SE456948B - Spaenningsregulator - Google Patents

Description

Z0 ZS 456 948 referensspänning VR. Såsom fackmannen inom området känner till åstadkommas en spänning mellan utgångsklämman OUT och jord och värdet av denna spänning beror på inspänníngen VIN samt den till utgångsklämman kopplade belastningen endast till dess spänningen VIN överstiger ett förutbestämt tröskelvärde, vilket är karakteristisk för kretsen och över vilket såsom utspänning åstadkommes en konstant spänning W V0, vars värde varken beror på inspänningen eller belast- ningen utan endast beror på dimensioneringen av själva kretsen och speciellt på återkopplingsfaktorn ¿?: R2 _ R1 + Rz Over denna tröskelvärdesspänning, som definierar den undre gränsen för området för korrekt drift (och därför för möjlig användning) av regulatorn arbetar regleringskretsen på ett stabilt sätt.

Eventuell variation hos utspänningen från det förut- bestämda värdet åstadkommer, via delaren R1, R2, en återkopp- ling till differentíalförstärkarens A inverterande ingång, vilket driver transistorn TS till en ledande nivå för att bringa belastningen tillbaka till en spänning med det förut- bestämda värdet V0.

Det är vanligt att definiera en spänningsregulators arbetsområde eller företrädesvis dess övre gräns medelst en parameter, som i den tekniska litteraturen benämns "dropout", vilken är skillnaden mellan minimivärdet för den inspänning VIN, som erfordras för korrekt drift av regulatorn, och värdet av den konstanta spänning V0, som åstadkommes vid regulatorns utgång.

Spänningsregulatorer i form av integrerade kretsar, vilka regulatorer normalt används för applikationer inom bilindustrin, är av den ovan beskrivna typen. Dessa regula- torer måste emellertid uppfylla speciellt noggranna krav såsom resultat av driftsvillkor, vilka inbegriper både av- sevärda variationer i temperatur och fuktighet och avse- värda, och tidvis abrupta, variationer i den matningsspän- ning, som tillhandahållas av fordonsbatteriet.

Dessa regulatorer måste därför ha mycket tillförlit- liga, noggranna och stabila egenskaper inom ett mycket brett arbetsområde och dessutom måste de ha en låg dropout. 40 _ 456 948 Området för den matníngsspünning, som normalt tillhanda- hàlles av batteriet, kan variera från approximativt 5,5-6,5 V under kallstart och upp till approximativt 24 V, när ett andra batteri, som är seríekopplat med det första, används för att möjliggöra start under alla de villkor, som förekommer i kalla områden.

Högspänningstoppar kan emellertid åstadkommas i matnings- ledningen, vilka toppar kan vara positiva eller negativa, så- som resultat av induktiva belastningar (tändspolar,'reläer etc) under brytövergångsförloppen, vilka toppar kan nå upp till 100 eller 120 V såsom resultat av tillfällig frånkoppling av batteriets växelströmsgeneratorkabel (i detta fall positi- va toppar med hög effekt).

Förutom de ovan nämnda egenskaperna måste en spännings- regulator för applikationer inom bilindustrin även ha en speciellt låg strömförbrukning av effektivitetsskäl och speciellt med avseende på värmeavledning.

Spänningsregulatorer med integrerade kretsar enligt känd teknik är inte i stånd att samtidigt uppfylla alhakraven på användningen inom bilindustrin. Spänningsregulatorer, som arbetar korrekt för mycket låga ínspänningar (och därför har låg dropout) har en avsevärd strömabsorption.

Det torde här observeras att, generellt, transistorer, t ex TS i fig 1, vilka är inkopplade i integrerade kretsar, kräver mycket högre spänningar, när de är bortkopplade, än de spänningar, som de kräver vid mättningsdríft eller i det aktiva området.

Regulatorer, vilka är bättre ur strömabsorptionssynpunkt, har emellertid en dropout, som är alltför hög för kallstart, och de är inte utformade för att arbeta korrekt vid höga spänningar.

