DE3932776A1 - Stromversorgungseinrichtung mit spannungsregelung und strombegrenzung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinrichtung mit einem von einem Steuertransistor angesteuerten Lei­ stungstransistor, mit einem Strommeßwiderstand, mit einem den Steuertransistor ansteuernden ersten Regelverstärker, der eine ausgangsseitige Spannung mit einer ersten Re­ ferenzspannung vergleicht, und mit einem zweiten Regel­ verstärker, der eine am Strommeßwiderstand abgreifbare Meßspannung mit einer zweiten Referenzspannung ver­ gleicht.

Zum Betrieb von elektronischen Schaltungen benötigt man Gleichspannungen, bei denen ein gewünschter Spannungswert auch bei Netzspannungsschwankungen, Laststromschwankungen sowie Temperaturschwankungen innerhalb eines bestimmten Toleranzbereiches eingehalten wird. Aus diesen Gründen ist eine, beispielsweise aus der Netzspannung durch Gleichrichtung gewonnene, Ausgangsspannung nicht direkt als Betriebsspannung für elektronische Schaltungen geeig­ net, sondern muß durch eine nachgeschaltete Spannungsre­ gelung und Strombegrenzung stabilisiert und geglättet werden.

Aus US-PS 43 46 342 ist ein Spannungsregler und eine Strombegrenzungsschaltung für eine, beispielsweise aus der Netzspannung durch Gleichrichtung gewonnene, Gleich­ spannung mit einem Leistungstransistor und einem Strom­ meßwiderstand bekannt. Die Spannungsregelung wird dabei aus einem ersten Regelverstärker gebildet, der eine am intervierenden Eingang liegende, am Mittenabgriff eines ausgangsseitigen Spannungsteilers gewonnene Spannung mit einer am nichtinvertierenden Eingang liegenden Referenz­ spannung vergleicht. Der Ausgang des ersten Regelverstär­ kers ist mit der Basis des Steuertransistors verbunden. Die Strombegrenzung wird aus einem zweiten Regelverstär­ ker gebildet, der eine am Strommeßwiderstand abgreifbare Meßspannung mit einer zweiten Referenzspannung ver­ gleicht. Der Ausgang des zweiten Regelverstärkers ist über eine Diode ebenfalls mit der Basis des Steuertransi­ stors verbunden, während der Emitter des Steuertransi­ stors über einen Widerstand mit einem Bezugspotential verbunden ist. Somit wird die Basis des Steuertransistors sowohl von dem ersten Regelverstärker zur Spannungsrege­ lung als auch von dem zweiten Regelverstärker zur Strom­ begrenzung angesteuert. Darüber hinaus werden die Refe­ renzspannungen der beiden Regelverstärker aus zwei ge­ trennten Referenzspannungen erzeugt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromver­ sorgungseinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die einen geringen Bauteileaufwand sowie ein ausreichen­ des dynamisches Regelverhalten aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einer Stromversorgungseinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Aus­ gang des ersten Regelverstärkers an eine erste Elektrode und der Ausgang des zweiten Regelverstärkers an eine zweite Elektrode des Steuertransistors angeschlossen ist, wobei der Steuertransistor bei aktiver Spannungsregelung in Emitterschaltung und bei aktiver Strombegrenzung in Basisschaltung arbeitet.

Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteran­ sprüchen enthalten.

Im folgenden wird die Erfindung anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die Figur zeigt eine Stromversorgungseinrichtung mit Spannungsregelung und Strombegrenzung.

Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel liegt die Spannungsregelung und Strombegrenzung zwischen einer Stromversorgungseinrichtung 1, die eine ungeregelte Gleichspannung UE (Eingangsspannung) liefert, und einem von einem Ausgangsstrom I durchflossenen Lastwider­ stand RL, an dem eine geregelte Versorgungsspannung UA (Ausgangsspannung) anliegt. In einem ersten Längs­ zweig ZW1 liegt ein PNP-Leistungstransistor T1, dessen Basis-Emitter-Strecke über einen Widerstand R4 verbunden ist. Der Leistungstransistor T1 wird von einem Steuer­ transistor T2 angesteuert. Dazu ist der Kollektor des Steuertransistors T2 mit der Basis des Leistungstransi­ stors T1 verbunden. Parallel zum Lastwiderstand RL liegt ein Kondensator C3 sowie die Reihenschaltung eines ersten Widerstands R1 und eines zweiten Widerstands R2. Der Mit­ tenabgriff der Widerstände R1, R2 ist mit dem invertie­ renden Eingang eines ersten Regelverstärkers OP1 verbun­ den. Zwischen dem nichtinvertierenden Eingang des ersten Regelverstärkers OP1 und dem negativen Bezugspotenti­ al UA- der Ausgangsspannung UA liegt eine Referenzspan­ nungsquelle Uref. Der mit dem nichtinvertierenden Eingang des ersten Regelverstärkers OP1 verbundene Pol der Refe­ renzspannungsquelle Uref ist über einen Widerstand R6 mit dem invertierenden Eingang eines zweiten Regelverstär­ kers OP2 verbunden. Der invertierende Eingang des zweiten Regelverstärkers OP2 ist außerdem über einen Wider­ stand R7 mit dem positiven Pol UA+ der Ausgangsspan­ nung UA verbunden. In einem zweiten Längszweig ZW2 liegt zwischen dem negativen Pol UE- der ungeregelten Eingangs­ spannung UE und dem negativen Pol UA- der geregelten Aus­ gangsspannung UA ein Strommeßwiderstand R10, an dem eine Meßspannung UM anliegt. Der mit dem negativen Pol UA- der Ausgangsspannung UA verbundene Anschluß des Strommeßwi­ derstands R10 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang des zweiten Regelverstärkers OP2 und der mit dem negativen Pol UE- der ungeregelten Gleichspannung UE verbundene An­ schluß über einen Widerstand R8 mit dem invertierenden Eingang des zweiten Regelverstärkers OP2 verbunden. Zwi­ schen dem invertierenden Eingang des ersten Regelverstär­ kers OP1 und dem mit der Basis des Steuertransistors T2 verbundenen Ausgang des ersten Regelverstärkers OP1 liegt die Reihenschaltung eines Widerstands R3 und eines Kon­ densators C1. Zwischen dem invertierenden Eingang des zweiten Regelverstärkers OP2 und dem Ausgang des zweiten Regelverstärkers OP2 liegt die Reihenschaltung eines Wi­ derstands R9 und eines Kondensators C2. Der Ausgang des zweiten Regelverstärkers OP2 ist über einen Widerstand R5 mit dem Emitter des Steuertransistors T2 verbunden. Anti­ parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Steuertransi­ stors T2 ist eine Gleichrichterdiode D1 angeordnet.

Die beiden Regelverstärker OP1, OP2 weisen eine gemeinsa­ me Spannungsversorgung mit einem positiven Anschluß VCC und einem negativen Anschluß VEE auf. Die dazu benötigte Spannung wird dabei direkt an der Gleichspannung UE abge­ griffen. Dazu ist der positive Anschluß VCC mit dem posi­ tiven Pol UE+ und der negative Anschluß VEE mit dem nega­ tiven Pol UE- der ungeregelten Gleichspannung UE verbun­ den.

Im Normalbetrieb ist der erste Regelverstärker OP1 zur Spannungsregelung aktiv. In diesem Betriebszustand er­ folgt keine Begrenzung des Ausgangsstroms I durch den zweiten Regelverstärker OP2. Der Ausgang des zweiten Re­ gelverstärkers OP2 liegt auf dem Potential VEE. Damit liegt auch der mit dem Emitter des Steuertransistors T2 verbundene Anschluß des Widerstands R5 auf dem Potenti­ al VEE und der Steuertransistor T2 arbeitet in Emitter­ schaltung mit Stromgegenkopplung.

