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Die
Erfindung betrifft einen Spannungsregler nach dem Prinzip eines
linearen Längsspannungsreglers
zur Spannungsstabilisierung mit vorgeschalteter Strommesseinrichtung.
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Im
Stand der Technik sind zwei unterschiedliche Arten der Spannungsregelung
bekannt, lineare Spannungsregler und getaktete Spannungsregler. Während getaktete
Spannungsregler gerade bei Geräten
mit höherem
Energieumsatz eingesetzt werden, finden lineare Spannungsregler
in Geräten
mit niedrigerem Energieumsatz Anwendung. Dabei weisen getaktete
Spannungsregler einen hohen schaltungstechnischen Aufwand auf.
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Aus
DE 39 04 363 C2 ist
ein linearer Spannungsregler bekannt, bestehend aus einem Stellglied,
einer Referenzspannungsquelle, einer Startschaltung, und einem Regelverstärker. Ein
Nachteil dieser Anordnung ist die Verwendung einer zusätzlichen
Referenzspannungsquelle und das Fehlen einer Strombegrenzung zum
Schutz des Stellgliedes vor Überlastung.
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Ein
linearer Spannungsregler, wie in einem Beispiel in 1 zum
Stand der Technik gezeigt, umfasst einen Spannungsvergleicher 1.1,
einen Spannungsregler 1.2, die im Stand der Technik oftmals
zu einem Funktionsblock – einem
Reglermodul 1 – zusammengefasst
sind, ein Messglied 2, ein Spannungsstellglied 3 und
eine Regelstrecke 4, welche die Ausgangsspannung Ua repräsentiert.
Lineare Spannungsregler zeichnen sich durch einen einfachen Schaltungsaufbau
aus.
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Zur
Strombegrenzung oder zum Kurzschlussschutz sind zusätzliche
Bauelemente in die Schaltung integriert. Dazu sind eine Strommesseinrichtung 5 und
ein weiteres, der Strombegrenzung dienendes Stromstellglied 6 vorgesehen.
Nachteilig ist hierbei, dass das Stromstellglied 6 nur
auf die Ausgangsgröße des Spannungsreglers,
d.h. die Eingangsgröße des Spannungsstellgliedes 3 für die Spannungsregelung,
wirkt, so dass im Fall eines Kurzschlusses die Spannungsregelung
und die Strombegrenzung gegeneinander arbeiten.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen diskreten linearen Spannungsregler
mit verbesserter Strombegrenzung anzugeben.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem
linearen Spannungsregler, welcher die im Anspruch 1 angegebenen
Merkmale aufweist, gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der
erfindungsgemäße lineare
Spannungsregler weist eine Strombegrenzung auf, die direkt in die
Spannungsregelung eingreift. Dabei ermittelt eine Strommesseinrichtung
den Eingangsstrom und greift direkt mittels eines Stromstellgliedes
in die Spannungsregelung ein, wenn der Eingangsstrom einen vorgegebenen
Maximalwert übersteigt.
Die Strommesseinrichtung ist als Widerstand ausgebildet. An diesem
wird der Eingangsstrom als Spannungsdifferenz abgebildet.
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Zum
Eingreifen der Strombegrenzung in die Spannungsregelung ist parallel
zur Strommesseinrichtung das Stromstellglied geschaltet. Das Stromstellglied
ist beispielsweise ein Transis tor, dessen Basis-Emitter-Strecke
parallel zur Strommesseinrichtung geschaltet ist. Der Kollektoranschluss
des Transistors ist direkt mit einem Vergleichsglied des Spannungsreglers,
insbesondere mit einem Differenzglied verbunden. Dabei ist das Vergleichsglied
durch weitere zwei Transistoren gebildet, die in Differenzschaltung
zueinander angeordnet sind, wobei die Emitteranschlüsse der
Transistoren über
einen Widerstand auf Masse liegen. Im Falle des Überschreitens eines Maximalwertes
für den
Eingangsstrom steuert das parallel zur Strommesseinrichtung angeordnete Stromstellglied,
d.h. dessen Transistor durch. Dabei wird durch die Verbindung des
Kollektors mit dem Differenzpunkt des Spannungsvergleichers die
einen Eingangsstrom repräsentierende
Spannungsdifferenz des Stromstellgliedes von der Regelabweichung des
Spannungsreglers subtrahiert wird. Der Spannungsregler wertet eine
sich aus der Subtraktion ergebende Eingangsregelabweichung aus und
erzeugt eine Reglerausgangsgröße für das Spannungsstellglied.
