DE4041032A1 - Halbleiterrelaiskreis - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Relaiskreise, und insbeson­ dere Verfahren und Vorrichtungen zur Kompensation von Tem­ peraturänderungen, die den Überlastungsauslösepegel in sol­ chen Kreisen beeinträchtigen.

Zahlreiche Halbleiter-Relaiskreise wurden bereits vorge­ schlagen, die einen Leistungshalbleiter als Ausgangsschalt­ vorrichtung und einen siliziumgesteuerten Gleichrichter oder einen ähnlichen Sperrkreis verwenden, um einen Strom­ überlastungs- oder Kurzschlußzustand festzustellen. Die US- PS 45 81 540 beschreibt einen solchen Kreis.

Obwohl der aus der vorgenannten Patentschrift bekannte Kreis den Zweck, den Überlastungsstrom zu begrenzen, bei normalen Betriebsbedingungen zufriedenstellend erfüllt, hat der Kreis eine relativ hohe Auslösespannung von etwa 450 mV bei einer Raumtemperatur von 25°C; weiterhin unterliegt die Auslösespannung Temperaturänderungen der Betriebsumgebung. Wenn z. B. der Kreis in einer Umgebung verwendet wird, in der die Temperatur von -55 bis 115°C schwankt (ein relativ normaler Bereich z. B. für Flugzeugbetrieb) ändert sich der Auslösepegel, bei dem der Stomschutz die Abschaltung der Schaltvorrichtung auslöst, um etwa 400% von 150 bis 600 mV.

Obwohl die Ziele durch Verwendung von Funktionsverstärkern und Komparatorschaltungen erfüllt werden können, erfordern solche Anordnungen die Verwendung zusätzlicher Spannungs­ quellen, verhindern die Möglichkeit, eine optische Isolie­ rung des Eingangs vorzusehen und führen häufig zu starken Erhöhungen des Eingangsstroms. Diese Änderungen erhöhen die Kosten, die Kopliziertheit und Größe der Schaltung, verrin­ gern aber gleichzeitig ihre Zuverlässigkeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Halbleiterrelais mit Stromüberlastungsschutz zu schaffen, das einen niedrigeren Auslösespannungspegel zum Auslösen des Überlastungsschutzes hat. Dabei soll die Temperaturän­ derung des Auslösespannungspegels zum Auslösen des Strom­ überlastungsschutzes in einem Festkörperrelaiskreis verhin­ dert werden. Weiterhin soll eine höhere Eingangsimpedanz und ein niedrigerer Leistungsverbrauch im Festkörperrelais bei Stromüberlastungsschutz erreicht werden.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebe­ nen Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung er­ geben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 bis 4 bei­ spielsweise erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild eines bekannten Halbleiterre­ laiskreises,

Fig. 2 ein Schaltbild eines Schaltkreises gemäß der Erfindung, und

Fig. 3 und 4 Abwandlungen des Kreises der Fig. 2.

Fig. 1 zeigt einen bekannten Halbleiterrelaiskreis 10. Der Kreis 10 hat einen Eingangsteil 11 mit einem Strombegrenzer 12 und zwei LEDs 13 und 14. Ein Schaltteil 15 enthält eine Detektoranordnung 17, die so ausgebildet ist, daß sie von den LEDs 13 und 14 erzeugtes Licht erfaßt und dadurch die gewünschte Schaltungsisolierung der Eingangsschaltung be­ wirkt. Die Detektoranordnung 17 ist mit der Gateelektrode einer Schaltvorrichtung 18 (die vorzugsweise ein MOFET ist) über einen Strombegrenzungswiderstand 19 verbunden. Die De­ tektoranordnung 17 ist auch mit der Sourceelektrode der Schaltelektrode 18 über einen Widerstand 21 verbunden. Ein Lastkreis 22 und eine Spannungsquelle 23 sind in Reihe ge­ schaltet und verbinden die Drainelektrode der Schaltvor­ richtung 18 und den Widerstand 21. Ein weiterer Widerstand 24 ist parallel zur Detektoranordnung 17 geschaltet.

