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Spannungsstabilisierung mit geringster Stromaufnahme

Herkömmliche Spannungsregler haben eine Eigenstromaufnahme in der Regel von mehr als 1  µA. Die nachfolgenden Ausführungen stellen eine Möglichkeit dar, die Betriebsspannung von Verbrauchern geringer Leistung in einem bestimmten Bereich (typ. ±10  % Lastabhängigkeit) zu stabilisieren. Dabei liegt die Stromaufnahme der gewählten Spannungsstabilisierung deutlich unter dem des Verbrauchers, so daß die Gesamtstromaufnahme der Schaltung im wesentlichen unverändert bleibt. Im weiteren werden auch spannungsbegrenzende Möglichkeiten mit geringer Stromaufnahme vorgestellt.

Spannungsregelung

In einer Schaltuhr mit LCD-Anzeige sollte ein Goldcap integriert werden, welcher bei Stromausfall die Schaltuhr funktionsfähig hält. Ziel war es eine möglichst große Pufferzeit durch den Goldcap zu erzielen. Da bekanntlich die gespeicherte Anzahl der Elektronen eines Kondensators linear mit der Spannung steigt, war man bestrebt den Goldcap auf seine maximal zulässige Spannung aufzuladen.

Im konkreten Fall besaß der Goldcap eine maximale Ladespannung, welche über der Spannungsverträglichkeit des anzuschließenden Schaltuhrenmoduls lag. Damit mußte nach einer geeigneten Spannungsstabilisierung für das Schaltuhrenmodul gesucht werden. Um die volle Ladung des Goldcaps auszunutzten, muß die Stromaufnahme der gesuchten Spannungsstabilisierung deutlich unter jener des Moduls (1  µA) liegen.

Die in Bild 1 abgebildete Schaltung mit nur einem Bauteil erfüllte diese Aufgabe. Ihre Stromaufnahme ist lediglich der Sperrstrom der in Sperrrichtung geschalteten Drain-Gate-Diode und der Source-Gate-Diode und liegt bei Zimmertemperatur unter 1  nA (im Beispiel nach Bild 1 bei ca. 150  pA). Im Fall eines MOSFETs entfällt dieser Sperrstrom gänzlich.

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Bild 1: Spannungsstabilisierung mittels Feldeffekttransistor (Verarmungstyp). RL stellt den angeschlossenen Verbraucher dar.

 


Die Ausgangsspannung entspricht hierbei, bei geringer Stromentnahme, ungefähr der Schwellspannung "UP" des eingesetzten Transistors.

        UA  ≈ UP        (1)

Als Transistor kommt ein Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp (ist leitend bei UGS  = 0  V) zum Einsatz. Es kann dabei ein Sperschicht-FET oder ein MOS-FET Verwendung finden. Transistoren mit großer Steilheit sind von Vorteil, da mit ihnen höhere Ströme entnommen werden können, ohne daß dabei die Ausgangsspannung zu stark abnimmt.

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Bild 2: Nach Bild 1 praktisch ermittelte Abhängigkeit der Ausgangsspannung vom Ausgangsstrom.
Oben: gesamter gemessener Bereich
Unten: Ausschnitt für einen Ausgangsstrom von 10  nA bis 100  µA

Mit der in Bild 1 dargestellten Schaltung wurde eine Abhängigkeit der Ausgangsspannung vom entnomenen Strom, wie in Bild 2 aufgetragen, ermittelt. Festzustellen ist, daß die Ausgangsspannung bei einer Stromzunahme von 1  nA auf 100  µA lediglich um ca. 0,4  V abfällt.


Die Brauchbarkeit eines Spannungsreglers ist auch von der Abhängigkeit der Ausgangsspannung auf Änderungen der Eingangsspannung abhängig. Diese ist für die Schaltung mit einem Sperrschicht FET des Typs BF  246 in Bild 3 zu finden.

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Bild 3: Abhängigkeit auf unterschiedliche Eingangsspannungen bei konstantem Lastwiderstand. Gemessen an Schaltung nach Bild 1.


Vergrößerter Ausgangsstrom

Die Lastabhängigkeit der vorgestellten Schaltung (nach Bild 1) kann durch zusätzliche Maßnahmen verbessert werden. In Bild 4 ist eine derartige Möglichkeit dargestellt.

Im Fall von geringen Ausgangsströmen (unter 1  µA) fließt der gesamte Strom durch den Sperschichtfeldeffektransistor (BF246). Ab 1  µA abgegebenem Strom steigt der Spannungsabfall am 1  M-Widerstand über die Schwellspannung des PMOS-Transistors (BS250), so daß dieser leitend wird und einen zusätzlichen Stromfluß ermöglicht. Bei größeren Ausgangsströmen fließt somit der wesentliche Teil über den zusätzlich eingefügten Transistor (BS250), so daß der Stromfluß durch den spannungsbestimmenden FET (BF246) nur geringfügig ansteigt. Auf diese Weise wird der Einfluß des abgegebenen Stroms auf die Ausgangsspannung spührbar reduziert.

