längsspannungsreglers.
Um auch bei einem relativ kleinen Kondensator eine große Ladezeitkonstante und damit eine gute Filterwirkung
der Tiefpaßfunktion des Längsspannungsreglers zu erzielen, macht man den Übertragungsleitwert der
spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung möglichst klein. Bevorzugtermaßen verwendet man eine
spannungsgesteuerte Stromquellenschaltung mit linearem Übertragungsleitwertverhalten. Bei einer besonders
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet man eine Übertragungsleitwertskennlinic, die
zwischen einem unteren und einem oberen Schwellenwert der Differenz zwischen der Reglereingangsspannung
und der Reglerausgangsspannung einen linearen Übertragungsleitwert niedrigen Wertes und sowohl unterhalb
des unteren Schwellenwertes als auch oberhalb des oberen Schwellenwertes einen großen Übertragungsleitwert
aufweist. Aufgrund des hohen Übertragungsleitwertes wird zwar unterhalb des unteren
Schwellenwertes und oberhalb des oberen Schwellenwertes das Tiefpaßfilterverhalten des Längsspannungsreglers
verschlechtert. Man erzielt damit aber einerseits eine schnelle Reaktion des Längsspannungsreglers auf
hohe negative Störspannungen und andererseits beim Einschalten des Längsspannungsreglers eine schnelle
Aufladung des Kondensators auf dessen normale Betriebsspannung und somit eine kurze Einschwingzeit
des Längsspannungsreglers.
Bevorzugterweise ist die spannungsgesleuertc Stromquellenschaltung als Differenzverstärker ausgebildet,
dessen einer Eingang mit dem Reglereingang und dessen anderer Eingang mit dem Reglerausgang verbunden
ist. Vorzugsweise ist zwischen den einen Eingang dieses Differenzverstärkers und den Reglereingang
eine Hilfsspannungsquelle geschaltet, deren Spannungswert so bemessen ist, daß der Ausgangsstrom der
spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung sich umkehrt und eine Entladung des Kondensators verursacht,
bevor der Regeltransistor in Sättigung gelangt. Die Hilfsspannungsquelle kann eine Konstantspannungsquelle
sein oder eine Spannungsquelle mit veränderlichem Spannungswert, der in Abhängigkeil vom Ausgangsstrom
des Längsspannungsreglers gesteuert wird, wie dies in der gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung
P 33 41 345.2 zur Verhinderung eines überhöhten Anlaufstroms näher ausgeführt ist, deren Offenbarung
hiermit durch ausdrückliche Bezugnahme zum Bestandteil der Offenbarung der vorliegenden Anmeldung gemacht
wird. Anstelle dieser Hilfsspannungsquelle könnte man auch für die spannungsgesteuerte Stromquellenschaltung
eine sich unsymmetrisch verhaltende Differenzverstärkereinheit einsetzen, derart, daß der Strom
am Ausgang der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung sich nicht erst dann in die den Kondensator
entladende Richtung umkehrt, wenn die Differenz der beiden Spannungen am Eingang dieser Diffcrcnzverstärkereinheit
ihr Vorzeichen entsprechend umgekehrt hat, sondern schon dann, wenn diese Differenz, einen
bestimmten positiven Schwellenwert unterschreitet. Dabei entspricht dieser positive Schwellenwert dem
Wert der Hilfsspannungsquelle.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird für die spannungsgesteuerte Stromquellenschaltung
ein Differenzverstärker mit zwei Transistoren verwendet, deren Basisanschlüsse mit der Hilfsspannungsquelle
bzw. dem Ausgang des Längsspannungsreglcrs verbunden sind, deren Emitteranschlüsse über eine
Emitterimpedanz miteinander verbunden und je an eine Stromquelle angeschlossen sind und deren Kollektoren
auf zwei Eingänge einer Summierschaltung geführt sind, deren Ausgang den zum Kondensator oder aus dem
Kondensator fließenden Ausgangsstrom der Transkonduktanzschaltung liefert Dabei weist die Summicrschaltung
vorzugsweise eine Stromspiegelschaltung auf, de-
reu Eingang mit dem Kollektor des einen der beiden Transistoren und deren Ausgang mit einem Verbindungspunkt
zwischen dem Kondensator und dem Kollektor des anderen dieser beiden Transistoren verbunden
ist.
