DE3536819A1 - Device for a voltage regulator - Google Patents

Device for a voltage regulator

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Wolfgang Helle
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    • 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
    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
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Abstract

A device for regulating a direct-current battery voltage within the range of about 3.5 V to 30 V for a load using direct voltage, in which the input of a voltage regulator is connected to the battery and its output is connected to the load, has the following features: a) The emitter of a PNP transistor (V7) is connected to the input and its collector is connected to the output of the voltage regulator (V1). b) At the output of the voltage regulator (V1), one terminal of a threshold element (V4, R1) is connected which determines whether the output voltage (UA) has dropped below a certain nominal output voltage value. c) The threshold element (V4) controls the input of a bistable flip flop (V2) which has a switching hysteresis with a width of several volts. d) The output of the flip flop (V2) controls the base of the PNP transistor (V7) at least indirectly. This reduces the voltage drop across the voltage regulator to about 0.02 V and results in better utilisation of the battery capacity, particularly in portable devices and vehicles of significance. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Häufig werden elektronische oder elektrische Schaltungen von Batterien aus betrieben. Dies geschieht z. B. bei tragbaren Geräten und insbesondere bei Land-, Wasser- und Luftfahrzeugen usw. Es können dort die Batteriespannungen erheblich schwanken, sei es, dass die Batterien erschöpft sind, sei es, dass die Batterien unter Kälte leiden, sei es, dass Zellen ausfallen usw. Die Batterie hat normalerweise eine höhere Spannung als der Verbraucher benötigt. Zum Beispiel können bei Lastkraftwagen Batteriespannungen bis zu 30 V vorhanden sein. Der Verbraucher ist jedoch auf einen Betrieb von z. B. etwa 12 V ausgelegt. Dieser Verbraucher kann z. B. ein Relais oder ein sonstiger Schalter, z. B. in einer Ladebordwand, sein. Der Spannungsregler regelt dann die Batteriespannung herunter, so dass der Verbraucher z. B. etwa 12 V angeboten bekommt, unabhängig davon, ob das Fahrzeug nun 12 V, 24 V oder 30 V batteriespannung hat.The invention relates to a device according to the preamble of the main claim. Electronic or electrical circuits are often made from batteries operated. This happens e.g. B. in portable devices and especially in rural, Water and aircraft, etc. There can be significant battery voltages fluctuate, either that the batteries are exhausted, or that the batteries are under Suffering from cold, be it that cells fail, etc. The battery usually has one higher voltage than the consumer needs. For example, on trucks Battery voltages up to 30 V are available. However, the consumer is on an operation of z. B. designed about 12 V. This consumer can e.g. B. a Relay or other switch, e.g. B. in a tail lift. The voltage regulator then regulates the battery voltage down so that the consumer z. B. is offered about 12 V, regardless of whether the vehicle is now 12 V, 24 V or 30 V battery voltage.

Damit der Spannungsregler richtig arbeitet, muss die Batteriespannung (siehe Eingangsspannung) etwa 2,7 V grösser sein als seine Ausgangs-Nennspannung. Sinkt die Eingangsspannung des Spannungsreglers unter dessen vom Hersteller vorgeschriebenen Betrag wird der Spannungsregler in einem undefinierten Bereich betrieben. Dabei vermindert sich die Ausgangsspannung des Spannungsreglers zusätzlich durch den am Spannungsregler auftretenden Spannungsabfall.For the voltage regulator to work properly, the battery voltage (see input voltage) 2.7 V higher than its nominal output voltage. Sinks  the input voltage of the voltage regulator below that specified by the manufacturer Amount, the voltage regulator is operated in an undefined range. The output voltage of the voltage regulator is also reduced by the voltage drop occurring at the voltage regulator.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die auch dann das Betreiben des Verbrauchers gestattet, wenn die Eingangsspannung am Spannungsregler zu weit absinkt. Dies soll in einem sehr weiten Bereich von etwa 3,5 bis 30 V Gleichspannung möglich sein. Dabei soll die Schaltung wenige Bauelemente benötigen und unter denjenigen schweren Bedingungen einsetzbar sein, wie sie sich bei tragbaren Geräten und Fahrzeugen finden.The object of the invention is to provide a device of the type mentioned in the introduction, which also allows the consumer to be operated when the input voltage sinks too far at the voltage regulator. This is said to be in a very wide range of about 3.5 to 30 V DC may be possible. The circuit should be few Need components and can be used under those difficult conditions, as found in portable devices and vehicles.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch den kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs gelöst. Eine solche Schaltung ist in der Lage, den Spannungsabfall über den Spannungsregler auf etwa 0,01 bis 0,02 V im Unterspannungsbereich herunterzusetzen. Dadurch wird die Batteriekapazität besser genutzt. Dem Verbraucher steht auch im Unterspannungsbereich immer die grösstmögliche Betriebsspannung zur Verfügung. Dies wirkt sich beim Betrieb von Geräten unter extremen positiven oder negativen Umgebungstemperaturen günstig aus.According to the invention, this object is achieved by the characterizing part of the main claim solved. Such a circuit is able to withstand the voltage drop reduce the voltage regulator to about 0.01 to 0.02 V in the undervoltage range. This will make better use of the battery capacity. The consumer stands The greatest possible operating voltage is always available, even in the undervoltage range. This affects when operating devices under extreme positive or negative ambient temperatures.

