DE2403453A1 - ELECTRICAL CIRCUIT FOR STABILIZATION OF A DC VOLTAGE USING A ZENER DIODE - Google Patents
ELECTRICAL CIRCUIT FOR STABILIZATION OF A DC VOLTAGE USING A ZENER DIODEInfo
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Pat ent anwält e
Dipl.-Ing. W.Beyer Dipl.-Wirtsch.-Ing.B. «löchernPat ent attorneys e
Dipl.-Ing. W.Beyer Dipl.-Wirtsch.-Ing.B. «Holes
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In Sachen:In matters:
Ford-Werke AktiengesellschaftFord-Werke Aktiengesellschaft
5 K ö 1 η5 K ö 1 η
OttoOlatz 2OttoOlatz 2nd
Elektrische Schaltung zur Stabilisierung einer Gleichspannung unter Verwendung einer Zenerdiode.Electric circuit for stabilizing a DC voltage using a zener diode.
Die Erfindung betrifft eine elektrische. Schaltung zur Stabilisierung einer Gleichspannung, deren einer Abgriff an der Verbindungsstelle der beiden Widerstände eines Spannungsteilers erfolgt, welcher zu einer Zenerdiode parallelgeschaltet und zusammen mit dieser an eine veränderliche Speisespannung angeschlossen ist.The invention relates to an electrical. Circuit for stabilizing a DC voltage, one tap of which takes place at the junction of the two resistors of a voltage divider, which leads to a Zener diode connected in parallel and connected together with this to a variable supply voltage.
Es ist bekannt, daß eine im Bereich der Durchbruchsspannung betriebene Zenerdiode einen praktisch konstanten Spannungsabfall zwischen deren Kathode und deren Anode liefert. Diese bekannte Erscheinung wird zur Stabilisierung von Gleichspannungsquellen bekannter Spannungswerte ausgenutzt, indem entweder eine entsprechend bemessene Zenerdiode unmittelbar zur Lieferung der gewünschten stabilisierten Spannung benutzt wird oder eine herkömmliche Zenerdiode mit bekanntem Spannungsabfall herangezogen und parallel zu einem Spannungsteiler mit zwei in Reihe liegenden Widerständen geschaltet wird, wobei die stabilisierte Spannung zwischen der Verbindungs-It is known that a Zener diode operated in the range of the breakdown voltage has a practically constant one Voltage drop between their cathode and their anode supplies. This well-known phenomenon is used for stabilization used by DC voltage sources of known voltage values by either a correspondingly dimensioned Zener diode is used directly to supply the desired stabilized voltage or a conventional Zener diode with a known voltage drop and used in parallel with a voltage divider two resistors in series is connected, whereby the stabilized voltage between the connection
409831/0336.409831/0336.
Fo 8551/24.1.1974 - 2 -Fo 8551 / January 24, 1974 - 2 -
stelle dieser Widerstände und der einen Elektrode, gewöhnlich der Anode der Zenerdiode abgegriffen wird. Bei den bisher bekannten Schaltungen der letzteren Art ist es charakteristisch, daß die Anode der Zenerdiode und die Unterspannungsanschlüsse sowohl des Spannungsteilers wie der mit der abgegriffenen Spannung gespeisten Last an. ein gemeinsames Potential mit einem Strombegrenzungswiderstand angeschlossen sind, der mit der Zenerdiode in Reihe an einer die Speisespannung liefernden Gleichspannungsquelle liegt.put these resistors and one electrode, usually the anode of the Zener diode is tapped. In the previously known circuits of the latter type it is characteristic that the anode of the zener diode and the low voltage connections of both the voltage divider like the load supplied with the tapped voltage. a common potential with a current limiting resistor are connected, which with the Zener diode in series on a supplying the supply voltage DC voltage source is.
