DE4022253A1 - Strombegrenzungsschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Strombegrenzungs­ schaltung, bestehend aus einem selbstleitenden Feldeffekt­ transistor und einem Widerstand, wobei die Source-Elektrode über den Widerstand mit der Gate-Elektrode verbunden ist.

Als Schutzschaltungen gegen Überstrom, wie sie in Schutz­ steckern für Telekommunikations-Anlagen eingesetzt werden, sind beispielsweise Kaltleiter, Sicherungen und Lotpillen bekannt, die bei zu hohem Stromfluß thermisch einen Abschalt­ vorgang auslösen. Nachteilig ist hierbei die Abhängigkeit des Auslösevorganges von der Umgebungstemperatur und der zur Verfügung stehenden, begrenzten Auslöse-Energie.

Des weiteren sind strombegrenzende Bauelemente, wie eine Feldeffekt-Diode bzw. Curristor, bekannt, die ähnlich einem spannungsbegrenzenden Bauelement, wie ein Varistor oder einer Zener-Diode, den Strom auf einen Maximalwert begrenzen. Schaltungstechnisch realisierbar sind derartige Curristoren grundsätzlich aus einem selbstleitenden Feldeffekt-Transistor in Kombination mit einem Gegenkopplungs-Widerstand, wie es in Tietze-Schenk, Halbleitungstechnik, 3. Auflage, 1974, Kapitel 20.7 beschrieben ist. Sie kommen ohne Fremdspannung aus und sind daher als strombegrenzende Zweipol-Elemente direkt in den Strompfad, ähnlich einer Sicherung, einsetz­ bar.

Nachteilig hierbei ist, daß die o. g. Schaltung nur für eine Stromrichtung (I<= 0) geeignet ist. Bei negativen Strömen wird der Feldeffekt-Transistor im 3. Quadranten betrieben und die Funktion eines Curristors ist damit nicht mehr ge­ geben.

Der Durchlaßwiderstand des Curristors ist die Summe aus dem Gegenkopplungs-Widerstand und dem Feld­ effekt-Transistor-Widerstand. Diese Summe darf den zu­ lässigen Längswiderstand der Schutzschaltung nicht über­ schreiten. Dabei liegt der erzielbare Durchlaßwiderstand bei ca. 300 Ohm und ist damit für die meisten Schutz­ schaltungen im Telekommunikationsbereich ungeeignet, deren Widerstände im allgemeinen einige Ohm nicht übersteigen dürfen.

Weiterhin ist die Strombelastbarkeit, die nur bei ca. 20 mA liegt, bei den bekannten Schaltungen zu gering, wobei im Tele­ kommunikationsbereich aber 100 bis 500 mA verlangt werden.

Als strombegrenzendes Element liegt die Feldeffekt-Diode im Längszweig des Signalpfades und unterliegt damit hohen Forderungen an die Linearität im Durchlaßbereich, um Ver­ zerrungen durch das inaktive Schutzelement zu vermeiden. Bei der bekannten Schaltung ist die Linearität u. U. unge­ nügend.

Aufgabe ist es daher, eine Strombegrenzungsschaltung zu ent­ wickeln, die symmetrisch bezüglich der Stromrichtung ist und deren Durchlaßwiderstand, Strombelastbarkeit und Line­ arität den Anforderungen des Einsatzes in Telekommunika­ tions-Anlagen genügt.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnen­ den Merkmalen des Patentanspruches 1.

Wird die Schaltung als Zweipol aufgefaßt, so entspricht die Drainelektrode des ersten Feldeffekttransistors der Anode und diejenige des zweiten Feldeffekttransistors der Kathode. Ein Stromfluß durch einen derartigen erfindungs­ gemäßen Zweipol von der Anode zur Kathode bewirkt u. a. einen Spannungsabfall am Koppelwiderstand. Dadurch wird über die Rückkopplung das Gatepotential und somit der Widerstand des ersten Feldeffekttransistors bestimmt. Beim Erreichen eines bestimmten Stromes wird dieser Widerstand so groß, daß kein weiterer Anstieg des Stromes mehr möglich ist, auch wenn die Spannung über der Schaltung erhöht wird. Der zweite Feldeffekttransistor ist bei dieser Stromrichtung immer niederohmig. Eine Umkehrung der Stromrichtung vertauscht symmetrisch die Funktionen der jeweiligen Feldeffekttransistoren. Nunmehr begrenzt der zweite Feldeffekttransistor über seinen dynamischen Widerstand den Strom, während der erste Feld­ effekttransistor leitend geschaltet ist. Die erfindungs­ gemäße Strombegrenzungsschaltung arbeitet daher bidi­ rektional und ist zum Einsatz in Telekommunikationsanlagen verwendbar.

