DE2638178A1

DE2638178A1 - Schutzvorrichtung fuer elektronische schaltungen gegen ueberspannungen

Info

Publication number: DE2638178A1
Application number: DE19762638178
Authority: DE
Inventors: Hartmut Seiler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1976-08-25
Filing date: 1976-08-25
Publication date: 1978-03-02
Also published as: FR2363216A1; GB1534206A; US4186418A; DE2638178C2; JPH0510522Y2; JPS61189731U; IT1089623B; FR2363216B3; JPS5326944A

Description

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die Basis des Endstufentransistors, so daß bei überschreiten der Grenzspannung der Spannungsbegrenzungsvorrichtung der Endstufentransistor über den Halbleiterschalter in den stromleitenden Zustand versetzt wird.

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Schutzvorrichtung für elektronische Schaltungen gegen Überspannungen nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist schon eine solche Schutzvorrichtung bekannt, die aus einer Zenerdiode besteht, welche ab einer bestimmten Spannung durchbricht und die Überspannung begrenzt. Insbesondere bei integrierten Schaltungen ist diese bekannte Anordnung nicht in allen Fällen möglich oder sinnvoll. Wenn die zu schützende Schaltung einen Leistungstransistor enthält, der eine äußere, niederimpedante Last, z.B. Glühlampe, Relais, Motor, schaltet oder regelt, von der ein Anschluß mit der Vei^sorgungsspannung verbunden ist, die ihrerseits mit Überspannungen behaftet ist, dann ist ein Überspannungsschutz insbesondere durch eine integrierte Zenerdiode schlecht möglich. Überspannungen können erheblich über der normalen Betriebsspannung liegen und auch länger andauern, als die thermische Zeitkonstante des IC-Chips ist. Der thermische Widerstand Chip-Gehäuse muß nach der im Überspannungsfall in der Zenerdiode umgesetzten Leistung bemessen werden, die erheblich höher als die während des Normalbetriebs abzuführende Verlustleistung ist.'Wird dem nicht ausreichend Rechnung getragen, so wird im Überspannungsfall der Leistungstransistor dadurch zerstört, daß er thermisch in einem zweiten Durchbruch gelangt.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs, hat demgegenüber den Vorteil,

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daß im Überspannungsfall der Leistungstransistor durehgeschaltet wird. Einmal ist ein durchgeschalteter Transistor thermisch wesentlich stabiler als ein in Sperrichtung beanspruchter Transistor, und zum anderen entsteht erheblich weniger Verlustleistung im durchgeschalteten Transistor als in einer Zenerdiode, die vom gleichen Strom durchflossen wird. Die im durchgeschalteten Transistor entstehende Verlustleistung ist nahezu eine Größenordnung kleiner als die in der Zenerdiode. Die thermische Belastung einer integrierten Schaltung wird daher erheblich gemindert.

Durch die in den Untersprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Schutzvorrichtung möglich. Besonders vorteilhaft beim Vorhandensein eines induktiven Verbrauchers ist der Einsatz eines Preilauftransistors zur Ableitung des AbschaltströmeS₃ da bei Absehaltvorgängen von induktiven Verbrauchern neben Überspannungen auch Abschaltströme zu bewältigen sind. Durch diesen Freilauftransistor wird der Absehaltstrom am Endstufentransistor vorbei abgeführt. Die Ansteuerung dieses Freilauftransistors erfolgt entweder durch einen Pol der Versorgungsspannungsquelle oder gemeinsam mit dem anderen Transistor zur Beseitigung der Überspannung durch den Ausgang der Spannungsbegrenzungsvorrichtung.

Zeichnung

Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein erstes Auführungsbeispiel der Erfindung mit einer Überspannungs-Schutzvorrichtung, Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer zusätzlichen Vorrichtung zur Ableitung des Absehaltströmes eines induktiven Verbrauchers, und Fig. 3 als drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Modifikation des zweiten Ausführungsbeispiels.

