DE19640305A1 - Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer stabilisierten Gleichspannung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer stabilisierten Gleichspannung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Schaltungsanordnungen zum Erzeugen einer stabilisierten Gleichspannung sind in unterschiedlichsten Ausführungsformen bekannt. Häufig besteht das Erfordernis, aus einer Eingangs­ gleichspannung, der ein Wechselsignal überlagert sein kann, eine niedrigere stabilisierte Ausgangsgleichspannung bereitzu­ stellen. Eine hierfür bekannte Schaltungsanordnung ist in Fig. 2 dargestellt. Die Schaltungsanordnung weist zwei Ein­ gangsklemmen E1, E2 und zwei Ausgangsklemmen A1, A2 auf. An den Eingangsklemmen E1, E2 ist eine Gleichspannung VABUS an­ legbar, die beispielsweise einen Gleichspannungswert von +20 Volt bis +33 Volt aufweist. Dieser Eingangsgleichspannung VABUS kann ein Wechselsignal überlagert sein, derart, daß die Spannung VABUS zwischen +45 Volt und +14 Volt variiert. Die in Fig. 2 dargestellte Schaltungsanordnung ist dazu geeignet, zwischen den beiden Ausgangsklemmen (A1, A2) eine stabilisier­ te Gleichspannung VDD zur Verfügung zu stellen, welche um ei­ nen vorgegebenen Wert, zum Beispiel 8 Volt, unter dem Gleich­ spannungsanteil der Eingangsgleichspannung VABUS liegt.

Die bekannte Schaltungsanordnung weist hierfür einen Span­ nungsteiler auf, der zwischen die Eingangsklemmen E1, E2 ge­ schaltet ist. Der Spannungsteiler besteht aus der Serienschal­ tung eines Widerstandes R1, der Laststrecke eines npn-Transistors TR1, einer Diode D1 und einem weiteren Widerstand R2, die in der genannten Reihenfolge hintereinander geschaltet sind. Der Widerstand R1 ist mit einer Klemme an die Eingangs­ klemme E2 und der Widerstand R2 mit einer Klemme an die Ein­ gangsklemme E1 angeschlossen. Der Kathodenanschluß der Diode D1, die als Verpolschutzdiode wirkt, ist mit dem Kollektoran­ schluß des Transistors TR1 in Verbindung. Der Spannungsteiler ist so dimensioniert, daß am Teilerabgriff P, der zugleich der Anodenanschluß der Diode D1 ist, eine Spannung anliegt, die beispielsweise +8 Volt unter der Eingangsspannung VABUS liegt. Dies wird dadurch erreicht, daß am Widerstand R1 über die Ba­ sis des Transistors TR1 eine Referenzspannung eingestellt wird, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa +2,5 Volt beträgt. Der Widerstand R ist dann entsprechend so dimensio­ niert, daß das Verhältnis der Widerstandswerte des Widerstan­ des R2 zum Widerstand R1 etwa 8 : 2,5 ist. Auf diese Weise steht am Teilerabgriff P eine Spannung an, die +8 Volt unterhalb der Spannung VABUS liegt. Diese Spannung am Teilerabgriff P wird störungsfrei einem Regelverstärker zur Verfügung gestellt. Dieser Regelverstärker besteht im dargestellten Ausführungs­ beispiel von Fig. 2 aus einem Differenzverstärker mit den Transistoren TR2 und TR3, dem Widerstand R3 und dem Stromspie­ gel mit den Transistoren TR4 und TR5.

Im einzelnen ist der Basisanschluß des pnp-Transistors TR2 an den Teilerabgriff p geschaltet. Der Basisanschluß des pnp-Transistors TR3 steht mit der ersten Ausgangsklemme A1 in Ver­ bindung. Die beiden Emitteranschlüsse der Transistoren TR2 und TR3 sind über den Widerstand R3 an die erste Eingangsklemme E1 angeschlossen. Der Kollektoranschluß des Transistors TR2 ist mit dem Basisanschluß und dem Kollektoranschluß eines weiteren pnp-Transistors TR4 und mit dem Basisanschluß eines pnp-Transistors TR5 in Verbindung. Die beiden Emitteranschlüsse dieser Transistoren TR4, TR5, die einen Stromspiegel darstel­ len, sind an die zweite Ausgangsklemme A2 angeschlossen. Die zweite Ausgangsklemme A2 ist elektrisch an die zweite Ein­ gangsklemme E2 geschaltet. Der Kollektoranschluß des Transi­ stors TR5 ist mit dem Kollektoranschluß des Transistors TR3 in Verbindung. Des weiteren ist der Kollektoranschluß TR5 über zwei weitere Stromspiegel TR6, TR7 sowie TR8, TR9 mit der Aus­ gangsklemme A1 in Kontakt. Zwischen die beiden Ausgangsklemmen A1, A2 ist ein Glättungskondensator C1 geschaltet.

