DE3542765C3 - Versorgungsschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Versorgungsschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Spannungsregler für solche Versorgungsschaltungen sind marktgängig.

Von den gattungsgemäßen Versorgungsschaltungen zu unterschieden sind solche für die Aufrechterhaltung der Betriebsbereitschaft nur eines Teiles der Verbraucher, wie etwa aus der DE-OS 28 25 379 bekannt. Dort ist für den Betrieb eines Autoradios ein von der Fahrzeug­ batterie betriebener Konstantspannungs-Schaltkreis vorgesehen, der ausgangsseitig zwei Lastkanäle speist. Der eine Lastkanal ist für die abschaltbaren Verbraucher größerer Leistung vorgesehen, während der zweite Lastkanal für Dauerbetriebs-Verbraucher kleiner Leistung wie insbesondere Speicherelemente ausgelegt ist. Der zweite Lastkanal ist nicht nur aus dem Konstantspannungs-Schaltkreis gespeist, sondern parallel dazu auch aus einer Konstantspannungsschaltung (nämlich vom Abgriff einer Reihenschaltung aus Vorwiderstand und Zenerdiode), die auch dann an die Kraftfahrzeugbatterie angeschlossen bleibt, wenn die Kraftfahrzeug-Stromkreise im übrigen (einschließlich der Autoradio-Versorgung über den Konstantspannungs-Schaltkreis) abge­ schaltet sind. Die beiden Einspeisungen in den zweiten Lastkanal sind über eine Rückstrom sperrende Ventilschaltung voneinander ent­ koppelt, für deren Funktion Voraussetzung ist, daß die Zenerspannung der Spannungsbegrenzerschaltung niedriger liegt als die Nenn-Ausgangs­ spannung des Konstantspannungs-Schaltkreises; denn dadurch ist sicher­ gestellt, daß dann und nur dann der zweite Lastkanal - und nur dieser zweite Lastkanal - aus der direkt an die Kraftfahrzeugbatterie ange­ schlossenen Stabilisierungsschaltung gespeist wird, wenn der an sich für den Last-Betrieb vorgesehene Konstantspannungs-Schaltkreis abgeschaltet ist.

Das eingangsseitige Auftreten überhöhter und insbesondere den Kon­ stantspannungs-Schaltkreis vorübergehend abschaltender Spannungen, das jedoch ohne Einfluß auf alle aus diesem Schaltkreis gespeisten Lasten bleiben soll, ist mit einer solchen Schwachlast-Standbyschal­ tung deshalb nicht beherrschbar.

Das gilt entsprechend für eine Spannungsregler-Schutzschaltung, wie sie aus der DE-OS 27 15 330 bekannt ist. Dort ist der Spannungs­ regler potentialmäßig etwas angehoben, um den Schutzwiderstand für die eingangsseitige Zenerdiode nicht im Lastkreis anordnen zu müssen, also um lastabhängige Spannungsabfälle am Zenerdiode-Schutzwiderstand zu vermeiden. Wenn die den Spannungsregler eingangsseitig schützende Zenerdiode aufgrund einer überhöhten Speisespannung anspricht, schwankt das Anhebungspotential des Reglers nach Maßgabe des Unter­ schiedes zwischen momentaner Speisespannung und Zenerspannung. Diese Differenzspannungsschwankung wird zur Entlastung des Regler-Längs­ transistors über eine zusätzlich vorgesehene Diode an den Ausgang übertragen. So ist zwar der Spannungsregler selbst gegen Überspannung geschützt, aber die Last muß beim Auftreten von Überspannungen ganz erhebliche Spannungsschwankungen (nämlich die Differenz zwischen der momentanen Überspannung und der konstanten Zenerspannung) ver­ kraften. Damit aber ist ein störungsfreier Betrieb von Prozessor­ schaltungen nicht realisierbar.

Bezüglich der spannungsbegrenzenden Funktion von Zenerdioden-Schutz­ schaltungen kann auf die bekannten Applicationspublikationen der einschlägigen Bauelemente-Anbieter verwiesen werden.