Syftet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en spänningsregulator, som kan integreras monolitiskt och vars område för korrekt drift är mycket bredare än området för kända regulatorer och som helt uppfyller kraven på användning vid applikationer inom bilindustrin och vars strömförbrukning är den minsta möjliga som kan erhållas med avseende pâ teknikens nuvarande ståndpunkt.

Syftet uppnås med en spänningsregulator av den typ, som anges och karakteriseras i de efterföljande patcntkraven. 40 456 948 r 4 \ Uppfinningen beskrivs närmare nedan i form av ett icke be- gränsande exempel under hänvisning till den bifogade ritning- en.

Fig 1 visar en príncipskiss av en spänningsregulator med seriereglering, såsom beskrivits ovan.

Pig 2 visar ett schema, delvis i blockform, över en spän- ningsregulator för applikationer inom bilindustrin, varvid regulatorn är utformad enligt uppfinningens principer.

Schemat för en spänningsregulator enligt uppfinningens principer, såsom visas i fig Z, innefattar tre separata spän- ningsregleríngskretsar, vilka på ritningen åskådliggöres med rektangulära block, betecknade med symbolerna R1, RZ respek- tiva RS, varvid varje krets har en första och en andra ingångs- klämma samt en första och en andra utgångsklämma.

Spänningsregulatorn har en första och en andra ingångs- ledare, vilken visas med tecknet "+" respektive "-", mellan vilka pâtryckes en spänning VIN med ett icke-specificerat värde, samt en första och en andra utgångsledare, vilken visas med tecknet "+" respektive "-", mellan vilka en spän- ning VOUT åstadkommas, vilken har förutbestämda konstanta värden.

Den första klämman hos R] och hos R2 är direkt kopplad till den första ingångsledaren. Den första ingångsklämman hos R3 är emellertid kopplad till den första ingångsledaren via en diod D och ett motstånd R, vilka är i serie.

De andra ingångsklämmorna hos RI, R2 och R3 är kopplade direkt till den andra ingångsledaren, till vilken även den första ingångsklämman hos R3 är kopplad via en kondensator C och en zenerdiod D7, vilka är parallellkopplade.

De första utgångsklämmorna hos R1, R2 och R3 är kopplade direkt till den första utgângsledaren.

De andra utgångsklämmorna hos RI, R2 och R3 är kopplade direkt till den andra utgångsledaren.

Enligt uppfinningen är de spänningsregleringskretsar, som visas genom blocken R1, R2 och RS, av den typ, där de elektriska spännings- och strömvärdena vid utgångsklämmorna är så inställda, att spänningen har ett konstant och förut- bestämt värde på grund av en intern regleringskrets, innefat- tande kretsâtcrkopplingsorgan, kopplade till dessa klämmer och känsliga för dessa elektriska storheters momentanvärde. 40 456 948 R1, R2 och R3 kan konstrueras i överensstämmelse med det i fig 1 visade kända kretsdiagrammet.

De spänningsvärden vid ingângsklämmorna, vilka utgör de undre gränserna för områdena för korrekt drift av regulator- kretsarna R1, R2 och R3 (och följaktligen även respektive dropouts) ökar progressívt i ordning.

Enligt uppfinningen är ett väsentligt kännetecken på re- gulatorns drift att de konstanta värdena på de spänningar, 1, R2 och R3 ut- gångsklämmor, även ökar progressivt, ehuru skillnaderna mel- som åstadkommes mellan regulatorkretsarnas R lan dessa värden kan vara mycket små. _ Spänningsvärdesintervallen vid ingångsklämmorna, vilka intervall utgör de respektive områdena för korrekt drift av regulatorkretsarna R1, R2 och RS, visas på ritningen med - VG, VG - VC och VC - Vd.

De respektive konstanta värdena för de mellan utgångs- symbolerna Va klämmorna àstadkomna spänningarna visas med qvo, V0 och 1/QVO.

