Stromversorgungseinrichtung mit Spannungsregelung und Strombegrenzung

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinrichtung mit einem von einem Steuertransistor angesteuerten Lei­stungstransistor (T1), dessen Schaltstrecke jeweils zwi­schen einem Pol (UE+, UA+) einer ungeregelten Eingangs­gleichspannung (UE) und einer geregelten Versorgungsspan­nung (UA) liegt, mit einem Strommeßwiderstand (R10), mit einem über eine erste Elektrode den Steuertransistor (T2) ansteuernden ersten Regelverstärker (OP1), der eine aus der Versorgungsspannung (UA) ableitbare Spannung mit ei­ner ersten Referenzspannung (Uref) vergleicht, und mit einem zweiten Regelverstärker (OP2), der eine am Strom­meßwiderstand (R10) abgreifbare Meßspannung (UM) mit ei­ner zweiten Referenzspannung vergleicht. Die Spannungs- und Stromregelung soll einen geringen Bauteileaufwand so­wie ein ausreichendes dynamisches Regelverhalten aufwei­sen.
Es wird vorgeschlagen, daß der Ausgang des zweiten Regel­verstärkers (OP2) an eine zweite Elektrode des Steuer­transistors (T2) angeschlossen ist, wobei der Steuertran­sistor (T2) bei aktiver Spannungsregelung in Emitter­schaltung und bei aktiver Strombegrenzung in Basisschal­tung arbeitet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinrichtung mit einem von einem Steuertransistor angesteuerten Lei­stungstransistor, dessen Schaltstrecke jeweils zwischen einem Pol einer ungeregelten Eingangsgleichspannung und einer geregelten Versorgungsspannung liegt, mit einem Strommeßwiderstand, mit einem über eine erste Elektrode den Steuertransistor ansteuernden ersten Regelverstärker, der eine aus der Versorgungsspannung ableitbare Spannung mit einer ersten Referenzspannung vergleicht, und mit ei­nem zweiten Regelverstärker, der eine am Strommeßwider­stand abgreifbare Meßspannung mit einer zweiten Referenz­spannung vergleicht.

[0002] Zum Betrieb von elektronischen Schaltungen benötigt man Gleichspannungen, bei denen ein gewünschter Spannungswert auch bei Netzspannungsschwankungen, Laststromschwankungen sowie Temperaturschwankungen innerhalb eines bestimmten Toleranzbereiches eingehalten wird. Aus diesen Gründen ist eine, beispielsweise aus der Netzspannung durch Gleichrichtung gewonnene, Gleichspannung nicht direkt als Betriebsspannung für elektronische Schaltungen geeignet, sondern muß durch eine nachgeschaltete Spannungsregelung und Strombegrenzung stabilisiert und geglättet werden.

[0003] Eine Stromversorgungseinrichtung der eingangs genannten Art ist aus US-PS 4,346,342 bekannt. Die Spannungsrege­lung wird dabei aus einem ersten Regelverstärker gebil­det, der eine am invertierenden Eingang liegende, am Ab­griff eines ausgangsseitigen Spannungsteilers gewonnene, Spannung mit einer am nichtinvertierenden Eingang liegen­ den Referenzspannung vergleicht. Der Ausgang des ersten Regelverstärkers ist mit der Basis des Steuertransistors verbunden. Die Strombegrenzung wird aus einem zweiten Re­gelverstärker gebildet, der eine am Strommeßwiderstand abgreifbare Meßspannung mit einer zweiten Referenzspan­nung vergleicht. Der Ausgang des zweiten Regelverstärkers ist über eine Diode ebenfalls mit der Basis des Steuer­transistors verbunden, während der Emitter des Steuer­transistors über einen Widerstand mit einem Bezugspoten­tial verbunden ist. Somit wird die Basis des Steuertran­sistors sowohl von dem ersten Regelverstärker zur Span­nungsregelung als auch von dem zweiten Regelverstärker zur Strombegrenzung angesteuert. Darüber hinaus werden die Referenzspannungen der beiden Regelverstärker aus zwei getrennten Referenzspannungen erzeugt.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromver­sorgungseinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die einen geringen Bauteileaufwand sowie ein ausreichen­des dynamisches Regelverhalten aufweist.