Ebenfalls von den gattungsgemäßen Versorgungsschaltungen zu unter­ scheiden sind solche mit Sicherungs-Abschaltfunktion, wie sie etwa aus DE-Z-"radio fernsehen elektronik", Band 22 (1973), in Heft 11 (Seite 349 links und mitte unten) bekannt sind. Auch jene Versorgungsschaltung weist zwar zwischen der eingangsseitigen Netzspannung und der ausgangsseitigen Speisespannung für integrierte elektronische Schaltungen einen Spannungsregler auf. Der ist aber nicht dafür ausgelegt, bei vorübergehender Überhöhung der Eingangs-Netzspannung ausgangsseitig vorübergehend hochohmig abzuschalten. Vielmehr ist ihm zur endgültigen Außerbetriebnahme eine Schmelzsicherung vorgeschaltet, die zum Durchbrennen auf Kurzschluß beansprucht wird, wenn die Regler-Ausgangsspannung - irregulärer Weise - über einen funktionskritischen Grenzwert ansteigt. Das Abschalten wird dabei dadurch bewirkt, daß die überhöhte Ausgangsspannung einen der ausgangsseitigen Speisespannung parallelgeschalteten Überspannungsbegrenzer (in der Bauform einer Zenerdiode) durchschaltet, der mit einem Widerstand in Serie liegt. Der dann am Widerstand auftretende Spannungsabfall wird zur Ansteuerung eines elektronischen Kurzschlußschalters auf der Eingangsseite des Spannungsreglers, also hinter der erwähnten Schmelzsicherung, abgegriffen. Ersichtlich kann eine solche, in bezug auf den Patentanspruch 1 gattungsfremde, Versorgungsschaltung nur dort Einsatz finden, wo eine überhöhte Ausgangsspannung des Reglers an sich gar nicht auftreten kann. Würde nämlich der Regler so schlecht arbeiten, daß stark schwankende Netzspannungen (wie etwa die Bordspannung eines regelmäßig stark verseuchten Fahrzeugnetzes) häufiger zu einer trotz des Reglers unzulässigen Schwankung seiner Ausgangsspannung führt, dann würde jedesmal diese Versorgungsschaltung und damit auch der Betrieb der gesamten nachfolgenden Schaltungseinrichtungen infolge Durchbrennens der Schmelzsicherung entgültig ausfallen, bis wieder eine Ersatzsicherung eingesetzt werden kann. Das aber ist untragbar für Anforderungen, in denen die gattungsgemäße Versorgungsschaltung Einsatz findet, die nach dem Abklingen der netzseitigen Überspannung selbsttätig wieder ihre geregelte Ausgangsspannung liefert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile zu vermeiden, die auftreten, wenn die Speisespannung für aus einer solchen Versorgungsschaltung betriebene Verbraucher vorübergehend ausfällt, weil Störspannungsspitzen im Netz den Betriebsbereich des Spannungsreglers überschreiten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Versorgungsschaltung gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 beschaltet wird.

Der Lösung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein vorübergehender Spannungsanstieg für viele Verbraucher, insbesondere wenn es sich dabei um prozessorgesteuerte Einrichtungen handelt, funktionell weniger kritisch ist, als ein vorübergehender Spannungszusammenbruch. Deshalb wird dann, wenn der Arbeitsbereich des Spannungsreglers von der Netzspannung überschritten wird, unter Überbrückung des Reglers vorübergehend eine überhöhte und nicht geregelte Spannung an den Verbraucher geliefert.

Das Einsetzen dieser Überbrückungsspannung und deren Begrenzung läßt sich in relativ engen Toleranzgrenzen durch die Verwendung von Zenerdioden (als den Überspannungsbegrenzern zwischen Eingang und Ausgang der Versorgungsschaltung und parallel zum Verbraucher) bestimmen, so daß Zerstörungen durch Überspannungen sicher vermieden sind.

Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und, unter Berücksichtigung auch der Darlegung in der Zusammenfassung, aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche abstrahiert skizzierten bevorzugten Ausführungsbeispiels zur erfindungsgemäßen Lösung. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt im Schaltbild eine erfindungsgemäße Versorgungsschaltung.

Die im vereinfachten Schaltbild gezeigte Versorgungsschaltung 1 dient der Speisung eines Verbrauchers 2 aus einem wenig konstanten Netz 3, wie es etwa als Bordnetz eines Fahrzeuges vorliegt. Um aus der Netzspannung U3 eine reduzierte stabilisierte Speisespannung U2 für den Verbraucher 2 zu gewinnen, ist die Versorgungsschaltung 1 im wesentlichen mit einem Spannungsregler 4 ausgestattet, wie er als Baugruppe mit integrierter Schaltung handelsüblich ist und beispielsweise unter Typenbezeichnungen wie LM 2931 von den Firmen National Semiconductor Co. (NSC) oder Texas Instruments Co. (TI), bzw. L 4805 von SGS, angeboten wird. Üblicherweise wird ein solcher Spannungsregler 4 mit einem Eingangskondensator 5 und einem Ausgangskondensator 6 beschaltet. Zum Schutz gegen extreme Spannungsspitzen im Netz 3 ist dem Eingang 7 der Versorgungsschaltung 1 vorteilhafterweise ein Überspannungsableiter 8, etwa in der Bauform eines spannungsabhängigen Widerstandes, parallel geschaltet, der für die Arbeitsweise der Versorgungsschaltung 1 keine Stabilisierungsfunktion, sondern insbesondere Schutzfunktion für die integrierten Eingangsschaltungen seines Reglers ausübt.

Die Funktion der hier betrachteten Spannungsregler 4 bringt es mit sich, daß sie ausgangsseitig hochohmig abschalten (also keine Ausgangsspannung U9 liefern), wenn die Netzspannung U3 den Regelbereich U3 max des Spannungsreglers 4 übersteigt. Spannungsspitzen auf dem Netz 3 führen also zu vorübergehendem Ausfall der Ausgangsspannung U9. Da ein ausgangsseitiger Durchgriff auf den großen Eingangskondensator 5 bei abgeschaltetem Regler 4 nicht gegeben ist, entlädt sich je nach den Belastungsgegebenheiten dann der Ausgangskondensator 6 relativ rasch, weil der aus Aufwandsgründen nicht beliebig groß realisierbar ist; so daß die Speisespannung U2 vorübergehend zusammenbricht. Wenn es sich beim elektrischen Verbraucher 2 unter anderem um prozessorgesteuerte Einrichtungen - etwa zur Meßwertverarbeitung und Anzeigesteuerung in einem Kraftfahrzeug - handelt, hat der Zusammenbruch mit als bald darauf erfolgendem Wiederanstieg der Speisespannung U2 einen Prozessor-Reset zur Folge, also bei der Datenverarbeitung einen Programmablauf, als ob es sich um den Betriebsbeginn handelte; obgleich tatsächlich stationärer Betrieb mit einer nur kurzen Störung in Form überhöhter Netzspannung U 3 gegeben ist. Diese Programmunterbrechung kann zu erheblichen Störungen bei der Funktion elektrischer Geräte bzw. bei der Interpretation von Anzeigen führen.

Solche Störungen werden vermieden, wenn - wie in der Zeichnung berücksichtigt - der Versorgungsschaltung 1 bzw. ihrem Spannungsregler 4 ein Spannungsteiler 10 mit Überspannungsbegrenzern 11 eingangsseitig parallel geschaltet wird, an dessen Teilerabgriff 13 der Schaltungs-Ausgang 9 angeschlossen ist. Dabei ist die Ansprechspannung Uz11 des den Spannungsregler 4 zwischen Eingang 7 und Ausgang 9 überbrückenden Überspannungsbegrenzers 11 derart ausgelegt, daß dieser bei einer momentanen Netzspannung U3 kurz unter der Abschaltspannung U3 max des Reglers 4 durchlässig wird. Der ausgangsseitig parallel geschaltete Überspannungsbegrenzer 12 ist dafür ausgelegt, bei der Nenn-Ausgangsspannung U9 des Reglers 4 noch zu sperren (also noch hochohmig zu sein).

