DE2407333C3 - Überspannungsschutzschaltungsanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzschaltungsanordnung mit zumindest einem zwischen dem Versorgungsspannungsanschluß und einer Bezugspotentialklemme liegenden, gegen Überspannung zu schützenden bipolaren Transistor, dessen Basis an den Kollektor eines bipolaren Schutztransistors angeschlossen ist, der mit seinem Emitter auf Bezugspotential liegt und mit seiner Basis über einen Basiswiderstand sowie mindestens einer dazu in Serie geschalteten Diode ebenfalls am Versorgungsspannungsanschluß liegt, derart, daß beim Auftreten einer die Durchbruchspannung der Diode übersteigenden Spannung der Schutztransistor leitend wird.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der US-Patentschrift 36 68 545 bekannt. Diese bekannte Schaltung dient insbesondere dem Zweck, einen Transistor dagegen zu schützen, daß seine Nennleistung überschritten wird. Es handelt sich bei der bekannten Schaltungsanordnung um eine Schutzschaltung in einem NF-Leistungsverstärkei, in welchem die Last als Lautsprecher ausgebildet ist. Bei dieser bekannten Schaltung soll ein Transistor insbesondere gegen einen Kurzschluß oder eine außerordentlich niedrige Impedanz in dem Lautsprecher geschützt werden. Bei der bekannten Schaltungsanordnung ist die Begrenzungswirkung eine Funktion der Lastimpedanz, der Versorgungsspannung und des Stroms, welcher durch den zu schützenden Transistor fließt. Dabei liegt die Last an dem Emitter des zu schützenden Transistors.

Diese bekannte Schaltungsanordnung ist kaum geeignet, unter solchen Bedingungen eingesetzt zu werden, unter denen kurzzeitig hohe Oberspannungen auftreten, die unter Umständen auch mit starken Schwingungen oder Einschwingvorgängen verknüpft sind.

Weiterhin ist aus der Druckschrift »IBM Technical Disclosure Bulletin«, Band 13, Nr. 1, Juni 1970, Seite 188 eine Überspannungsschutzschaltung bekannt, bei weleher ein Thyristor als Schutzbauelement verwendet wird, welcher an seiner Steuerelektrode über einen Transistor an ein Bezugspotential anschließbar ist

Halbleiteranordnungen und insbesondere integrierte Schaltkreise finden immer größere Anwendung in der Autoelektrik. Dabei können diese Halbleiteranordnungen sowohl für Zündsysteme als auch für Steuer- und Überwachungseinrichtungen Verwendung finden, wobei sich durch die Verwendung von derartigen Halbleiteranordnungen auch erhebliche Kostenersparangen erzielen lassen. Die Verwendung von Halbleiteranordnungen und integrierten Schaltkreisen im Rahmen der Autoelektrik ist jedoch nicht ohne Problematik, da diese Teile ungünstigen elektrischen Bedingungen ausgesetzt sind, was insbesondere für integrierte Schaltkreise gilt Die ungünstigen Bedingungen können durch Temperaturbelastungen in einem großen Temperaturbereich ausgelöst sein, aber auch durch Stör- und Rauschsignale, die beim Betrieb des elektrischen Systems in einem Kraftfahrzeug nicht zu vermeiden sind. Diese Störsignale können z. B. aus verhältnismäßig energiearmen positiven oder negativen Impulsen bestehen, mit sehr großer Amplitude, die mehrere 100 Volt annehmen kann. Derartige Signale werden nachfolgend als Rauschsignale bezeichnet und treten typischerweise in Leitungen auf, die zur Signalübertragung z. B. Fühlerelemente und Schalteinrichtungen mit der integrierten Schaltung verbinden. Diese Rauschsignale können eine Fehlfunktion bei oisher verwendeten integrierten Schaltkreisen auslösen oder sogar zerstörend wirken. Es wurde auch festgestellt, daß selbst relativ robuste und widerstandsfähige diskrete Halbleiteranordnungen wie Leistungstransistoren, die über die integrierten Schaltungen gesteuert werden, durch derartige Rauschsignaleinflüsse beschädigt wurden.

Außerdem ist es bekannt, daß in den Hauptversorgungsleitungen des elektrischen Systems der Autoelektrik durch Abschalten von Verbrauchern von der Batterie, die üblicherweise eine 12-Volt-Batterie ist, sehr hochenergetische Ausgleichsspannungen auftreten können, die bis zu 100 Volt Spannungsspitze erreichen. Derartige Ausgleichsspannungen zerstören die bisher bekannten integrierten Schaltkreise, wenn keine besonderen Schutzschaltungen verwendet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs näher genannten Art zu schaffen, weiche insbesondere bei kurzzeitigen und mit Schwingungen verknüpften Überspannungen zuverlässig arbeitet und zugleich mit außerordentlich geringem gerätetechnischem Aufwand realisierbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 niedergelegten Merkmale.

Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung ist der Vorteil erreichbar, daß in Verbindung mit einem externen Leistungstransistor dieser nur eine wesentlich geringere Verlustleistung aufnehmen muß, so daß preiswertere Transistoren

verwendet werden können. Dieser Vorteil wird dadurch erreicht, daß keine hohen Ströme und keine hohen Spannungen an diesem Transistor wirksam werden können.

Weiterhin wird gemäß der Erfindung der Vorteil erreicht, daß diejenige Spannung, welche begrenzt wird, immer auf einem konstanten Wert gehalten wird. Außerdem arbeitet die erfindungsgemäße Schaltung auch dann zuverlässig, wenn außerordentüch kurzzeitige Überspannungen auftreten, wie sie beispielsweise bei Einschw'ingvorgängen vorhanden sein können.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

F i g. 1 das Schaltbild einer Überspannungsschutzschaltung und

F i g. 2 eine graphische Darstellung eines abklingenden Laststromes sowie elektrischer Rauschsignale, wie sie in dem elektrischen System eines Kraftfahrzeuges auftreten können.

In der F i g. 1 ist eine integrierte Schaltung 400 dargestellt, die mit einem Versorgungsspannungsanschluß 402 versehen ist und mit diesem an der Kathode einer externen Zenerdiode 404 sowie an einem Widerstand 406 liegt Dieser Widerstand liegt mit seiner anderen Seite an der Versorgungsleitung 408 für die positive Versorgungsspannung. Die Anode der Zenerdiode 404 ist mit der Masse verbunden. Der Widerstand 406 und die Zenerdiode 404 bilden eine externe Schutzschaltung. Die Zenerdiode hat eine besonders hohe Durchbruchsspannung. Die integrierte Schaltung 400 hat einen zu schützenden Transistor 410, dessen Emitter an Masse liegt und dessen Kollektor mit der Anschlußklemme 402 verbunden ist, so daß beim Fehlen von Schutzmaßnahmen eine auf der Versorgungsleitung 408 auftretende Überspannung, die größer als die Durchbruchsspannung BVceo ist, den Transistor 410 zerstört.

Die integrate Schaltung 400 hat ferner einen Schutztransistor 412, eine Stromquelle 414, einen Widerstand 416 und als Dioden geschaltete Transistoren 418,420,422 und 424. Die Basis des zu schützenden Transistors 410 liegt an der Stromquelle 414 und am Kollektor des Schutztransistors 412, dessen Emitter mit der Masse verbunden ist. Die Stromquelle 414, welche eine stabilisierte Stromquelle ist, steuert den Transistor 410, um die Schaltung in der gewünschten Weise zu betreiben. Die Basis des Schutztransistors 412 liegt über den Basiswiderstand 416 in Serie zu dem als Diode geschalteten Transistor 424, der mit dem Kollektor und der Basis an den Widerstand 416 angeschlossen ist. Der Kollektor und die Basis des Transistors 422 sind mit dem Emitter des Transistors 424 verbunden, wogegen der Emitter des Transistors 422 mit dem Kollektor und der Basis des Transistors 420 verbunden ist. Der Emitter des Transistors 418 liegt an dem Versorgungsspannungsanschluß 402, wogegen die Basis und der Kollektor mit dem Emitter des Transistors 420 verbunden sind.

Im Betrieb wird von einer Spannung auf der Versorgungsleitung 408, die die Summe der Sperrdurchbruchsspannungen der Emitter-Basis-Strecke der einzelnen Transistoren 418,420,422 und 424 übersteigt, ein Sperrstrom über die vier als Dioden geschalteten Transistoren ausgelöst, der über den Basiswiderstand 416 an der Basis des Schutztransistors 412 wirksam wird und diesen in die Sättigung steuert. Damit liegt die Basis des zu schützenden Transistors 410 in etwa auf Massepotential, d. h, daß die Durchbruchsspannung dieses Transistors 410 au f die Kollektor-Emitter-Durchbruchsspannung mit kurzgeschlossenem Emitterübergang angehoben wurde, die so ausgewählt wei den kann, daß sie größer als die maximale, durch abklingende Lastströme auftretende, Ausgleichsspannung ist Selbstverständlich muß der Transistor 410 nicht Teil der integrierten Schaltung sein, sondern kann auch als diskreter Leistungstransistor mit seinem Kollektor an die Versorgungsleitung 408 angeschlossen sein. In

