DE3904363C2 - Spannungsregler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Spannungsregler der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Ein derartiger Spannungsregler ist aus der DE 23 59 845 B2 bekannt.

Eine wesentliche Eigenschaft solcher Spannungsregler ist, daß die Referenzspannungsquelle von der geregelten Ausgangsspannung versorgt und dadurch der Durchgriff der ungeregelten Eingangsspannung auf die Referenzspan­ nung besonders gering wird. Beim Anlegen einer Ein­ gangsspannung kann daher der Regelverstärker noch kein Steuersignal für das Stellglied liefern und es wird eine gesonderte, von der Eingangsspannung versorgte Startschaltung zur Ansteuerung des Stellgliedes benö­ tigt.

Bei dem in der DE 23 59 845 B2 beschriebenen Spannungs­ regler ist der Eingang des Spannungsreglers über das Stellglied und über den Spannungsteiler mit dem Ausgang des Spannungsreglers verbunden. Ein an einem Abgriff des Spannungsteilers anstehender erster Teilstrom dient zur Ansteuerung der Startschaltung, die ihrerseits ein Steuersignal für das Stellglied liefert. Ein wesent­ licher Nachteil dieses Spannungsreglers ist, daß der der Startschaltung zugeführte erste Teilstrom, insbe­ sondere bei kleinen Eingangsspannungen, u.U. zu klein ist, um einen Regelvorgang zu starten. Zudem ist die Verlustleistung bei einem derartigen Spannungsregler lediglich im Kurzschlußfall reduzierbar.

Die Fig. 1 zeigt anhand eines Blockschaltbildes den prinzipiellen Aufbau eines gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 realisierten Spannungsreglers. Ein­ gang E und Aus­ gang A sind durch das Stellglied 3 verbunden. Am Ausgang liegt eine Last L an. Eine Referenzspannungsquelle 1, die von der Ausgangsspannung ua versorgt ist, liefert eine Re­ ferenzspannung ur als Sollwert an einen Regelverstärker 2, der ebenfalls von der Ausgangsspannung ua versorgt ist und dem außerdem eine durch Spannungsteilung aus der Ausgangs­ spannung genommene und dieser proportionale Ist-Spannung ui zugeführt ist. Aus dem Vergleich von ui und ur wird im Regelverstärker 2 ein Steuersignal sr für das Stellglied 3 erzeugt. Eine von der Eingangsspannung ue versorgte Start­ schaltung 4 liefert ein Steuersignal ss für die Start­ phase.

Eine mögliche Ausführung eines solchen Spannungsreglers ist für positive Spannungen ue, ua in Fig. 2 am Beispiel einer in bipolarer Technik realisierten Schaltungsanord­ nung in detaillierter Form skizziert. Als Stellglied ist ein pnp-Transistor T3 eingesetzt. Dies bringt den Vorteil eines minimalen Mindest-Spannungsabfalls über dem Stell­ glied in der Größenordnung der Sättigungsspannung des Stelltransistors T3, die beispielsweise bei rund 100 mV liegt. Transistoren der jeweils anderen Polarität würden mindestens einen Spannungsabfall in der Größenordnung ei­ ner Basis-Emitter-Diodenflußspannung bewirken, die mit ca. 700 mV wesentlich über der Sättigungsspannung liegt. Die Referenzspannungsquelle ist in bekannter Weise als Bandab­ stand (band-gap)-Referenz ausgeführt und zusammen mit dem Regelverstärker durch die an der mit unterbrochener Linie umrandeten Baugruppe 12 enthaltenen Bauelemente reali­ siert. In dem dem Fachmann aus sich verständlichen Aufbau der Baugruppe 12 sind für die weiteren Erläuterungen nur die Transistoren T2, T4 und der ohmsche Widerstand RE im einzelnen bezeichnet. Der Widerstand RE und der Transistor T4 sind sowohl Bestandteil des Regelverstärkers als auch der Startschaltung. Die Bauelemente der Startschaltung sind durch die in der umrandeten Baugruppe 14 enthaltenen Bauelemente gegeben. Bei Anlegen einer Eingangsspannung ue an den Eingang E des Spannungsreglers fließt über den Wi­ derstand RS ein Strom zur durch die Dioden D1, D2 auf kon­ stantem Potential liegenden Basis des Transistors T4 und steuert diesen aus, so daß ein Basisstrom ib im Stelltran­ sistor T3 und über den Kollektor von T3 ein Strom zum Aus­ gang fließen kann. Von der nun am Ausgang anliegenden Spannung wurden auch Referenzspannungsquelle und Regelver­ stärker versorgt und der Regelkreis ist in Betrieb. Bei Ansteigen der an der Last abfallenden Spannung wird der Strom durch Transistor T2 erhöht und dadurch der Basis­ strom von T3 durch T4 verringert, so daß sich bei Errei­ chen der Nominalspannung ein Gleichgewichtszustand ein­ stellt. Der Regelverstärker kann den Basisstrom von T3 also nur reduzierend beeinflussen.