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Bild 4: Verbesserung der Lastabhängigkeit, durch hinzufügen eines PMOS-Transistor zur Unterstützung des Ausgangsstroms.

Mit dieser Schaltungsvariante ist es somit möglich auch größere Ströme über 1  mA stabilisiert am Ausgang bereit zu stellen. Die Lastabhängigkeit der Schaltung nach Bild 4 ist in Bild  5 aufgezeichnet.

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Bild 5: Nach Bild 2 praktisch ermittelte Abhängigkeit der Ausgangsspannung vom Ausgangsstrom.

Im Vergleich zur Lösung mit lediglich einem Transistor als stabilsierendem Element verrringert sich die Ausgangsspannung hier lediglich um 0,1  V (über 1  V mit nur einem Transistor), bei einer Steigerung des Ausgangsstroms von 1  µA auf 100  mA. Dies ist auch der Bereich, in welchem die Unterstützung des zweiten Transistors (BS250, PMOS) voll zuschlägt.

Es kann auch ein Bipolartransistor anstelle des PMOS-Transistors eingesetzt werden. Der weitere Aufbau bleibt hierbei unverändert.


Höhere Ausgangsspannung

Die typischen Schwellspannungen üblicher Sperrschicht-Feldeffekttransistoren liegen im Bereich von 2  V bis 7  V. Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate (MOSFET) weisen in der Regel Schwellspannungen im Bereich von 1  V bis 2  V auf. Werden Ausgangsspannungen um 10  V benötigt, so ist dies mit einem einzelnen FET nicht mehr zu realsieren. Der Ausweg liegt in der Kaskadierung von FETs nach Bild  6.

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Bild 6: Schaltung für eine erhöhte Ausgangsspannung. Diese ist hier ungefähr die Summe der Schwellspannungen beider Transistoren

Die Ausgangsspannung der Schaltung in Bild 6 ist ungefähr die Summe der Schwellspannung beider Transistoren T1 und T2:

    UA ≈ Uth1 + Uth2            (2)

Da auch FETs eine gewisse Leitfähigkeit unterhalb ihrer Schwellspannung besitzen ist es erforderlich den Transistor T2 zu belasten. Es ist nämlich sehr wichtig, daß an die Source-Gate-Spannung von T2 stabil ist. Wäre dies nicht der Fall, dann ist die Ausgangsspannung ebenfalls nicht stabil. Durch die nötige Belastung von T2 nimmt jedoch die Stromaufnahme der Schaltung zu. Damit die Gesamtstromaufnahme nicht zu sehr ansteigt, wurde hier T2 mit dem Leckstrom einer gewöhnlichen Diode belastet. Im vorgestellten Fall (Bild  6) ist dies mit der allseits bekannten Diode des Typs 1N4148 realisiert. Die Stromaufnahme blieb mit dieser Maßnahme unter 4  nA (Zimmertemperatur).

Wie man leicht feststellen kann lassen sich weitere FETs in der Weise nach Bild  7 kaskadieren, um eine beliebig hohe Ausgangsspannung zu erzielen. Diese läßt sich dann zu

    UA ≈ Uth1 + Uth2 + ... +Uthn        (3)
    
Zu beachten ist, daß die Stromaufnahme mit jeder weiteren Stufe zunimmt. Selbstverständlich können anstelle der Sperrschicht-Feldeffekttransistoren moderne MOSFET vom Verarmungstyp eingesetzt werden. Das prinzipielle Verhalten unterscheidet sich dabei nicht.

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Bild 7: Kaskadierung von n Feldeffektransistoren zur Erzeugung einer beliebig hohen Ausgangsspannung


Höhere Ausgangsspannung und Ausgangsstrom

Nätürlich kann auch die in Bild 6 dargestellte Schaltungsvariante nach der Methode in Bild 4 erweitert werden (Bild  8).

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Bild 8: Erhöhte Ausgangsspannung und erhöhter Ausgangsstrom

Des weiteren besteht die Möglichkeit die Abhängigkeit der Ausgangsspannung (Bild  3) von der angelegten Eingangsspannung unabhängiger zu machen. Dies kann durch eine Vorstabilisierung mit einem Schaltungsaufbau nach Bild 8 und der eigentlichen Stabilisierung nach Bild  4 erfolgen. Das Ergebnis ist in Bild   9 zu finden.

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Bild 9: Durch den Einsatz einer weiteren Stabilisierschaltung vor der Eigentlichen, wird die Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der angelegten Eingangsspannung deutlich reduziert. Hier zusätzlich mit erhöhter Ausgangsstrombelastbarkeit realisiert.