Elektronischer Unterspannungswächter
mit Auto-Reset-Funktion

Spannungsüberwachung, allgemein

Zweck einer elektronischen Spannungsüberwachung ist es, automatisch zu kontrollieren, ob eine Schaltung in einem spezifizierten Bereich der Betriebsspannung arbeitet. Wenn dieser Bereich nicht eingehalten wird, soll ein Alarm ausgegeben werden oder, natürlich noch besser, es sollen gleich automatische Massnahmen eingeleitet werden, wie z.B. Datensicherung, Systemabschaltung oder ein Reboot.

Eine Überwachung der Unterspannung reagiert nur auf eine zu niedrige Spannung. Eine zu niedrige Spannung kann zu Systemstörungen führen. Daher ist es dann oft nötig, dass nach einem Betriebsspannungseinbruch oder Betriebsspannungsunterbruch ein Reboot eines Systems eingeleitet werden muss. Die Halbleiterindustrie bietet für solche Zwecke eine Palette kleiner dreipoliger SMD-Unterspannungswächter-ICs an. Diese arbeiten mit fixen 3.3- VDC- oder 5-VDC-Betriebsspannungen und werden mit Erfolg in Computersystemen eingesetzt. Es gibt sogar höchstintegrierte Lowdropout-Spannungsregler mit Unterspannungsüberwachung und µP-Reset in einem winzigen SOT23-6-Gehäuse. Besonders stark auf diesem Gebiet ist der IC-Hersteller MAXIM mit seiner kostenlosen Monatszeitschrift "Analog Design Guide". Mit ihr kann man sogar bis zu acht IC-Gratismuster bestellen. Eine feine Sache!

Trotzdem gibt es Spezialfälle für andere Betriebsspannungen oder man benötigt ganz einfach definierte Resetimpulse. Und schon ist man auf spezielle ICs angewiesen, die dann weiterhelfen. Ein solches IC mit reicher Tradition und noch immer sehr beliebt, findet man in der Serie der sogenannten Supply-Voltage-Supervisor TL77xx, von der noch die Rede sein wird.

Betreffs Überspannungsschutz bietet einer meiner Elektronik-Minikurse auch etwas. Fündig wird man in:

Mit der Brechstange gegen zuviel Spannung!

Diskrete Unterspannungsüberwachung

Zunächst befassen wir uns mit einer diskreten transistorisierten Lösung. Auch diese Lösung hat, je nach dem was man mit der Schaltung bezweckt, ihre Daseinsbereichtigung. Sie eignet sich vor allem für den Elektronikanfänger, für den es gut ist, wenn er sich auch immer wieder etwas mit Transistoren und ihren Funktionseigenschaften befasst. Hier hat er eine weitere Gelegenheit und wir betrachten dazu Bild 1...

Als ich diese Schaltung realisierte, beabsichtigte ich eine Unterspannungsüberwachung, die in der Lage ist, eine Unterspannung zu erkennen bevor sie sich störend bemerkbar macht. Es sollte die Rippelspannung am Ladeelko überwacht werden. Unterschreitet der mininale Wert dieser Rippelspannung einen vorgegeben Wert, der aber noch immer so gross ist, dass die minimale Dropoutspannung am Spannungsregler gerade noch nicht unterschritten wird, soll die Schaltung bereits reagieren und einen Reset auslösen. Mit Dropoutspannung wird die Spannungsdifferenz zwischen Ein- und Ausgang eines Spannungsreglers verstanden.

Und so funktioniert die Schaltung: Wenn das Gerät eingeschaltet wird, sperrt zunächst Transistor T1 bis der Ladeelko C1 auf die minimale Rippelspannung von 15.6 VDC geladen ist. Diese Spannung setzt sich zusammen aus der Zenerspannung der Zenerdiode Z und der Basis-Emitter-Schwellenspannung von T1. R1 sorgt dafür, dass das Einschalten von T1 nicht zu schleichend erfolgt. Ohne R1 würde T1 nämlich schon bei etwa 14 VDC zu leiten beginnen, weil dessen Stromverstärkung gross genug ist um bereits sehr geringe Zenerströme genügend zu verstärken. Ohne R1 wirkt das Netzwerk vor der Basis von T1 als Stromquelle, mit R1 wird dieses zur Spannungsquelle mit strombegrenzender Wirkung durch R2. Ohne R2 würde mit dem Einschalten Z und T1 sogleich in die ewigen Elektronenjagdgründe befördert!

