AT397896B - Hochspannungsschutzschaltung für ein signalverarbeitungssystem - Google Patents

Description

AT 397 896 B

Die Erfindung betrifft eine Hochspannungsschutzschaltung für ein Signalverarbeitungssystem mit einem Ausgangsanschluß, an welchem zufällige Ausgleichshochspannungen auftreten können, und mit einem Halbleiterbauelement, welches durch die aufgrund der Ausgieichshochspannung auftretende Belastung beschädigt werden kann, mit einem normalerweise leitenden Transistor einer Leitfähigkeitsart, der mit der Basiselektrode an das Halbleiterbauelement und mit der Emitterelektrode an den Ausgangsanschluß sowie mit der Kollektorelektrode an eine erste Betriebsspannung angeschlossen ist, wobei die Emitterelektrode die Hauptstromstrecke des ersten Transistors bestimmt, der normalerweise leitet und Signale an den Ausgangsanschluß abgibt.

Hochspannungs-Ausgleichsschwingungen, welche ein Halbleiterbauelement wie einen Transistor beschädigen können, können auf verschiedene Weise entstehen. In einem Fernsehempfänger mit einer Bildwiedergaberöhre können solche Ausgleichsschwingungen beispielsweise bei Funkenüberschlägen in der Bildröhre entstehen. Größe, Polarität und Dauer solcher Ausgleichsschwingungen können ausreichen, um Transistoren, die in Signalverarbeitungsschaltungen des Empfängers enthalten sind, zu beschädigen oder zu zerstören, etwa durch Überschreitung der Sperrdurchbruchsspannung von Transistoren, so daß übermäßig hohe Sperrschichtströme fließen. Diese Wirkung beobachtet man, wenn Hochspannungs-Ausgleichsschwingungen an Schaltungspunkten induziert werden, an welche die Transistoren angeschlossen sind, und es wird besonders problematisch in einem System mit einer integrierten Schaltung, welche empfindliche Transistorschaltungen für die Verarbeitung von Signalen niedrigen Pegels enthält. Übermäßige, durch Ausgleichsschwingungen induzierte Ströme können Halbleiterübergänge von Transistoren zerstören und auch dazu führen, daß die Stromverstärkungscharakteristik eines Transistors bleibend verschlechtert wird.

Zur Unterdrückung der Auswirkungen von Hochspannungs-Ausgleichsvorgägngen kann man verschiedene Schutzschaltungen benutzen.

So können geeignet gepolte Halbleiterdioden an Schaltungspunkten verwendet werden, un die Ausgleichsschwingungen von empfindlichen Transistorschaltungen, die geschützt werden sollen, abzuleiten. Zu diesem Zweck können Dioden erforderlich sein, die nicht mit gängigen Techniken oder Konfigurationen hergestellt werden. Dioden für solche Erfordernisse sind aber häufig unerwünscht, insbesondere in Zusammenhang mit integrierten Schaltungen, weil diese Erfordernisse den Herstellungsprozeß für integrierte Schaltungen komplizieren. In jedem Falle muß man dafür sorgen, daß die Dioden genügend Verlustleistung verarbeiten können, um die elektrischen Beanspruchungen auszuhalten, die aus den Ausgleichsvorgängen resultieren, ohne daß sie dabei zerstört werden, und daß diese Dioden allein oder zusammen mit irgendwelchen zugehörigen, Schwellwerte bestimmenden Vorspannungsschaltungen nicht die gewünschten Impedanzverhäitnisse oder Hochfrequenzeigenschaften der zu schützenden Schaltungen beeinträchtigen.

Man kann auch Widerstände oder Impedanzschaltungen benutzen, die speziell so ausgelegt sind, daß sie Hochspannungs-Ausgleichsschwingungen unterdrücken, jedoch können solche Bauelemente für viele Schaltungsanwendungen vom Konstruktionsstandpunkt aus gesehen zu kostspielig oder unpraktikabel sein und können außerdem die Impedanzeigenschaften und das Hochfrequenzverhalten der zu schützenden Schaltungen, für welche sie verwendet werden, beeinträchtigen.