Die Startschaltung muß so dimensioniert sein, daß die bei allen zulässigen Lastbedingungen das Stellglied zuverläs­ sig ansteuert. Bei dem beschriebenen Beispiel nach Fig. 2 bedeutet dies beispielsweise, daß die Startschaltung auch bei niedriger Eingangsspannung und niederohmiger Last einen ausreichend hohen Basisstrom für den Stelltransistor T3 erzeugt. Der Vorwiderstand RS kann daher nicht beliebig hochohmig gemacht werden. Ein hochohmiger Widerstand wäre auch aus Gründen des Flächenbedarfs bei der Schaltungsin­ tegration nachteilig. Bei höheren Eingangsspannungen und/oder bei geringerem Laststrom führt dies aber dazu, daß ein unnötig hoher Strom durch die Startschaltung fließt. Der daraus resultierende, insbesondere bei hohen Eingangsspannungen nicht vernachlässigbare Leistungsver­ brauch ist sowohl wegen der Belastung der Eingangsspan­ nungsquelle als auch hinsichtlich der Wärmeabfuhr uner­ wünscht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, bei einem Spannungsregler der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art den Eigenleistungsverbrauch zu reduzieren.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Un­ teransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Kleine zur Startschaltung fließende Ströme, die nur einen geringen Eigenleistungsverbrauch darstellen, fließen auch bei dem erfindungsgemäßen Spannungsregler durch die Start­ schaltung, so daß unverändert ein zuverlässiger Start un­ ter allen zulässigen Lastbedingungen sichergestellt ist. Höhere zur Startschaltung fließende Ströme werden aber aufgeteilt in einen ersten Teilstrom durch die Startschal­ tung und einen zweiten Teilstrom direkt zum Ausgang. Der erste Teilstrom ist auf einen vorgegebenen Wert begrenzt und ein ggf. darüber hinausgehender Anteil im zur Start­ schaltung fließenden Strom wird als der zweite Teilstrom der Last zugeführt und damit nutzbringend verwendet.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch einge­ hend veranschaulicht. Dabei wird von einer Schaltung wie in Fig. 2 skizziert, gegenüber der nur die von der Erfin­ dung betroffenen Bauelemente oder Baugruppen verändert sind, ausgegangen.

Bei der in Fig. 3 skizzierten Anordnung ist der Vorwider­ stand RS aus Fig. 2 ersetzt durch einen Spannungsteiler aus den Widerständen R1 und R2. Der Abgriff zwischen R1 und R2 ist über eine Serienschaltung von Dioden DL mit dem Ausgang des Stellgliedes (Kollektor von Transistor T3) und damit mit dem Ausgang A des Spannungsreglers verbunden. Der Knotenpunkt von R1 und R2 erreicht damit maximal eine Spannung uz, die um die Durchflußspannung der Diodenreihe (DL) über der Ausgangsspannung ua liegt. Die Spannungsdif­ ferenz zwischen uz und ua wird vorteilhafterweise höher gewählt als die Basisspannung von T4, so daß auch bei nie­ derohmiger Last über dem Widerstand R2 eine Mindestspan­ nung abfällt und somit ein Strom durch den Transistor T4 sichergestellt ist. Der Strom iI durch die Startschaltung ist auf einen durch R2 und die Spannungsdifferenz zwischen uz und dem Basispotential ub von T4 festgelegten Wert be­ grenzt. Bei kleinen Eingangsspannungen ue liegt die Span­ nung am Knotenpunkt von R1 und R2 unterhalb der Grenzspan­ nung uz und der gesamte durch R1 zur Startschaltung fließende Strom is fließt durch die Startschaltung R2, D1, D2, T4 und RE. Bei zunehmender Eingangsspannung ue steigt der Strom durch R2 an bis zu einem durch uz, ub und R2 festgelegten Grenzwert iI. Wenn der durch R1 zur Start­ schaltung fließende Strom is größer wird als iI bleibt der Strom durch R2 als ein erster Teilstrom konstant auf iI und der Differenzstrom is-iI fließt als zweiter Teilstrom iII durch die Dioden DL zur Last.