[0005] Diese Aufgabe wird bei einer Stromversorgungseinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Aus­gang des zweiten Regelverstärkers an eine zweite Elektro­de des Steuertransistors angeschlossen ist, wobei der Steuertransistor bei aktiver Spannungsregelung in Emit­terschaltung und bei aktiver Strombegrenzung in Basis­schaltung arbeitet.

[0006] Dabei ist die erste Elektrode insbesondere die Basis und die zweite Elektrode der Emitter des Steuertransistors und der Steuertransistor arbeitet bei aktiver Spannungs­regelung in Emitterschaltung und bei aktiver Strombegren­zung in Basisschaltung. Im Normalbetrieb ist dann der er­ste Regelverstärker zur Spannungsregelung aktiv. Über­ steigt die Meßspannung am Strommeßwiderstand den durch die zweite Referenzspannung vorgegebenen Grenzwert und steigt dessen Ausgangsspannung an, so wird der Steuer­transistor in Basisschaltung betrieben und der Laststrom des Steuertransistors sinkt in dem Maße, in dem die Meß­spannung ansteigt. Somit wird auf einfache Weise durch die Verknüpfung der beiden Regelverstärker mit Hilfe des Steuertransistors entweder die Spannungsregelung oder die Strombegrenzung aktiv und bei geringem Bauteileaufwand ein ausreichendes dynamisches Regelverhalten der Strom­versorgungseinrichtung erreicht.

[0007] Bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsform liegt zwischen dem Ausgang des zweiten Regelverstärkers und dem Emitter des Steuertransistors ein Widerstand. Mit Hilfe des Wi­derstands wird eine Stromgegenkopplung erreicht, so daß insbesondere die Temperatur- und Stromabhängigkeit der Verstärkung des Steuertransistors sowie die Abhängigkeit durch Exemplarstreuungen verringert wird.

[0008] Bei einer Ausgestaltungsform ist der invertierende Ein­gang des zweiten Regelverstärkers über einen Widerstand mit dem Pol der geregelten Versorgungsspannung verbun­den. Hierdurch wird eine rückläufige Kennlinie der gere­gelten Versorgungsspannung in Abhängigkeit des Ausgangs­stroms erreicht.

[0009] Bei einer weiteren Ausgestaltungsform wird die erste und die zweite Referenzspannung aus einer einzigen Referenz­spannungsquelle gewonnen. Diese ist beispielsweise als Zenerdiode oder als Bandabstandsreferenzelement ausgebil­det. Dabei wird beispielsweise die erste Referenzspannung direkt aus der Referenzspannungsquelle gewonnen, während die zweite Referenzspannung beispielsweise mit Hilfe ei­nes Spannungsteilers aus der Referenzspannungsquelle ge­ wonnen werden kann. Die Gewinnung der beiden Referenz­spannungen aus einer einzigen Referenzspannungsquelle führt zu einer weiteren Bauteileeinsparung.

[0010] Bei einer weiteren Ausgestaltungsform liegt antiparallel zur Basis-Emitter-Strecke des Steuertransistors eine Gleichrichterdiode. Diese begrenzt die Spannung an der Basis-Emitter-Strecke und verhindert so einen möglichen Durchbruch, der beim Übergang von Spannungsregelung auf Strombegrenzung, d.h. beim Übergang des Betriebszustandes des Steuertransistors von Emitterschaltung in Basisschal­tung, auftreten kann.

[0011] Bei einer Ausgestaltungsform ist der erste Regelverstär­ker über die Reihenschaltung eines Widerstands und eines Kondensators gegengekoppelt. Hierdurch wird eine Fre­quenzgangkorrektur des ersten Regelverstärkers ermög­licht.

[0012] Bei einer weiteren Ausgestaltungform ist der zweite Re­gelverstärker über die Reihenschaltung eines Widerstands und eines Kondensators gegengekoppelt. Hierdurch ist eine Frequenzgangkorrektur des zweiten Regelverstärkers unab­hängig von der des ersten Regelverstärkers möglich.

[0013] Im folgenden wird die Erfindung anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

[0014] Die Figur zeigt eine Stromversorgungseinrichtung mit Spannungsregelung und Strombegrenzung.