Im normalen Betrieb des Schaltrelais bewirkt das Auftreten eines Eingangssignals im Eingangsteil des Kreises 10 (durch Schließen eines Schalters 25 veranschaulicht, um eine Bat­ terie 26 zuzuschalten), daß die LEDs 13 und 14 ein Licht­ ausgangssignal erzeugen, das von der Detektoranordnung 17 festgestellt wird. Die Detektoranordnung 17 erzeugt ein Signal zwischen der Gate- und der Sourceelektrode der Schaltvorrichtung 18, das, wenn es ausreichend ist, die Schaltvorrichtung 18 einschaltet, sodaß Strom zur Last 22 fließt. Wenn das Eingangssignal vom Eingangsteil 11 entfernt wird, erzeugt die Detektroanordnung 17 kein ausreichendes Signal mehr, um die Schaltvorrichtung 18 zu betätigen, die abschaltet, sodaß die Last 22 keinen Strom mehr erhält.

Es gibt verschiedene Bedingungen, unter denen ein Überlast­ strom in der Last 22 erzeugt wird, der die Schaltvorrich­ tung oder die Last 22 beschädigen oder zerstören kann. Um den Bereich von Strömen zu begrenzen, die der Last 22 über die Schaltvorrichtung 18 zugeführt werden können, ist der Kreis 10 vorgesehen und so ausgebildet, daß die Schaltvor­ richtung bei Auftreten von Überlastströmen abgeschaltet werden kann. Die besondere Anordnung in Fig. 1 enthält einen ersten PNP-Transistor 28 und einen zweiten NPN- Transistor 29, die so geschaltet sind, daß sie den Strom zur Schaltvorrichtung 18 kurzschließen. Ein Widerstand 31 verbindet die Detektoranordnung 17 mit der Basis des Tran­ sistors 28 und dem Kollektor des Transistors 29. Der Emit­ ter des Transistors 28 ist mit dem oberen Anschluß der De­ tektoranordnung 17 verbunden, und der Emitter des Transi­ stors 29 ist mit dem unteren Anschluß der Detektoranordnung 17 verbunden. Ein Widerstand 32 ist zwischen die Source­ elektrode der Schaltvorrichtung 18 und dem Widerstand 21 geschaltet, um ein Maß für die Spannung über dem Widerstand 21 dem Kollektor des Transistors 28 und der Basis des Tran­ sistors 29 während des Betriebs der Schaltvorrichtung 18 zu übermitteln.

Die Sperranordnung hat zwei Eingangsanschlüssen, von denen einer die Spannung über dem Widerstand 21 mißt und einen weiteren, der den Strom zum Kollektor des Transistors 29 mißt. Die Größe des Widerstands 21 ist so gewählt, daß, wenn der Strom durch die Last 22 zu groß wird, die Spannung über dem Widerstand 21 (die ein Maß dieses Stroms ist) bis zu einem Punkt zunimmt, an dem die Sperrung erfolgt, sodaß der Eingang über den Source- und Drainelektroden der Schaltvorrichtung 18 kurzgeschlossen wird. Die Spannungs­ differenz zwischen dem Basis/Emitter-Übergang des Transi­ stors 29 schaltet diesen Transistor ein und bewirkt, daß Strom über den Basis/Emitter-Übergang des Transistors 28 fließt. Der Transistor 28 schaltet ein und verriegelt die Sperranordnung im EIN-Zustand. Dies bewirkt, daß die Schaltvorrichtung 18 abgeschaltet und der Strom zur Last 22 unterbrochen wird.

Ein Hauptproblem des Kreises 10 der Fig. 1 besteht darin, daß sich die Spannung, die erforderlich ist, um den Betrieb der aus den Transistoren 28 und 29 bestehenden Sperranord­ nung auszulösen, mit der Temperatur drastisch ändert. Da diese Spannung durch den Meßvorgang über dem Widerstand 21 bestimmt wird, stellt sie tatsächlich ein Maß des Stroms durch die Schaltvorrichtung 18 und die Last 22 dar, und dieser Wert kann sich mit der Temperatur drastisch ändern. Insbesondere bei einer speziellen Anordnung 10 ändert sich der Wert des Stroms durch die Last, der erforderlich ist, um die Sperranordnung zu betreiben, von 1,3 A bei -55°C über 1 A bei 25°C bis zu 33 A bei 115°C. Da sich die Auslö­ sespannung notwendigerweise im gleichen Masse ändert, muß die normale Auslösespannung weit höher gehalten werden, als es notwendig wäre, wenn der Wert stabiler wäre. Verbunden mit der niedrigeren Auslösespannung wäre ein niedrigerer Gesamtleistungsverbrauch der Schaltung.