Durch Parallelschalten mehrerer bidirektionaler Einheiten läßt sich durch die Aufteilung des Strompfades die Strom­ belastbarkeit erhöhen und gleichzeitig der Durchlaßwider­ stand reduzieren. Die Parallelschaltung zeigt auch, infolge sta­ tistisch verteilten unterschiedlichen Verhaltens, eine höhere Linearität als die einzelnen Zweipole. Eine solche Parallelschaltung ist als Hybridbaustein oder in inte­ grierter Form zu verwirklichen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden sei die Erfindung und ihre bevorzugten Ausge­ staltungen anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Kennlinie einer Feldeffektdiode,

Fig. 2 das Ersatzschaltbild einer Feldeffektdiode,

Fig. 3 die bidirektionale Strombegrenzungsschaltung mit gemeinsamem Abgleichwiderstand,

Fig. 4 die bidirektionale Strombegrenzungsschaltung mit getrennten Abgleichwiderständen und

Fig. 5 die Kennlinie einer bidirektionalen Strom­ begrenzungsschaltung.

Fig. 1 zeigt die Kennlinie einer bekannten strombegrenzenden Feldeffektdiode. Dargestellt ist der Strom durch die Feld­ effektdiode als Funktion der Spannung über der Diode. Im vorderen Teil I, dem Arbeitsbereich, nimmt der Strom linear mit der Spannung zu. Im Teil II zeigt die Funktion ein nichtlineares Verhalten und im Teil III, dem Begrenzungs­ bereich, ist der Maximalstrom durch die Diode unabhängig von der angelegten Spannung.

Fig. 2 zeigt eine technische Realisierung einer Feldeffekt­ diode, die aus einem Feldeffekttransistor 1 und einem Gegenkoppelwiderstand 2 besteht. Der Gegenkoppelwider­ stand 2 verbindet die Sourceelektrode des Feldeffektransis­ tors 1 mit seinem Gate. Zunächst ist das Potential an Gate G und Source S gleich (d. h. U_GS= 0) und damit ist der selbstleitende Feldeffekttransistor 1 niederohmig. Bei einsetzendem Strom erhöht sich das Source-Potential, d. h. U_GS wird negativ und der Feldeffekttransistor damit hochohmiger. Ab einem bestimmten Strom ist der Feldeffekt­ transistor 1 so hochohmig, daß ein weiterer Anstieg des Stromes nicht mehr möglich ist, auch wenn die Spannung über der Schaltung erhöht wird.

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße bidirektionale Strom­ begrenzungsschaltung mit gemeinsamen Abgleichwiderstand. Ein Feldeffekttransistor 4 ist über einen Koppelwiderstand 5 mit einem Feldeffekttransistor 6 derart verschaltet, daß die beiden Feldeffekttransistoren 4, 6 sourcemäßig ge­ koppelt sind. Das Gate des Feldeffekttransistors 4 wird mit dem Sourcepotential des Feldeffekttransistors 6, d. h. dem Potential im Punkt 10 nach dem Widerstand 5, beaufschlagt. Analog wird das Gate des Feldeffekttran­ sistors 6 mit dem Potential im Punkt 9 vor dem Widerstand 5 beaufschlagt. In den Gate-Source-Zweigen sind jeweils Dio­ den 7, 8 mit der Durchlaßrichtung Gate-Source enthalten. Zunächst, bei Nichtfließen eines Stromes, ist das Poten­ tial an Source und Gate des ersten Feldeffekttransistors 4 gleich und der Feldeffekttransistor 4 somit niederohmig. Bei einsetzendem Strom, wobei der Strom von der Drain D des ersten Feldeffekttransistors 4 zur Drain des zweiten Feldeffekttransistors 6 fließen soll, ist die Spannung in Punkt 9 vor dem Koppelwiderstand 5 höher als in Punkt 10 nach dem Koppelwiderstand 5. Somit ist die Gate-Source- Spannung des Feldeffekttransistors 4 negativ und dieser wird damit hochohmiger. Die Diode 7 ist im leitenden Zustand. Für den Feldeffekttransistor 6 gilt, daß zu Beginn das Source- und das Gatepotential ebenfalls gleich sind und somit der Feldeffekttransistor 6 niederohmig ist. Mit dem Ein­ setzen des Stromes ist das Potential in Punkt 9 größer als dasjenige in Punkt 10 und somit sperrt die Diode 8. Der Feldeffekttransistor 6 bleibt bei dieser Stromrichtung im leitenden Zustand.