Der Regelverstärker mit den Transistoren TR2 und TR3 speist über die Stromspiegel den Glättungskondensator C1 und stellt so die stabilisierte Gleichspannung VDD an der Ausgangsklemme A1 zur Verfügung.

Diese bekannte Schaltungsanordnung arbeitet zufriedenstellend, zeichnet sich jedoch durch folgende Nachteile aus: Der Regel­ verstärker ist über den Widerstand R3 direkt mit der Eingangs­ klemme E1 in Verbindung, wodurch der Regelverstärker einen hö­ heren Stromverbrauch hat und störungsempfindlich ist, da vor­ aussetzungsgemäß die Spannung VABUS Wechselsignale überlagert haben kann. Diese Wechselsignale können beispielsweise Daten­ signale oder Störsignale sein. Darüber hinaus zeichnet sich die Schaltungsanordnung von Fig. 2 durch verhältnismäßig vie­ le Schaltungskomponenten aus.

Die Erfindung hat deshalb das Ziel, eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer stabilisierten Gleichspannung anzugeben, die sich durch eine reduzierte Stromaufnahme und einen verein­ fachten Aufbau auszeichnet.

Dieses Ziel wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merk­ malen des Anspruches 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprü­ che.

Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung sieht demnach vor, zwischen die Eingangsklemmen der Schaltungsanordnung einen Spannungsteiler mit einem kapazitiven Spannungsteiler anzu­ schliessen und zwischen die Ausgangsklemmen einen Glättungs­ kondensator zu schalten. Zusätzlich ist zwischen der ersten Eingangsklemme und der zweiten Ausgangsklemme der Schaltungs­ anordnung eine schaltbare Stromquelle geschaltet. Die zweite Eingangsklemme und die zweite Ausgangsklemme sind miteinander elektrisch in Kontakt. Schließlich weist die Schaltungsanord­ nung einen Differenzverstärker auf, der mit seinem ersten Ein­ gang an den Teilerabgriff des kapazitiven Spannungsteilers und mit seinem Ausgang an die erste Ausgangsklemme der Schaltungs­ anordnung geschaltet ist. Der zweite Eingang des Differenzver­ stärkers ist mit einem Referenzpotential beaufschlagbar.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eignet sich insbeson­ dere zum Einsatz in einer Interfaceschaltung für das EIBus-System. Das EIBus-System ist für die Elektro-Installation ent­ wickelt worden und erlaubt eine intelligente Koordination von Schalt-, Steuerungs-, Überwachungs-, Melde- und Meßaufgaben in modernen Wohn- und Zweckbauten. Alle in das EIBus-System eingebundenen Funktionen werden, ohne daß eine Zentrale dafür erforderlich ist, über einen Kommunikationsweg, nämlich den EIBus, gesteuert. Dafür ist nur eine einzige insbesondere par­ allel zur Starkstromleitung verlegte, zweiadrige Bus-Leitung erforderlich, über die alle Busteilnehmer kommunizieren kön­ nen. Die Busleitung dient einerseits dazu, Informationsbits und Datenbits zu übertragen. Andererseits dient die Busleitung auch dazu, die Versorgungsspannung für die angeschlossenen Komponenten bereitzustellen. Zur Datenübertragung auf den Bus wird dieser mit Stromimpulsen belastet, welche zu definierten Spannungssprüngen am Bus führen. Beim Empfang werden die an­ kommenden Signale regeneriert und stehen digital am Ausgang der Interfaceschaltung zur Verfügung.