Es ist jedoch wohlbekannt, daß im Durchbruchbereich arbeitende Zenerdioden einen, wenn auch geringen ohmschen Widerstand besitzen, der beispielsweise in der Größenordnung von etwa 10 Ohm für Zenerdioden mit einer Durchbruchs spannung von etwa 10 Volt oder weniger liegt. Die Kosten der Zenerdioden sind häufig abhängig davon, wie klein der innere Widerstand ist. Beispielsweise ist eine Zenerdiode mit einem Innenwiderstand in der Größenordnung von 2 Ohm wesentlich teurer als eine Zenerdiode mit einem Innenwiderstand von etwa 10 Ohm im Rahmen von Zenerdioden, welche die gleiche Durchbruchsspannungscharakteristik besitzen. Als Ergebnis dieses inneren Widerstandes oder dieser inneren Impedanz ändert sich der Spannungsabfall an der Zenerdiode proportional zur Größe des sie durchfließenden Stroms, dessen Änderung in SpannungsSchwankungen der die Speisespannung liefernden Stromquelle begründet sein kann. Bei der Anwendung einer derartigen Stabilisierungsschaltung beispielsweise innerhalb des elektrischen Systems eines Kraftfahrzeugantriebs, das für gewöhnlich von einer Batterie gespeist wird, wurden Änderungen der Batteriespannungen auf Schwankungen der zu stabilisierenden Spannung hervorrufen.However, it is well known that in the breakthrough range Working Zener diodes have an ohmic resistance, albeit a low one, of the order of magnitude, for example of about 10 ohms for Zener diodes with a breakdown voltage of about 10 volts or less. the The cost of the Zener diodes often depends on how small the internal resistance is. For example, one is Zener diode with an internal resistance in the order of 2 ohms much more expensive than a Zener diode with a Internal resistance of about 10 ohms in the context of Zener diodes, which have the same breakdown voltage characteristics own. As a result of this internal resistance or this internal impedance, the voltage drop changes at the Zener diode proportional to the size of the current flowing through it, its change in voltage fluctuations the power source supplying the supply voltage can be. When using such a stabilization circuit, for example, within the electrical Changes have been made to a vehicle propulsion system that is usually powered by a battery of the battery voltages cause fluctuations in the voltage to be stabilized.
Bei den elektrischen Systemen von Kraftfahrzeugen, bei denen die geregelte Spannung zur Speisung eines SensorsIn the electrical systems of motor vehicles, at which the regulated voltage for supplying a sensor
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wie eines Thermistors verwendet wird, der beispielsweise einen kritischen Maschinenparameter zum Zwecke der Maschinenregelung oder zum Zwecke der Abgasentgiftung überwacht, können Schwankungen der zu stabilisierenden Spannung leicht zu falschen Meßwerten oder falschen Steuersignalen führen, die sich schädlich auf den vom Sensor zu steuernden bzw. zu überwachenden Betriebsvorgang auswirken.how a thermistor is used, for example a critical machine parameter for the purpose of machine control or for the purpose of exhaust gas decontamination monitored, fluctuations in the voltage to be stabilized can easily lead to incorrect measured values or incorrect Lead control signals that have a detrimental effect on the operating process to be controlled or monitored by the sensor impact.
Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu beseitigen und eine elektrische Schaltung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß der Einfluß des inneren Widerstands der Zenerdiode auf die abgegriffene Gleichspannung weitestgehend ausgeschaltet wird und dadurch die Verwendung vergleichsweise billiger Zenerdioden mit verhältnisnäßig hohem inneren Widerstand auch in solchen Anwendung sfällen, in denen hohe Anforderungen an die Stabilität der abgegriffenen Gleichspannung gestellt werden, ermöglicht wird.The object of the invention is to eliminate this disadvantage and to develop an electrical circuit of the type mentioned at the outset in such a way that the influence of the internal resistance the zener diode is largely switched off on the tapped direct voltage and thereby the use comparatively cheaper Zener diodes with relatively high internal resistance even in those applications where high demands are placed on the Stability of the tapped DC voltage provided is made possible.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch pelöst, daß mit der Zenerdiode ein ohmscher Kompensationswiderstand in Reihe geschaltet ist und der andere Abgriff der zu stabilisierenden Gleichspannung an der mit dem Kompensationswiderstand verbundenen Elektrode der Zenerdiode erfolgt. According to the invention this object is achieved in that an ohmic compensation resistor is connected in series with the zener diode and the other tap of the to stabilizing DC voltage at the one with the compensation resistor connected electrode of the Zener diode takes place.