Somit wird zusätzlich
zur Spannungsstabilisierung der Ausgangsspannung der Eingangsstrom
begrenzt.
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Durch
das Eingreifen der Strommesseinrichtung auf den Spannungsregler
und über
diesen auf das Spannungsstellglied wird der Eingangsstrom auf einen
Maximalwert begrenzt. Dabei wird der Maximalwert des Eingangsstromes
durch den Widerstandswert der Strommesseinrichtung bestimmt. Der Eingangsstrom
wird auf den Maximalwert begrenzt, wenn über der Strommesseinrichtung
ein Spannungswert von größer 0,7
V abfällt.
D.h. über
das parallel zur Strommesseinrichtung angeordnete Stromstellglied
liegt eine Flussspannung der Basis-Emitter-Strecke des betreffenden
Transistors von größer 0,7
V an.
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Die
Führungsgröße wird
aus einem vorgegebenen Eingangsspannungswert gebildet, der die lineare
Spannungsregelung bei an liegender Führungsgröße aktiviert, anderenfalls
deaktiviert. Beispielsweise ist hierfür ein Mikroprozessor oder ein
anderes Steuergerät
vorgesehen. Zur Ermittlung der Ausgangsspannung, die auf das Reglermodul
rückgekoppelt
wird, ist ein Spannungsteiler vorgesehen, der auf die Basis eines
der in Differenzschaltung angeordneten Transistoren wirkt. Die Ausgangsspannung wird
zur Ermittlung der Regelabweichung, d.h. der Differenz aus Führungsgröße und Ausgangsspannung,
dem Spannungsvergleicher zugeführt.
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Zweckmäßigerweise
ist der lineare Spannungsregler durch eine Schaltungsanordnung mit Transistoren
in Bipolartechnik gebildet. Das Stellglied der Spannungsregelung
ist beim linearen Spannungsregler als Längstransistor ausgebildet.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Darin
zeigen:
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2 schematisch
ein Blockschaltbild der Regelung des erfindungsgemäßen Spannungsreglers
mit Strombegrenzung, und
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3 schematisch
ein Ausführungsbeispiel für eine Schaltung
eines linearen Spannungsreglers mit Strombegrenzung.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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In 2 ist
ein Blockschaltbild eines linearen Spannungsreglers mit Strombegrenzung
dargestellt.
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Der
lineare Spannungsregler besteht im Wesentlichen aus den gleichen
Elementen, wie im Stand der Technik zu 1 beschrieben.
D.h. der lineare Spannungsregler umfasst zur Spannungsregelung einen
Spannungsvergleicher 1.1 und einen Spannungsregler 1.2,
die ein Reglermodul 1 bilden, sowie ein Spannungsstellglied 3,
eine Regelstrecke 4 und eine Rückkopplung der Regelgröße x, d.h.
der Ausgangsspannung Ua, über
ein Spannungsmessglied 2 zum Spannungsvergleicher 1.1 zur
Ermittlung der Regelabweichung e. Zur Strombegrenzung ist zusätzlich gegenüber herkömmlichen
Spannungsreglern zwischen dem Spannungsvergleicher 1.1 und dem
Spannungsregler 1.2 ein Differenzglied 1.3 angeordnet.
Das Differenzglied 1.3 dient der Berücksichtigung eines Stromstellgliedes 6,
das aus dem Eingangsstrom IL eine diesen
repräsentierende
Differenzspannung bildet. Somit greift der Ausgang des Stromstellgliedes 6 zur
Strombegrenzung direkt in die Spannungsregelung ein, indem der Ausgang
des Stromstellglieds 6 mit dem Differenzglied 1.3 des Reglermoduls 1 gekoppelt
ist.
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Mittels
des auf das Differenzglied 1.3 einwirkenden Stromstellgliedes 6 erfolgt
eine Strombegrenzung auf die im Spannungsvergleicher 1.1 gebildete
Regelabweichung e. Die im Differenzglied 1.3 ermittelte
Differenz aus Regelabweichung e und der Stellgröße der Strombegrenzung, d.h.
eine sich daraus ergebene Eingangsregelabweichung e', wird dem Spannungsregler 1.2 zugeführt. Dieser
ermittelt die Reglerausgangsgröße u. Das
Spannungsstellglied 3 stellt die Regelstrecke 4 auf
einen neuen Wert der Regelgröße x, d.h.
der Ausgangsspannung Ua, ein. Durch den Eingriff der Strommesseinrichtung 5 über das
Stromstellglied 6 auf die Spannungsregelung wird der Eingangsstrom
IL so begrenzt, dass ein vorgegebener Maximalwert
nicht überschritten
wird.