Områdena för korrekt drift av de olika regleringskretsar- na måste inte nödvändigtvis ha kontinuerlig utsträckning utan överlappning. Det är helt enkelt nödvändigt för det hela, erforderliga omrâdet för korrekt drift att hela spännings- regulatorn omfattas av ett flertal regleringskretsar och att det för var och en av dessa regleringskretsar åstadkommes den största möjliga effektivitet, som kan erhållas för närvarande inom dess begränsade område för korrekt drift.

Det kan förekomma vilket antal regleringskretsar som helst i spänningsregulatorn, förutsatt att det finns åtminstone två kretsar.

För att förstå driften av en spänningsregulator enligt uppfinningens principer, vilken innefattar ett godtyckligt antal regleringskretsar, förutsättes att en spänning, som har progressivt ökande värden, påtryckes på dess ingångs- ledare.

Regulatorn förblir bortkopplad upp till ett förutbestämt tröskelvärde. När detta värde överskrides inkopplas en första regulatcrkrets, vilken så snart värdet av den resul- terande spänningen vid dess íngångsklämma ligger inom dess område för korrekt drift, på de egna utgângsklämmorna och därmed även på regulatorns utgångsledare påtrycker en 40 456 948 - ' Ö: konstant spänning, som har ett förutbestämt värde. Så snart den ökande spänningen vid ingângsledarna vid ingångsklämmor- na hos en andra spänningsregleringskrets åstadkommer en spänning, som har ett värde, vilket ligger inom området för korrekt drift, åstadkommes emellertid vid utgången hos denna andra regleríngskrets en spänning, som har ett förutbestämt konstant värde, vilket, enligt uppfinningen, är större än det värde, som erhålles mellan den första kretsens utgângskläm- mor. Den första regulatorkretsens återkopplingsorgan, som är kopplade till utgångsklämmorna och därmed även till utgångs- klämmorna hos den andra kretsen, detekterar en positiv änd- ring av den konstanta utspänníngen hos själva kretsen och regleringskretsen hos den första regulatorkretsen, som inne- fattar dessa organ, reglerar följaktligen ledningen av ut- effektelementet till en lägre nivå för att förskjuta denna ändring som om den berodde på belastningen.

Den andra regleringskretsen detekterar emellertid denna kompensation och förskjuter i sin tur den av den första kretsen utförda regleringen och antar prioritet framför den senare. När den första regulatorkretsens återkopplingsorgan detekterar att spänningsändringen vid dess egna utgångs- klämmor fortfarande förekommer tenderar den att ytterligare _förskjuta densamma och inom relativt korta tidsperioder frånkopplas densamma, såsom framgår experimentellt.

Den mellan spänningsregulatorns utgångsledare åstadkomma spänningen inställes därför på det konstanta förutbestämda värdet för utspänningen hos denna andra regleringskrets, till dess värdet av spänningen vid ingàngsledarna bringar spänningen mellan ingångsklämmorna hos en ytterligare regle- ringskrets till ett värde, vilket ligger inom området för korrekt drift av denna krets, vilket i sin tur medför att den tidigare kretsen frånkopplas och åstadkommer separat konstant spänning vid utgångsledarna. Sammanfattningsvis är efter start för varje värde på den spänning, som appliceras på spänningsregulatorns ingångsledare, endast en reglerings- krets, som ingår däri, i drift och i själva verket hindras automatiskt de regleringskretsar, som har lägre dropout, från att arbeta.

De regleringskretsar, som hindras från att arbeta, kan därför, när de är frànkopplade, stå för de höga spänningar, ' 40 456 948 ~l som ligger inom området för drift av andra regleringskrctsar, vilka är speciellt utformade för dessa höga spänningar.

Fördelen med detta automatiska hindrande av drift av regleringskretsar, som inte är utformade att understödja vissa spänningar utan behov av kopplingsanordningar, är uppenbar. Denna fördel hänför sig inte endast till kostnader med avseende pà utformning och erforderligt integrations- utan även till tillförlitlighet.

Såsom nämnts ovan är mycket små skillnader mellan de område konstanta värdena av de spänningar, som åstadkommas mellan de olika regleringskretsarnas utgàngsklämmor, tillräckliga för att möjliggöra korrekt drift av hela spänningsregulatorn.