Eine aktive Tranistorschutzschaltung ist ebenfalls bereits in Kombination mit einer Impedanz verwendet worden, die sowohl mit einem Schaltungspunkt, an dem die Hochspannungs-Ausgleichsschwingungen auftreten können, wie auch mit der zu schützenden Schaltung verbunden war. Bei dieser Anordnung dient der Schutztransistor zur Ableitung von durch Ausgleichsschwingungen induzierten Strömen von der zu schützenden Schaltung, wenn der Schutztransistor in Abhängigkeit von einer Schwellwertleitspannung aktiviert ist, die über der Impedanz entsteht. Für den Schutz einer Signalverarbeitungsschaltung ist diese Anordnung jedoch unzweckmäßig, da die Impedanz die zur geschützten Signalverarbeitungschalgung gehörige Impedanz verändert und auch hochfrequente Signale dämpfen kann, die normalerweise an dem Schaltungspunkt auftreten, indem sie mit irgendwelchen parasitären Kapazitäten, die an diesem Schaltungspunkt wirksam sein können, ein Tiefpaßfilter bildet.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Hochspannungsschutzschaltung der eingangs angeführten Art zu schaffen, welche die oben beschriebenen Nachteile herkömmlicher Schaltungen vermeidet und sich insbesondere zur Herstellung in einer integrierten Schaltung, welche auch die zu schützende Schaltung enthält, eignet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein zweiter, normalerweise gesperrter Transistor von dem ersten Transistor entgegengesetzter Leitfähigkeitsart mit seiner Basiselektrode an die Basiselektrode des ersten Transistors angeschlossen ist, mit seiner Emitterelektrode an die Emitterelektrode des ersten Transistors und den Ausgangsanschluß angeschlossen ist und mit der Kollektorelektrode an eine zweite Betriebsspannung (Masse) angeschlossen ist, daß die Emitterelektrode den Hauptstromleitungspfad des zweiten Transistors bestimmt, daß eine Vorspannungsquelle mit den Basiselektroden gekoppelt ist, 2

AT 397 896 B wobei die von der Vorspannungsquelle gelieferte Vorspannung einen Wert aufweist, weicher ausreicht, den ersten Transistor in Durchlaßrichtung und den zweiten Transistor in Sperrichtung vorzugspannen, daß der zweite Transistor beim Auftreten von Ausgleichsvorgägnen einer ersten Polarität am Ausgangsanschluß leitend wird und zugehörige Ausgleichsströme über seine Hauptstromstrecke zur zweiten Betriebsspannung (Masse) ableitet, und daß der erste Transistor Ausgleichsströme aufgrund von Ausgleichshochspannungen einer entgegengesetzten Polarität über seine Hauptstromstrecke an die erste Betriebsspannung ableitet.

Die hier beschriebene Schutzschaltung bietet Schutz gegen Hochspannungs-Ausgleichsschwingungen sowohl positiver wie auch negativer Polarität ohne Beeinflussung der gewünschten Signalverarbeitungseigenschaften der geschützten Schaltung (beispielsweise des Hochfrequenzverhaltens oder der Impedanzeigenschaften.

Aus der DE-OS 31 25 198 ist eine Schutzschaltung für einen Signaltransistor bekannt, bei der zum Schutz des Signaltransistors gegen Schäden infolge hoher negativer Spannungen ein NPN-Transistor vorgesehen ist, der mit seinem Emitter mit dem Basisanschluß des Signaltransistors verbunden ist und dessen Kollektor an einer positiven Betriebsspannung liegt. Der Schutz des Signaltransistors gegen Schäden durch hohe positive Spannungen erfolgt durch einen PNP-Transistor, dessen Emitter mit dem Emitter des NPN-Transistors, und damit auch mit dem Basisanschluß des Schutztransistors verbunden ist und dessen Kollektor am anderen Pol der Betriebsspannung liegt. Diese beiden Transistoren sind normalerweise gesperrt. Nur bei hohen negativen Spannungen wird der erstgenannte Transistor und bei hohen positiven Spannungen der zweitgenannte Transistor leitend.