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3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
für eine Schaltung
eines linearen Spannungsreglers mit Strombegrenzung gemäß 2.
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Die
in 2 abstrakt beschriebenen Funktionsblöcke – Reglermodul 1,
Stromesseinrichtung 5, Spannungsstellglied 3,
Stromstellglied 6, Spannungsmessglied 2 – und deren
Bauelemente sind in 3 mittels einer gestrichelten
Linie gekennzeichnet.
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Das
Spannungsstellglied 3 wird durch einen Transistor T1, insbesondere
einen Längstransistor, gebildet.
Das Spannungsmessglied 2 ist aus den Widerständen R6
und R5 gebildet, die als Spannungsteiler geschaltet sind. Das Widerstandsverhältnis der Widerstände R6 und
R5 bestimmt die Höhe
der Ausgangsspannung Ua. Der Spannungsvergleicher 1.1, der
Spannungsregler 1.2 und das Differenzglied 1.3 zur
Strombegrenzung sind zu einem Reglermodul 1 zusammengefasst.
Am Eingang E liegt die Eingangsspannung Ue, z. B. die Spannung einer
Batterie oder eines Netzteils, an.
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Zur
Baugruppe des Reglermoduls 1 gehören die Transistoren T3 und
T4, die in Differenzschaltung angeordnet sind, und die Widerstände R3 und
R4. Die Emitteranschlüsse
der Transistoren T3 und T4 sind über
den Widerstand R4 gegen Masse geschaltet und bilden eine Differenzschaltung.
Der Kollektoranschluss des Transistors T3 ist über den Widerstand R3 mit der
Eingangsspannung Ue, z. B. die Spannung einer Batterie oder eines
Netzteils, verbunden. Der Widerstand R3 begrenzt den maximalen Kollektorstrom
des Transistors T3 auf einen vorgegebenen Wert. Am Basisanschluss
des Transistors T3 liegt der von einem Mikroprozessor gelieferte
Spannungswert, der die Führungsgröße w repräsentiert, an.
Die lineare Spannungsregelung wird bei anliegender Führungsgröße w aktiviert,
anderenfalls deaktiviert. Der Kollektoranschluss des Transistors T4
ist direkt mit der Eingangsspannung Ue verbunden. Der Basisanschluss
des Transistors T4 ist mit dem Verbindungspunkt der Widerstände R6 und
R5 verbunden. Der Widerstand R5 ist gegen Masse geschaltet; der
Widerstand R6 ist mit der Ausgangsspannung Ua verbunden.
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Zur
Strombegrenzung bildet ein Widerstand R1 die Strommesseinrichtung 5.
Der Widerstand R1 ist zwischen der Eingangsspannung Ue und dem Spannungsstellglied 3,
d.h. dem Emitteranschluss des Transistors T1, geschaltet. Der Basisanschluss des
Transistors T1 ist mit dem Kollektoranschluss vom Transistor T3
verbunden. Der Kollektoranschluss des Transistors T1 ist der Ausgang
A des linearen Spannungsreglers. An diesem werden nachfolgende Baugruppen
in Form eines Lastwiderstandes RL angeschlossen.
Gleichzeitig ist am Kollektoranschluss des Transistors T1 das Spannungsmessglied 2,
bestehend aus den als Spannungsteiler geschalteten Widerständen R6
und R5, zur Messung der Ausgangsspannung Ua angeschlossen. Ferner ist
das Stromstellglied 6 aus dem Widerstand R2 und dem Transistor
T2 gebildet. Der Emitteranschluss des Transistors T2 ist mit der
Eingangsspannung Ue verbunden. Der Kollektoranschluss des Transistors T2
ist mit dem Differenzglied 1.3 des Reglermoduls 1 am gemeinsamen
Anschlusspunkt der Emitteranschlüsse
der Transistoren T3 und T4 sowie des Widerstands R4 verbunden. Der
Basisanschluss des Transistors T2 ist über den Widerstand R2 mit dem gemeinsamen
Anschlusspunkt des Widerstandes R1 und dem Emitteranschluss des
Transistors T1 verbunden. Der Widerstand R2 hat die Aufgabe, den
Basisstrom vom Transistor T2 auf einen vorgegebenen Wert zu begrenzen.