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Beschreibung der Erfindung

Das in Fig. 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel zeigt einen integrierten Schaltkreis, der aus einer Vorstufe 10 und einer Endstufe 11 besteht. Die Vorstufe 10 kann eine beliebige Vorstufe sein und ist nicht näher beschrieben. Als Endstufe 11 ist ein NPN-Transistor vorgesehen, dessen Basis mit der Vorstufe 10 verbunden ist. Der Emitter des Endstufen-Transistors 11 ist an Masse und sein Kollektor über einen Verbraucher 12, der z.B. als Glühlampe ausgebildet sein kann, an dem positiven Pol 13 an die Versorgungsspannungsquelle angeschlossen. Dieser positive Pol 13 ist weiterhin über einen Strombegrenzungswiderstand I^ mit dem IC 10 bzw. 11 verbunden. Dieser Begrenzungswiderstand lh ist gewöhnlich nicht in integrierter Form im IC enthalten und kann im Einzelfall auch entfallen. Die Tatsache, daß bei integrierten Schaltungen alle Bauelemente zum Substrat hin eine Diode bilden, ist durch die beiden Dioden 110, 111, die jeweils die Vorstufe 10, bzw. die Endstufe 11 überbrücken, versinnbildlich. Der positive Pol 13 ist über die Reihenschaltung des Strombegrenzungswiderstands 14 mit der Emitter-Kollektor-Strecke eines NPN-Transistors 15 und einem Strombegrenzungswiderstand 16 an die Basis des Endstufen-Transistors 11 angeschlossen. Die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 15 ist durch eine Schutzdiode 17 zum Schutz des Transistors 15 überbrückt. Zwischen Masse und die Basis des Transistors 15 ist eine Spannungsbegrenzungsvorrichtung 18 geschaltet, die im einfachsten Fall als Zenerdiode ausgebildet ist, für die aber auch weitere, beliebige Spannungsbegrenzungsvorrichtungen vorgesehen sein können. Die Bauelemente 15 bis 18 können vorteilhaft im IC mitintegriert sein.

Tritt eine Überspannung auf, d.h. steigt die an der Klemme angelegtge Spannung über die Ansprechschwelle der Spannungsbegrenzungsvorrichtung 18 an, so begrenzt diese die Spannung am Verbindungspunkt des äußeren Widerstandes mit dem IC auf den Wert ihrer Begrenzungsspannung.

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Da der Strom durch die Spannungsbegrenzungsschaltung ganz oder teilweise so über die Basis-Emitterstrecke des Transistors 15 fließt, wird dieser bei Erreichen der Grenzspannung der Spannungsbegrenzungsvorrichtung 18 stromleitend gesteuert., was zur Folge hat, daß auch der Endstufentransistor 11 an seiner Basis angesteuert und somit leitend wird. Sinkt die Überspannung wieder unter den Grenzwert der Spannungsbegrenzungsvorrichtung 18 ab, so sperrt der Transistor 15 wieder. Der Transistor 11 wird dadurch ebenfalls wieder gesperrt, sofern er nicht aufgrund der ihn steuernden Vorstufe stromleitend ist.

In dem in Fig. 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel sind im wesentlichen die gleichen Bauteile wie im ersten Ausführungsbeispiel vorgesehen und auch mit denselben Bezugs zeichen versehen. Ihre Funktion ist ebenfalls dieselbe geblieben. Lediglich die Schutzdiode 17 ist alternativ'durch einen Ableitwiderstand 19 ersetzt. Zwei Verpolschutzdioden 20, 21, von denen die eine parallel zur Vorstufe 10, und die andere parallel zur Schaltstrecke des Endstufentransistors 11 geschaltet ist, dienen zum Schutz des IC gegen Verpolung. Der Verbraucher 12 ist als induktiver Verbraucher, insbesondere als Relais, ausgebildet. Da bei induktiven Verbrauchern beim Abschaltvorgang ein Abschaltstrom auftritt, ist parallel zur Schaltstrecke des Endstufentransistors 11 die Reihenschaltung der Emitter-Kollektor-Strecke eines PNP-Freilauftransistors 22 mit einem Widerstand geschaltet. Die Basis des Freilauftransistors 22 ist über eine Zenerdiode 24, welche auch wegfallen oder durch andere geeignete Elemente ersetzt werden kann (Diode, Widerstand), mit dem Emitter des Transistors 15 verbunden.

Sperrt der Transistor 11, so steigt die Emitter-Spannung des Transistors 22 in positiver. Richtung an. Im Zeitpunkt, wo sie so weit angestiegen ist, daß Strom in die Basis-Emitterstrecke des Transistor 22 zu fließen beginnt, öffnet dieser und der Abschaltstrom kann über die Schaltstrecke des Transistors 22 und den Widerstand 23 abfließen.

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Die Zenerdiode 24 dient dabei zur Kompensation des Spannungsabfalls am Widerstand 14. Sie soll gewährleisten, daß der Transistor 22 erst stromleitend wird, wenn die Spannung an seinem Emitter mindestens die Spannung am Anschluß 13 erreicht hat.