Optimale Verhältnisse bei der erfindungsgemäßen Schaltung werden dadurch erhalten, daß der Ohmwert des Kompensationswiderstandes gleich dem Produkt der Ohmwerte des inneren Widerstandes der Zenerdiode und des parallel zum Abgriff der zu stabilisierenden Spannung liegenden Widerstandes des Spannungsteilers", dividiert durch den Ohmwert des anderen Widerstandes des Spannungsteilers ist.Optimal conditions in the circuit according to the invention are obtained in that the ohmic value of the compensation resistor is equal to the product of the ohmic values of the inner Resistance of the Zener diode and the resistance lying parallel to the tap of the voltage to be stabilized of the voltage divider "divided by the ohmic value of the other resistor of the voltage divider.
In übrigen ist es zweckmäßig, daß die Anode der Zener-Otherwise it is advisable that the anode of the Zener
A0383 ■/;..;■ 3ß.A0383 ■ /; ..; ■ 3ß.
Fo 855V24-.1.1974Fo 855V24-.1.1974
diode mit dem Kompensationswiderstand verbunden ist.diode is connected to the compensation resistor.
Die Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below in connection with the drawing. Show it:
Fig. 1 die Strom-Spannungs-Kämmlinie einer im Bereich der Durchbruchsspannung betriebenen Zenerdiode,Fig. 1 shows the current-voltage comb line in the area the breakdown voltage operated Zener diode,
Fig. 2 eine bekannte Zenerdioden-Schaltung zur Stabilisierung einer Gleichspannung undFig. 2 shows a known Zener diode circuit for stabilizing a DC voltage and
Fig. 3 eine demgegenüber verbesserte Schaltung gemäß der Erfindung.3 shows an improved circuit according to the invention.
Das in Fig. 1 gezeigte Diagramm gibt den typischen Strom-Spannungs-Verlauf einer Zenerdiode wieder, die im Durchbruchsbereich betrieben wird. Auf der Abszisse ist die Spannung an der Zenerdiode und auf der Ordinate der Strom durch die Zenerdiode aufgetragen. Wenn die Zenerdiode im Durchbruchsbereich betrieben wird, nimmt ihre Kathode ein höheres positives Potential an als ihre Anode. Der Stromfluß durch die Zenerdiode von der Kathode zur Anode ist in Fig. 1 als positiver Strom eingezeichnet. Für an der Zenerdiode anliegende Spannungen mit Werten unterhalb der Durchbruchsspannung U0 wirkt die Zenerdiode wie eine echte Diode, welche den Stromfluß sperrt. Bei einer idealen Zenerdiode würde die Potentialdifferenz zwischen der Anorde und der Kathode bei zunehmendem Strom durch die Zenerdiode nicht über die Durchbruchsspannung Uq ansteigen. Diese Charakteristik ist in Fig. 1 gestrichelt eingezeichnet. In der Praxis jedoch tritt mit zunehmendem Stromfluß durch die Zenerdiode jedoch ein leichtes Anwachsen der Potentialdifferenz zwischen Anode und Kathode auf, das vom inneren Widerstand der Zenerdiode herrührt. Diese Charakteristik ist in Fig. 1 aus-The diagram shown in FIG. 1 shows the typical current-voltage curve of a Zener diode which is operated in the breakdown range. The voltage across the Zener diode is plotted on the abscissa and the current through the Zener diode is plotted on the ordinate. When the Zener diode is operated in the breakdown range, its cathode assumes a higher positive potential than its anode. The current flow through the Zener diode from the cathode to the anode is shown in FIG. 1 as a positive current. For voltages present at the Zener diode with values below the breakdown voltage U 0, the Zener diode acts like a real diode which blocks the flow of current. In the case of an ideal Zener diode, the potential difference between the anord and the cathode would not rise above the breakdown voltage Uq with an increasing current through the Zener diode. This characteristic is shown in dashed lines in FIG. In practice, however, as the current flow through the Zener diode increases, there is a slight increase in the potential difference between anode and cathode, which arises from the internal resistance of the Zener diode. This characteristic is shown in FIG.