Fig. 2 zeigt einen Schaltkreis 40 gemäß der Erfindung. Der Kreis 40 hat Elemente eines Eingangsteils 11 im wesentlichen gleich dem Kreis 10 der Fig. 1 zur Energieversorgung von zwei LEDs 10 und 14, um einen elektrisch isolierten Eingang zu schaffen. Der Schaltkreis 40 hat auch einen Ausgangsteil 15, der alle Elemente des Ausgangsteils 15 des Kreises 10 hat, welche alle mit den gleichen Bezugsziffern versehen sind. Zum Ausgangsteil 15 der Fig. 2 sind Elemente hinzuge­ fügt, die mit denen zusammenwirken, deren Betrieb bereits erläutert wurde, um die Temperaturkompensation des Kreises 40 zu bewirken.

Diese Elemente umfassenen eine LED 42, die parallel zu einer Siliziumdiode 43 geschaltet ist. Die LED 42 ist mit einer oder mit beiden LEDs 13 und 14 optisch gekoppelt, um das Vorhandensein eines Eingangssignals im Eingagsteil 11 zu erfassen. Die Parallelschaltung der Siliziumdiode 43 und der LED 42 ist mit dem Emitter eines NPN-Transistors 44 verbunden, dessen Kollektor mit der Basis des Transistors 28 und dem Kollektor des Transistors 29 verbunden ist. Die Basis des Transistors 44 ist durch einen Widerstand 46 zwi­ schen die Schaltvorrichtung 18 und den Widerstand 21 ge­ schaltet. Ein Kondensator 47 ist zwischen die Basis des Transistors 44 und den negativen Anschluß der Spannungs­ quelle 23 geschaltet.

Wenn ein Eingangssignal durch Schließen des Schalters 25 im Eingangsteil 11 zugeführt wird, liefern die LEDs 13 und 14 zur Detektoranordnung 17 und zur LED 42 erfaßbares Licht. Die LED 42 ist so gewählt, daß sie etwa 1,1 V bei offenem Kreis und etwa 20 µA Strom im Kurzschlußzustand erzeugt.

Die LED 42 ist jedoch zur Siliziumdiode 43 parallel ge­ schaltet. Die Spannung über der LED 42 ist somit auf dieje­ nige über der Diode 43 beschränkt. Die Spannung der Diode 43 ändert sich mit der Temperatur von etwa 0,5 V bei -55°C über 0,35 V bei 25°C bis zu 0,05 V bei 115°C.

Da der Transistor 44 mit dem Eingang an der Basis des Tran­ sistors 28 der Sperranordnung verbunden ist, löst der Tran­ sistor 44, wenn er eingeschaltet wird, den Betrieb der Sperranordnung aus, um die Schaltvorrichtung 18 kurzzu­ schließen und den Kreis 40 abzuschalten. Der Transistor 44 wird eingeschaltet, wenn die Spannung über dem Widerstand 21 groß genug wird, sodaß die Spannung zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 44 ausreichend groß wird. Der Wert des Widerstands 46 wird so gewählt, daß er einen kleinen Spannungsabfall erzeugt, sodaß die Vorspannung der Basis-Emitteranschlüsse des Transistors 44 im wesentlichen die Differenz ist, die durch die Spannung über dem Wider­ stand 21 und die Spannung über der Diode 43 erzeugt wird. Wie zuvor erläutert, ändern sich die Spannungen, die erfor­ derlich sind, um einen Transistor (wie die Sperrtransisto­ ren 28 und 29) einzuschalten und die Spannung über der Di­ ode 43 mit der Temperatur. Durch Wahl eines Transistors 44 mit einer Einschaltspannung, die sich über den erwarteten Temperaturbereich in einer Weise ändert, die an die Ände­ rung der Spannung über der Siliziumdiode 43 angepaßt ist, kann folglich eine konstante Einschaltspannung über dem Wi­ derstand 21 erzielt werden. Dies wiederum überträgt sich in eine relativ konstante Auslösespannung der aus den beiden Transistoren 28 und 29 bestehenden Sperranordnung, da die Auslösung der am Stromsenkenanordnung der Spannungsanord­ nung als am spannungsempfindlichen Eingangsanschluß auf­ tritt. Die führt schließlich zu einem relativ konstanten Auslösestrom durch die Schaltvorrichtung 18.