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Im
Betrieb wird der lineare Spannungsregler beispielsweise über einen
Mikroprozessor aktiviert, indem auf die Basis des Transistors T3
ein H-Signal, z. B. 5-V-Signal, geschaltet wird. Hierdurch steuert der
Transistor T1 durch und der Aus gang A wird aktiviert. Der Laststrom
IL fließt über den
Widerstand R1, den Transistor T1, der Diode D1 und der Last RL. Die Regelung der Ausgangsspannung Ua erfolgt über deren
Rückkopplung
mittels des Spannungsteilers R5 und R6 auf die Basis des Transistors
T4 der Differenzschaltung. Der Emitter des Transistors T4 liegt am
Differenzpunkt 1.3 bei einem Eingangsspannungswert von
5 V auf ca. 4,3 V. Sobald die Ausgangsspannung Ua über einen
vorgegebenen Wert ansteigt, der dem Spannungsteiler und deren Widerstandsverhältnis R5
und R6 entsprechend über
5 V an der Basis vom Transistor T4 verursacht, steigt die Spannung
am Differenzpunkt über
4,3 V. so dass durch den Transistor T3 weniger Strom fließt und folglich
der Transistor T1 die Ausgangsspannung Ua reduziert. Mit anderen
Worten: Das Reglermodul 1 vergleicht den Wert der Führungsgröße w mit
dem vom Spannungsmessglied 2 ermittelten Wert der Ausgangsspannung
Ua. Diese Differenz liegt am Kollektorausgang von Transistor T3
und dem Basisanschluss von Transistor T1, dem Spannungsstellglied 3,
an. Je nach anliegendem Basisspannungswert öffnet der Transistor T1 die
Kollektor-Emitter-Strecke oder schließt sie, so dass die Ausgangsspannung
Ua den entsprechenden Wert annimmt. Somit dient die Spannungsregelung
einer Spannungsstabilisierung am Ausgang A. Dabei wird die Ausgangsspannung Ua
auf einen dem Widerstandsverhältnis
R5 und R6 entsprechenden Wert eingestellt.
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Tritt
ein Eingangsstrom I auf, der einen Spannungsabfall unter 0,7 V über dem
Widerstand R1 hervorruft, dann bleibt der Transistor T2 gesperrt.
Es erfolgt kein Eingriff in die Spannungsregelung. Tritt ein Spannungsabfall
größer 0,7
V auf, dann wird der Transistor T2 zunehmend leitend. Dies führt zu einem
Anstieg der Spannung am Differenzglied 1.3, d.h. an den
Emitteranschlüssen
der Transistoren T3 und T4. Die Spannung am Kollektor vom Transistor T3
steigt ebenfalls an. Der steigende Basisspannungswert des Transistors
T1 führt
zu einer weiteren Schließung
der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T1. Die Ausgangsspannung
Ua und der Eingangsstrom I sinken ab. Dieser Regelkreis wird solange
durchlaufen, bis sich am Widerstand R1 ein Spannungsabfall von höchstens
0,7 V einstellt.
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Vom
Ausgang A des linearen Spannungsreglers ist zum Lastwiderstand RL eine Gleichrichterdiode D1 in Flussrichtung
geschaltet, um Spannungsrückwirkungen
von der Last auf den Ausgang A des linearen Spannungsreglers zu
vermeiden. Ein zwischen der Gleichrichterdiode D1 und der Masse geschalteter
Kondensator C1 glättet,
aufgrund des Regelvorganges, auftretende Restwelligkeiten.
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Der
lineare Spannungsregler findet besonders Anwendung in Stromversorgungen
elektronischer Baugruppen und Geräte, die gegen Überstrom und
Kurzschluss gesichert sein müssen.
Der lineare Spannungsregler ist in netz- und batteriebetriebenen Geräten einsetzbar.
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- 1
- Reglermodul
- 1.1
- Spannungsvergleicher
- 1.2
- Spannungsregler
- 1.3
- Differenzglied
zur Strombegrenzung
- 2
- Spannungsmessglied
- 3
- Spannungsstellglied
- 4
- Regelstrecke
- 5
- Strommesseinrichtung
- 6
- Stromstellglied
- A
- Ausgang
- E
- Eingang
- IL
- Eingangsstrom
- RL
- Lastwiderstand
- Ue
- Eingangsspannung
- Ua
- Ausgangsspannung
- e
- Regelabweichung
- e'
- Eingangsregelabweichung
des Spannungsreglers
- r
- Rückführgröße
- u
- Reglerausgangsgröße
- w
- Führungsgröße
- x
- Regelgröße
- y
- Stellgröße