Um im normalen Betriebsbereich einen sehr niedrigen Übertragungsleitwert zu erzielen, sind die beiden
Transistoren des Differenzverstärkers der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung neben der stromgesteuerten
Gegenkopplung im Emitterzweig vorzugsweise je als Multitransistoren mit zwei Kollektoren ausgebildet.
Die beiden Kollektoren eines jeden dieser Multitransistoren haben unterschiedliche Kollektorflächen.
Mit der Summierschaltung sind die Kollektoren mit geringerer Kollektorfläche verbunden, so daß die an
die Summierschaitung gelieferten Kollektorstromanteile
niedrig sind, im gewählten Beispiel etwa 10% des gesamten Kollektorstroms eines jeden Transistors ausmachen.
Die Erhöhung des Übertragungsleitwertes außerhalb des linearen Bereichs kann durch jeweils einen Hilfstransistor,
der erst bei hinreichender Aussteuerung der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung aktiviert
wird, realisiert werden.
Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße Längsspannungsregler vollständig mit Bipolartransistoren aufgebaut.
Mindestens für einen Teil der Transistoren des Längsspannungsreglers können aber auch Feldeffekttransistoren
verwendet werden.
Der erfindungsgemäße Längsspannungsregler ist vorzugsweise in einer einzigen, monolithisch integrierten
Schaltung untergebracht Der Kondensator kann von dieser monolithischen Integration ausgenommen
sein. Aufgrund der Möglichkeit, einen sehr niedrigen
Übertragungsleitwert zu schaffen, kann man mit einem vergleichsweise kleinen Kondensator auskommen.
Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden nun anhand von Ausführungsformen näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigt
F i g. 1 den Aufbau eines herkömmlichen Längsspannungsrcglers;
F i g. 2 den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Längsspannungsreglers;
F i g. 3 Übertragungskennlinien verschiedener Ausführungsformen
der spannungsgesteuerten Stromquellcnschaltung des Längsspannungsreglers nach Fig.2;
und
F i g. 4 eine besonders bevorzugte Ausführungsform der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung und
der Hilfsspannungsquelie des Längsspannungsreglers nach F i g. 2.
Der in F i g. 1 dargestellte herkömmliche Längsspannungsrcgler weist in seinem oberen Längszweig einen
Regeltransistor T in Kollektorschaltung auf. Der Ausgang des Längsspannungsreglers ist von einem Spannungsteiler
mit zwei Widerständen R\ und /?2 überbrückt.
Die Basis des Regeltransistors Tist an den Ausgang eines Differenzverstärkers V angeschlossen, dessen
inverlierender Eingang an den Teilspannungspunkt des Spannungsteilers angeschlossen ist und dessen
nicht-invertierender Eingang an eine Referenzspannungsquclle
Lteangeschlossen ist
Bei genügend großer Eingangsspannung U\ kann der
Differenzverstärker V über den Regeltransistor Γ eine solche Ausgangsspannung Ui einstellen, daß die Spannung
über dem unteren Widerstand R\ des Spannungsteilers den Wert der Referenzspannung Uref erreicht
Die Ausgangsspannung ίΛ nimmt dabei ihren Nominalwert
an.
Unterhalb eines bestimmten Grenzwertes der F.ingangsspannung
U\ gelingt es nicht mehr, die Ausgangsspannung
Ui auf ihren Nominalwert zu regeln. Bei dem Versuch, die Ausgangsspannung auf die der Referenzspannung
Urei entsprechende Nominalspannung zu regeln,
bringt der Differenzverstärker Vden Regeltransistor Tin Sättigung. Störspannungen, beispielsweise in
Form von Wechselspannungen, gelangen dann aufgrund des niedrigen Widerstandes der Kollektor-Emitter-Strecke
des gesättigten Regeltransistors nahezu ungehindert zum Ausgang und wirken sich störend in dem
an den Längsspannungsregler angeschlossenen Verbraucher aus.
Die in F i g. 2 dargestellte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Längsspannungsreglers weist einen Schaltungsteil auf, der mit dem herkömmlichen Längsspannungsregler
übereinstimmt, wenn man von der Referenzspannungsquelle absieht. Anstelle der eine konstante
Spannung abgebenden Referenzspannungsquelle Uref des herkömmlichen Längsspannungsreglers weist
der erfindungsgemäße Längsspannungsregler eine gesteuerte Referenzspannungsquelle auf. Sie enthält einen
Kondensator C, der einen Endes an den nicht-invertierenden Eingang des Differenzverstärkers V und anderen
Endes an den unteren, durchverbundenen Längszweig des Längsspannungsreglers angeschlossen ist.
