DE19707423C1 - Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer Versorgungsspannung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer Versorgungsspannung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Schaltungsanordnungen werden verwendet, um z. B. Sensoren mit nachgeordneter Signalgebereinheit mit einer Spannung zu versorgen, die so ausgestaltet ist, so daß Schwankungen der Eingangsspannung die Funktionsfähigkeit der zu versorgenden Einheit nicht gefährden. Es hat sich dabei als vorteilhaft herausgestellt, die Spannungsdifferenz, mit dem die Versorgungsspannung für den Verbraucher unter der Eingangsspannung liegt, wie in der Fig. 2 dargestellt, bis zu einem ersten Wert der Eingangs­ spannung auf einen ersten, konstanten Wert zu halten und ab einem bestimmten Wert der Eingangsspannung auf einen zweiten größeren Wert konstant zu halten. Im dazwischen liegenden Übergangsbereich, im Normalbetrieb, bleibt die Versorgungsspannung konstant und ist unabhängig von der Eingangsspannung.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist der Patentschrift DE 25 33 199 C3 zu entnehmen. Diese Schaltungsanordnung erzeugt den beschriebenen Verlauf der Versorgungsspannung in Abhängigkeit von der Eingangsspannung über eine komplexe Transistorschaltung, deren Realisierung aufwendig und mit erheblichen Kosten verbunden ist.

Darüber hinaus lehrt die Patentschrift DE 41 31 170 A eine Vorrichtung, bei der mittels einer Zener-Diode und eines Komparators sowie einer steuerbaren Stromquelle eine Versorgungsspannung erzeugt wird, welche sich in Intervallen in Abhängigkeit von der anliegenden Eingangsspannung ändert. Auch diese Anordnung erweist sich aufgrund ihrer Komplexität, insbesondere der steuerbaren Stromquelle, als zu aufwendig und kost­ spielig.

Des weiteren sind im Stand der Technik weitere Schaltungsanordnungen zur Spannungsstabilisierung mit einer Z-Diode bekannt (vergleiche Tietze/Schenk: Halbleiterschaltungstechnik, 10. Auflage 1993, Seite 555 ff.).

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer Versorgungsspannung anzugeben, mit der der oben beschriebene Verlauf der Versorgungspannung in Abhängigkeit der Eingangsspannung auf einfache Weise erzielt werden kann.

Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Schaltungsanordnung erzeugt den gewünschten Verlauf der Ver­ sorgungsspannung in Abhängigkeit von der Eingangsspannung mittels einer überraschend einfachen Schaltungsanordnung, basierend auf zwei Z- Dioden-Anordnungen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Patentansprüchen 2 bis 6 beschrieben. Die Regelkreisnachführung gemäß Patentanspruch 5 ermöglicht eine rückwirkungsfreie Leistungs­ entkopplung von Signalgebereinheit und der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung,

Fig. 2 den Verlauf der Versorgungsspannung in Abhängigkeit von der anliegenden Eingangsspannung U_Batt,

Fig. 3 Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Signalgebereinheit und der zugeord­ neten Auswerteeinheit,

Fig. 4a die Stromimpulse der Signalgebereinheit,

Fig. 4b die Spannung an der Signalgebereinheit,

Fig. 4c den Ausgangspegel der Auswerteschaltung,

Fig. 4d den Basisstrom des Längstransistors im Regelkreis.

Fig. 1 zeigt den Eingang mit der nichtkompensierten, nichtkonstanten Ein­ gangsgleichspannung U_Batt, beispielsweise ein Anschluß zu einer Auto­ batterie. Ausgehend von der eingangsseitigen Gleichspannung befinden Sich ein erster Strompfad I1 sowie parallel zu diesem ein zweiter Strompfad I₂. In I₁ ist eine Anzahl seriell geschalteter Dioden in Durchlaßrichtung gepolt angeordnet, wobei die Anzahl der Dioden den ersten konstanten Betrag ΔU₁ bestimmt. Um den Spannungsabfall über den Dioden sicherzustellen, sind diese über einen ersten Widerstand R₁ auf Masse geschaltet, so daß ein Diodenstrom entsteht, der so groß ist, daß die Dioden in den Durchlaß­ bereich gesteuert werden. Andererseits ist die letzte Diode über einen zweiten, hochohmigen Widerstand auf Ausgang U_V geschaltet. Parallel zu der Anordnung im ersten Strompfad I1 befindet sich ein Strompfad I2, der ausgehend von der eingangseitigen Gleichspannung eine Z-Diode Z, zum Ausgang U_V hin aufweist. Des weiteren ist der Ausgang U_V über einen dritten Widerstand R₃ und in Reihe dazu eine zweite Z-Diodenanordnung Z₂ auf Masse geschaltet.