Der Kollektorstrom des Steuertransistors T2 und damit auch der Basisstrom des Leistungstransistors T1 ist in Folge der Stromgegenkopplung des Steuertransistors T2 durch den Widerstand R5 proportional zur Basisspannung des Steuertransistors T2. Der Ausgangsstrom I und damit auch der Kollektorstrom des Leistungstransistors T1 ist wiederum proportional zum Basisstrom des Leistungstransi­ stors T1. Der Ausgangsstrom I wird in Abhängigkeit vom momentanen Wert des Lastwiderstands RL so geregelt, daß die Versorgungsspannung UA am Lastwiderstand RL konstant bleibt. Dabei stellt sich die Ausgangsspannung des ersten Regelverstärkers OP1 und damit die Spannung an der Basis des Steuertransistors T2 so ein, daß die am invertieren­ den Eingang des ersten Regelverstärkers OP1 anliegende Spannung, die durch Teilung über den Spannungsteiler R1, R2 gebildet wird, gleich der am nichtinvertierenden Ein­ gang anliegenden Referenzspannung Uref ist. Die Stromge­ genkopplung des Steuertransistors T2 durch den Emitterwi­ derstand R5 hat den Vorteil, daß die Verstärkung des Steuertransistors T2 weitgehend stabil bleibt und im we­ sentlichen durch den Widerstandswert des Emitterwider­ stands R5 bestimmt wird und weniger von der nichtlinearen Übertragungskennlinie des Steuertransistors T2 abhängig ist. Somit wird auch die Temperatur- und Stromabhängig­ keit der Verstärkung des Steuertransistors T2 sowie die Abhängigkeit durch Exemplarstreuungen reduziert.

Übersteigt der Spannungsabfall UM am Strommeßwider­ stand R10 den durch die Widerstände R6, R7, R8 sowie die Referenzspannung Uref vorgegebenen Grenzwert, so steigt die Ausgangsspannung des zweiten Regelverstärkers OP2 an. In diesem Betriebszustand wird der zweite Regelver­ stärker OP2 zur Strombegrenzung aktiv. Dadurch sinkt der Kollektorstrom des Steuertransistors T2 und somit eben­ falls der Basisstrom des Leistungstransistors T1. Der als Spannungsregler arbeitende erste Regelverstärker OP1 ver­ sucht jetzt durch weiteres Erhöhen seiner Ausgangsspan­ nung den Basisstrom des Leistungstransistors T1 aufrecht­ zuerhalten, bis diese schließlich die positive Aussteue­ rungsgrenze VCC erreicht. Die Basis des Steuertransi­ stors T2 liegt jetzt auf festem Potential VCC und der Steuertransistor T2 arbeitet somit in Basisschaltung. Da­ durch sinkt der Kollektorstrom des Steuertransistors T2 und damit der Ausgangsstrom I in dem Maße, in dem die Ausgangsspannung des zweiten Regelverstärkers OP2 an­ steigt. Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungs­ beispiel wird durch den zwischen dem positivem Pol UA+ der Ausgangsspannung UA und dem invertierenden Eingang des zweiten Regelverstärkers OP2 geschalteten Wider­ stand R7 eine rückläufige Kennlinie der Versorgungsspan­ nung UA in Abhängigkeit des Ausgangsstroms I erreicht. Die Verknüpfung der beiden Ausgangssignale des als Span­ nungsregler arbeitenden ersten Regelverstärkers OP1 und des als Strombegrenzung arbeitenden zweiten Regelverstär­ kers OP2 erfolgt lediglich durch ein Bauteil, d. h. durch den Steuertransistor T2, der abhängig davon, ob die Span­ nungsregelung oder die Strombegrenzung aktiv ist, entwe­ der in Emitterschaltung oder in Basisschaltung arbeitet. Durch die Stromgegenkopplung mit dem Widerstand R5 wird erreicht, daß die Verstärkung des Steuertransistors T2 in beiden Betriebszuständen weitgehend konstant bleibt. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsform wird für den er­ sten und zweiten Regelverstärker OP1, OP2 ein in einem Bauteil intergrierter Doppeloperationsverstärker verwen­ det, dessen Gleichtakt-Eingangsspannung auch Werte von OV annehmen darf. Der Einsatz eines Doppeloperationsverstär­ kers führt neben einer Bauteilereduzierung auch zu einer Platz- und Kosteneinsparung.