Parallel zum Kondensator C ist eine Spannungsbegrenzungsschaltung B angeordnet in Form einer Zener-Diode
oder einer aktiven Begrenzer-Schaltung. An das mit dem Differenzverstärker V verbundene Ende des Kondensators
Cist außerdem der Ausgang einer spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung C angeschlossen,
die als Differenzschaltung ausgebildet ist, deren erster Eingang über eine Hilfsspannungsquelie Ul mit dem in
F i g. 2 oberen Eingangsanschluß E und deren zweiter Eingang mit dem in F i g. 2 oberen Ausgangsanschluß A
des Längsspannungsreglers verbunden ist.
Auch bei diesem erfindungsgemäßen Längsspannungsregler bildet der Differenzverstärker V mit einer
Spannungsverstärkung vo mit dem als Leistungstransistor
ausgelegten Regeltransistor T als Längsstellelement
und den Gegenkopplungswiderständen des Spannungsteilers R], /?2 den Regelverstärker.
Mit V0 > Rv R\ gilt
Uc die Ladespannung des Kondensators C, wird durch die spannungsgesteuerte Stromquellenschaltung
G gesteuert Bei positivem Ausgangsstrom I,\ der spannungsgesteuerten
Stromquellenschaltung wird der Kondensator C aufgeladen, bis er die Grenzspannung
Ur erreicht hat, auf welche die Spannungsbegrenzungsschaltung ßdie Kondensatorspannung Ucbegrenzt. Die
Ausgangsspannung U% des Längsregelverstärkers hat
dann ihren Nominalwert:
Der Strom IA ist durch
U= g- Uo
U= g- Uo
festgelegt Dabei ist g der wirksame Übertragungsleitwert und i/odie Steuerspannung von G mit
Uo = Ux- (U2 + UL).
Ul ist eine konstante Hilfsspannung.
Für den Fall
Für den Fall
U1 >
erhält man bei nominaler Ausgangsspannung Uwom gemäß
Gleichung (2) zwischen den beiden Eingängen der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung G eine
Differenzspannung
U0 > 0.
In diesem Betriebsbereich tritt am Ausgang der spannungsgesteuerten
Stromquellenschaltung G ein Ausgangsstrom
Ia ΞϊΟ
Gelangt der Längsspannungsregler in den Unterspannungsbereich, d. h., in den Bereich kleinerer Eingangsspannung,
für den
U, <
+ Ul
gilt, wird die Differenzspannung Ud zwischen den beiden
Eingängen der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung G negativ. Dies führt zu einer Umkehr des
Ausgangsstroms Ia der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung
G, so daß der Kondensator Centladen wird. Bei einem Absinken der Kondensatorspannung
Uc unter den Grenzwert Ur wird die Ausgangsspannung U2 des Längsspannungsreglers auf einen niedrigeren
Wert als U2nom herabgeregelt. Dabei wirkt sich die
spannungsgesteuerte Stromquellenschaltung G wie ein »Hilfsregler« aus, der die Kondensatorspannung Uc so
verändert, daß die Differenzspannung Ud im eingeschwungenen
Zustand, bei dem der Ausgangsstrom IA gleich 0 wird, verschwindet und die Beziehung
Ux = Ul+ U1
Im Betriebsbereich Ia > 0, also im Normalspannungsbereich,
in dem am Ausgang die Nominaispannung U2NOM erreicht werden kann, ist die Störunterdrückung
//
U
U
aufgrund der verschwindend niedrigen dynamischen Impedanz der Spannungsbegrenzungsschaltung B unendlich
und wird praktisch durch das reale Verhalten des Differenzverstärkers bestimmt, d. h„ durch die Empfindlichkeit
des Differenzverstärkers V gegenüber Störungen in dessen Versorgungsspannung.
Für den Unterspannungsbetrieb dieses Längsspannungsreglers gilt im linearen Übertragungsbereich ^der
spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung G für die Störunterdrückung:
D(p) = 1 +
(4) mit p = j ω.
