DE4233826C2 - Spannungsstabilisierungsschaltung mit geringen Verlusten und einstellbarer Strombegrenzungskennlinie - Google Patents

Spannungsstabilisierungsschaltung mit geringen Verlusten und einstellbarer Strombegrenzungskennlinie

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Description

Die Erfindung betrifft eine Spannungsstabilisierungsschaltung mit geringen Verlusten und einstellbarer Strombegrenzungskennlinie (DE 39 32 399 C1).
Elektronische Schaltungen werden bekanntlicherweise mit Gleichspannung versorgt, die auch bei Spannungsschwankungen der Quelle stabil sein muß. Für diesen Zweck wird eine Spannungsstabilisierungsschaltung zwischen die elektronische Schaltung und die Quelle geschaltet, die neben den Spannungsschwankungen am Eingang auch Laständerungen am Ausgang sowie Temperatureinflüsse in einem Toleranzbereich ausregelt. Als Quelle kann auch eine mit Welligkeit, z. B. 100 Hz behaftete, gleichgerichtete, an die Stabilisie­ rungsschaltung angepaßte Netzspannung dienen. Zum Schutz der Stabilisierungsschaltung gegen Zerstörung, bei Überlast am Ausgang, ist eine Strombegrenzungsschaltung vorgesehen. Spannungsstabilisierungschaltungen mit Serientransistor als Stellglied, in Kollektor oder Drainschaltung ohne Hilfsspannung, bekannt aus TEXAS INSTRUMENTS Linear and Interface Circuit Product Application, Volume 1, 1986, S. 5-71 bis 5-72 arbeiten nur dann zufriedenstellend, wenn die Quellenspannung beträchtlich größer ist als die zu stabilisierende Ausgangsspannung, was einen schlechten Wirkungsgrad mit sich bringt.
Eine Strombegrenzungskennlinie mit I-Konstant nach der Überlastung führt bei größeren Ausgangsspannungen und Strömen zur Zerstörung des Endstufentransistors durch zu große Verlustleistung.
Eine Spannungs- und Stromregelung mit obengenannten Merkmalen ist weiterhin bekannt aus der DE 39 32 399 C1. Der Spannungsregelkreis besteht bei dieser Schaltung aus einem N-Kanal-MOSFET in Drainschaltung, der von dem Spannungsregler mit Proportionalverhalten angesteuert wird, welcher die bewertete Regeldifferenz aus der Referenzspannung und geteilten Ausgangsspannung erzeugt.
Der Stromregelkreis besteht aus zwei Komparatoren und einem proportional arbeitenden Stromregler, der den N-Kanal-MOSFET bei zu großem Strom am Ausgang sperrt. Die Stromsensung am Meßwiderstand geschieht durch den ersten Komparator der seinen Ausgangswert über ein Zeitglied an den zweiten Komparator übergibt. Die Ausgangsspannung des zweiten Komparator ist der verzögerte Stromistwert, der dem Stromregler am invertierenden Eingang zugeführt wird. Der Stromsollwert und die Arbeitspunkte der Komparatoren werden durch eine zweite Referenz vorgegeben.
Stromistwertverzögerung und damit das verzögerte Sperren des MOSFETS sowie das Wiedereinschalten geschieht durch das Zeitglied, das beim Laden des Zeitgliedkondensators eine andere Zeitkonstante hat als beim Entladen.
Regeleinrichtungen mit N-Kanal-MOSFETS in Drainschaltung als Stellglied bringen den Nachteil mit sich, daß sie nur dann mit gutem Wirkungsgrad arbeiten, wenn die Versorgungsspannung der Ansteuerschaltung, durch eine Hilfsspannung, größer ist als die Drainspannung des MOSFETS, denn nur dann kann er in den Bereich des niedrigen ON-Widerstandes gesteuert werden. Eine verzögerte Strombegrenzung mit Schaltverhalten kann die angeschlossene Elektronik oder ein aktiviertes Überspannungsschutzelement am Ausgang zerstören, da ein Überstrom immer erst verzögert erkannt wird.