Den totala möjliga ändringen av värdet av spänningarna vid utgångsledarna kan, i en spänningsregulator enligt före- liggande uppfinning, inrymmas för applikationer inom bil- industrin inom de toleranser, som normalt tillåtes för ut- spänníngen hos en högkvalitetsregulator. Ett normalt värde på Q' kan vara 0,995 för dessa applikationer.

Vid en speciell och lämplig praktisk utföringsform av diagrammet enligt fig Z, utformad för applikationer inom bilindustrin, kan en regulatorkrets, som har låg dropout, användas för R1, vilket innebär att kretsen har en dropout, som utgör det minimum, vilket kan erhållas med en transistorintegrerad krets, och är lika med värdet av kollektor-emitter-spänningen hos en transistor (t ex TS) vid mättning. Om man förutsätter att den erforderliga ut- spänningen är S V, vilket normalt är fallet vid denna typ av tillämpning, är det möjligt att erhålla korrekt drift även när batterispänningen har ett mycket lågt värde, dvs från 5,5 till 7,5 V, såsom exempelvis är fallet vid kall- Start .

R2 kan bestå av en spänningsregleringskrets, som har en högre dropout och ett arbetsområde, vilket är begränsat till ingàngsspänningsvärden för normala arbetsförhållanden, ehuru denna krets skulle kunna ha den lägsta strömabsorp- tion, som för närvarande kan erhållas.

Spänningsregulatorkretsar, som har dessa egenskaper, är exempelvis kretsar av denna typ, vilka har ett uteffekt- steg av Darlington~typ med en dropout, som är lika med approximativt två gånger värdet av bas-emittcr-spänningen zh 40 456 948 8 hos en transistor, vilken arbetar i den aktiva zonen, plus värdet av kollektor-emitter-spänningen hos en transistor i mättning och som har ett arbetsområde från approximativt 7,5 V till approximativt 28 V.

R3 kan bestå av en spänningsregleringskrets, som är ut- formad för högre spänningar vid sina ingångsklämmor och som arbetar korrekt även för spänningstoppar av upp till 100 eller 120 V vid regulatorns ingångsledare, så att den reglerade matningen till de elektroniska förbrukningskretsar, vilka innefattar logiska kretsar, inte vid någon tidpunkt brytes. W I detta fall är det tillräckligt om regulatorkretsen arbetar inom ett område, vilket kan begränsas, av spännings- värden vid sina ingångsklämmor, vilket område emellertid är större än området för maximala spänningar, som kan åstad- kommas med två batterier i serie (approximativt 28 V) under normala driftsförhållanden, varvid det är bättre för RZ att fortsätta att arbeta.

Zener-dioden DZ, som också kan vara monolitiskt integre- rad, är så dimensíonerad att värdet av dess tröskelvärdes- spänning Vz under backledning ligger inom driftsområdet för R3 (exempelvis 30 V).

När värdet av spänningen vid regulatorns ingångsledare överstiger tröskelvärdesspänningen VZ blir dioden DZ ledande och upprätthåller detta spänningsvärde vid sina klämmor och därmed även vid ingângsklämmorna hos R3, obe- roende av värdet vid ingångsledarna.

Motståndet R är utformat för att begränsa nivån av den ström, som flyter genom dioderna D och DE, när DZ blir ledande.

Dioden D erfordras för att det skall vara möjligt att hålla R3 i drift även under övergångsförlopp med negativa spänningstoppar, medelst den i kondensatorn C lagrade ladd- ningen under den tidigare, normala driften. Denna diod hindrar i själva verket urladdníngen av kondensatorn, via R, till ingångsledaren "+".

Eftersom kondensatorn C måste ha en relativt hög kapacitans är den vanligen konstruerad såsom en diskret komponent, till skillnad från R, D och DT, som enligt krav kan konstrueras såsom iñtegrerade eller diskreta komponen- 456 948 ter. ¿_vï" Éhuru en enda utföríngsform av uppfinningen har be- skrivits och åskàdliggjorts är det uppenbart att många varianter därav är möjliga utan att uppfínníngens ram över- S 'skrídes .