Das EIBus-System ist so konzipiert, daß bei ordnungsgemäßem Betrieb stets ein Gleichspannungsanteil von etwa +20 bis +30 Volt auf der Busleitung ansteht. Zusätzlich werden Datensigna­ le übertragen, die als Wechselsignal dem Gleichspannungsanteil auf der Busleitung überlagert werden. Für eine ordnungsgemäße Spannungsversorgung eines an die Busleitung angeschlossenen Mikrocontrollers ist es deshalb erforderlich, daß eine stabi­ lisierte Gleichspannung aus der Spannung auf der Busleitung abgeleitet wird. Dieses ist mit der erfindungsgemäßen Schal­ tungsanordnung in optimaler Weise möglich.

In einer konkreten Ausführungsform der Erfindung ist vorgese­ hen, daß die an den Ausgangsklemmen der Schaltungsanordnung abgreifbare stabilisierte Gleichspannung stets etwa +8 Volt unterhalb des Gleichspannungsanteiles der Eingangsgleichspan­ nung auf der Busleitung ist.

In einer anderen Weiterbildung der Erfindung besteht die Span­ nungsteileranordnung zwischen den Eingangsklemmen der Schal­ tungsanordnung aus der Reihenschaltung von Widerständen und mindestens einer kapazitiven Einrichtung, die parallel zu ei­ nem dieser Widerstände geschaltet ist. Zweckmäßigerweise weist der Spannungsteiler die Reihenschaltung von zwei oder mehr Wi­ derständen auf, wobei dem Widerstand, der an diejenige Ein­ gangsklemme geschaltet ist, die an Bezugspotential liegt, ein Kondensator parallelgeschaltet ist.

Der Differenzverstärker der erfindungsgemäßen Schaltungsanord­ nung ist in einer konkreten Ausführungsform der Erfindung mit seinem nichtinvertierenden Eingang an den Teilerabgriff der erwähnten Spannungsteileranordnung geschaltet. Der nichtinver­ tierende Eingang ist dagegen über einen Widerstand mit dem Ausgang des Differenzverstärkers gekoppelt. Des weiteren ist zwischen den invertierenden Eingang und die auf Bezugspotenti­ al liegende Eingangsklemme der Schaltungsanordnung ein weite­ rer Widerstand geschaltet. Zusätzlich liegt der invertierende Eingang über einen Widerstand an einem Referenzpotential. Der Differenzverstärker wird erfindungsgemäß von einer separaten Spannung, die dem Referenzpotential entsprechen kann, ver­ sorgt.

Darüber hinaus sieht die erfindungsgemäße Schaltung in einer Weiterbildung vor, daß zwischen die Ausgangsklemmen eine Schalteinrichtung geschaltet ist. Diese Schalteinrichtung wird dann eingeschaltet, wenn die Stromquelle zwischen der Ein­ gangsklemme und der Ausgangsklemme ebenfalls eingeschaltet wird.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird anhand eines konkreten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 Eine konkrete Schaltungsanordnung für eine erfin­ dungsgemäße Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer stabilisierten Gleichspannung, und

Fig. 2 die bereits erläuterte bekannte Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer stabilisierten Gleichspannung.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung weist zwei Eingangsklemmen E1, E2 und zwei Ausgangsklemmen A3, A4 auf. Zwischen den Eingangsklemmen E1, E2 ist eine Eingangsgleich­ spannung VABUS anlegbar, die beispielsweise einen Gleichanteil von +20 bis +30 Volt aufweist. Diesem Gleichanteil von +20 bis etwa +30 Volt kann aufgrund von Störspitzen und Datensignalen ein Wechselsignal überlagert sein, so daß die Spannung VABUS zwischen etwa +14 Volt und +45 Volt pendelt. Solche Be­ triebsbedingungen sind auf der Busleitung des bekannten EIBus-Systems üblich.