Die Erfindung wird anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben.The invention is described on the basis of a preferred exemplary embodiment.

In der Zeichnung zeigen:The drawing shows:

Fig. 1 eine Schaltung, wie sie tatsächlich auch auf kleinstem Raum realisierbar ist, FIG. 1 shows a circuit, as will be realized in the smallest space,

Fig. 2 Spannungsverläufe an den Messpunkten MP 1 bis MP 5 bei sinkender, bzw. steigender Batteriespannung, Fig. 2 voltage characteristics at the measurement points MP 1 to MP 5 with decreasing or increasing battery voltage,

Fig. 3 den Zusammenhang zwischen sinkender bzw. steigender Batteriespannung U B mit der Ausgangsspannung U A über die Zeit und Fig. 3 shows the relationship between of falling or rising battery voltage U B with the output voltage U A over time, and

Fig. 4 die Darstellung des Spannungsabfalls am Spannungsregler einmal ohne die Erfindung und das andere Mal mit der Erfindung bei fallender und steigender Batteriespannung U B . Fig. 4 shows the voltage drop at the voltage regulator once without the invention and the other time with the invention with falling and rising battery voltage U B.

Da die Schaltung in Fig. 1 klar gezeichnet ist, braucht sie in ihren einzelnen Bauelementen und Verbindungen nicht näher erläutert zu werden. V 1 ist ein Spannungsregler vom Typ 7815. V 2 ist ein Schmitt-Trigger vom C-MOS-Typ mit der Bezeichnung 4093B. Soweit der Sinn der Bauelemente nicht unmittelbar aus der Zeichnung hervorgeht, wird ihre Bedeutung anhand folgender Wirkungsweise erklärt:Since the circuit in Fig. 1 is clearly drawn, it does not need to be explained in detail in its individual components and connections. V 1 is a voltage regulator of type 7815. V 2 is a Schmitt trigger of the C-MOS type with the designation 4093B. If the meaning of the components does not appear directly from the drawing, their meaning is explained using the following mode of action:

Die Zenerdiode V 4 setzt die Schwelle für den Einschaltpunkt des Schmitt-Triggers V 2. Der Widerstand R 1 dient zur Strombegrenzung der Zenerdiode V 4.The Zener diode V 4 sets the threshold for the switch-on point of the Schmitt trigger V 2 . The resistor R 1 serves to limit the current of the Zener diode V 4 .