Fig. 2 zeigt die drei Spannungsintervalle der Eingangsgleichspannung I₁, I₂, I₃ sowie die zugeordnete ausgangsseitige Versorgungsspannung. Wie im ersten Intervall I₁ zu erkennen, wird in diesem Bereich die Versorungs­ spannung der Eingangsgleichspannung um einen konstanten ersten Betrag reduziert nachgeführt. Im Intervall I₂, dem Normalbetrieb, wird die Versor­ gungsspannung auf der gewünschten Nennspannung gehalten. Über­ schreitet jedoch die Eingangsspannung dieses zweite Spannungsintervall I2, wird im Spannungsintervall I₃ eine Ausgangsspannung erzeugt, reduziert um einen zweiten konstanten Betrag ΔU₂ der Eingangsspannung folgt. Der Verlauf ergibt sich dabei schaltungstechnisch wie nachfolgend dargestellt:

Im ersten Spannungsintervall I₁ der Eingangsspannung wird bis zum Erreichen der Zenerspannung der Z₂ die Ausgangsspannung U_V reduziert um den Spannungsabfall U_D über den Dioden konstant zur Eingangsspannung U_Batt nachgeführt. Übersteigt nun die Eingangsspannung U_Batt den Wert von Z₂, wird die zweite Zenerdiode Z₂ leitend. Der Strom durch die Dioden kann somit sowohl über den Widerstand R₁ als auch parallel zu diesem durch die Reihenanordnung von R₂, R₃ und Z₂ nach Masse fließen. Es entsteht ein Spannungsteiler aus den Widerständen R₂ und R₃, wobei R₂ gegenüber R₃ um den Faktor 100 hochohmiger gewählt wurde, so daß eine Spannungs­ änderung der Eingangsspannung U_Batt um den Faktor 100 kleiner und somit nicht nachweisbar auf die Ausgangsspannung U_V wirkt. ES wird eine Kompensation der Eingangsspannungsänderungen erreicht. Überschreitet die Eingangsspannung jedoch einen Wert, der rund UZ₂ plus UZ₁ ist, wird auch die erste Zenerdiode Z₁ im zweiten Strompfad I₂ leitend. Damit werden die Dioden sowie der Widerstand R₂ überbrückt. Der Spannungsteiler zwischen R₂ und R₃ ist aufgehoben. Die Ausgangsspannung U_V folgt nun in einen zweiten konstanten Betrag ΔU₂ der Eingangsspannung U_Batt, wobei der zweite Betrag ΔU₂ weitgehend von der Spannung UZ₁ bestimmt wird. Die Zenerdiodenanordnungen Z₁ und Z₂ können dabei sowohl einfache Z-Dioden als auch temperaturkompensierte Zenerdioden­ anordnungen, beispielsweise durch Reihenschaltung mit temperatur­ kompensierenden Dioden mit entsprechend anderem Temperatur­ koeffizienten realisiert werden. Es entsteht die gewünschte Abhängigkeit der Versorgungsspannung von der anliegenden Eingangsgleichspannung.

Fig. 3 zeigt eine Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltungs­ anordnung zur Spannungsversorgung einer Signalgebereinheit Sat, wobei diese über einen Regelkreis RK angesteuert wird. Der Regelkreis gleicht dabei die Spannung U_sat mit der eingangsseitig anliegenden Spannung U_V ab. Die Signalgebereinheit Sat weist einerseits einen Ruhestrompfad I_R, andererseits einen Signalstrompfad I_signal auf. Eingangsseitig ist zwischen dem Regelkreis und dem umkompensierten Eingang der erfindungs­ gemäßen Schaltung eine Auswerteschaltung Iniess angeordnet, die über einen Stromspiegel, gebildet aus den Transistoren T₂ und T₃, sowie den Widerständen RM₁ und RM₂ sowie einer Konstantromquelle den von der Signalgebereinheit Sat gesandten Signalstrom Isat auswertet, indem ein Komparator K₂ die Spannungsabfälle über den Widerständen RM₁ und RM₂ vergleicht und das Ausgangssignal zur weiteren Verarbeitung beispielsweise an einen Mikroprozessor leitet. Der Regelkreis RK wird gebildet aus einem Komparator K₁, an dessen Ausgang sich der Widerstand R_K und der Transistor T_K befindet, wobei der Transistor T_K als Längstransistor mit der Basis zum Komparator K₁ und mit dem Emitter zur Signalgebereinheit Sat geschaltet ist. Die von der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erzeugte Versorgungsspannung U_V wird im Komparator K₁ mit U_sat verglichen und U_sat entsprechend nachgesteuert.