Beim Übergang von Spannungsregelung auf Strombegrenzung, d. h. beim Übergang des Betriebszustands des Steuertransi­ stors T2 von Emitterschaltung in Basisschaltung, kann sich die Polarität der Spannung der Basis-Emitter-Strecke des Steuertransistors T2 umkehren. Die antiparallel zur Basis-Emitter-Strecke liegende Diode D1 begrenzt in die­ sem Fall die Spannung und verhindert so einen Durchbruch der Basis-Emitter-Strecke. Die Reihenschaltungen des Kon­ densators C1 und des Widerstands R3 bzw. des Kondensa­ tors C2 und des Widerstands R9 bilden Gegenkopplungsnetz­ werke der Regelverstärker OP1, OP2, die der Frequenzgang­ korrektur dienen. Sie können unabhängig für den jeweili­ gen Regelverstärker OP1, OP2 dimensioniert werden. Die Referenzspannung Uref wird beispielsweise mit Hilfe einer Zenerdiode oder einem Bandabstandsreferenzelement er­ zeugt. Aus der einen Referenzspannung Uref werden sowohl die Sollwerte des ersten als auch des zweiten Regelver­ stärkers gewonnen. Die Stromversorgungseinrichtung mit Spannungsregelung und Strombegrenzung arbeitet auch noch zuverlässig bei sehr kleinen Differenzen zwischen der Eingangsspannung UE und der Versorgungsspannung UA (Low- Drop-Out-Voltage). Dadurch ergibt sich ein höherer Wir­ kungsgrad sowie eine höhere Versorgungsspannung bei der kleinsten vorkommenden Eingangsspannung.

Claims (8)

1. Stromversorgungseinrichtung mit einem von einem Steu­ ertransistor (T2) angesteuerten Leistungstransistor (T1), mit einem Strommeßwiderstand (R10), mit einem den Steuer­ transistor (T2) ansteuernden ersten Regelverstär­ ker (OP1), der eine ausgangsseitige Spannung mit einer ersten Referenzspannung (Uref) vergleicht, und mit einem zweiten Regelverstärker (OP2), der eine am Strommeßwider­ stand (R10) abgreifbare Meßspannung (UM) mit einer zwei­ ten Referenzspannung vergleicht, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des ersten Regelverstärkers (OP1) an eine erste Elektrode und der Ausgang des zweiten Regelverstär­ kers (OP2) an eine zweite Elektrode des Steuertransi­ stors (T2) angeschlossen ist, wobei der Steuertransi­ stor (T2) bei aktiver Spannungsregelung in Emitterschal­ tung und bei aktiver Strombegrenzung in Basisschaltung arbeitet.

2. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode die Basis und die zweite Elektro­ de der Emitter des Steuertransistors (T2) ist.

3. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des zweiten Regelverstär­ kers (OP2) und dem Emitter des Steuertransistors (T2) ein Widerstand (R5) liegt.

4. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der invertierende Eingang des zweiten Regelverstär­ kers (OP2) über einen Widerstand (R7) mit dem Kollektor des Leistungstransistors (T1) verbunden ist.

5. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Referenzspannung aus einer Referenzspannungsquelle (Uref) gewonnen wird.

6. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß antiparallel zur Basis-Emitter-Strecke des Steuer­ transistors (T2) eine Gleichrichterdiode (D1) liegt.

7. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Regelverstärker (OP1) über die Reihenschal­ tung eines Widerstands (R3) und eines Kondensators (C1) gegengekoppelt ist.

8. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Regelverstärker über die Reihenschaltung eines Widerstands (R9) und eines Kondensators (C2) gegen­ gekoppelt ist.