Ferner ist aus der DE 36 26 088 C2 ein Spannungsregelkreis bekannt, der aus einem PI beschaltetem Spannungsregler mit externer Referenz, einer steuerbaren Stromquelle und einen bipolaren PNP-Leistungstransistor in Emitterschaltung als Stellglied, die sich in Folge ansteuern, besteht. Der Stromregelkreis besteht aus einem stromfühlenden Komparator, der, über einen Transistor, auf die steuerbare Stromquelle eingreift um den Stromfluß im PNP- Leistungstransistor im Falle Überstrom zu vermindern. Die Stromsollwertvorgabe wird durch Spannungsteilung der Eingangsspannung erreicht, der Stromistwert, am Meßwiderstand im Emitterzweig des Leistungstransistor, nach Spannungsteilung dem invertierenden Eingang des Komparators zugeführt. Ein Widerstand vom Ausgang zum invertierenden Eingang erzeugt eine rückläufige Ausgangskennlinie.
Regeleinrichtungen mit PNP-Leistungstransistor als Stellglied bringen den Nachteil mit sich, daß sie bei großem Ausgangsstrom, durch den Verstärkungsverlust des Leistungstransistors, mit großem Basisstrom angesteuert werden müssen, was den Wirkungsgrad der Regeleinrichtung, vor allem bei großen Ausgangsspannungen, verschlechtert. Da die Stromsollwertvorgabe durch Spannungsteilung der Eingangsspannung vorgegeben ist, ist eine definierte Strombegrenzung sowie einziehende Kurve nicht möglich.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine besonders einfache und effiziente Spannungsstablisierungsschaltung und eine Stormbegrenzungsschaltung mit einstellbarer Stombegrenzungskurve anzugeben, um den maximalen Strom und den Strom im Betriebsfall "Netzüberspannung" und "Kurzschluß am Ausgang" getrennt und unabhängig von der Eingangsspannung einstellen zu können, damit die Verlustleistung unterhalb der Verlustleistungshyperbel des Endstufentransistors bleibt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.
Figurbeschreibung:
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Schaltung in den Fig. 1 bis 3 näher erläutert.
Die Fig. 1 zeigt eine Spannungsstabilisierungsschaltung mit einstellbarer Strombegrenzungskennlinie.
Die Stabilisierungsschaltung liegt zwischen der schwankenden Eingangsgleichspannung UE und der elektronischen Schaltung, hier als Last RL dargestellt, die mit einer konstanten elektrischen Spannung UA versorgt werden soll. Der Kondensator C1 speichert, im Falle der Gleichrichtung der angepaßten Netzspannung, elektrische Spannung während der Ladepausen. Der Kondensator C2 verhindert eine zu schnelle Spannungsänderung am Ausgang. Der Laststrom IL fließt, technisch gesehen, von dem Quellenpol UE0, der auch gleichzeitig UA0 ist, über die Last RL, dem N-Kanal-MOSFET T1 und dem Meßwiderstand RM zum Quellenpol UE- zurück. Die Spannungsstabilisierung an der Last wird dadurch erreicht, daß T1, je nach Schwankung der Quellenspannung UE, mehr oder weniger durchsteuert.
Der Spannungsregelkreis besteht aus dem:
Spannungsregler, der nach Fig. 2 oder Fig. 3 ausgeführt werden kann und die bewertete Regeldifferenz URDS erzeugt, mit der die
spannungsgesteuerte Stromquelle angesteuert wird, bestehend aus dem PNP Kleinsignaltransistor T2 mit Emitterwiderstand R5, dessen Ausgangsstrom die
stromgesteuerte Spannungsquelle OP1 ansteuert, beschaltet mit der Referenz UREF1, dem Gegenkopplungswiderstand R3 und dem Widerstand R4 vom invertierenden Eingang nach UE- und den Dämpfungsspannungsteiler R2 und R1 am Ausgang des OP1, über den der
N-Kanal MOSFET T1, in Sourceschaltung, angesteuert wird, der die Ausgangsspannung UA stabilisiert.