Die in diesem Ausführungsbeispiel erheblichen Stromimpulse I_signal in Höhe von 40 mA zur Signalübertragung wirken faktisch, entkoppelt durch den Regelkreis RK, nicht auf die versorgungsspannungserzeugende Schaltungs­ anordnung. Die Stromimpulse werden quasi unbeeinflußt durch den Transistor TK zur Strommeßeinrichtung geleitet und dort erkannt. Die Spannung über der Strommeßeinrichtung ergibt sich dabei als Differenz­ betrag zwischen der Spannung U_Batt und der Spannung an der Signalgeber­ einheit Sat sowie den Spannungsabfällen über dem Transistor TK. Sie stimmt damit weitgehend den Beträgen ΔU₁ und ΔU₂ überein. Die Funktions­ fähigkeit der Auswerteeinheit ist somit durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung sichergestellt, auch wenn die Eingangsspannung stark von der gewünschten Nennspannung abweicht.

Fig. 4 zeigt die Funktionsverläufe von charakteristischen Größen in der in Fig. 3 gezeigten Schaltungsanordnung. So zeigt Fig. 4a die Stromimpulse I_signal zuzüglich dem konstanten Ruhestrom I_r. Diagramm 4b zeigt die Spannung U_sat an der Signalgebereinheit. Die Spannung weist extrem kurze Ausschläge in den Flankenmomenten des Signalstroms I_signal auf, wird jedoch vom Regelkreis sofort wieder auf den eingestellten Betriebspunkt zurückgeführt, indem der Basisstrom im Regelkreis anspricht (vgl. Fig. 4d). Am Ausgang der Auswerteeinheit kommt das Signal unverfälscht an (vgl. Fig. 4C).

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer ausgangsseitigen Versorgungs­ gleichspannung (U_out) in Abhängigkeit von einer eingangsseitig anliegenden, nicht konstanten Gleichspannung (U_Batt), bei der in einem ersten Spannungs­ intervall die eingangsseitige Gleichspannung (U_Batt) um, einen konstanten ersten Betrag (ΔU₁) reduziert übertragen, in einem sich anschließenden zweiten Spannungsintervall die Versorgungsgleichspannung konstant (U_nenn) gehalten wird und, falls die eingangsseitige Gleichspannung dieses zweite Spannungs­ intervall überschreitet, eine ausgangsseitige Versorgungsgleichspannung erzeugt wird, welche um einen zweiten konstanten Betrag (ΔU₂) der eingangs­ seitigen Gleichspannung (U_Batt) folgt, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) ausgehend von der eingangsseitigen Gleichspannung (U_Batt) in einem ersten Strompfad sich in Durchlaßrichtung gepolt eine Anzahl (n) seriell geschalteter Dioden (D₁ ... D_n) befinden, die einerseits über einen ersten Widerstand (R₁) auf Masse und andererseits über einen zweiten, hochohmigen Widerstand(R₂) an den Ausgang geschaltet sind,
• b) parallel zu dem ersten Strompfad ein zweiter Strompfad von der eingangs­ seitigen Gleichspannung (U_Batt) aus über eine erste Zener- Diodenanordnung (Z₁) auf den Ausgang geschaltet ist und
• c) der Ausgang über einen dritten Widerstand (R₃) und in Reihe dazu eine zweite Zener-Diodenanordnung (Z₂) auf Masse geschaltet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Betrag (ΔU₁) der Reduzierung der Ausgangs- gegenüber der Eingangsspannung (U_Batt) durch die Anzahl der Dioden sowie die Zenerspannungen der ersten und zweiten Zenerdiodenanordnung (Z₁, Z₂) bestimmt wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zenerspannung der zweiten Zenerdiodenanordnung (Z₂) die Grenze zwischen erstem und zweitem Spannungsintervall bestimmt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zenerspannung der ersten Zenerdiodenanordnung (Z₁) größer als die Zener­ spannung der zweiten Zenerdiodenanordnung (Z₂) ist und die obere Grenze des zweiten Spannungsintervalls bestimmt.

5. Schaltungsanordnung nach einem der voranstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zu versorgender Einheit und dem Ausgang der Versorgungsspannungsschaltung ein Regelkreis (RK) eingefügt wird, derart, daß die Spannung an der zu versorgenden Einheit der Ausgangsspannung der Versorgungsspannung (U_out) nachgeführt wird.

6. Verwendung der Schaltungsanordnung nach einem der voranstehenden Patent­ ansprüche zur Versorgung von Sensoreinheiten in Kraftfahrzeugen.