ίο diesem Fall wäre der Emitter dieses Transistors an Massepotential zu legen und für die Basis ein Anschluß vorzusehen, der mit dem Kollektor des Schutztransistors 412 in Verbindung steht Bei der Verwendung der Schutzschaltung in Verbindung mit einem externen Leistungstransistor braucht dieser eine wesentlich geringere Verlustleistung aufzunehmen, so daß billigere und wirtschaftlichere Transistoren in Verbindung mit der Überspannungsschutzschaltung gemäß der Erfindung verwendet werden können. Dies ist der Fall, da weder hohe Ströme, noch hohe Spannungen am Transistor wirksam werden. Eine Voraussetzung für die Wirkungsweise der Schutzschaltung gemäß F i g. 1 ist jedoch, daß der Schutztransistor 412 bereits im Sättigungszustand sein muß, bevor die Spannung an dem Versorgungsspannungsanschluß 402 den Wert der Kollektor-Emitter-Durchbruchsspannung bei offener Basis des Transistors 410 erreicht. Dies ist erforderlich, da der Transistor 410 andernfalls vor dem Erreichen des Sättigungszustandes des Schutztransistors 412 zerstört werden würde.

Sowohl die abklingende Lastspannung als auch die Rauschsignale sind in der F i g. 2 dargestellt. Dabei ist die abklingende Lastspannung auf der linken Seite der Abszisse zwischen den Punkten A und B dargestellt. Aus der Darstellung kann man entnehmen, daß die Amplitude dieser abklingenden Lastspannungen 100 V übersteigen kann, wobei zwischen den beiden Punkten A und Seine Zeit von einer halben Sekunde liegt. Diese Ausgleichsspar.nung auf der Versorgungsleitung hat eine ausreichend große Amplitude und einen ausreichend großen Energieinhalt, um bisher verwendete integrierte Schaltkreise und auch diskrete Halbleiterkomponenten, ζ. B. Leistungstransistoren, zu zerstören, wenn nicht spezielle Verfahren verwendet werden, um die integrierten Schaltkreise zu schützen. Die Schwingungsform C auf der rechten Seite der Abszisse in der F i g. 2 stellt ein Rauschen mit hoher Spannung und hohen Frequenzen dar, das sowohl auf der Versorgungsleitung 408, als auch auf der Signalleitung auftreten kann. Die Amplitude solcher Rauschsignale kann 300 Volt übersteigen, wobei die Signale typischerweise für eine Zeitdauer von etwa einer Mikrosekunde bis etwa fünfzig Mikrosekunden wirksam sein können. Auch diese Rauschimpulse haben einen ausreichend hohen Energieinhalt, um gelegentlich integrierte Schaltkreise zu zerstören. Eine Spektralanalyse der in der Fig.2 dargestellten Rauschsignale zeigt daß sehr hochfrequente Komponenten mit Amplituden von mehreren Volt und Frequenzen bis etwa 100 Megahertz auftreten können. Da bipolart integrierte Schaltungen in der Regel HF-Schaltkreise umfassen, reagieren diese auf hohe Rauschfrequenzen sehr empfindlich, so daß Vorkehrungen beim Entwurf derartiger Schaltkreise getroffen werden müssen, wenn diese im Rahmen der Autoelektrik Verwendung finden sollen. Aufgrund der hohen, über die Chassis-Widerstände fließenden Ströme, die viele Ampere betragen können, entstehen erhebliche Spannungsabfälle auf der Masseleitung, so

daß sich die Situation ergeben kann, daß Schalter oder Fühlerelemente auf einem anderen Massepotential liegen als die integrierte Schaltung, die über eine lange Signalleitung mit einem solchen Schalter oder Fühlerelement verbunden ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentanspräche:

1. Überspannungsschutzschaltungsanordnung mit zumindest einem zwischen dem Versorgungsspannungsanschluß (402) und einer Bezugspotentialklemme liegenden, gegen Oberspannung zu schützenden bipolaren Transistor (410), dessen Basis an den Kollektor eines bipolaren Schutztransistors (412) angeschlossen ist, der mit seinem Emitter auf Bezugspotential liegt und mit seiner Basis über einen Basiswiderstand (416) sowie mindestens einer dazu in Serie geschalteten Diode (418, 420, 422, 424) ebenfalls am Versorgungsspannungsanschluß (402) liegt, derart, daß beim Auftreten einer die Durchbruchsspannung der Diode übersteigenden Spannung der Schutztransistor (412) leitend wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Kollektor des zu schützenden Transistors (410) eine Last verbunden ist, die Emitter des Schutztransistors (412) und des zu schützenden Transistors (410) unmittelbar auf Bezugspotential liegen, und daß das Bezugspotential ein festes Massepotential ist.

2. Überspannungsschutzschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Diode bzw. Dioden (418, 420, 422, 424) die Basiswiderstände mehrerer parallel geschalteter Schutztransistoreri angeschlossen sind und daß die Kollektoren der Schutztransistoren jeweils mit der Basis eines separaten zu schützenden bipolaren Transistors verbunden sind.

3. Überspannungsschutzschaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zu schützende Transistor bzw. die zu schützenden Transistoren (410) Teil einer integrierten Schaltung (400) sind.