409831 /0836.409831/0836.
gezogen dargestellt. Der Winkel, mit welchem die ausgezogene Linie von der gestrichelten senkrechten Linie abweicht, variiert von einer Zenerdiode zur anderen nur insoweit, als deren innere Widerstände mit diesem- Abweichungswinkel bei teureren Zenerdioden sehr klein werden.shown drawn. The angle at which the extended Line deviates from the dashed vertical line only varies from one Zener diode to another insofar as their internal resistances with this angle of deviation become very small in the case of more expensive Zener diodes.
In Pig. 2 ist eine bekannte Schaltung zur Stabilisierung einer Gleichspannung unter Verwendung einer Zenerdiode dargestellt, deren Ersatzschaltbild mit 10 bezeichnet ist. Bei dieser bekannten Schaltung ist eine Speisespannungsquelle 1 mit einer mit B+ bezeichneten Klemme vorhanden, an die ein Strombegrenzungswiderstand 12 angeschlossen ist. Das andere Ende des Strombegrenzungswiderstands 12 ist mit der Kathode 14 der Zenerdiode verbunden. Die Anode 16 der Zenerdiode 10 ist mit der anderen Klemme der Gleichspannungsquelle verbunden, beispielsweise, wie dargestellt, über Masse. Das innerhalb der gestrichelten Umrahmung befindliche Ersatzschaltbild der Zenerdiode 10 besteht aus der Reihenschaltung einer idealen Zenerdiode 18 mit der in Fig. 1 gestrichelt eingezeichneten Kennlinie und einem inneren ohmschen Widerstand 20. Der innere Widerstand 20 kann in der Größenordnung von beispielsweise 10 0hm für Durchbruchsspannungen in der Größenordnung von 10 Volt liegen. Es werden jedoch auch oft andere Werte für den inneren Widerstand und die Durchbruchsspannung angetroffen.In Pig. 2 is a known circuit for stabilization a DC voltage using a Zener diode, the equivalent circuit diagram of which is denoted by 10 is. In this known circuit there is a supply voltage source 1 with a terminal labeled B +, to which a current limiting resistor 12 is connected is. The other end of the current limiting resistor 12 is connected to the cathode 14 of the zener diode. The anode 16 of the Zener diode 10 is connected to the other terminal of the DC voltage source, for example, as pictured, above ground. The equivalent circuit diagram of the within the dashed frame Zener diode 10 consists of the series connection of an ideal Zener diode 18 with the one shown in dashed lines in FIG Characteristic curve and an internal ohmic resistance 20. The internal resistance 20 can be of the order of magnitude of, for example, 10 ohms for breakdown voltages are on the order of 10 volts. However, other values are often used for the internal resistance and the breakdown voltage encountered.
Die Speisespannungsquelle, deren positive Klemme B+ bezeichnet ist, kann beispielsweise eine Gleichstromquelle mit einer Spannung sein, die über einen verhältnismäßig weiren Bereich veränderbar ist. Zenerdioden sind für eine Vielzahl unterschiedlicher Spannungsdifferenzen erhältlich. Ein typisches Beispiel hierfür ist die Zenerdiode 1ΊΖ1000-12 der amerikanischen Firma Motorola Semiconductor Products, ,Inc. mit einer Spannungsdifferenz oderThe supply voltage source, the positive terminal of which denotes B + is, for example, a direct current source with a voltage that is relatively white area is changeable. Zener diodes are for a variety of different voltage differences available. A typical example of this is the Zener diode 1ΊΖ1000-12 from the American company Motorola Semiconductor Products,, Inc. with a voltage difference or
409831/083 6.409831/083 6.
einer Nenn-Durchbruchsspannung von 9*1 Volt. Bei dieser Anordnung würde der Strombegrenzungswiderstand 12 verhindern, daß die Spannung an der Speisespannungsquelle bis herab zur Spannung an der Zenerdiode absinkt, und würde damit sicherstellen, daß der Strom durch die Zenerdiode niemals einen so großen Wert erreicht, daß dieses Schaltungselement zerstört wird.a nominal breakdown voltage of 9 * 1 volts. At this Arrangement would prevent the current limiting resistor 12 from applying the voltage to the supply voltage source drops down to the voltage at the zener diode, and would thus ensure that the current through the zener diode never reaches such a large value that this circuit element is destroyed.
