DE4341419A1 - Verlustarmer Spannungsregler - Google Patents
Verlustarmer SpannungsreglerInfo
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- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
- H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
- H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
- H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
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Description
Die Erfindung betrifft einen verlustarmen Spannungsregler,
bei welchem ein Schalter einerseits mit einer
Gleichspannung und andererseits mit einem LC-Filter,
welches den Schaltungsausgang darstellt, verbunden ist,
wobei das Ausgangssignal auf eine Ansteuerschaltung
rückkoppelbar ist, welche den Schalter getaktet ansteuert.
Es ist bekannt zur Stabilisierung von Spannungen, Schalt
netzteile zu verwenden. Solche Schaltnetzteile bestehen aus
einem als Schalter arbeitenden Leistungstransistor, der von
einer Steuereinheit periodisch angesteuert wird. Der Ein
gang des Leistungstransistors ist mit einer Gleichspannung
verbunden. Der Schalter selbst ist in Reihe mit einer Last
geschaltet. Zur Glättung des Signals ist zwischen Schalter
und Last ein LC-Filter angeordnet. Das am Ausgang des LC-
Filters auftretende Signal wird dabei auf die Steuereinheit
rückgekoppelt.
Üblicherweise werden Schaltnetzteile mit Bipolar-Transisto
ren betrieben. Im Schalttransistor wird dabei eine hohe
Verlustleistung erzeugt, was einen hohen Platzbedarf für
die Kühlfläche des Schalttransistors zur Folge hat. Bei
Ausführungen für höhere Leistungen treten zusätzliche Ver
luste in der Ansteuerschaltung für den Schalttransistor
auf.
Aufgrund der erforderlichen großen Kühlfläche ist der
Platzbedarf für weitere Bauteile auf der Leiterplatte stark
eingeschränkt.
Außerdem treten zusätzliche Montagekosten für das Kühlblech
auf. Der Verzicht auf solche Maßnahmen hätte eine unzuläs
sige Erwärmung anderer Schaltungsteile zur Folge, was deren
eingeschränkte Funktionsfähigkeit nach sich ziehen würde.
In vielen Anwendungsfällen, z. B. bei Kombinationsinstrumen
ten in der Automobilindustrie ist der Einsatz von immer
kompakteren Bauformen aber eine permanente Forderung der
Technik.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Span
nungsregler zu entwickeln, welcher einen geringen Bauraum
erfordert, zuverlässig und verlustarm arbeitet und kosten
günstig realisierbar ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der
Schalter ein N-Kanal-MOSFET ist, dessen Source über eine
Ladungspumpe an die Gleichspannung führt, wobei durch den
Takt des Spannungsreglers selbst die Ladungspumpe betreib
bar ist.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch den Ein
satz eines N-Kanal-MOSFET der Bauraum des Spannungsreglers
verkleinert wird, da gerätetechnische Maßnahmen zu Wärmeab
fuhr unterbleiben können. Außerdem entfällt eine zusätz
liche Ladungspumpe, was den schaltungstechnischen Aufwand
für den Spannungsregler ebenfalls verringert.
Vorteilhafterweise ist die Source des N-Kanal-MOSFET mit
einem ersten Kondensator verbunden, welcher auf die Kathode
einer ersten Diode führt, deren Anode mit der positiven
Gleichspannung verbunden ist, die am Drain des N-Kanal-
MOSFET liegt. Die Kathode der ersten Diode ist weiterhin
mit der Anode einer zweiten Diode verbunden, deren Kathode
einerseits über einen zweiten Kondensator an den Drain des
N-Kanal-MOSFET führt und andererseits mit der Ansteuer
schaltung verbunden ist.
Dadurch ist es möglich, die Steuerspannung für den
Schalttransistor aus der Schaltung selbst zu erzeugen. Der
geringe und einfache schaltungstechnische Aufwand ermög
licht die Integration der Schaltung auf einem IC.
In einer Weiterbildung ist zwischen Source und Gate des N-
Kanal-MOSFET eine Zener-Diode geschaltet.
Diese Zenerdiode sorgt dafür, daß die Gate-Source-Spannung
des N-Kanal-MOSFET einen bestimmten Wert nicht überschrei
tet.
Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eines
davon soll anhand der in der Figur dargestellten Zeichnung
näher erläutert werden.
Die Figur zeigt einen verlustleistungsarmen Spannungsregler
in der Ausführung als step-down-converter mit einem N-
Kanal-Feldeffekttransistor T3, wobei ein universeller
Schaltnetzteil-IC z. B. ein TL 497 Anwendung findet. Dieses
Schaltnetzteil wird als Treiber für die Gegentaktendstufe
T1, T2 genutzt, welche den Leistungs-MOSFET T3 schaltet.
Das Schaltnetzteil IC und die Gegentaktendstufe bilden die
Ansteuerschaltung AS für den Leistungstransistor T3.
Das Drain D des MOSFET T3 ist mit der positiven Versor
gungsspannung UB2 verbunden. Die Source S führt auf eine
Induktivität L, welche mit einem gegen Masse geschalteten
Kondensator C₃ ein Filter zur Glättung der Ausgangsspannung
UB4 des Spannungsreglers bildet. Parallel zum Kondensator
C₃ befindet sich ein Spannungsteiler R1, R2, über dessen
Mittelabgriff die Ausgangsspannung UB4 auf das Schaltnetz
teil IC rückgekoppelt wird. Der Schaltnetzteil IC ver
gleicht die Ausgangsspannung UB4 mit einer Referenzspannung
UB1. Ist die Ausgangsspannung UB4 zu klein, wird die
Ansteuerspannung UB3 am Gate G des MOSFET T3 vergrößert.
Da es sich in diesem Fall um einen klassischen Step-down-
Wandler handelt (das bedeutet Eingang H, Ausgang L) und ein
N-Kanal-MOS-FET zur Anwendung kommt, ist eine positive
Ansteuerspannung UB3 am Gate G des Feldeffekttransistors T3
gegenüber der Versorgungsspannung UB2 notwendig.
Die Schaltung funktioniert auf folgende Weise:
Im ersten Moment des Einschaltens der Referenzspannung UB1 und der Versorgungsspannung UB2 ist die an der Induktivität L anliegende Spannung noch 0. Der MOSFET T3 kann auf steu ern, ohne daß eine Ladungspumpe arbeitet.
Im ersten Moment des Einschaltens der Referenzspannung UB1 und der Versorgungsspannung UB2 ist die an der Induktivität L anliegende Spannung noch 0. Der MOSFET T3 kann auf steu ern, ohne daß eine Ladungspumpe arbeitet.
Liefert die Entstufe T1, T2 ein Signal an das Gate G des im
MQS-FET T3, welches diesen öffnet, wird das Potential am
Gate G auf das des Drain D gezogen und Source S liegt an
UB2-Potential. Der Kondensator C₁ liegt dann zwischen der
Versorgungsspannung UB2 abzüglich der Spannung über der
Diode D1 und kann somit den Kondensator C2 über die Diode
D2 aufladen. Die Spannung des Kondensators C2 beträgt maxi
mal UB2 abzüglich zwei Diodenstrecken.
Führt das Signal der Endstufe T1, T2 dazu, daß die Drain-
Source-Strecke des MOS-FET T3 sperrt, liegt die Source S
auf Masse-Potential. Der Kondensator C1 lädt sich über die
Diode D1 erneut auf. Am Punkt UB3 steht eine Spannung zur
Verfügung, die auf alle Fälle immer höher ist, als die
minimale Gate-Spannung, die für den Transistor T3 notwendig
ist. Der Takt des Schaltnetzteils IC wird dazu genutzt, um
die Ladungspumpe arbeiten zu lassen.
Da bei geringer Belastung von UB4 und gleichzeitiger
geringer Spannungsdifferenz von UB2-UB4, wie es bei
Anlaßvorgängen eines Motors auftreten kann, die benötigte
Gate-Spannung UB3 eventuell nicht erreicht wird, wurde die
Ladungspumpe aus zwei Dioden D1, D2 und zwei Kondensatoren
C1, C2 realisiert.
Hierdurch kann der Kondensator C2 noch mehrere Arbeitstakte
des Schaltregel-IC′s Spannung am Gate von Transistor T3
liefern, auch ohne, daß bei jedem Takt eine neue Aufladung
des Kondensators C2 stattfindet, oder daß C2 sogar entladen
wird, was zum Zusammenbrechen von UB4 führen würde.