Wenn T1 offen ist, ist T2 durch den Basisstrom durch R3 geschlossen. Der Kollektor von T2 hat somit praktisch GND-Potential, also LOW-Pegel. Der Schmitt-Trigger-Inverter IC:A1 invertiert diesen Pegel zu HIGH und erzeugt einen Systemreset. In der Zwischenzeit steigt die Spannung an C1 in den Bereich zwischen einem Maximum und Minimum, die Rippelspannung. Da die minimale Rippelspannung nicht soweit sinkt, dass die Z-Diode Z aufhört zu leiten, bleibt T1 leitend und T2 offen. C3 ladet sich durch R4 auf. Die Zeitkonstante von R4*C3 beträgt etwa eine Sekunde. R5 ist dabei vernachlässigbar klein. Nach etwa dieser Zeit wird der Systemreset beendet und der Ausgang von IC:A1 geht auf LOW.

Sollte es zu einem Spannungseinbruch kommen, so dass die Z-Diode auch nur einen sehr kurzen Augenblick nicht leitet, öffnet T1 und T2 schliesst einen ebenso kurzen Augenblick. Dies reicht um C3 blitzartig über R5 und T2 zu entladen. Die Entladezeitkonstante, gegeben durch C3 und R5, beträgt 0.1 ms. Wenn danach die Betriebsspannung wieder richtig ist, wird C3 erneut durch R4 geladen und es resuliert eine Resetimpulsdauer von einer Sekunde. Diese Sekunde gilt also immer ab dem Augenblick, wenn C3 wieder neu geladen wird, also der unerwünschte Spannungseinbruch vorüber ist.

Einfache Auto-Resetschaltung mit zwei Schmitt-Trigger-Invertern

Diese einfache Schaltung lässt sich nicht als definierbare Unterspannungsdetektion einsetzen. Sie eignet sich vor allem dann, wenn in einer digitalen Schaltung noch zwei Schmitt-Trigger-Inverter oder auch zwei Schmitt-Trigger-Gatter übrig bleiben und auf korrekte Unterspannungsdetektion verzichtet werden kann.

Die Schaltung in Bild 2 funktioniert dann, wenn es mindestens zu einem Spannungseinbruch an +Ub kommt, der die untere Schmitt-Trigger-Schwelle von IC:A1 unterschreitet. Diese liegt mit einer grossen Streuung bei etwa 60% bis 70% unterhalb von +Ub. Bei einem solchen Spannungseinbruch liegt die Spannung an C1, die Eingangsspannung von IC:A1, knapp bei der unteren Schmitt-Trigger-Schwellenspannung. Die Entladung von C1 über D1 und R1 folgt so schnell, dass die Spannung an C1 dann dem momentanen Wert von +Ub plus der Diodenschwellenspannung von D1 entspricht. Bleibt der Spannungseinbruch allerdings etwas bestehen, entladet C1 über R1 weiter bis zum momentanen Spannungswert von +Ub. Bei Wiedereinschaltung von +Ub auf die volle Betriebsspannung, ist RESET zuerst auf HIGH und /RESET auf LOW. Erst wenn C1 den Spannungswert der oberen Schmitt-Trigger-Schwelle überschreitet, geht RESET auf LOW und /RESET auf HIGH. Die Resetfunktion ist damit beendet. Die Resetimpulsdauer ist stark vom Betrag des Ub-Spannungseinbruches abhängig. Klar definiert ist diese Impulsdauer nur beim Einschalten der Schaltung oder nach einem vollständigen Betriebsspannungsunterbruch, der eine vollständige Entladung von C1 zur Folge hat.