Um eine geregelte Ausgangsspannung bestimmter Größe zu erhalten und hierfür nicht eine besonders hergestellte Zenerdiode verwenden zu müssen, ist eine Spannungsteilerschaltung vorgesehen, die aus zwei zueinander in Reihe liegenden und parallel zur Zenerdiode 10 geschalteten ohmschen Widerständen 22 und 24 besteht. Die Widerstände 22 und 24- sind so bemessen, daß an ihrer Verbindungsstelle 26 eine Potentialdifferenz gegenüber Masse bzw. einer gemeinsamen Klemme der Spannungsquelle auftritt, die gleich der gewünschten geregelten Spannung ist. Diese Spannung könnte dann auf eine Last aufgegeben werden, die beispielsweise ein die Temperatur fühlender Thermistor ist. In Übereinstimmung mit der bekannten Schaltung würden somit die Anode der Zenerdiode 10 und die Unterspannungsenden des Spannungsteilers und der Last alle mit der Unterspannungsklemme der Speisespannungsquelle, · beispielsweise über eine gemeinsame Masse, wie in Pig. dargestellt, verbunden sein. Die Anwendung einer solchen Stabilisierungsschaltung in·Verbindung mit einer Speisespannungsquelle, deren Potentialdifferenz an den Klemmen sich im Betrieb wesentlich ändert, wie beispielsweise bei einer herkömmlich im elektrischen System eines Kraftfahrzeugs benutzten Batterie, wurden an der Kleame B+ in bezug auf die gemeinsame Masse auftretende Spannungsänderungen zu beträchtlichen Spannungsschwankungen an der Verbindungsstelle 26 führen, was leicht die Abgabe der vorerwähnten falschen Signale seitens des Sensors oderTo get a regulated output voltage of a certain size and not having to use a specially manufactured Zener diode for this purpose is a voltage divider circuit provided, the two lying in series and connected in parallel with the Zener diode 10 ohmic resistors 22 and 24 consists. The resistors 22 and 24- are dimensioned so that at their junction 26 is a potential difference with respect to ground or occurs at a common terminal of the voltage source which is equal to the desired regulated voltage. These Voltage could then be applied to a load such as a temperature sensing thermistor is. In accordance with the known circuit, the anode of the zener diode 10 and the undervoltage ends would thus be of the voltage divider and the load all with the undervoltage terminal of the supply voltage source, for example via a common ground, as in Pig. shown, be connected. The application of such Stabilization circuit in connection with a supply voltage source, whose potential difference at the terminals changes significantly during operation, such as in a battery conventionally used in the electrical system of a motor vehicle, B + with respect to the common ground occurring voltage changes to considerable voltage fluctuations on the Lead junction 26, which can easily lead to the output of the aforementioned false signals on the part of the sensor or
409831/0836.409831/0836.
der im dargestellten Fall von dem Belastungsthermistor gebildeten Steuereinrichtung zur Folge haben würde.that of the load thermistor in the illustrated case formed control device would result.
Ein solches Fehlsignal wird nun durch die in Fig. 3 findungsgemäß verbesserte Schaltung ausgeschlossen. Zur Erleichterung des Vergleichs sind die Schaltungselemente der Fig. 3, scweit sie denen der Fig. 2 entsprechen, mit denselben Eezugszeichen versehen. In der Schaltung nach Fig. 3 ist die Ausgangsklemme der von dem Thermistor 28 gebildeten Last an die Anode 16 der Zenerdiode 10 angeschlossen, während der Endausgang des Spannungsteilers 22, 24 unmittelbar an Masse liegt. Die Anode 16 der Zenerdiode 10 und die Ausgangsklemme der Last 28 sind über einen Kompensationswiderstand 30 an Masse geschaltet.Such a false signal is now excluded by the circuit improved according to the invention in FIG. 3. To the The circuit elements facilitate the comparison of FIG. 3, they correspond to those of FIG use the same reference symbol. In the circuit of FIG. 3, the output terminal is that from thermistor 28 formed load is connected to the anode 16 of the Zener diode 10, while the final output of the voltage divider 22, 24 is directly connected to the ground. The anode 16 of the zener diode 10 and the output terminal of the load 28 are connected to ground via a compensation resistor 30.