Der Kollektor des Transistors 22 könnte über den Widerstand 23 statt mit Masse auch mit der Basis des Transistors 11 verbunden sein. In diesem Falle würde der Abschaltstrom nicht über den Transistor 22 abfließen, sondern durch den Transistor 22 würde der Transistor 11 in den stromleitenden Zustand gesteuert werden, und der Abschaltstrom würde über den Transistor 11 abfließen.

Das in Fig. 3 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel entspricht wiederum in Aufbau und Funktion den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen. Entsprechende Bauteile sind wiederum mit denselben Bezugs zeichen versehen. Da im dritten Ausführungsbeispiel der Endstufentransistor 11 und der Verbraucher 12 gegenüber Fig. 2 vertauscht sind, ist für den Endstufentransistor 11 statt eines NPN-Transistors nun ein PNP-Transistor vorgesehen. Entsprechend sind die beiden Transistoren 15, 22, die bisher als PNP-Transistoren ausgebildet waren, nun als NPN-Transistoren ausgebildet. Die Bauteile 18, 19 sind ebenfalls vertauscht. Die Diode 111 entfällt, bzw. ist mit der Diode 110 identisch. Der Widerstand 14 ist an Masse angeschlossen. Die Basis des Transistors 23 ist über eine aus zwei Dioden 25, 26 bestehende Diodenstrecke mit der Basis des Transistors 15 verbunden.

Die in Fig. 3 dargestellte Schaltungsanordnung unterscheidet sich dadurch von der in Fig. 2 dargestellten Schaltungsanordnung, daß der Steueranschluß der Abfangschaltung für den Abschaltstrom der Induktivität, nämlich die Basis des Transistors 22, direkt mit der Spannungsbegrenzunsschaltung l8, 19 verbunden ist.

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Dies hat den Vorteil, daß der Widerstand 19 neben seiner Punktion als Ableitwiderstand für den Transistor 15 zur Kompensation des Spannungsabfalls am Widerstand Ik im Falle des Ableitens des Abschaltstromes der Induktivität benutzt wird. Die beiden Dioden 25 und 26 dienen ebenso der Kompensation bzw. Überkompensation des Spannungsabfalls am Widerstand lH.

Äquivalente Lösungen zur vorstehend beschriebenen Erfindung bestehen auch darin₃ durch die Spannungsbegrenzungsvorrichtung 18 nicht die Versorgungsspannung ₃ sondern die am einzelnen Verbraucher oder Schaltelement anliegende Spannung zu begrenzen. Die Steuerung des Transistors 15 bzw. 11 erfolgt dann durch solche Spannungen.

Claims

Ansprüche

1.(Schutzvorrichtung für elektronische Schaltungen gegen — Überspannungen, insbesondere für integrierte Schaltungen (IC), mit einem in Reihe zu einem Verbraucher geschalteten Endstufentransistor, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannungsbegrenzungsvorrichtung (18) vorgesehen ist, durch die ein Halbleiterschalter (15) steuerbar ist, daß ein Anschluß der Schaltstrecke des Halbleitersehalters (15) mit der Basis des Endstufentransistors (11) verbunden ist, so daß bei Überschreiten der Grenzspannung der Spannungsbegrenzungsvorrichtung (18) der Endstufentransistor (11) . über den Halbleiterschalter (15) in den stromleitenden Zustand versetzbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterschalter (15) ein Transistor ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch .1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zur Schaltstrecke des Halbleiterschalters (15) ein Widerstand (16) geschaltet ist.'

Ö. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Transistors (15) eine Schutzdiode (17) geschaltet ist.

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5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Basis-Emitter-Strecke *des Transistors (15) ein Ableitwiderstand (19) geschaltet ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei induktiven Verbrauchern zur Ableitung des AbschaltStroms ein Freilauftransistor (22) vorgesehen ist, dessen Steuerelektrode über einen Begrenzungswiderstand (14) mit einem Pol der Versorgungs pannungsquelle verbunden ist und dessen Schaltstrecke zwei Anschlüsse des Endstufentransistors (11) überbrückt

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5j dadurch gekennzeichnet, daß bei induktiven Verbrauchern zur Ableitung des Abschaltstroms ein Freilauftransistor (22) vorgesehen ist, dessen Steuerelektrode mit der Sapnnungsbegrenzungsvorrichtung (l8) verbunden ist und dessen Schaltstrecke zwei Anschlüsse des Endstufentransistors überbrückt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Basis des Freilauftransistors (22) eine Diodenanordnung (24, 25, 26) vorgeschaltet ist.

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9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Basis des Freilauftransistors (22) ein Widerstand vorgeschaltet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Schaltstrecke des Endstufentransistors (11) eine Verpolschutzdiode (21) vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum IC eine Verpolschutzdiode (20) vorgesehen ist.

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