Der Schmitt-Trigger V 2 wird mit der 13 V-Zenerdiode und deren Vorwiderstand R 6 gegen zu hohe Betriebsspannung im Fehlerfalle gesichert. C 3 führt Störimpulse in der C-MOS-Betriebsspannung gegen Masse ab. Die Diode V 8 verhindert einen eventuellen Spannunngsrücklauf vom Messpunkt MP 3 auf den Ausgang des Spannungsreglers V 1, der mit dem Messpunkt MP 2 identisch ist. Mit der Zenerdiode V 5 und deren Strombegrenzungswiderstand R 2 wird verhindert, dass die Eingangsspannung des Schmitt-Triggers V 2 seine Betriebsspannung übersteigt, was zur Zerstörung des Schmitt-Triggers V 2 führen würde. C 5 verhindert eine Schwingneigung am Eingang des Schmitt Triggers V 2. The Schmitt trigger V 2 is secured with the 13 V zener diode and its series resistor R 6 against excessive operating voltage in the event of a fault. C 3 dissipates interference pulses in the C-MOS operating voltage against ground. The diode V 8 prevents a possible voltage return from the measuring point MP 3 to the output of the voltage regulator V 1 , which is identical to the measuring point MP 2 . The Zener diode V 5 and its current limiting resistor R 2 prevent the input voltage of the Schmitt trigger V 2 from exceeding its operating voltage, which would lead to the destruction of the Schmitt trigger V 2 . C 5 prevents a tendency to oscillate at the input of the Schmitt trigger V 2 .

Der Widerstand R 3 dient als Basis-Vorwiderstand für den NPN-Transisitor V 6. Der Widerstand R 4 dient als Strombegrenzung für den NPN-Transistor V 6 sowie zur Anbindung des PNP-Transistors V 7 über dessen Basis-Vorwiderstand R 5 an positives Potential bei Normalbetrieb der Schaltung.The resistor R 3 serves as a basic series resistor for the NPN transistor V 6 . The resistor R 4 serves as a current limit for the NPN transistor V 6 and for connecting the PNP transistor V 7 via its base series resistor R 5 to positive potential during normal operation of the circuit.

Der Keramik-Kondensator C 1 führ Störspannungen in der Versorgung des Spannungsreglers V 1 gegen Masse ab. Der Tantal-Kondensator C 2 puffert die Ausgangsspannung des Spannungsreglers V 1.The ceramic capacitor C 1 dissipates interference voltages in the supply of the voltage regulator V 1 to ground. The tantalum capacitor C 2 buffers the output voltage of the voltage regulator V 1 .

In Fig. 2 ist waagerecht die Betriebsspannung U B in Volt abgetragen, die am Messpunkt MP 1 anliegt. Wie man sieht, reicht der Regelbereich von etwa 3,5 V bis 30 V. Er würde auch über 30 V hinausreichen. Batteriespannungen, die wesentlich höher liegen, sind jedoch physiologisch bedenklich. Aus Fig. 2 erkennt man, das bei den dort angegebenen Spannungen der Schmitt-Trigger V 2 mit einer relativ breiten Hysterese schaltet. Die Hysterese ist deshalb breit, damit der Schmitt-Trigger über längere Zeit in einem seiner beiden Zustände bleibt und bei relativ kleinen Spannungsschwankungen nicht dauernd hin- und hergeschaltet wird. Man erkennt auch, bei welchen Spannungen des Messpunkts MP 4 der Schmitt-Trigger V 2 schaltet, und zwar sowohl in seinen einen als auch in seinen anderen Zustand.In Fig. 2, the operating voltage U B is removed horizontally in volts, which is present at the measuring point MP 1 . As you can see, the control range is from around 3.5 V to 30 V. It would also extend beyond 30 V. Battery voltages that are much higher, however, are physiologically questionable. From Fig. 2 it can be seen that the Schmitt trigger V 2 switches at the indicated voltages there with a relatively wide hysteresis. The hysteresis is therefore wide, so that the Schmitt trigger remains in one of its two states for a longer period of time and does not switch back and forth continuously with relatively small voltage fluctuations. It can also be seen at which voltages of the measuring point MP 4 the Schmitt trigger V 2 switches, both in its one and in its other state.

Aus Fig. 3 erkennt man, wie sich bei sinkender und steigender Batteriespannung U B die Ausgangsspannung U A verhält und wann die Schaltung nach der Erfindung eingeschaltet und wieder ausgeschaltet wird. Auch hier ist die Hysteresebreite des Schmitt-Trigger V 2 zu erkennen.From Fig. 3 it can be seen how with decreasing and increasing battery voltage U B behaves the output voltage U A, and is when the circuit according to the invention switched on and off again. The hysteresis width of the Schmitt trigger V 2 can also be seen here.