Diese bekannte Anordnung, die ebenfalls Schutz eines Halbleiterelementes gegen Schäden durch sowohl negative als auch positive Hochspannungen bewirkt, kann der erfindungsgemäßen Hochspannungsschutzschaltung, bei der einer der beiden Schutztransistoren in dem Signalverarbeitungsweg enthalten und normalerweise leitend ist, nicht neuheitsschädlich entgegenstehen. Ferner werden die Ströme, die durch Hochspannungen entstehen, langsamer abgeleitet als bei der erfindungsgemäßen Hochspannungsschutzschaltung.

In der Zeichnung ist ein Teil eines Fernsehempfängers mit einer die erfindungsgemäße Schutzschaltung enthaltenden Schaltung veranschaulicht.

Leuchtdichtesignale von einer Quelle 10 und Farbsignale von einer Quelle 12 werden von getrennten Signaleinquelle (beispielsweise +230 V) gespeist, die durch die Quelle 35 gebildet sein kann, die auch hohe und sehr hohe Betriebsspannungen für die Bildröhre 30 liefert, wie bereits gesagt wurde.

Die Schaltung 15 enthält mehrere Signalverarbeitungsschaltungen, weiche jeweils Farbsignale an die Ausgangsanschlüsse 21 bis 23 liefert. Ein Teil der Signalverarbeitungs- und Ausgangsschaltung für das rote Farbsignal r ist mit dem Anschluß 21 verbunden und enthält Transistoren 40, 44 und 45 und einen Widerstand 41 in der dargestellten Schaltungsweise. Ähnlich geschaltete Signalverarbeitungs- und Ausgangsschaltungen für die Signale g und b liegen an den Ausgangsanschlüssen 22 und 23.

Der Transistor 40 ist ein Niederspannungssignalverstärkungstransistor geringer Leistung und liefert verstärkte Signale an seinem Kollektorlastwiderstand 41. Er kann beschädigt oder zerstört werden, wenn hohe Ausgleichsspannungen, wie sie etwa am Ausgangsanschluß 21 bei Biidröhrenüberschiägen auftreten können, zu ihm gelangen. Solche Übergangsschwingungen (die häufig eine von Spitze zu Spitze gemessene Amplitude von mehr als 100 V haben) können auch den Lastwiderstand 41 beschädigen oder zerstören, wenn der Transistor 40 und der Widerstand 41 in derselben integrierten Schaltung ausgebildet sind, da die geringe Fläche von integrierten Widerständen nicht in der Lage ist, größere Mengen thermischer Energie abzuführen, wie sie bei durch große Ausgleichsschwingungen induzierte Ströme entstehen.

Der Signaltransistor 40 und der Widerstand 41 werden gegen die Auswirkungen hoher Ausgleichsspannungen mit Hilfe einer Schaltung geschützt, welche einen NPN-Transistor 44 und einen PNP-Transistor 45 enthält. Der Transistor 44, der normalerweise für die Signalverarbeitung leitet, ist als Emitterfolger geschaltet und koppelt die Ausgangssignale vom Transistor 40 mit niedriger Emitterausgangsimpedanz an den Anschluß 21. Der Emitter des Transistors 44 ist über einen außerhalb der integrierten Signalverarbeitungsschaltung 15 befindlichen Lastwiderstand 51 an Massepotential geführt. Die Anordnung des Widerstandes 51 außerhalb der Signalverarbeitungsschaltung 15 ist erwünscht, um die Erwärmung der integrierten Signalverarbeitungsschaltung 15 durch die im Widerstand 51 umgesetzte Verlustleistung zu verringern. Der Widerstand 51 könnte jedoch auch in der Schaltung 15 enthalten sein. Der Kollektor des Emitterfolgertransistors 44 ist unmittelbar an eine positive Betriebsgleichspannung +Vce gelegt.