Wie diese Auto-Resetschaltung nach einem vollständigen Spannungsunterbruch funktioniert, illustriert das Diagramm in Bild 2. Im Augenblick des Einschaltens von +Ub beginnt C1 sich über R1 aufzuladen. Bis zur Triggerschwelle, die hier vereinfachend als +Ub/2 gezeichnet ist, ist RESET auf HIGH und /RESET auf LOW. Die Reset-Impulsdauer entspricht dabei etwa der Zeitkonstante von R1*C1, weil die obere Schmitt-Trigger-Schwelle bei etwa 60 bis 70% von +Ub liegt. Nun folgt der erste vollständige Spannungsunterbruch. Im ersten Augenblick des Spannungszusammenbruchs kann ein kurzer RESET-Impuls auftreten. Nach dem Betriebsspannungsunterbruch folgt der RESET-Impuls, der durch den positiven Impuls natürlich sogleich auffällt. Der /RESET-Impuls zeigt sich durch eine verzögerte Umschaltung von LOW auf HIGH, natürlich mit derselben Zeitdauer, gegeben durch die Zeitkonstante von R1*C1.

Supply Voltage Supervisors TL7702A bis TL7715A

Für den Rest dieses Elektronik-Minikurses befassen wir uns mit dieser IC-Familie. Es wurde früher zwischen den beiden Familien TL77xxA und TL77xxB unterschieden. Die B-Familie hatte den Vorteil, dass diese eine präzisere Reset-Definition hatte. Diese B-Familie wird aber leider nicht mehr hergestellt und so beschränken wir uns hier auf die A-Familie. Es sei an dieser Stelle noch erwähnt, dass es auch eine CMOS-Familie gibt mit der Bezeichnung TLC77xx, wobei es zwei Typen gibt: TLC7701 (selber dimensionieren ab 1 VDC) und TLC7705 (für 5-VDC-Speisung).

Die dritte und vierte Ziffer der IC-Bezeichnung sagt aus für welche Betriebsspannung sich das IC eignet. Es gibt solche für fixe Spannungen für 5 VDC (TL7705A), 12 VDC (TL7712A) und 15 VDC (TL7715A) gibt. Der TL7702A eignet sich um die Resetschwellenspannung mit externen Widerständen selbst zu dimensionieren.

Es kann natürlich nicht ausgeschlossen werden, dass es irgendwann nur noch die CMOS-Familie gibt.

Wir kommen zu Bild 3:

Der mit einer schwachen Schmitt-Triggerfunktion behaftete Komparator Ko1 vergleicht die Eingangsspannung an SENSE mit der Referenzspannung UREF mit einem typischen Wert von 2.53 VDC. Es handelt sich dabei um eine Bandgapspannungsreferenz.

Der IC-interne Spannungsteiler, bestehend aus R1 und R2, bestimmt den Spannungstyp der TL77xx oder TLC77xx. Im Falle des TL7702 ist R1 eine Leiterbahnverbindung und R2 fehlt. Auf diese Weise ist es mit diesem IC möglich extern ein beliebiger Spannungsteiler zu schalten. Genau dies macht das Bauteil interessant. Aber ebenso die an Pin 3 definierbare Reset-Impulsdauer, welche durch die Grösse der dort angeschlossenen Kapazität gegen Masse und vom Strom der IC-internen Konstantstromquelle Iq bestimmt wird.

Die Arbeitsweise des TL77xx

Wir benutzen in Bild 3 einen TL7705A, bei dem der Eingang SENSE mit der Betriebsspannung +Ub verbunden ist. Es arbeitet der IC-interne R1/R2-Spannungsteiler. Dieser sorgt dafür, dass eine Betriebsspannung von typisch 4.55 VDC als Unterspannung erkannt wird. Dies ist ein Spannungswert der sich eignet um TTL-Schaltungen zu überwachen. Klar kann man auch HC(T)MOS-Schaltungen überwachen, jedoch funktionieren diese hinunter bis zu einer Betriebsspannung von 2 VDC, wenn auch mit reduzierter Maximalfrequenz, bzw. grösserer Verzögerungszeit (Propagation-Delay-Time). Der Eingang /RESIN erlaubt zusätzlich einen externen Resetimpuls, z.B. von einer Taste mit einem Pullupwiderstand (Bild 5). Wenn /RESIN nicht benutzt wird, muss er mit +Ub verbunden werden. Soviel zur Einführung.