Aus der Fig. 4 ist zu erkennen, dass bei eintretender Unterspannung der Spannungsabfall am Spannungsregler V 1 praktisch Null wird, während ohne die Erfindung über einen weiten Spannungsbereich hin der Spannungsabfall gross bleibt. Auch wenn der Spannungsabfall voltmässig gesehen auch ohne die Erfindung nicht all zu gross ist, muss man doch berückichtigen, dass die Verbraucher evtl. relativ hohe Ströme ziehen, so dass sich erhebliche Verlustleistungen ergeben. Diese Verluste in Watt vermeidet die Erfindung eigentlich.It can be seen from FIG. 4 that when the undervoltage occurs, the voltage drop at the voltage regulator V 1 becomes practically zero, while without the invention the voltage drop remains large over a wide voltage range. Even if the voltage drop is not too great in terms of voltages, even without the invention, one must take into account that the consumers may draw relatively high currents, so that there are considerable power losses. The invention actually avoids these losses in watts.

Die Schaltung arbeitet wie folgt:The circuit works as follows:

Wenn am Ausgang des Spannungsreglers V 1 (MP 2) eine zu niedrige Spannung anliegt, wird dem Eingang des Schmitt-Triggers V 2 über R 2 das niedrige Potential, das über R 1 liegt, zugeführt. Der invertierende Ausgang von V 2 steuert dann V 6 mit positivem Potential an und macht ihn leitend. Dadurch wird V 7 über R 5 und die leitende Emitter-Kollektor-Strecke von V 6 an 0 V-Potential gelegt und somit angesteuert. Damit ist der Spannungsregler V 1 überbrückt. Der Spannungsabfall zwischen MP 1 und MP 2 wird nur noch durch die leitende Emitter-Kollektor- Strecke von V 7 bestimmt.If there is too low a voltage at the output of the voltage regulator V 1 ( MP 2 ), the input of the Schmitt trigger V 2 is fed via R 2 to the low potential which is above R 1 . The inverting output of V 2 then drives V 6 with a positive potential and makes it conductive. As a result, V 7 is connected via R 5 and the conductive emitter-collector path from V 6 to 0 V potential and is thus driven. The voltage regulator V 1 is thus bridged. The voltage drop between MP 1 and MP 2 is only determined by the conductive emitter-collector path of V 7 .

Wird die Ausgangsspannung des Spannungsreglers V 1 so gross, dass die Zenerspannung von V 4 überschritten wird, so erhält R 1 und somit der Eingang von V 2 über R 2 bei weiter steigender Spannung immer grösser werdendes positiveres Potential, bis die Schaltschwelle von V 2 erreicht wird. Dann schaltet der Schmitt-Trigger V 2 und gibt am Ausgang 0-Volt-Potential an die Basis von V 6, der dadurch gesperrt ist. Damit erhält die Basis von V 7 über R 4 und R 5 positives Potential und sperrt V 7. Der Spannungsregler V 1 ist somit nicht mehr durch V 7 überbrückt und gibt seine Nominalspannung am Ausgang (MP 2) ab. If the output voltage of the voltage regulator V 1 becomes so high that the Zener voltage of V 4 is exceeded, then R 1 and thus the input of V 2 via R 2 receive increasing positive potential with increasing voltage until the switching threshold of V 2 is reached becomes. Then the Schmitt trigger switches V 2 and outputs 0 volt potential to the base of V 6 at the output, which is thereby blocked. The base of V 7 thus receives positive potential via R 4 and R 5 and blocks V 7 . The voltage regulator V 1 is therefore no longer bridged by V 7 and outputs its nominal voltage at the output ( MP 2 ).