Diese Überbrückungsmaßnahme hat somit zur Folge, daß beim Abschalten des Spannungsreglers 4 die an sich momentan zu hohe Netzspannung U 3 < U3 max auf den Ausgang 9 und damit an den Verbraucher 2 gelegt wird; was, wie die Praxis zeigt, sowohl für den Verbraucher 2 wie auch für den Regler 4 unschädlich ist, weil diese Überbrückung nur kurzzeitig wirksam wird und eine zu hohe Speisespannung U2 durch die Dimensionierung des Überspannungsbegrenzers 12 (also durch die enstprechende Vorgabe seiner Durchschaltspannung Uz12) vermieden wird. Dann wird der Verbraucher 2 zwar momentan nicht mit der Ausgangs- Konstantsspannung U9, sondern mit höherer und nicht konstanter Spannung betrieben; was aber für die Verbraucherfunktionen insgesamt weniger kritisch ist, als ein vorübergehender Zusammenbruch der Speisespannung U2.

Zweckmäßigerweise liegt in dem Strompfad, der vom Eingang 7 zum Ausgang 9 der Versorgungsschaltung 1 führt, in Serie mit dem Überspannungsbegrenzer 11 ein Strombegrenzungswiderstand 14, der gemäß dem Leistungsbedarf der Verbraucher 2 dimensioniert ist und beim Ansprechen beider Überspannungsbegrenzer 11-12 einen Kurzschluß am Netz 3 unterbindet. Da über den Widerstand 14 außerdem der Ausgangskondensator 6 auf die nun höhere (durch das Ansprechverhalten des Überspannungsbegrenzers 11 bestimmte) Speisespannung U2 aufgeladen wird, erfolgt für die Verbraucher 2 ein verzögerter Anstieg der Speisespannung U2. Das ist vorteilhaft, weil sich dadurch die Spannungsschwankungen an den Verbrauchern 2 kaum auswirken, denn die Überspannungsspitze im Netz 3 ist möglicherweise schon wieder abgeklungen, ehe der Ausgangskondensator 6 auf die höhere Speisespannung U2 aufgeladen ist.

Claims (4)

1. Elektrische Versorgungsschaltung (1), insbesondere für Verbraucher in Form von Prozessor-Schaltungen in Fahrzeugen, mit einem Spannungsregler (4), der bei eingangsseitigem Auftreten einer überhöhten Netzspannung (U 3 max) vorübergehend ausgangsseitig hochomig abschaltet, dadurch gekennzeichnet, daß ihrem Eingang (7) ein Spannungsteiler (10) aus Überspannungsbegrenzern (11-12) parallel geschaltet ist, an dessen Teilerabgriff (13) ihr Ausgang (9) angeschlossen ist; wobei der den Spannungsregler (4) überbrückende Überspannungsbegrenzer (11) anspricht, ehe die Netzspannung (U3) die Abschaltspannung (U3 max) des Reglers (4) erreicht, und der dem Ausgang (9) parallel geschaltete Überspannungsbegrenzer (12) eine oberhalb der stabilisierten Regler-Ausgangsspannung (U9) liegende Ansprechspannung aufweist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überspannungsbegrenzer (11, 12) Zenerdioden sind.

3. Versorgungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Überbrückung vom Eingang (7) zum Ausgang (9) ein Strombegrenzungswiderstand (14) mit dem Überspannungsbegrenzer (11) in Serie geschaltet ist.

4. Versorgungschaltung nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß dem Ausgang (9) ein Kondensator (6) parallel geschaltet ist.