Die Schaltung in Bild 3 wird in Betrieb gesetzt. An CT herrscht zunächst 0 VDC. CT wird mit einem Konstantstrom von Iq = 100 µA geladen, wenn +Ub (auch an SENSE) grösser ist als die 4.55 VDC ist. In diesem Zustand ist der Ausgang von Ko1 HIGH, der von IN1 und OR ist LOW und der Thyristor TH ist offen. In diesem Moment sind die Transistoren T1 und T2 leitend und somit im Resetzustand. Wenn die Spannung an CT die Referenzspannung überschreitet, schaltet Ko2. T1 und T2 öffnen und der Reset ist beendet. Die Spannung an CT steigt weiter bis zum Wert von +Ub.

Wenn +Ub einen Spannungseinbruch unter 4.55 VDC erleidet, wird am nichtvertierenden Eingang des Ko1 die Referenzspannung unterschritten. Der Ausgang von Ko1 geht auf LOW und ein Eingang des OR auf HIGH. Damit bekommt das Gate von TH HIGH-Pegel, wobei dieser genaugenommen bloss eine Spannung von etwa 0.7 VDC haben kann. Das OR muss daher am Ausgang eine implementierte Strombegrenzung irgend einer Art enthalten. TH zündet und entladet CT spontan. Der Strom von Iq nach TH reicht nicht aus, dass TH eingeschalten bleibt, falls der Spannungseinbruch behoben, CT entladen ist und das Gate des TH keinen Strom erhält. Dies ist dann der Fall, wenn +Ub wieder grösser ist als 4.55 VDC. Nach der blitzartigen Entladung von CT und nachdem der Resetzustand behoben und deshalb das Gate von TH auf LOW ist, öffnet sich TH und CT ladet sich von Neuem durch Iq. Damit beginnt die definierte Resetimpulsdauer td und sie wird mit dem Überschreiten der Spannung an CT über die Referenzspannung erneut beendet.

/RESIN hat die selbe Resetwirkung wie die Spannungsunterschreitung am nichtinvertierenden Eingang von SENSE. Damit ist die Funktionsweise des TL77xx-Innenlebens hinreichend erklärt. Diese Erläuterung geht etwas weiter als die Kurzbeschreibung im Datenblatt.

Das TL77xxA-Impulsdiagramm

VT+ und VT- im Datenblatt ist die Hysterese die sehr gering ist und deshalb ist sie in diesem Diagramm vernachlässigt. Diese Hysterese ist bloss dazu nötig, damit sich geringe Störspannungen an den Anschlüssen SENSE und CT bei den hohen Verstärkungsfaktoren der Komparatoren Ko1 und Ko2 nicht auswirken können. Wir unterscheiden hier also nicht zwischen VT+ und VT- und fassen diese beiden Triggerspannungswerte als eine Triggerspannung mit der Bezeichnung VT zusammen.

VT hat im Falle des TL7705A den Wert von 4.55 VDC. Nach dem Einschalten der Schaltung übersteigt die Spannung an SENSE, die mit +Ub verbunden ist, diese 4.55 VDC. Beim Übersteigen von VT wirkt der Reset weiter, hier dargestellt mit dem invertierenden Resetausgang /RESET, der mit einem Pullupwiderstand mit +Ub verbunden sein muss. Diese Resetdauer t_d wird von CT und der IC-internen Stromquelle Iq bestimmt. Die Berechnungsformel zeigt Bild 4. Nach dem Einschalten folgt ein kurzer Spannungseinbruch unter den VT-Limit. Mit dem Unterschreiten von VT wird, wie bereits bekannt, TH gezündet der CT sofort entlädt und /RESET geht sogleich auf LOW. Nachdem +Ub den Wert von VT wieder übersteigt, dauert der Reset mit der Zeitdauer t_d weiter. Danach ist geht /RESET auf HIGH und die Reset-Funktion ist beendet.