Wie die Schaltungsanordnung von Fig. 1 zeigt, ist zwischen die erste Eingangsklemme E1 und zweite Eingangsklemme E2 eine Spannungsteileranordnung geschaltet. Die Spannungsteileranord­ nung besteht aus der Reihenschaltung eines Widerstandes R10 und eines weiteren Widerstandes R11. Der Widerstand R10 ist mit einer Klemme an die Eingangsklemme E1 und mit der anderen Klemme an eine Klemme des Widerstandes R11 geschaltet. Die zweite Klemme des Widerstandes R11 ist mit der zweiten Ein­ gangsklemme E2 in Verbindung. Parallel zum Widerstand R11 ist ein Kondensator C10 geschaltet. Der Verbindungspunkt des Wi­ derstandes R10 und des Widerstandes R11 ist der Teilerabgriff P der Spannungsteileranordnung. Dieser Teilerabgriff P ist mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Differenzverstärkers OP in Verbindung. Der invertierende Eingang dieses Differenzver­ stärkers OP ist über einen ersten Widerstand R12 an ein Refe­ renzpotential, hier VCC von zum Beispiel +5 Volt, geschaltet. Des weiteren ist der invertierende Eingang des Differenzver­ stärkers OP über einen zweiten Widerstand R13 mit der Ein­ gangsklemme E2 und über einen dritten Widerstand R14 mit sei­ ner eigenen Ausgangsklemme in Verbindung. Die Ausgangsklemme des Differenzverstärkers OP ist zusammen mit dem Widerstand R14 an die erste Ausgangsklemme A3 der Schaltungsanordnung ge­ schaltet.

Zwischen der ersten Eingangsklemme E1 und der ersten Ausgangs­ klemme A3 ist eine schaltbare Stromquelle S geschaltet, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel als pnp-Bipolartransistor skizziert ist. Diese schaltbare Stromquelle S wird ein- und ausgeschaltet nach Maßgabe von Datensignalen, die über die Busleitung, die an die Eingangsklemmen E1, E2 geschaltet ist, übertragen werden sollen. Parallel zu den Ausgangsklemmen A3, A4 ist ein Glättungskondensator C11 geschaltet. Parallel zu den Ausgangsklemmen A3, A4 ist auch eine Schalteinrichtung B geschaltet, die als Gleichstrom-Bypass dient, um den Glät­ tungskondensator C11 zu entladen, wenn die Stromquelle ver­ sucht, den Kondensator C11 zu überladen.

Wie die Schaltungsanordnung von Fig. 1 weiter zeigt, wird der Differenzverstärker OP von einer separaten Versorgungsspannung gespeist. Hierfür sind Versorgungsklemmen des Differenzver­ stärkers OP einmal an Bezugspotential und zum anderen an das Referenzpotential VCC von zum Beispiel +5 Volt geschaltet.

Die Schaltungsanordnung von Fig. 1 ist so dimensioniert, daß die Spannung VDD an den Ausgangsklemmen A3, A4 der Schaltungs­ anordnung stets um einen vorgegebenen Wert, hier zum Beispiel 8 Volt, unterhalb des Gleichspannungsanteils der Spannung VABUS liegt. Beim Einschalten der Stromquelle S fließt bei ei­ nem niederohmigen Bus ein eingeprägter Strom von der Eingangs­ klemme E1 zur Ausgangsklemme A3. Da die Spannung VDD aufgrund der erfindungsgemäßen Schaltung immer um den vorgegebenen Spannungswert von zum Beispiel +8 Volt unter der Spannung VABUS liegt, wird bei einem hochohmigen Bus eine Spannungshub­ begrenzung der einzelnen Bitimpulse erreicht. Die beim Senden, also beim Einschalten der Stromquelle S, der Busleitung ent­ nommene Energie wird im Kondensator C11 zwischengespeichert und steht somit für die Versorgung nachfolgender Komponenten zur Verfügung, was zu einer Reduzierung der Stromaufnahme aus der Busleitung, die mit den Eingangsklemmen E1, E2 in Verbin­ dung steht, führt.

Damit die Schaltungsanordnung von Fig. 1 unabhängig vom Wert der Spannung VABUS an den Ausgangsklemmen stets eine Spannung von +8 Volt unterhalb der Spannung VABUS bereitstellt, sind die Widerstände folgendermaßen dimensioniert, wobei angenommen wird, daß am Teilerabgriff P die Spannung VABUS/8 abgreifbar ist. Hierfür ist das Widerstandverhältnis des Widerstandes R10 zu dem Widerstand R11 etwa 7 : 1 gewählt und es ist angenommen, daß es sich bei dem Differenzverstärker um einen idealen Ope­ rationsverstärker handelt. Die Spannungsdifferenz zwischen dem nicht invertierenden Eingang und dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers beträgt idealerweise 0 Volt.