Somit ist die Stöi unterdrückung D im Unterspannungsbereich
durch den Kondensator Cund den Übertragungsleitwert g bestimmbar. Die Hilfsspannung Ui.
gibt den Sollwert der mittleren Längsspannung über der
(5) Kollektor-Emitter-Strecke des Regeltransistors im Unterspannungsbetrieb,
bei dem der »Hilfsregler« G in den Regelvorgang eingreift, vor und ist so auszulegen,
daß die maximalen negativen Störamplituden der Eingangsspannung, die aufgrund der Verzögerung des Regelkreises
nicht ausgeregelt werden können, den Regeltransistor Tnicht in die Sättigung treiben.
Das dynamische Verhalten der Schaltung läßt sich in geeigneter Weise durch ein nicht-lineares Übertragungsverhalten
#der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung G beeinflussen.
In Fig. 2 sind mehrere Übertragungsleitwertskennlinien g·dargestellt. Kennlinie 1 charakterisiert den zuvor
erwähnten linearen Fall.
Kennlinie 2 zeigt eine gegenüber Kennlinie 1 reduzierte Steilheit im Bereich Uo
> Udi und eine stark vergrößerte Steilheit im Bereich Ud
< Ud i- Dabei ist
Ud 2 ein unterer Schwellenwert von Ud- Bei negativen
Störungen, die den unteren Schwellenwert Ud ι unter-
schreiten, führt die große Steilheit der Übertragungs-
(6) leitwertskennlinie zu einem starken Kondensator-Entladestrom.
Die Schaltung reagiert daher schnell auf solche großen Störungen. Die verringerte Steilheit oberhalb
des unteren Schwellenwerts Ud 2 erhöht die Filterzeitkonstante und verbessert somit das Filterverhaltcn.
Kennlinie 3 weist oberhalb eines oberen Schwellenwertes Uo
> Ud 1 ebenfalls eine erhöhte Steilheit auf. Bei Verwendung einer solchen Kennlinie kann die Einschwingdauer
der Schaltung, insbesondere nach deren Einschalten, verringert werden. Für den Fall, daß die
Ausgangsspannung U2 soweit unter der Eingangsspannung
Ux liegt, daß U0
> UDX ist, steigt der in den Kondensator
C fließende Strom Ia stark an und sorgt für
eine schnelle Aufladung des Kondensators C, so daß am Ausgang die Nominalspannung U2nom rasch erreicht
werden kann.
Eine bevorzugte Ausführungsform des crfindungsgc-
(7) mäßen Längsspannungsreglers, die sich besonders gut für monolithische Integration eignet, ist in F i g. 4 dargcstellt.
Diese Ausführungsform weist eine nicht-lineare spannungsgesteuerte Stromquellenschaltung gemäß
Kennlinie 3 in F i g. 3 auf.
Die spannungsgesteuerte Stromquellenschaltung G einerseits und die Hilfsspannungsquelle Ul andererseits
sind in F i g. 4 je durch einen gestrichelten Block gekennzeichnet
Die Hilfsspannungsquelle Ul weist eine parallel zum Eingang des Längsspannungsreglers geschaltete Serienschaltung
aus einer Diode Dx, einem Widerstand Ra, einem Widerstand R5 und einer Stromquelle /03 auf. Der
von der Stromquelle /03 gelieferte Konstantslrom IK
führt zu einem konstanten Spannungsabfall Ui. über der Reihenschaltung aus der Diode Dx und den beiden Widerständen
A3 und Ra- Die Hilfsspannung steht an dem
Verbindungspunkt M zwischen dem unteren Widerstand Rz und der Stromquelle /03 zur Verfugung.
Die spannungsgesteuerte Stromquellenschaltung G umfaßt eine Differenzverstärkerschaltung mit einem ersten
Transistor Ti und einem zweiten Transistor Ti. Die
Basis des ersten Transistors Tx ist an den Verbindungs-
(9) punkt M der Hilfsspannungsquelle Ui. angeschlossen.
Die Basis des zweiten Transistors T2 ist mit dem mit dem
Emitter des Regeltransistors Tverbundenen Ausgangs-
(8)
anschluB A verbunden. Der Emitter des ersten Transistors
Ti ist über eine Stromquelle Ib ι und der Emitter
des zweiten Transistors Tj ist über eine Stromquelle Ib ι
mil dem mit dem Kollektor des Regeltransistors Tverbundenen
Eingangsanschluß E verbunden. Außerdem sind die Emitter der beiden Transistoren Ti und Ti über
einen Spannungsteiler mit zwei Widerständen Λ5 und Re
verbunden.