Die beste Funktion der stromgesteuerten Spannungsquelle OP1 und damit die Ansteuerung des N-Kanal MOSFETs ist dann gegeben, wenn die Widerstände R3 und R4 gleiche Werte haben, so daß sich beim Steuerstrom von 0 Ampere, durch die spannungsgesteuerte Stromquelle, bestehend aus T2 und R5, die Ausgangsspannung von OP1 auf 2*UREF1, und umgekehrt bei einem Steuerstrom von UREF1/(R3 parallel R4) die Ausgangsspannung von 0 Volt einstellt. Da dieser Spannungshub, gedämpft durch den Spannungsteiler R1/(R1+R2), vom Gate des N-Kanal-MOSFETs T1 zum Source anliegt, kann dieser bis in den Bereich des niedrigen ON-Widerstandes gesteuert werden und dadurch mit sehr kleinen Spannungsabfällen zwischen Drain und Source arbeiten, was kleine Verluste zu Folge hat.
Der Stromregelkreis besteht aus dem:
Stromregler OP2, beschaltet als PI (auch PID) durch C3, R7 und R8, der aus dem Sollwert, dem Spannungsabfall an R11 und dem Istwert, den Spannungsabfall am laststromdurchflossenen Widerstand RM und am Widerstand R9, die bewertete Regeldifferenzspannung erzeugt, mit der die oben beschriebene
stromgesteuerte Spannungsquelle OP1 über die Dioden-, Widerstandsreihenschaltung D1, R6 angesteuert wird, um dem
N-Kanal-MOSFET T1 in Sourceschaltung so anzusteuern, daß der Ausgangsstrom durch den Spannungsabfall an R11 vorgegebene Wert nicht überschreitet.
Die einstellbare Strombegrenzungskennlinie wird dadurch realisiert, daß der Stromsollwert, d. h. der Spannungsabfall an R11, je nach Ausgangsspannung, im Falle der Überlastung, einstellbar verkleinert wird. Der durch R11 fließende Strom setzt sich zusammen aus dem Strom, der von der Referenzspannung UREF1 durch die Widerstände R12 und TR1 fließt und dem Strom, den die einstellbare ausgangsspannungsgesteuerte Stromquelle, bestehend aus dem PNP Kleinsignaltransistor T3 und den Emitterwiderständen R13 und TR2 liefert.
Bei Kurzschluß am Ausgang der Spannungsstabilisierungs­ schaltung ist der Stromwert mit dem Widerstand TR1 so einzustellen, daß das Produkt aus Kurzschlußstrom und Drain- Sourcespannung unterhalb der Verlustleistungshyperbel des N- Kanal-MOSFETs T1 liegt.
Der Einsatzpunkt der Strombegrenzung liegt höher als der Kurzschlußstrom, da bei vorhandener Ausgangsspannung UA die einstellbare, von UA spannungsgesteuerte Stromquelle bestehend aus T3, R13 und TR2 einen zusätzlichen Strom durch R11 fließen läßt und damit den Stromsollwert erhöht. Mit TR2 ist der Strombegrenzungseinsatz einzustellen.
Der Stromfluß von UREF1 über die Widerstände R10 und R9 hebt das Spannungspotential des nichtinvertierenden Eingangs des Stromreglers OP2, damit dieser spannungsmäßig oberhalb der UE- Schiene fühlt.
Die Kondensatoren C4 und C5 parallel zu R9 und R11 begrenzen Spannungsanstiege an den Eingängen des Stromreglers OP2.
Die Spannungsversorgung der Verstärker OP1, OP2 und der Referenz UREF1 läßt sich bei Ausgangsspannungen UA größer 11V direkt aus der Eingangsspannung UE über D2 gewinnen; bei kleineren Ausgangsspannungen muß eine Spannungsverdopplung im Eingang oder eine Hilfsspannung UHILF über D3 für genügend Spannung sorgen, damit die Verstärker OP1 und OP2 auch bei Überlast, am Ausgang der Stabilisierungsschaltung, noch zufriedenstellend arbeiten.
In beiden Fällen muß mit dem kondensatorbeschaltenen (C6, C7) IC1 nachstabilisiert werden, damit die Verstärker OP1 und OP2 sowie der Eingang des N-Kanal-MOSFETs, durch die schwankende Eingangsspannung UE, spannungsmäßig nicht überlastet werden.
Die Fig. 2 zeigt die kostengünstige Form des Spannungs­ reglers der Spannungsstabilisierungsschaltung mit guter Funktion.
Der Spannungsregler ist mit den Ausgangsklemmen der Stabilisierungsschaltung UA0 und UA- verbunden oder kann auch ausgelagert, direkt an der entfernt liegenden Last angeschlossen werden (Senesebetrieb) und erzeugt die bewertete Regeldifferenzspannung URDS, mit der die spannungsgesteuerte Stromquelle bestehend aus T2 und R5 angesteuert wird.