An dem in Fig. 1 gezeichneten Schaltungsknoten K gilt folgen­ de Strombeziehung

I_R12 + I_R14 - I_R13 = 0 (1)

Mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes I = U/R ergibt sich hieraus folgende Beziehung:

Wird die Gleichung (2) so aufgelöst, daß die Spannung ΔU unab­ hängig von der Spannung VABUS sein soll, so ist das Wider­ standsverhältnis des Widerstandes R14 zum Widerstand R13 etwa 5,4 : 1 und das Widerstandsverhältnis des Widerstandes R12 zu dem Widerstand R13 etwa 3,375 : 1 zu wählen.

Bei dieser Dimensionierung ist die Spannung VDD an den Aus­ gangsklemmen A3, A4 immer +8 Volt unterhalb der Spannung VABUS und zwar unabhängig von dessen Spannungswert.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Schaltungsanord­ nung ist darin zu sehen, daß die Genauigkeit der Regelung nicht durch den Absolutwert der Widerstände R12, R13 und R14 bestimmt wird, sondern aus deren Widerstandsverhältnissen, was in der Integrationstechnik hochgenau ohne erhöhte Kosten her­ zustellen ist.

Bezugszeichenliste

A1-A4 Ausgangsklemmen
B Schalteinrichtung
C1 . . . C11 Kondensatoren
D1 Diode
E1, E2 Eingangsklemmen
I_R12

, I_R13

, I_R14

Ströme
K Schaltungsknoten
OP Differenzverstärker
P Teilerabgriff
R1 . . . R14 Widerstände
S schaltbare Stromquelle
TR1 . . . TR9 Transistoren
VABUS Spannung
VCC Referenzpotential
VDD Spannung

Claims (9)

1. Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer stabilisierten Gleichspannung (VDD) aus einer mit einem Wechselsignal beaufschlagbaren höheren Eingangsgleichspannung (VABUS) mit zwei Eingangsklemmen (E1, E2) und zwei Ausgangsklem­ men (A3, A4) sowie mit einer zwischen die Eingangsklemmen (E1, E2) geschalteten Spannungsteileranordnung und einen zwischen die Ausgangsklemmen (A3, A4) geschalteten Glät­ tungskondensator (C11), wobei eine Eingangsklemme (E2) und eine Ausgangsklemme (A4) miteinander elektrisch ver­ bunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die erste Eingangsklemme (E1) und erste Ausgangsklemme (A3) eine schaltbare Stromquelle (S) geschaltet ist, daß die Spannungsteileranordnung einen kapazitiven Teilerzweig (R11, C10) aufweist, und daß ein Differenzverstärker (OP) vorgesehen ist, der mit seinem ersten Eingang (+) mit dem Teilerabgriff (P) der Spannungsteilerordnung und mit sei­ nem Ausgang an die erste Ausgangsklemme (A3) geschaltet ist, wobei dessen zweiter Eingang (-) mit einem Referenz­ potential beaufschlagbar ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Span­ nungsteileranordnung die Reihenschaltung von Widerständen (R10, R11) aufweist und mindestens einem der Widerstände (R11) eine kapazitive Einrichtung (C10) parallelgeschal­ tet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Span­ nungsteileranordnung die Reihenschaltung von zwei Wider­ ständen (R10, R11) aufweist, und daß dem an die zweite Eingangsklemme (E2) angeschlossenem Widerstand (R11) ein Kondensator (C10) parallelgeschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zwei­ te Eingang (-) des Differenzverstärkers (OP) über einen ersten Widerstand (R12) an das Referenzpotential (VCC), über einen zweiten Widerstand (R13) mit der zweiten Ein­ gangsklemme (E2) und über einen dritten Widerstand (R14) mit der ersten Ausgangsklemme (A3) verbunden ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ver­ hältnis erster Widerstand (R12) zu zweitem Widerstand (R13) etwa 3,375 : 1 und das Verhältnis des dritten Wider­ standes (R14) zu dem zweiten Widerstand (R13) etwa 5,4 : 1 gewählt ist, und daß das Referenzpotential etwa +5 Volt beträgt.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dif­ ferenzverstärker (OP) zur eigenen Stromversorgung an das Referenzpotential (VCC) angeschlossen ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den Ausgangsklemmen (A3, A4) eine Schalteinrichtung (B) geschaltet ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Teilerverhältnis der Spannungsteileranordnung etwa 7 : 1 beträgt.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung innerhalb eines integrierten Schalt­ kreises, der als Interfaceschaltung für das EIBus-System ausgebildet ist, integriert ist.