DE3505635C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Spannungsregler für batterie­ betriebene Geräte der im Oberbegriff des Patentanspruchs genannten Art (DE-OS 15 88 037).

In batteriebetriebenen Geräten muß aufgrund der schwanken­ den Batteriespannung bei vielen Anwendungen ein Serienreg­ ler eingebaut werden, um eine konstante Betriebsspannung zu erzeugen. Um den Spannungsabfall zwischen Eingang- und Ausgangsspannung des Reglers minimal zu halten, wird gemäß Fig. 1 der aus der geregelten Spannung entnommene Strom über einen PNP-Transistor T, der als Endstufe eines Regel­ verstärkers RV betrachtet werden kann, aus der Batterie­ spannung gewonnen.

In integrierter Technik muß der PNP-Transistor T als Lateral-Transistor ausgebildet werden. Ein lateraler PNP-Transistor mit relativ kleinen Abmessungen darf jedoch nur mit einem Maximalstrom von etwa 10 mA betrieben wer­ den. Außerdem liegt sein Stromverstärkungsfaktor zwischen 10 und 90 und ist damit relativ niedrig.

Um eine höhere Stromverstärkung zu erhalten, kann, wie es z. B. aus der DE-OS 15 88 037 bekannt ist, gemäß Fig. 2 dem PNP-Transistor T 1 ein NPN-Transistor T 2 nachgeschaltet werden. Da NPN-Transistoren eine größere Stromergiebigkeit als laterale PNP-Transistoren haben, können bei kleinem Halbleiterflächenbedarf Ausgangsströme bis zu 100 mA bei Stromverstärkungsfaktoren zwischen 100 und 300 erreicht werden. Ein gravierender Nachteil dieser in Fig. 2 gezeig­ ten Schaltung besteht jedoch darin, daß in Folge des Spannungsabfalls an der Basis-Emitter-Strecke des NPN- Transistors T 2 im Gegensatz zur Endstufe nach Fig. 1 die minimale Batteriespannung um 0,9 V über der Ausgangsspan­ nung sein muß (vergl. Funk-Technik, Nr. 17, 1978, S. 287-288), wodurch insbesondere bei Mikroelektronik­ schaltungen mit ihren geringen Batteriespannungen die Lebensdauer der Batterie wesentlich verkürzt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einer mög­ lichst wenig Halbleiterfläche beanspruchenden Schaltung die komplementäre Darlington-Leistungsstufe für einen Längsspannungsregler so zu verbessern, daß die untere Grenze der Batteriespannung für eine vorgegebene konstante Ausgangsspannung möglichst niedrig sein darf und daß bei ausreichender Batteriespannung die Ausgangsspannung auch bei größeren Ausgangsströmen konstant bleibt.

Die Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs genannte Erfindung gelöst. Durch die Verwen­ dung einer komplementären Darlington-Schaltung mit einem Treibertransistor in Form eines Doppelkollektor-Transistors, dessen zwei­ ter Kollektor mit dem Emitter des anderen Transistors verbunden ist, ist es nunmehr möglich, bei einem Ausgangs­ strom unter 10 mA Ausgangsspannungen bis zu U _Bat - 0,5 V zu stabilisieren. Bei Batteriespannungen oberhalb U _Bat - 0,9 V vermag der Regelverstärker die Ausgangsspan­ nung bei Ausgangsströmen bis zu 100 mA konstant zu halten.

Der erfindungsgemäße Regelverstärker ist in Fig. 1 darge­ stellt, wobei anstelle des dort gezeigten Transistors T die komplementäre Darlington-Schaltung gemäß Fig. 3 an den dargestellten Verbindungspunkten einzusetzen ist. Der Spannungsregler umfaßt gemäß Fig. 1 einen aus den Wider­ ständen R 1 und R 2 bestehenden Spannungsteiler, eine nicht detailliert dargestellte Referenzspannungsquelle U _Ref , einen Regelverstärker RV und eine Transistorleistungsend­ stufe T im Längszweig.

Gemäß der Erfindung besteht die Leistungsendstufe, wie in Fig. 3 dargestellt, aus einer komplementären Darlington- Schaltung T 11, T 21, deren Treibertransistor T 11 als Dop­ pelkollektor-Transistor ausgebildet ist, dessen erster Kollektor C 1 wie üblich mit der Basis des Haupttransistors T 21 und dessen zweiter Kollektor C 2 mit dem Emitter des Haupttransistors T 21 verbunden ist.

Die Verwendung eines Doppelkollektor-Transistors im Längs­ zweig eines Spannungsreglers ist zwar bekannt aus Elek­ tronik, 28. Jan. 1983, S. 67-72, jedoch wird einer der Kollektoren zur Steuerung einer Strombegrenzung verwendet.

Die in Fig. 3 dargestellte Endstufe im Längszweig ent­ spricht im wesentlichen der in Fig. 2 gezeigten Endstufe und kann bei ausreichender Batteriespannung mit bis zu 100 mA belastet werden. Der Transistor T 11 mit Kollektor C 1 entspricht dem PNP-Tran­ sistor T 1 aus Fig. 2.

Sinkt im Laufe der Betriebszeit die Batteriespannung U _Bat ab, so geht, wenn U _Bat < U _A + 0,9 V wird, der Kollektor C 1 in die Sättigung. Der Kollektor C 2 ist als Schutzring außerhalb des Kollektors C 1 ausgebildet. Im Sättigungszu­ stand des Kollektors C 1 wird bezüglich des Kollektors C 2 der Kollektor C 1 zum Emitter, sammelt die Ladungsträger im Basisraum des Transistors T 11 und führt sie dem Ausgang Q (Fig. 3) zu. Wenn nun der Ausgangsstrom <10 mA ist und die Stromergiebigkeit des PNP-Transistors nicht über­ schritten wird, wird auf diese Weise die Ausgangsspannung bis

U _A = U _Bat - 0,5 V

stabilisiert.

In Fig. 4 ist ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spannungsreglers dargestellt. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Regelverstärker besteht aus einem Differenzverstärker mit den Transistoren T 7, T 8 und einem Widerstand R 9 mit einem Stromspiegel mit den Transistoren T 3, T 4 und T 5 und den Widerständen R 3, R 4 und R 5 und einem Zwischenverstärker mit dem Transistor T 6 und dem Widerstand R 6, dessen Aus­ gang die Leistungsendstufe mit der erfindungsgemäßen Transistor-Darlington-Schaltung mit den Transistoren T 11 und T 12 steuert.

Ohne wesentlichen Mehraufwand an Chipfläche kann bei­ spielsweise bei einem Ausgangsstrom von <10 mA eine Ausgangsspannung von 3,4 V bei einer Batteriespannung von 4 V noch konstant gehalten werden.

In Fig. 5 ist zur Erläuterung der Wirkungsweise des Regel­ verstärkers der maximal konstanthaltbare Strom I _AR in Abhängigkeit von der Batteriespannung U _Bat dargestellt.

Claims (1)

1. Spannungsregler für batteriebetriebene Geräte mit einem Spannungsteiler, einer Referenzspannungsquelle, einem Regelverstärker und einer Transistorleistungsstufe in Form einer komplementären Darlington-Schaltung im Längszweig, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibertransi­ stor (T 11) der komplementären Darlington-Schaltung als Doppelkollektor-Transistor ausgebildet ist, dessen zweiter Kollektor (C 2) mit dem Emitter des Haupttransistors (T 21) verbunden ist.