Die äussere Beschaltung

Die direkte Verbindung von SENSE mit Vcc, bzw +Ub gilt, wie bereits beschrieben nur für TL7705A, TL7709A, TL7712A, TL7715A. Für TL7702A müssen zur Definition der Reset-Triggerspannung externe Widertstandsnetzwerke eingesetzt werden. Mit dieser Wahlmöglichkeit der Reset-Triggerspannung hat man dann die grösste Freiheit.

Der Eingang /RESIN kann von einem Logiksignal oder von einer Taste mit Pullupwiderstand gesteuert werden. In diesem Fall muss CT, der auch ein (Tantal-)Elko sein darf, so gross gewählt werden, dass die Resetimpulszeit grösser als die Prellzeit des Tasters ist.

Der 100nF-Kondensator am Anschluss REF dient der Rauschminderung und der Reduktion der Impedanz der Referenzspannungsquelle. Dies verhindert, dass der REF-Eingang als Antenne wirkt und durch HF-Einkopplung Fehltriggerung ausgelöst wird. Man sollte für diesen Kondensator, vorzugsweise ein Keramik- oder Multilayertyp einsetzen, weil diese eine sehr geringe parasitäre Eigeninduktivität haben.

Nun noch zu den Resetausgängen. /RESET erzeugt einen Reset-LOW-Pegel und benötigt dazu einen Pullupwiderstand. RESET erzeugt einen Reset-HIGH-Pegel und benötigt dazu einen Pulldownwiderstand. Solange die Kriterien des sogenannten Absolute-Maximum-Ratings, wie man es in allen Datenblättern vorfindet, nicht überschreitet, darf man den Pullupwiderstand auch höher als +Ub und den Pulldownwiderstand niedriger als GND, also an eine negative Spannung schalten. Die Widerstandswerte dürfen keinesfalls so niedrig sein, dass die maximalen Resetströme von 30 mA überschritten werden und es muss die maximale offene Kollektor-Emitter-Spannung von 20 VDC eingehalten werden!

Generelles zum Openkollektor- und Opendrainausgang

Der NPN-Openkollektorausgang hat den Nachteil, dass sein Ausgangswiderstand abhängig ist vom Logikpegel. Ist dieser auf HIGH, dann bestimmt der Pullupwiderstand den Ausgangswiderstand. Ist er auf LOW, dann bestimmt die praktisch kurzgeschlossene Kollektor-Emitterstrecke des Transistors den Ausgangswiderstand und dieser ist sehr viel niedriger. Wenn nun die parasitäre Kapazität einer langen Leitung oder Leiterbahn den Ausgang belastet, hat dies zur Folge, dass die steigende Flanke flacher verläuft als die fallende. Dies, weil mit der ansteigenden Flanke die parasitäre Kapazität durch den Pullupwiderstand wesentlich langsamer geladen, als diese mit der fallenden Flanke durch den niedrigeren Innenwiderstand der kurzgeschlossenenen Kollektor-Emitterstrecke entladen wird. Die selbe Überlegung gilt für den PNP-Openkollektorausgang, jedoch mit umgekehrten Logikpegeln. Ebenso gilt dieser Abschnitt für Opendrainausgänge von CMOS-Ausgangsstufen.

Openkollektor- und Opendrainausgänge haben auch einen Vorteil. Man kann sie wired-OR-verknüpfen: Man schliesst viele dieser Ausgänge mit einem Pullup- oder Pulldownwiderstand parallel. Damit hat man eine passive Logikverschaltung mit minimalstem Aufwand.

Eingebettet in der HCMOS-Logikumgebung

Diese Schaltung zeigt einfach noch eine Variante wie man den TL77xx in eine HCMOS-Umgebung voll kompatibel einbetten kann. Man versieht den Eingang und die Ausgänge mit je einem Sechstel eines 74HC14 (6-fach Schmitt-Trigger-Inverter). Dadurch sind die Ausgänge impedanzsymmetrisch zu den Logikpegeln HIGH und LOW, was bedeutet, dass die steigenden und die fallenden Flanken gleich steil erfolgen. Man kann, wenn die parasitäre Kapazität der Leitung niedrig ist, den Pullup- oder Pulldownwiderstand höher wählen um z.B. den Batterieverbrauch zu reduzieren.

Elektronischer Unterspannungswächter mit Auto-Reset-Funktion