Verwendet man typische numerische Werte der Basis-Emitter­ auslösespannung von 0,45 V für den Transistor 44, so ergibt ein Wert von 0,35 V über der Diode 43 eine Spannung über dem Widerstand 21 von 0,1 V, um den Transistor 44 bei 25°C auszulösen. Bei 55°C erfordert der Transistor 44 und der Spannungsabfall über der Diode 43 beträgt 0,5 V, sodaß die Spannung über dem Widerstand 21 wieder 0,1 V beträgt. Bei 115°C beträgt die Spannung über dem Widerstand 44 0,15 V und über der Diode 43 0,05 V und über dem Widerstand 21 wieder 0,1 V.

Es ist somit ersichtlich, daß der Auslösestrom durch die Schaltvorrichtung 18 in einem großen Temperaturänderungsbe­ reich durch den Kreis 40 konstant gehalten werden kann. Darüberhinaus ermöglicht es der ralativ konstante Wert des Auslösestroms, einen weit geringeren Wert zu verwenden, um den Betrieb der Sperranordnung auszulösen, und damit wird ein geringerer Gesamtleistungsverbrauch ermöglicht. Es ist zu beachten, daß die Kombination des Widerstands 46 und des Kondensators 47 so gewählt ist, daß eine Zeitschaltung mit einer geringen Verzögerung geschaffen wird, was eine störende Auslösung des Transistors 44 durch Stromspitzen verhindert.

Selbstverständlich sind andere Methoden zur Verwirklichung der Erfindung möglich. Z. B. kann die Parallelschaltung der Siliziumdiode 43 und der LED 42 durch einen NPN-Transistor mit der gleichen Spannungs/Strom-Kennlinie der Siliziumdio­ de 43 und der LED 42 ersetzt werden. Ein lichtempfindlicher Transistor kann die gewünschte Änderung mit der Temperatur bewirken, um die Änderung der Auslösespannung der Auslöse­ spannung der Sperranordnung mit der Temperatur zu kompen­ sieren. Fig. 3 zeigt solch einen Kreis. Eine zusätzliche Möglichkeit besteht darin, die LED 42 durch eine Konstant­ stromdiode oder eine ähnliche Konstantstromeinrichtung pa­ rallel zur Siliziumdiode 43 zu ersetzen. Fig. 4 zeigt solch einen Kreis.

Claims (3)

1. Halbleiterrelaiskreis bestehend aus einem Metalloxid- Feldeffekttransistor, zum Schalten von Strom zu einem Last­ kreis, und einem Sperrkreis mit einem ersten und einem zweiten Transistor, die die Spannung überwachen, die durch den Strom im Lastkreis erzeugt wird, und den Strom vom FET in Abhängigkeit von einer Stromüberlastung im Lastkreis ab­ leiten, wobei der erste und zweite Transistor solche Tempe­ raturkennlinien haben, daß sie in Abhängigkeit von unter­ schiedlichen Spannungen bei unterschiedlichen Temperaturen einschalten, gekennzeichnet durch eine zweite Einrichtung zum Einschalten des Sperrkreises, um den Strom vom FET in Abhängigkeit von der Spannung abzu­ leiten, die durch den Strom im Lastkreis erzeugt wird, wo­ bei die zweite Einrichtung eine Temperaturkompensationsan­ ordnung aufweist, um die Temperaturkennlinien des ersten und zweiten Transistors des Sperrkreises einander so anzu­ passen, daß der Sperrkreis bei der gleichen Spannung im Lastkreis über den typischen Betriebsbereich der Vorrich­ tung einschaltet.

2. Halbleiterrelaiskreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturkompensationsanordnung einen dritten Transi­ stor aufweist, der so geschaltet ist, daß unter Betriebsbe­ dingung ein Strompfad zum Einschalten eines der Transisto­ ren des Sperrkreises geschaffen wird, wobei die Basis/Emit­ ter-Anschlüsse des Transistors so geschaltet sind, daß sie die Spannung im Lastkreis erfassen.

3. Halbleiterrelaiskreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturkompensationsanordnung Elemente zur Reduzie­ rung der Einschaltspannung des dritten Transistors auf­ weist.