[0015] Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel liegt die Spannungsregelung und Strombegrenzung zwischen einer Stromversorgungseinrichtung 1, die eine ungeregelte Gleichspannung UE (Eingangsspannung) liefert und einen von einem Ausgangsstrom I durchflossenen Lastwider­stand RL, an dem eine geregelte Versorgungsspannung UA (Ausgangsspannung) anliegt. In einem ersten Längs­zweig ZW1 liegt ein PNP-Leistungstransistor T1, dessen Basis-Emitter-Strecke über einen Widerstand R4 verbunden ist. Der Leistungstransistor T1 wird von einem Steuer­transistor T2 angesteuert. Dazu ist der Kollektor des Steuertransistors T2 mit der Basis des Leistungstransis­tors T1 verbunden. Parallel zum Lastwiderstand RL liegt ein Kondensator C3 sowie die Reihenschaltung eines ersten Widerstands R1 und eines zweiten Widerstands R2. Der Mittenabgriff der Widerstände R1, R2 ist mit dem inver­tierenden Eingang eines ersten Regelverstärkers OP1 ver­bunden. Zwischen dem nichtinvertierenden Eingang des er­sten Regelverstärkers OP1 und dem negativen Bezugspoten­tial UA- der Ausgangsspannung UA liegt eine Referenz­spannungsquelle Uref. Der mit dem nichtinvertierenden Eingang des ersten Regelverstärkers OP1 verbundene Pol der Referenzspannungsquelle Uref ist über einen Wider­stand R6 mit dem invertierenden Eingang eines zweiten Re­gelverstärkers OP2 verbunden. Der invertierende Eingang des zweiten Regelverstärkers OP2 ist außerdem über einen Widerstand R7 mit dem Positiven Pol UA+ der Ausgangs­spannung UA verbunden. In einem zweiten Längszweig ZW2 liegt zwischen dem negativen Pol UE- der ungeregelten Eingangsspannung UE und dem negativen Pol UA- der gere­gelten Ausgangsspannung UA ein Strommeßwiderstand R10, an dem eine Meßspannung UM anliegt. Der mit dem negativen Pol UA- der Ausgangsspannung UA verbundene Anschluß des Strommeßwiderstands R10 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang des zweiten Regelverstärkers OP2 und der mit dem negativen Pol UE- der ungeregelten Gleichspannung UE ver­bundene Anschluß über einen Widerstand R8 mit dem inver­tierenden Eingang des zweiten Regelverstärkers OP2 ver­bunden. Zwischen dem invertierenden Eingang des ersten Regelverstärkers OP1 und dem mit der Basis des Steuer­transistors T2 verbundenen Ausgang des ersten Regelver­stärkers OP1 liegt die Reihenschaltung eines Wider­stands R3 und eines Kondensators C1. Zwischen dem inver­tierenden Eingang des zweiten Regelverstärkers OP2 und dem Ausgang des zweiten Regelverstärkers OP2 liegt die Reihenschaltung eines Widerstands R9 und eines Kondensa­tors C2. Der Ausgang des zweiten Regelverstärkers OP2 ist über einen Widerstand R5 mit dem Emitter des Steuertran­sistors T2 verbunden. Antiparallel zur Basis-Emitter-­Strecke des Steuertransistors T2 ist eine Gleichrichter­diode D1 angeordnet.

[0016] Die beiden Regelverstärker OP1, OP2 weisen eine gemeinsa­me Spannungsversorgung mit einem Positiven Anschluß VCC und einem negativen Anschluß VEE auf. Die dazu benötigte Spannung wird dabei direkt an der Gleichspannung UE abge­griffen. Dazu ist der positive Anschluß VCC mit dem posi­tiven Pol UE+ und der negative Anschluß VEE mit dem nega­tiven Pol UE- der ungeregelten Gleichspannung UE verbun­den. In Anwendungsfällen, in denen die ungeregelte Ein­gangsgleichspannung die maximal zulässige Versorgungs­spannung der Regelverstärker OP1, OP2 übersteigt, kann deren Versorgungsspannung auch über eine einfache Stabi­lisierungsschaltung gewonnen werden.

[0017] Im Normalbetrieb ist der erste Regelverstärker OP1 zur Spannungsregelung aktiv. In diesem Betriebszustand er­folgt keine Begrenzung des Ausgangsstroms I durch den zweiten Regelverstärker OP2. Der Ausgang des zweiten Re­gelverstärkers OP2 liegt auf dem Potential VEE. Damit liegt auch der mit dem Emitter des Steuertransistors T2 verbundene Anschluß des Widerstands R5 auf dem Poten­tial VEE und der Steuertransistor T2 arbeitet in Emitter­schaltung mit Stromgegenkopplung.