Die beiden Transistoren 7Ί und Tj sind je als Multitransistoren
ausgebildet, wobei je ein Hilfskollektor mit Masse und ein Hauptkollektor mit einem Zweig einer
Stromspiegelschaltung mit einem als Diode geschalteten Transistor Ti und einem weiteren Transistor Ta verbunden
ist. Durch entsprechende Wahl des Verhältnisses von Hilfskollektorfläche zu Hauptkollektorfläche
sind die von den Hauptkollektoren der beiden Transistoren Tj und Ti abgegebenen Kollektorströme nur ein
Bruchteil des Gesamtkollektorstroms, im genannten Beispiel nur etwa 10%. Durch diese Maßnahme erreicht
man einen sehr niedrigen Wert des Übertragungsleitwertes g
R„
relativ großen Strom in den Verbindungspunkt X ein. und zwar in entgegengesetzter Richtung als der vom
Transistor T5 eingespeiste Strom. Beim Leitendwerden
des Transistors Ti, fließt daher vom Verbindungspunkt X ein Strom Ia in den Kondensator C, der den Kondensator
C auflädt, und zwar maximal bis zur Begrenzungsspannung Ur.
Die Transistoren Ti bis T4 bilden die im linearen Bereich
zwischen dem unteren Schwellenwert Uo 2 und dem oberen Schwellenwert Uo 1 arbeitende spannungsgesteuerte
Stromquellenschaltung unter der Voraussetzung
(10)
Bei der in F i g. 4 gezeigten Ausführungsform ist die Summierschaltung, an deren Ausgang der Strom IA bereitgestellt
wird, durch die bereits erwähnte Stromspiegelschaltung mit den Transistoren T3 und T4 gebildet.
Der vom Hauptkollektor des Transistors Ti kommende Strom fließt in den am Kollektor des Transistors T3
befindlichen Eingang der Stromspiegelschaltung und wird an dem vom Kollektor des Transistors Tt, gebildeten
Ausgang der Stromspiegelschaltung im Verbindungspunkl
X zu dem vom Hauptkollektor des Transistors Ti kommenden Strom hinzuaddiert. Der aus dieser
Addition resultierende Strom ist der Ausgangsstrom U der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung G.
Mit einem Transistor Ts, dessen Emitter-Kollektor-Strecke
zwischen die Basis des Transistors T2 und den Hauplkollektor des Transistors Ti geschaltet ist, und
dessen Basis über eine Diode D2 an einen Verbindungspunkt Y zwischen den Widerständen A3 und A4 der
Hilfsspannungsquelle Ul angeschlossen ist, wird die Erhöhung
des Übertragungsleitwertes bei Unterschreiten des unteren Schwellenwertes Ud 2 erreicht, wie dies in
Kennlinie 2 in F i g. 3 dargestellt ist Der untere Schwellenwert Uo 2 wird durch den Spannungsabfall am Widerstand
/?3 der Hilfsspannungsquelle Ul gebildet Mit
der Diode Ch wird der Potentialsprung zwischen dem
Emitter und der Basis des Transistors T5 kompensiert. Sinkt die Differenzspannung Uo zwischen den Basisanschlüssen
der Transistoren Ti und Tj unter den unteren
Schwellenwert Uo 2 ab, wird Transistor T5 leitend und
speist einen hohen Kollektorstrom in den Eingang der Stromspiegelschaltung T3, Ta ein. Dieser Strom erscheint
am Ausgangspunkt X der Stromspiegelschaltung und führt zu einer raschen Entladung des Kondensators
C und somit zu einer Herabregelung der Ausgangsspannung U2 des Längsspannungsreglers auf einen
verringerten Gleichspannungsmittelwert.
Zwischen den Emitter des Transistors ΤΊ und den
Hauptkollektor des Transistors T2 ist die Emitter-Kollcklor-Strecke
eines weiteren Transistors Te geschaltet,
dessen Basis an den Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R5 und Re angeschlossen ist Überschreitet
die Differenzspannung Ud den oberen Schwellenwert Ud 1, wird Transistor Te leitend und speist einen
Ib 1,2
+ R6) > Ud 1,2.
Der Referenzstrom Ir der Stromquelle /03 erzeugt an
der Serienschaltung Rj, Ra, D\ den Spannungsabfall Ui,.