Bei der in Fig. 4 skizzierten Ausführungsform ist der Strom durch die Startschaltung mittels R4 und T5 begrenzt. Bei kleinen Strömen is liegt der Spannungsabfall über R4 unter der Basis-Emitterflußspannung von T5 und T5 sperrt. Bei ansteigendem Strom is steigt der Strom durch R4 und R5 an, bis an R4 ein Spannungsabfall von der Größe der Basis- Emitterflußspannung ube von T5 erreicht ist und bleibt auf diesen Wert begrenzt. Ein darüber hinausgehender Stroman­ teil in is wird als Kollektorstrom von T5 zum Ausgang A und damit zur Last L geführt. Unter der Annahme, daß der Basisstrom von T5 klein ist gegenüber dem Strom durch R4 wird der Strom durch die Startschaltung auf einen durch R4 und T5 festgelegten Wert begrenzt.

Auf Spannungsregler für negative Spannungen ue, ua sind die beschriebenen Beispiele in bekannter Weise durch Wech­ sel der Polarität der Bauelemente übertragbar. Darüber hinaus sind aber auch weitere Schaltungsvarianten, insbe­ sondere Maßnahmen zur Spannungs- oder Strombegrenzung, möglich und dem Fachmann bekannt, welche zur Realisierung der Erfindung im Detail geeignet sind und grundsätzlich nach dem beschriebenen Prinzip arbeiten.

Claims (6)

1. Spannungsregler nach dem Prinzip eines linearen Längsspan­ nungsreglers, mit
einem Eingang (E) und Ausgang (A) des Spannungsreglers verbindenden Stellglied (3),
einem Regelverstärker (2),
einer aus der Ausgangsspannung (ua) versorgten Referenzspannungsquelle (1)
sowie einer von der Eingangsspannung (ue) versorgten Startschaltung (4) mit einem mit dem Eingang (E) des Spannungsreglers verbundenen Spannungsteiler (R1, R2; R3, R4), zu der vom Eingang (E) des Spannungsreglers ein Startstrom (is) fließt, aus dem ein durch die Startschaltung hindurch fließender erster Teilstrom (iI) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, durch die der erste Teilstrom (iI) begrenzt und ein ggf. über die Begrenzung hinausgehender Anteil des Startstromes (is) als zweiter Teilstrom (iII) gebildet wird, der von einem Abgriff des Spannungsteilers (R1, R2; R3, R4) unter Umgehung des Stellgliedes (3) zum Ausgang (A) des Spannungsreglers geführt wird, und daß der Spannungsregler monolithisch integrierbar ist (Fig. 3, 4).

2. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spannung am Abgriff des Spannungs­ teilers auf eine über der Ausgangsspannung (ua) liegende Zwischenspannung (uz) begrenzt ist.

3. Spannungsregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zwischenspannung um eine definierte Span­ nungsdifferenz über der Ausgangsspannung liegt.

4. Spannungsregler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Abgriff des Spannungsteilers über mehrere in Serie geschaltete Dioden (DL) mit dem Ausgang (1) verbunden ist.

5. Spannungsregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teilstrom (iII) über aktive Bau­ elemente (TS) unter Umgehung des Stellgliedes auf den Ausgang geführt wird.

6. Spannungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß bei Integration in Bipo­ lartechnik die Startschaltung einen emittergegengekoppel­ ten Steuertransistor (T4) mit stabilisiertem Basispoten­ tial enthält, dessen Kollektorstrom als Steuersignal den Basisstrom (ib) eines als Stellglied eingesetzten Längstransistors (T3) bildet (Fig. 3, 4).