Der also relativ stabile Ausgang UB3 des Kondensators C2
versorgt die Endstufe T1, T2, welche letztendlich den MOS-
FET T3 ansteuert. Über die Kollektor-Emitter-Strecke des
Transistors T2 liegt so die abzüglich von den Verlusten in
der Ladungspumpe verdoppelte Versorgungsspannung am Gate G
des MOS-FET T3 an. Dieser bekommt an sein Gate G eine posi
tive Spannung gegenüber der Source und steuert auf. Um bei
hohen Versorgungsspannungen UB2 die Gate-Spannung des Tran
sistors T3 zu begrenzen, ist zwischen Gate G und Source S
des MOSFET T3 eine Zener-Diode Z₁ vorgesehen.
Claims (5)
1. Verlustarmer Spannungsregler, bei welchem ein Schalter
einerseits mit einer Gleichspannung und andererseits
mit einem LC-Filter, welches den Schaltungsausgang
darstellt, verbunden ist, wobei das Ausgangssignal auf
eine Ansteuerschaltung rückkoppelbar ist, welche den
Schalter getaktet ansteuert, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schalter ein N-Kanal-MOSFET (T3) ist, dessen
Source (S) über eine Ladungspumpe (C₁, C₂, D₁, D₂) an
die Gleichspannung (UB2) führt, wobei durch den Takt
des Spannungsreglers selbst die Ladungspumpe betreib
bar ist.
2. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Source (S) mit einem ersten Kondensator
(C1) verbunden ist, welcher auf die Katode einer
ersten Diode (D1) führt, deren Anode mit der positiven
Gleichspannung (UB2) verbunden ist, die am Drain (D)
des N-Kanal-MOSFET (T3) liegt.
3. Spannungsregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich
net, daß die Kathode der ersten Diode (D1) mit der
Anode einer zweiten Diode (D2) verbunden ist, deren
Kathode einerseits über einen zweiten Kondensator (C2)
an den Drain (D) des N-Kanal-MOSFET (T3) führt und
andererseits mit der Ansteuerschaltung (IC, T1, T2)
verbunden ist.
4. Spannungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprü
che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen
Source (S) und Gate des N-Kanal-MOSFET (T3) eine
Zener-Diode (Z1) geschaltet ist.
5. Spannungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung
(IC, T1, T2) eine Gegentaktendstufe (T1, T2) aufweist,
deren zweiter Transistor (T2) mit der Kathode der
zweiten Diode (D2) verbunden ist und deren Ausgang auf
das Gate (G) des N-Kanal-MOSFET (T3) führt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934341419 DE4341419A1 (de) | 1993-12-04 | 1993-12-04 | Verlustarmer Spannungsregler |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934341419 DE4341419A1 (de) | 1993-12-04 | 1993-12-04 | Verlustarmer Spannungsregler |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4341419A1 true DE4341419A1 (de) | 1995-06-08 |
Family
ID=6504216
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19934341419 Withdrawn DE4341419A1 (de) | 1993-12-04 | 1993-12-04 | Verlustarmer Spannungsregler |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4341419A1 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19702136A1 (de) * | 1997-01-22 | 1998-07-23 | Rohde & Schwarz | Elektronischer Leistungsschalter |
FR2799590A1 (fr) * | 1999-10-09 | 2001-04-13 | Bosch Gmbh Robert | Dispositif de commande d'un commutateur electronique d'un consommateur |
DE19960121A1 (de) * | 1999-12-13 | 2001-07-12 | Mtm Power Mestechnik Mellenbac | Beleuchtungsvorrichtung |
-
1993
- 1993-12-04 DE DE19934341419 patent/DE4341419A1/de not_active Withdrawn
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19702136A1 (de) * | 1997-01-22 | 1998-07-23 | Rohde & Schwarz | Elektronischer Leistungsschalter |
FR2799590A1 (fr) * | 1999-10-09 | 2001-04-13 | Bosch Gmbh Robert | Dispositif de commande d'un commutateur electronique d'un consommateur |
DE19960121A1 (de) * | 1999-12-13 | 2001-07-12 | Mtm Power Mestechnik Mellenbac | Beleuchtungsvorrichtung |
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