Zur Illustration der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltung sind der Stromfluß durch die Zenerdiode mit I , der Stromfluß durch den Oberspannungszweig des Spannungsteilers mit Iq, die an der Kathode der Zenerdiode gegenüber Masse anstehende Spannung mit U und der Stromfluß durch die Last 28 mit I-, bezeichnet.To illustrate the mode of action of the invention The circuit is the current flow through the Zener diode with I, the current flow through the high-voltage branch of the Voltage divider with Iq, the voltage present at the cathode of the Zener diode with respect to ground with U and the Current flow through load 28 is denoted by I-.
Für die Schaltung nach Fig. 3 lassen sich dann folgende Gleichungen aufstellen:The following equations can then be set up for the circuit according to FIG. 3:
U - Uz + 1Ao + (Iz + V H30' U - U z + 1 Ao + (I z + V H 30 '
worin U2 die Durchbruchsspannung der Zenerdiode 10 ist,where U 2 is the breakdown voltage of the Zener diode 10,
UL - J& U - U L - J & U -
worin U^ die Spannung an der Last 28 gegenüber Masse, d.h. die stabilisierte Spannung, ist und It viel kleiner als Iq gegenüber gewöhnlichen Verhältnissen ist.where U ^ is the voltage across load 28 with respect to ground, i.e. the stabilized tension, and It is much smaller than Iq is compared to normal conditions.
409831/0836.409831/0836.
Durch Einsetzen der Gleichung (1) in die Gleichung (2)By substituting equation (1) into equation (2)
ergibt sich ÜL -results Ü L -
22 + 2422 + 24
In den meisten, wenn nicht allen praktischen Fällen, in denen die mit einer konstanten Spannung zu versorgende Last von Sensor- oder Steuerelementen gebildet ist, ist der Stron I durch die Zenerdiode sehr viel größer als der Strom Ij- durch die Last, so daß die Gleichung (3) unter Vernachlässigung von It vereinfacht werden kann zuIn most, if not all practical cases, in which the load to be supplied with a constant voltage is formed by sensor or control elements the current I through the zener diode is much greater than the current Ij- through the load, so that equation (3) neglecting it can be simplified too
UL - [U U L - [ U
E24 E 24
Durch differentielle Ableitung der Gleichung (4) nach dem Strom I durch die Zenerdiode ergibt sich die Änderung der geregelten Spannung an der Last 28 als Funktion des Stroms I_ durch die Zenerdiode. Die Gleichung dieses Differentialquotienten ist:The change results from the differential derivation of equation (4) according to the current I through the Zener diode the regulated voltage at the load 28 as a function of the current I_ through the Zener diode. The equation of this The differential quotient is:
20 + R30) J^ - R30 (5) 20 + R 30 ) J ^ - R 30 (5)
dlz R22 + R24 dl z R 22 + R 24
Das liullsetzen der Gleichung (5) drückt die gewünschte Situarion aus, bei welcher die regulierte Spannung an der Last bei Änderung des Strons durch die Zenerdiode konstant bleibt, so daß sich ergibt:Setting equation (5) expresses the desired Situation in which the regulated voltage at the load when the current changes through the Zener diode remains constant, so that we get:
■ρ π ■ ρ π
- E3O ( — ) = ß - E 3O ( - ) = β
R22 + R24 R22 + R24 R 22 + R 24 R 22 + R 24
Die Lösung der Gleichung (6) führt zu folgender Gleichung, welche die notwendige Größe des Ohmwertes R™ für die Erfüllung der Gleichung (5) liefert. Dieser OhmwertThe solution of equation (6) leads to the following equation, which is the necessary size of the ohmic value R ™ for the Satisfying equation (5) delivers. This ohmic value
409831/083 6.409831/083 6.
beträgt:amounts to:
K*n - E20 ·K * n - E 20
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OF | Willingness to grant licences before publication of examined application | ||
| OD | Request for examination | ||
| OHN | Withdrawal |