Eine Änderung der Stromrichtung bewirkt eine symmetrische Vertauschung der Funktionen der beiden Feldeffekttransistoren 4, 6. Nunmehr verändert der Feldeffekttransistor 6 seinen Widerstand und wirkt strombegrenzend während der Feldeffekttransistor 4 leitend ist.

Die Dioden 7 und 8 dienen einerseits der Schaffung definier­ ter Potentialverhältnisse an den Gates der Feldeffektransistoren 4, 6 und verhindern andererseits bei Sperrschicht- Feldeffekt­ transistoren (JFET) einen unerwünschten Stromfluß in den Gate-Source-Zweigen.

Fig. 4 zeigt einen bidirektionalen Strombegrenzer mit getrennten Abgleichwiderständen 11, 12. Die Sourceelektrode eines Feldeffekttransistors 14 ist über einen Widerstand 11 und einen weiteren Widerstand 12 mit der Sourceelektrode eines Feldeffekttransistors 16 verbunden. Die Gateelektroden der beiden Feldeffekttransistoren 14 und 16 werden mit dem Potential zwischen den beiden Widerständen 11 und 12 des Punktes 13 beaufschlagt. In den beiden Gatezweigen be­ finden sich jeweils eine Diode 17 und 18, deren Durchlaß­ richtung jeweils vom Gate wegzeigt. Der Abgleich der Form der Kennlinie erfolgt durch die beiden Widerstände 11, 12 für beide Durchlaßrichtungen getrennt. Dies ist notwendig, wenn die beiden Feldeffekttransistoren 14 und 16 unterschied­ liche Kennlinien aufweisen.

Ein gemeinsamer Abgleich für beide Durchlaßrichtungen, wie er bei einer Schaltung gemäß Fig. 3 durchgeführt wird, bedingt identische Feldeffekttransistoren 14 und 16.

Fig. 5 zeigt die resultierende Kennlinie einer erfindungs­ gemäßen bidirektionalen Strombegrenzungsschaltung gemäß den in Fig. 3 oder 4 dargestellten Basiszweipolen. Darge­ stellt ist der Durchlaßstrom als Funktion der angelegten Spannung. Im Arbeitsbereich II ist dieser eine lineare Funktion der Spannung, im positiven Übergangsbereich II und im negativen Übergangsbereich IIa wird von diesem linearen Zusammenhang abgewichen, so daß der Strom im positiven Begrenzungsbereich III auf einen positiven Maximalstrom und im negativen Begrenzungsbereich IIIa auf einen negativen Begrenzungsstrom festgelegt wird. Diese maximalen Durch­ laßströme sind in den Begrenzungsbereichen unabhängig von der angelegten Spannung, und es ergibt sich ein bidirek­ tionales Strombegrenzungselement mit einer symmetrischen Stromverlaufskurve.

Claims (4)

1. Strombegrenzungsschaltung aus einem Feldeffekttransistor und einem Widerstand, wobei der eine Pol des Widerstandes mit der Sourceelektrode und der andere mit der Gateelektrode des Feldeffekttransistors (4) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Feldeffekttransistor (6) mit dem ersten Feld­ effekttransistor (4) derart gekoppelt ist, daß die Source des ersten Feldeffekttransistors (4) über den Widerstand (5) mit der Source des zweiten Feldeffekttransistors (6) ver­ bunden ist, daß das Gate des ersten Feldeffekttransistors (4) über eine erste Diode (7) mit Durchlaßrichtung Gate-Source mit der Source des zweiten Feldeffekttransistors (6) ver­ bunden ist und daß das Gate des zweiten Feldeffekttransistors (6) über eine zweite Diode (8) mit der Durchlaßrichtung Gate- Source mit der Source des ersten Feldeffekttransistors (4) verbunden ist.

2. Strombegrenzungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Feldeffekttransistoren (4, 6) durch zwei serielle Koppelwiderstände (11, 12) miteinander verbunden sind, wobei die Gatespannungen der beiden Feldeffekttransistoren (14, 16) zwischen den beiden Widerständen (11, 12) abgegriffen werden.

3. Strombegrenzungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, gekenn­ zeichnet durch eine Parallelschaltung mindestens zweier Zwei­ pole aus jeweils zwei Feldeffekttransistoren (4, 6; 14, 16), zwei Dioden (4, 8; 17, 18) und einen Widerstand (5; 11, 12).

4. Strombegrenzungsschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Parallelschaltung als Hybridbaustein oder in integrierter Form ausgeführt ist.