Der Spannungsregler, mit dem Shuntregler IC2 realisiert, vergleicht den über den Spannungsteiler R18 zu R19 und TR3 geteilten Istwert der Ausgangsspannung mit der integrierten temperaturkompensierten Referenz und bildet die bewertete Regeldifferenzspannung URDS über den niederohmigen, längs zum Shuntregler liegenden Spannungsteiler R14 zu R15 ab. Die PI- Bewertung erfolgt über den Gegenkopplungszweig C8 und R16 sowie dem Vorwiderstand R17.
Die Fig. 3 zeigt die aufwendigere Form des Spannungsreglers der Spannungsstabilisierungsschaltung mit guter Funktion. Hier ist der Spannungsregler mit dem Verstärker OP3 realisiert, der den über R22 zu R23 und TR4 geteilten Istwert der Ausgangsspannung mit der externen Referenz UREF2 vergleicht und die bewertete Regeldifferenzspannung URDS erzeugt. Die PI-Bewertung erfolgt über den Gegenkopplungszweig C9 und R20 sowie dem Vorwiderstand R21.

Claims (9)

1. Spannungsstabilisierungsschaltung mit geringen Verlusten und einer einstellbarer Strombegrenzungskennlinie mit einem Spannungsregelkreis und einem Stromregelkreis, wobei der Eingang (UE0) und der Ausgang (Ua0) der Spannungsstablisierungsschaltung über eine durchgeschleifte Schiene verbunden sind und zwischen dem Ausgang und Bezugspotential die Reihenschaltung der Last (RL) und des Stellglieds angeordnet ist, und der Spannungsregelkreis aus
  • - dem Stellglied, einem N-Kanal-MOSFET (T1) in Sourceschaltung auf dem Bezugspotential (UE-),
  • - dem, auf dem Bezugspotential liegenden, Ansteuerverstärker (OP1), beschaltet zur invertierenden stromgesteuerten Spannungsquelle durch den Gegenkopplungswiderstand (R3), den Widerstand vom invertierenden Eingang zum Bezugspotential (R4) und der ersten Referenzspannungsquelle (UREF1) am nicht invertierenden Eingang, der, über den Dämpfungsspannungsteiler (R1, R2), den N-Kanal-MOSFET ansteuert,
  • - der spannungsgesteuerten Stromquelle an der durchgeschleiften Schiene (UA0), gebildet durch einen PNP- Transistor (T2) mit Emitterwiderstand (R5), wobei der Kollektor des Transistors (T2), zum Stromtransfer der gewandelten, bewerteten Regeldifferenz, mit dem invertierender Eingang des Ansteuerverstärkers (OP1) verbunden ist,
  • - dem Spannungsregler an der durchgeschleiften Schiene (UA0), der seine Versorgungsspannung durch die Ausgangsspannung (UA) in der Last erhält und mit seiner bewerteten Regeldifferenz (URDS), aus Spannungssollwert und geteiltem Spannungsistwert (UA/K), den Transistor (T2) der spannungsgesteuerten Stromquelle zwischen durchgeschleifter Schiene (UA0) und der Basis so ansteuert, daß der Regelkreis phasenrichtig geschlossen ist
besteht, und der Stromkregelkreis aus
  • - dem Stromregler (OP2) auf dem Bezugspotential (UE-), PI bewertet durch die Rückführung (R7, C3) sowie den Vorwiderstand (R8), der seine bewertete Regeldifferenz, im Falle Überstrom, über die Widerstands-Dioden- Serienschaltung (R6, D1), in Form von Strom zum invertierenden Eingang der invertierenden stromgesteuerten Spannungsquelle (OP1) fließen läßt, und damit laststrombegrenzend in den Spannungsregelkreis eingreift,
  • - der Brückenschaltung auf dem Bezugspotential (UE-), bestehend aus der Brückenhälfte zur Istwerterfassung (R9, R10), die mit dem nichtinvertierenden Eingang des Stromkreglers (OR2) verbunden ist, der Brückenhälfte zur Sollwertvorgabe (R11, R12 und TR1), die mit dem Vorwiderstand (R8) verbunden ist,
  • - dem Meßwidersand (RM) zur Laststromerfassung im Sourcezweig des N-Kanal-MOSFETS, der im Fußpunkt der Brücke geschaltet ist,
  • - der ersten Referenz (UREF1), die die Brücke speist,
  • - der ausgangsspannungsgesteuerten Stromquelle, bestehend aus dem PNP-Transistor (T3) mit den Emitterwiderständen (R13, TR2), die einen Strom quasi proportional zur Ausgangsspannung (UA) von der durchgeschleiften Schiene (UA0) duch den Brückenwiderstand zu Stromsollwertvorgabe (R11) schickt, um den Stromsollwert, d. h. den Spannungsabfall (UISOLL) am Stromsollwertwiderstand (R11), bei Nennspannung am Ausgang größer festzulegen als den Stromsollwert bei Kurzschluß am Ausgang, der dann durch den Brückenspannungsteiler zur Sollwertvorgabe (R11/[R11+R12+TR1]) vorgegeben wird;
besteht.
2. Spannungsstabilisierungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsregler an der durchgeschleiften Schiene (UA0) als Shuntregler (IC2) mit integrierter, temperaturkompensierter Referenz arbeitet, über die Widerstands-Kondensator-Reihenschaltung (R16, C8) gegengekoppelt ist, den Vorwiderstand (R17) hat und die Ausgangsspannung (UA) über dem Istwertspannungsteiler (R18, R19, TR3) fühlt, um die bewertete Regeldifferenzspannung (URDS) über den niederohmigen Spannungsteiler, längs zum Shuntregler (R14, R15) zu erzeugen.
3. Spannungsstabilisierungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsregler an der durchgeschleiften Schiene (UA0) als Verstärker (OP3) mit der externen Referenz (UREF2) arbeitet, über die Widerstands- Kondensator-Reihenschaltung (R20, C9) gegengekoppelt ist, den Vorwiderstand (R21) hat und die Ausgangsspannung (UA) über den Istwertspannungsteiler (R22, R23, TR4) fühlt, um die bewertete Regeldifferenzspannung (URDS) zu erzeugen.
4. Spannungsstabilisierungsschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits der maximale Stromfluß bei Kurzschluß der Ausgangsspannung mit dem variablen Widerstand im Spannungsteiler zur Stromsollwertvorgabe (TR1), andererseits der maximale Stromfluß beim Beginn der Überlastung mit dem Widerstand im Emitterzweig der ausgangsspannungsgesteuerten Stromquelle (TR2) eingestellt wird, um die einstellbare Strombegrenzungskennlinie zu erzeugen.
5. Spannungsstabilisierungsschaltung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Eingangskreis des Stromreglers (OP2) eine Brückenhälfte zur Istwerterfassung bestehend aus einem Schiftwiderstand (R9) und einem Widerstand zur Referenz (R10) und eine Brückenhälfte zur Sollwertvorgabe bestehend aus einem Widerstand zur Stromsollwertvorgabe (R11) und einer Widerstandsserienschaltung (R12, Tr1) liegt und das parallel zu Schiftwiderstand und zum Widerstand zur Stromsollwertvorgabe je ein Kondensator (C4, C5) geschaltet ist.
6. Spannungsstabilisierungsschaltung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannung des Stromreglers (OP2) sowie der invertierenden, stromgesteuerten Spannungsquelle (OP1) und der ersten Referenzspannung (UREF1), bei Ausgangsspannungen (UA) größer 11 Volt, direkt aus der schwankenden Eingangsspannung (UE) über die Trenndiode (D2) gewonnen wird, wobei die Höhe der Versorgungsspannung durch die Hilfsstabilisierung (IC1), mit Kondensatorbeschaltung (C6, C7) begrenzt wird.
7. Spannungsstabilisierungsschaltung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannung des Stromreglers (OP2) sowie der invertierenden, stromgesteuerten Spannungsquelle (OP1) und der ersten Referenzspannung (UREF1), bei Ausgangsspannungen (UA) kleiner 11 Volt, aus der aufgestockten Hilfsspannung (UHILF) über die Trenndiode (D3) gewonnen wird, wobei die Höhe der Versorgungsspannung durch die Hilfsstabilisierung (IC1), mit Kondensatorbeschaltung (C6, C7) begrenzt wird.
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