Andra regleríngskretsar, som arbetar enbart på en order från lämpliga kretsomkopplingsorgan, kan exempelvis inklude- ras i spänningsregulatorn.

Claims (4)

456 948 -m Patentkrav

1. Spänningsrcgulntor, vilken kan integreras mono- litiskt, innefattande en första och en andra ingångsledare för anslutning till två poler hos en spänníngsgenerator samt en första och en andra utgängsledare, mellan vilka en spän- ning åstadkommes, vilken regleras till förutbestämda konstanta värden, k ä n n e t c c k n a d därav, att den innefattar ett flertal spänningsregleringskretsar (R1,R ,R3), varvid varje sådan krets har en första och en andra ingångs- klämma, vilka är elektriskt kopplade till den första respek- tive den andra ingångsledaren, samt en första och en andra utgångsklämma, mellan vilken en konstant spänning (qV0,Vo, 1/qVo) âstadkommes, varvid de första utgångsklämmorna och de andra utgångsklämmorna hos dessa regleringskretsar är kopplade till nämnda första respektive andra utgångsledare, varvid dessa regleringskretsar är utformade för att arbeta korrekt vid spänningar, som påtryckes på deras ingångs- klämmor och har värden inom förutbestämda områden av värden, vars minimala värden avviker från varandra och som är av den typ, enligt vilken den mellan utgångsklämmorna åstadkom- na spänningen bibehålles i varje krets vid ett förutbestämt konstant värde medelst en regleringskrets, innefattande âterkopplingsorgan, kopplade till dessa utgångsklämmor, samt att detta förutbestämda konstanta värde är avvikande för varje regulatorkrets och högre eller lägre i överensstämmel- se med den högre eller lägre nivån av det minimala spän- níngsvärdet vid ingångsklämmorna, som möjliggör korrekt drift av varje regleríngskrets.

2. Spänningsregulator enligt kravet 1, k ä n n e t e c k- n a d därav, att íngångsklämmorna hos en första (RI) och en andra (Rz) regleringskrets av dessa många kretsar är kopplade direkt till ingångsledarna och att den första och den andra klämman hos en tredje regulatorkrets (RS) är kopplade till den första ingångsledaren via ett motstånd (R) respektive en diod (D), vilka är seriekopplade, samt till den andra ingångsledaren, att en zener-diod är inkopplad mellan ingångsklämmorna hos denna tredje regleringskrets (RS), varvid de minimala värdena av spänningarna vid in- gångsklämmorna hos nämnda Första, andra och tredje regle- rin skretsar (R ,R.,R_) är utformade För att möjlig öra g 1.! .i g 456 948 Il korrekt drift, samt att de konstanta värdena av de spän- ningar, som åstadkommas mellan utgångsklämmorna hos dessa regleringskretsar (R],R2,R3) ökar progressivt i ordning.

3. Spänningsregulator enligt kravet 2, k ä n n e t e c k- n a d därav, att en kondensator (C) är inkopplad mellan den första och den andra klämman hos denna tredje reglerings- krets (RS).

4. Spänningsregulator enligt kravet 2, vilken kan an- vändas för applikationer inom bilindustrin, k ä n n e- t e c k n a d därav, att den första (R1) och den andra (R2) regleringskretsen är utformade att arbeta korrekt för spänningar vid ingångsklämmorna, vilka har värden, som lig- ger mellan approxímativt 5,5-7,5 V respektive approximativt 7,5-28 V, att värdet av tröskelvärdesspänningen under back- ledning hos zener-dioden (DZ) samt minímivärdet av spän- ningen vid ingångsklämmorna hos denna tredje reglerings- krets (R3), utformad för att möjliggöra korrekt drift därav, båda är approximativt 30 V samt att varje förutbestämt konstant värde av spänningen vid regleringskretsarnas ut- gångsklämmor är lägre än det näst högsta värdet med en faktor av approximativt 0,995.