[0018] Der Kollektorstrom des Steuertransistors T2 und damit auch der Basisstrom des Leistungstransistors T1 ist in Folge der Stromgegenkopplung des Steuertransistors T2 durch den Widerstand R5 proportional zur Basisspannung des Steuertransistors T2. Der Ausgangsstrom I und damit auch der Kollektorstrom des Leistungstransistors T1 ist wiederum proportional zum Basisstrom des Leistungstran­sistors T1. Der Ausgangsstrom I wird in Abhängigkeit vom momentanen Wert des Lastwiderstands RL so geregelt, daß die Versorgungsspannung UA am Lastwiderstand RL konstant bleibt. Dabei stellt sich die Ausgangsspannung des ersten Regelverstärkers OP1 und damit die Spannung an der Basis des Steuertransistors T2 so ein, daß die am invertieren­den Eingang des ersten Regelverstärkers OP1 anliegende Spannung, die durch Teilung über den Spannungsteiler R1, R2 gebildet wird, gleich der am nichtinvertierenden Ein­gang anliegenden Referenzspannung Uref ist. Die Stromge­genkopplung des Steuertransistors T2 durch den Emitter­widerstand R5 hat den Vorteil, daß die Verstärkung des Steuertransistors T2 weitgehend stabil bleibt und im we­sentlichen durch den Widerstandswert des Emitterwider­stands R5 bestimmt wird und weniger von der nichtlinearen Übertragungskennlinie des Steuertransistors T2 abhängig ist. Somit wird auch die Temperatur- und Stromabhängig­keit der Verstärkung des Steuertransistors T2 sowie die Abhängigkeit durch Exemplarstreuungen reduziert.

[0019] Übersteigt der Spannungsabfall UM am Strommeßwider­stand R10 den durch die Widerstände R6, R7, R8 sowie die Referenzspannung Uref vorgegebenen Grenzwert, so steigt die Ausgangsspannung des zweiten Regelverstärkers OP2 an. In diesem Betriebszustand wird der zweite Regelver­stärker OP2 zur Strombegrenzung aktiv. Dadurch sinkt der Kollektorstrom des Steuertransistors T2 und somit eben­falls der Basisstrom des Leistungstransistors T1. Der als Spannungsregler arbeitende erste Regelverstärker OP1 ver­sucht jetzt durch weiteres Erhöhen seiner Ausgangsspan­nung den Basisstrom des Leistungstransistors T1 aufrecht zu erhalten, bis diese schließlich die Positive Aussteu­erungsgrenze VCC erreicht. Die Basis des Steuertransi­stors T2 liegt jetzt auf festem Potential VCC und der Steuertransistor T2 arbeitet somit in Basisschaltung. Der Kollektorstrom des Steuertransistors T2 und damit der Ausgangsstrom I sinken in dem Maße, in dem die Ausgangs­spannung des zweiten Regelverstärkers OP2 ansteigt. Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel wird durch den zwischen dem positivem Pol UA+ der Ausgangs­spannung UA und dem invertierenden Eingang des zweiten Regelverstärkers OP2 geschalteten Widerstand R7 eine rückläufige Kennlinie der Versorgungsspannung UA in Ab­hängigkeit des Ausgangsstroms I erreicht. Die Verknüpfung der beiden Ausgangssignale des als Spannungsregler arbei­tenden ersten Regelverstärkers OP1 und des als Strombe­grenzung arbeitenden zweiten Regelverstärkers OP2 erfolgt lediglich durch ein Bauteil, d.h. durch den Steuertransi­stor T2, der abhängig davon, ob die Spannungsregelung oder die Strombegrenzung aktiv ist, entweder in Emitter­schaltung oder in Basisschaltung arbeitet. Durch die Stromgegenkopplung mit dem Widerstand R5 wird erreicht, daß die Verstärkung des Steuertransistors T2 in beiden Betriebszuständen weitgehend konstant bleibt. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsform wird für den ersten und zweiten Regelverstärker OP1, OP2 ein in einem Bauteil in­tergrierter Doppeloperationsverstärker verwendet, dessen Gleichtakt-Eingangsspannungsbereich den Wert des Poten­tials VEE einschließt. Der Einsatz eines Doppelopera­tionsverstärkers führt neben einer Bauteilereduzierung auch zu einer Platz- und Kosteneinsparung.