Durch Abgriff am Spannungsteilerpunkt Y wird der dem unteren Schwellenwert entsprechende Spannungswert
Ud 2 gewonnen. Für den dem oberen Schwellenwert entsprechenden Spannungswert gilt näherungsweise
Un
■BE Tb ■
Die Spannungsbegrenzungsschaltung B ist in F i g. 4 als Zenerdiode symbolisiert, wird aber vorzugsweise
durch eine elektronische Begrenzungsschaltung verwirklicht.
Die in F i g. 4 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Längsspannungsreglers funktioniert folgendermaßen:
Beim Einschalten der Eingangsspannung U\ ist die Ausgangsspannung £/>
und die Kondensatorspannung Uc zunächst noch 0, so daß die Differenzspannung Ud
über dem oberen Schwellenwert Ud 1 liegt. Transistor Te liefert daher einen kräftigen Kollektorstrom zum
Verbindungspunkt X, so daß der Kondensator C von einem starken Ausgangsstrom Ia der spannungsgesteuerten
Stromquellenschaltung G aufgeladen wird. Als Folge davon wird die Ausgangsspannung U2 zunehmend
in Richtung des Nominalwerts U2NOM hochgeregelt.
Durch das Ansteigen der Ausgangsspannung U2 verringert sich die Differenzspannung Ud zunehmend.
Beim Unterschreiten des oberen Schwellenwertes Ud 1 schaltet Transistor Te ab und bleibt dann nur noch die
lineare spannungsgesteuerte Stromquellenschaltung mit den Transistoren Ti bis Ti wirksam. Im nominalen
Betriebszustand bleibt aufgrund des Spannungsabfalls über dem Regeltransistor T eine positive Differenzspannung
Ud, so daß der vom Hauptkollektor des Transistors Tj den über die Stromspiegelschaltung T3, T4
vom Hauptkollektor des Transistors Ti gelieferten Strom überwiegt und der Ausgangsstrom Ia der spannungsgesteuerten
Stromquellenschaltung G kontinuierlich als Ladestrom in den Kondensator C fließt. Ist die
Begrenzungsspannung Ur erreicht, bleibt die Kondensatorspannung trotz dieses Ladestroi» 1& konstant.
Gelangt der Längsspannungsregler dauernd oder während negativer Störspannungsspitzen am Eingang
in den Unterspannungsbereich, ist U\ kleiner als der Summenwert aus ausgangsseitiger Nominalspannung
U2N0M und Hilfsspannung Ul (Gleichung (6)) und kehrt
sich das Vorzeichen der Differenzspannung Ud um. Dann überwiegt der vom Hauptkollektor des Transistors
Ti in die Stromspiegelschaltung T3, T4 gelieferte
Strom den vom Hauptkollektor des Transistors Tj gelie-
13
feiten Strom und kehrt sich folglich auch das Vorzeichen des Ausgangsstroms lA der spannungsgesteuerten
Stromquellenschaltung G um. Dies bewirkt eine Verringerung der Kondensatorladung und somit eine Absenkung
der Kondensatorspannung Uc- Ober den Differenzverstärker
Vwird daher die Ausgangsspannung L^ auf einen unter der Nominalspannung liegenden Wert
herabgeregelt
Im Bereich des linearen niedrigen Übertragungsleitwertes g ergibt sich eine große Zeitkonstante für das
Verändern der Kondensatorspannung Uc- Bei negativen Amplituden von Störspannungen, weiche den unteren
Schwellenwert Uca der Differenzspannung Ud unterschreiten,
wird durch das Leitendschaiten des Transistors Ti in den Eingang der Stromspiegelschaltung T3,
Ta ein starker Strom eingespeist, der sich am Verbindungspunkt
X, dem Ausgangspunkt der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung G, als starker Entlade- ''
strom für den Kondensator C auswirkt. Es kann somit ' eine rasche Herabregelung der Ausgangsspannung Ui
bis auf einen solchen Wert erfolgen, bei dem die Diffe- ϊ
renzspannung Ud wieder oberhalb des unteren Schwellenwertes
Ud 2 liegt
Aufgrund seines Tiefpaßcharakters im Unterspannungsbereich schützt somit der erfindungsgemäße
Längsspannungsregler den von ihm versorgten Verbraucher in allen Betriebsbereichen vor Störspannungen.