Die Hysterese des Schmitt-Triggers bestimmt die Schaltpunkte (Aus-Ein) für die Normalfunktion und die Überbrückung des Spannungsreglers.The hysteresis of the Schmitt trigger determines the switching points (off-on) for normal function and bridging the voltage regulator.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Spannungsregeln einer im Bereich von etwa 3,5 V bis 30 V liegenden Gleichstrom-Batteriespannung für einen Verbraucher von Gleichspannung, bei der ein Spannungsregler mit seinem Eingang an der Batterie und seinem Ausgang am Verbraucher liegt,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) Der Emitter eines PNP-Transistors (V 7) liegt am Eingang und sein Kollektor liegt am Ausgang des Spannungsreglers (V 1).
b) Am Ausgang des Spannungsreglers (V 1) liegt der eine Pol eines Schwellwertglieds (V 4, R 1) welches ein Absinken der Ausgangsspannung (U A ) unter einen bestimmten Ausgangsspannungs-Sollwert ermittelt.
c) Das Schwellwertglied (V 4) steuert den Eingang einer bistabilen Kippstufe (V 2), die eine mehrere Volt breite Schalthysterese hat.
d) Der Ausgang der Kippstufe (V 2) steuert mindestens mittelbar die Basis des PNP-Transistors (V 7).1. Device for regulating the voltage of a DC battery voltage in the range of approximately 3.5 V to 30 V for a consumer of DC voltage, in which a voltage regulator is connected to the battery with its output and to the consumer,
characterized by the following features:
a) The emitter of a PNP transistor ( V 7 ) is at the input and its collector is at the output of the voltage regulator ( V 1 ).
b) At the output of the voltage regulator ( V 1 ) is the one pole of a threshold element ( V 4 , R 1 ) which determines a drop in the output voltage ( U A ) below a specific output voltage setpoint.
c) The threshold value element ( V 4 ) controls the input of a bistable multivibrator ( V 2 ) which has a switching hysteresis which is several volts wide.
d) The output of the flip-flop ( V 2 ) controls the base of the PNP transistor ( V 7 ) at least indirectly. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang (11) der Kippstufe (V 2) und dem PNP-Transitor (V 7) ein NPN-Transistor (V 6) liegt. 2. Device according to claim 1, characterized in that between the output (11) of the flip-flop (V 2) and the PNP transitor (V 7) is an NPN transistor (V 6). 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwellwertglied (V 4, R 1) die Hintereinanderschaltung einer ersten Zenerdiode (V 4) und eines Widerstands (R 1) umfasst.3. Device according to claim 1, characterized in that the threshold element (V 4, R 1) the series connection of a first Zener diode (V 4) and a resistor (R 1). 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zenerdiode (V 4) eine Durchbruchspannung entsprechend der Maximal-Spannung des Spannungsrelais hat.4. The device according to claim 3, characterized in that the first Zener diode ( V 4 ) has a breakdown voltage corresponding to the maximum voltage of the voltage relay. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bistabile Kippstufe (V 2) ein Schnitt-Trigger ist.5. The device according to claim 1, characterized in that the bistable flip-flop ( V 2 ) is a cut trigger. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmitt- Trigger (V 2) vom Typ 4093B ist.6. The device according to claim 5, characterized in that the Schmitt trigger ( V 2 ) is of the type 4093B. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Versorgungsanschluss der bistabilen Kippstufe (V 2) und der Ausgangsspannung eine Diode (V 8) liegt.7. The device according to claim 1, characterized in that between the supply connection of the bistable multivibrator ( V 2 ) and the output voltage is a diode ( V 8 ). 8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der bistabilen Kippstufe (V 2) und der Ausgangsspannung (U A ) ein Vorwiderstand (R 6) und zwischen Vorwiderstand (R 6) und Masse eine zweite Zenerdiode (V 3) liegt, die eine Durchbruchspannung wenig unter dem Ausgangsspannungs-Sollwert hat.8. The device according to claim 1, characterized in that between the bistable multivibrator ( V 2 ) and the output voltage ( U A ) is a series resistor ( R 6 ) and between the series resistor ( R 6 ) and ground is a second Zener diode ( V 3 ), which has a breakdown voltage just below the output voltage set point. 9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Eingang (13) der Kippstufe (V 2) eine dritte Zenerdiode (V 5) liegt, die zusammen mit einem Vorwiderstand (R 2) verhindert, dass die Eingangsspannung der Kippstufe (V 2) über die Versorgungsspannung der Kippstufe wächst.9. The device according to claim 1, characterized in that at the input ( 13 ) of the flip-flop ( V 2 ) is a third Zener diode ( V 5 ), which together with a series resistor ( R 2 ) prevents the input voltage of the flip-flop ( V 2 ) grows above the supply voltage of the multivibrator.
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