[0020] Beim Übergang von Spannungsregelung auf Strombegrenzung, d.h. beim Übergang des Betriebszustands des Steuertransi­stors T2 von Emitterschaltung in Basisschaltung, kann sich die Polarität der Spannung der Basis-Emitter-Strecke des Steuertransistors T2 umkehren. Die antiparallel zur Basis-Emitter-Strecke liegende Diode D1 begrenzt in die­sem Fall die Spannung und verhindert so einen Durchbruch der Basis-Emitter-Strecke. Die Reihenschaltungen des Kon­densators C1 und des Widerstands R3 bzw. des Kondensa­tors C2 und des Widerstands R9 bilden Gegenkopplungsnetz­werke der Regelverstärker OP1, OP2, die der Frequenzgang­korrektur dienen. Sie können unabhängig für den jeweili­gen Regelverstärker OP1, OP2 dimensioniert werden. Die Referenzspannung Uref wird beispielsweise mit Hilfe einer Zenerdiode oder einem Bandabstandsreferenzelement er­zeugt. Aus der einen Referenzspannung Uref werden sowohl die Sollwerte des ersten als auch des zweiten Regelver­stärkers gewonnen. Die Stromversorgungseinrichtung mit Spannungsregelung und Strombegrenzung arbeitet auch noch zuverlässig bei sehr kleinen Differenzen zwischen der Eingangsspannung UE und der Versorgungsspannung UA (Low-­Drop-Out-Voltage). Dadurch ergibt sich ein höherer Wir­kungsgrad sowie eine höhere Versorgungsspannung bei der kleinsten vorkommenden Eingangsspannung.

[0021] Bei einer weiteren, in der Figur nicht dargestellten Aus­führungsform ist eine Stromversorgungseinrichtung reali­sierbar, bei der gegenüber dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel alle Spannungen und Ströme umgekehr­te Polarität aufweisen. Zudem sind alle Transistoren durch ihre Komplementärtypen ersetzt und bei der Diode D1 Anode und Kathode vertauscht. Für den zweiten Regelver­stärker OP2 wird ein Typ verwendet, dessen Gleichtakt-­Eingangsspannungsbereich den Wert des Potentials VCC ein­schließt.

Ansprüche

1. Stromversorgungseinrichtung mit einem von einem Steu­ertransistor (T2) angesteuerten Leistungstransistor (T1), dessen Schaltstrecke jeweils zwischen einem Pol (UE+, UA+) einer ungeregelten Eingangsgleichspannung (UE) und einer geregelten Versorgungsspannung (UA) liegt, mit ei­nem Strommeßwiderstand (R10), mit einem über eine erste Elektrode den Steuertransistor (T2) ansteuernden ersten Regelverstärker (OP1), der eine aus der Versorgungsspan­nung (UA) ableitbare Spannung mit einer ersten Referenz­spannung (Uref) vergleicht, und mit einem zweiten Regel­verstärker (OP2), der eine am Strommeßwiderstand (R10) abgreifbare Meßspannung (UM) mit einer zweiten Referenz­spannung vergleicht,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Ausgang des zweiten Regelverstärkers (OP2) an ei­ne zweite Elektrode des Steuertransistors (T2) ange­schlossen ist, wobei der Steuertransistor (T2) bei akti­ver Spannungsregelung in Emitterschaltung und bei aktiver Strombegrenzung in Basisschaltung arbeitet.

2. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen dem Ausgang des zweiten Regelverstär­kers (OP2) und dem Emitter des Steuertransistors (T2) ein Widerstand (R5) liegt.

3. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der invertierende Eingang des zweiten Regelverstär­ kers (OP2) über einen Widerstand (R7) mit dem Pol (UA+) der geregelten Versorgungsspannung (UA) verbunden ist.

4. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste und die zweite Referenzspannung aus einer einzigen Referenzspannungsquelle (Uref) gewonnen wird.

5. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß antiparallel zur Basis-Emitter-Strecke des Steuer­transistors (T2) eine Gleichrichterdiode (D1) liegt.

6. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Regelverstärker (OP1) über die Reihenschal­tung eines Widerstands (R3) und eines Kondensators (C1) gegengekoppelt ist.

7. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Regelverstärker über die Reihenschaltung eines Widerstands (R9) und eines Kondensators (C2) gegen­gekoppelt ist.

Zeichnung