Durch Wahl einer nicht-linearen Übertragungsleit- ,· I wertskennlinie bei der Ausführungsform nach Fig.4
wird zusätzlich ermöglicht, daß sich der Längsspan- 30 *«'
nungsregler rasch auf extreme Betriebssituationen ein- 'ζ,
stellen kann.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
35
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45
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60
Claims (18)
1. Längsspannungsregler mit einem mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke in einem Reglerlängszweig
angeordneten Regeltransistor (T), dessen Basis von einem Differenzverstärker (V) angesteuert
wird, der eine der Reglerausgangsspannung (U2) proportionale Spannung mit einer Bezugsspannung
(Uc) vergleicht, wobei der Bezugsspannungsan-Schluß des Differenzverstärkers (V) mit einem Kondensator
(C) verbunden ist dessen Spannung von einer Spannungsbegrenzungsschahung (B) auf einen
Maximalwert (UR) begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kondensator (C) mit dem Ausgang einer spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung
(G) verbunden ist, deren Ausgangsstrom (Ia) von der Differenz zwischen Eingangsspannung
(U]) und Ausgangsspannung (U2)
des Längsspannungsreglers abhängt
2. Längsspannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spannungsbegrenzungsschahung (B) dem Kondensator (C) parallel geschaltet ist
daß diese Parallelschaltung einen Endes mit dem 2s nicht mit dem Regeltransistor (T) versehenen Reglerlängszweig und anderen Endes sowohl mit dem nicht-invertierenden Eingang des Differenzverstärkers fV^als auch mit dem Ausgang der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung (G) verbunden ist und daß der invertierende Eingang des Differenzverstärkers (V) mit einem Anzapfpunkt eines dem Reglerausgang (Ui) parallel geschalteten ersten Spannungsteilers (Ru R2) verbunden ist.
daß diese Parallelschaltung einen Endes mit dem 2s nicht mit dem Regeltransistor (T) versehenen Reglerlängszweig und anderen Endes sowohl mit dem nicht-invertierenden Eingang des Differenzverstärkers fV^als auch mit dem Ausgang der spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung (G) verbunden ist und daß der invertierende Eingang des Differenzverstärkers (V) mit einem Anzapfpunkt eines dem Reglerausgang (Ui) parallel geschalteten ersten Spannungsteilers (Ru R2) verbunden ist.
3. Längsspannungsregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die Spannungsbegrenzungsschaltung
(B) durch eine dem Kondensator (C) parallel geschaltete Zener-Diode gebildet ist.
4. Längsspannungsregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die Spannungsbegrenzungsschaltung
(B) durch eine dem Kondensator (C) parallel geschaltete elektronisch realisierte, aktive
Begrenzerschaltungsanordnung gebildet ist.
5. Längsspannungsregler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die spannungsgesteuerte Stromquellenschaltung (Greine lineare Übertragungsleitwertslinie aufweist.
6. Längsspannungsregler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die spannungsgesteuerte Stromquellenschaltung (G) eine Übertragungsleitwertskennlinie aufweist,
die oberhalb eines unteren Schwellenwertes (Uo 2) der Differenz zwischen der Reglereingangsspannung
(U\) und der Reglerausgangsspannung (Ui) einen linearen Übertragungsleitwert (g) niedrigen
Wertes und unterhalb dieses unteren Schwellenwertes (Up 2) einen großen Übertragungsleitwert (g)
aufweist.
7. Längsspannungsregler nach einem oder mehreren
der Ansprüche 1 bis 4 und 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die spannungsgesteuerte Stromquellenschaltung (G) eine Übertragungsleitwertskennlinie
aufweist, die unterhalb eines oberen Schwellenwertes (Uo 1) der Differenz zwischen der Reglereingangsspannung
(U\) und der Reglerausgangsspannung (Ui) einen linearen Übertragungsleitwert (g)
niedrigen Wertes und oberhalb dieses oberen Schwellenwertes (Ud 1) einen großen Übertragungsleitwert (g) aufweist
8. Längsspannungsregler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet
daß die spannungsgesteuerte Stromquellcnschaltung (G) als Differenzschaltung, vorzugsweise Differenzverstärkerschaltung,
ausgebildet ist die einen ersten Eingang, der mit dem Regeltransistor (T) verbundenen
Eingangsanschluß (E) des Längsspannungsreglers verbunden ist und einen zweiten Eingang,
der mit dem Regeltransistor (T) verbundenen Ausgangsanschluß (A) des Längsspannungsreglers
verbunden ist aufweist
9. Längsspannungsregler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet daß zwischen den Eingangsanschluß (E) und den ersten Eingang der Differenzschaltung
(G) eine HUfsspannungsquelle (Ui.) geschaltet
ist
10. Längsspannungsregler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet daß die Hilfsspannungsquelle
(Ul) eine konstante Spannung liefert
11. Längsspannungsregler nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet
daß die Differenzschaltung (G) zwei in einer Differenzvsrstärkerschaltung
angeordnete Transistoren (Ti, T2) aufweist,
daß die Basis des ersten Transistors (Tt) an die Hilfsspannungüquelle
(Ul) und die Basis des zweiten Trans'Stors (Ti) an den Ausgangsanschluß (A) angeschlossen
ist,
daß der Emitter des ersten Transistors (Tt) über eine erste Stromquelle (Ibt) und der Emitter des zweiten
Transistors (T2) über eine zweite Stromquelle (In2)
an den Eingangsanschluß f£J angeschlossen sind,
daß die Emitter der beiden Transistoren (T1, T2) über eine Emitterimpedanz (R5, Re) miteinander verbunden sind
daß die Emitter der beiden Transistoren (T1, T2) über eine Emitterimpedanz (R5, Re) miteinander verbunden sind
und daß der Kondensator (C) an den Ausgang einer Summierschaltung (T3, T*, X) angeschlossen ist deren
EinRänge mit dem Kollektor des ersten Transistors (Ti1J bzw. mit dem Kollektor des zweiten Transistors
(T2) verbunden sind.
12. Längsspannungsregler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Summierschaltung
(T3, T4, X) eine Stromspiegelschaltung (T3, T4) aufweist
deren Eingang an den Kollektor des ersten Transistors (Tt) und deren Ausgang an einen Verbindungspunkt
(X)zwischen dem Kollektor des zweiten Transistors (T2) und dem Kondensator (C) angeschlossen
ist.
13. Längsspannungsregler nach Anspruch 11 oder
12, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Transistor (Tt, T2) je als Multitransistor mit
mindestens zwei Kollektoren mit stark verschiedenen Kollektorflächen ausgebildet sind und daß jeder
Kollektor mit der geringeren Kollektorfläche an die Summierschaltung (T3, T4, ^angeschlossen ist.
14. Längsspannungsregler nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Hilfsspannungsquelle (Ui.) eine Serisrischaltung
aus einem zw?i!?n Sp3niiingsieilcr
(Dt, Rz, Ra) und einer dritten Stromquelle f/01) aufweist,
wobei der Verbindungspunkt zwischen dem /weiten Spannungsteiler (D\, Ri, R4) und der dritten Stromquelle
(los) mit der Basis des ersten Transistors (T\) verbunden ist,
und daß zwischen die Basis des zweiten Transistors
und daß zwischen die Basis des zweiten Transistors
und den mit der Summierschaltung (T1, T4, X)
verbundenen Kollektor des ersten Transistors (T\) die Kollektor-Emitter-Strecke eines dritten Transistors
(Ts) geschaltet ist, dessen Basis über eine Diodenstrecke
(Eh) mit einem Teilspannungspunkt (Y) des zweiten Spannungsteilers (D], Rj, Ra) verbunden
isL
15. Längsspannungsregler nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet
to daß die Ep-itterimpedanz durch eine Reihenschaltung zweier Widerstände (R5, R6) gebildet ist
und daß zwischen den Emitter des ersten Transistors (T\) und den mit der Summierschaltung (Τι, Τ4, X)
verbundenen Kollektor des zweiten Transistors (Ti) die Emitterstrecke eines vierten Transistors (T$) geschaltet
ist, dessen Basis an den Verbindungspunkt (S) zwischen den beiden Widerständen (Rs, Re) der
Emitterimpedanz angeschlossen ist
16. Längsspannungsregler nach einem oder mehreren
der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Transistoren Bipolartransistoren
sind.
17. Längsspannungsregler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens für einen Teil der Transistoren Feldeffekttransistoren vorgesehen sind.
18. Längsspannungsregler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet,
daß die gesamte Reglerschaltung monolithisch integriert ist, vorzugsweise mit Ausnahme des Kondensators
(C).
Priority Applications (8)
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