Die Basis und der niederohmige Emitter des PNP-Transistors 45 sind unmittelbar mit Basis und niederohmigem Emitter des NPN-Transistors 44 verbunden. Der Kollektor des Transistors 45 liegt unmittelbar an Massepotential. Unter normalen Bedingungen wird die Basis-Emitter-Übergangs-Vorspannung für den PNP-Transistor 45 unmittelbar durch die Basis-Emitter-Übergangsspannung des normalerweise leitenden Transistors 44 gebildet. Bei normalen Signalverarbeitungszuständen ist also die Basis-Emitter-Strecke 3

Claims (3)

1. AT 397 896 B des PNP-Transistors 45 durch die am leitenden Basis-Emitter-Obergang des Transistors 44 entstehende Spannung in Sperrichtung vorgespannt. Daher leitet der Transistor 45 normalerweise nicht und hat keinen Einfluß auf die Signale, die normalerweise durch den Verstärkertransistor 40 und den Emitterfolgertransistor 44 zum Ausgangsanschluß 21 übertragen werden. Ströme, die durch negative Ausgleichs-Hochspannungen am Anschluß 21 entstehen, fließen durch den NPN-Transistor 44, der einen Stromweg zur Ableitung solcher Ausgleichsströme vom Signalverstärkertransistor 40 weg bildet. Durch Ausgleichsvorgänge induzierte Ströme in diesem Strompfad fließen von der Betriebsspannungsquelle +VCC durch die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 44 und den Anschluß 21 zur Quelle der Ausgleichsspannungen. Der PNP-Transistor 45 bleibt bei negativen Ausgleichsspannungen gesperrt. Tritt eine positive Ausgieichsspannung am Anschluß 21 auf, dann wird der PNP-Transistor 45 in Durchlaßrichtung vorgespannt und bildet einen Stromweg zur Ableitung von Strömen, die durch positive Ausgleichsspannungen induziert sind, weg vom Signaltransistor 40. In diesem Falle werden die durch die Ausgleichsspannung induzierten Ströme über die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 45 nach Masse abgeleitet. Auch nimmt der Basisstrom des Transistors 45 mit dem wesentlich größeren, durch Ausgleichsspannungen induzierten Emitterstrom des Transistors 45 proportional zu und bewirkt, daß die Basisspannung des NPN-Transistors 44 proportional wächst. Wird die Basisspannung des Transistors 44 genügend groß, um den Basis-Kollektor-Übergang des Transistors 44 in Durchlaßrichtung vorzuspannen, dann entsteht ein zusätzlicher Weg zur Ableitung der durch Ausgleichsspannungen induzierten Ströme. Dieser Weg enthält die Emitter-Basis-Strecke des PNP-Transistors 45, die in Durchlaßrichtung vorgespannte Basis-Kollektor-Strecke des NPN-Transistors 44 und die Spannungsquelle +VCC. Jeglicher in diesem letztgenannten Stromweg fließender Strom ist bedeutend kleiner als der von Ausgleichsspannungen induzierte Strom, der über die Emitter-Kollektor-Strecke des PNP-Transistors 45 nach Masse abgeleitet wird. Die beschriebene Schutzschaltung benötigt vorteilhafterweise wenige Komponenten, und die Transistoren 44 und 45 brauchen keine großen Elemente oder Leistungselemente zu sein. Damit kann die Schutzschaltung vorteiihafterweise in einer integrierten Schaltung mit nur begrenzter verfügbarer Fläche verwendet werden. Die Transistoren 44 und 45 zeichnen sich von Haus aus durch Selbstbegrenzung der Ausgleichsstromleitung aus, wenn sie bei Ausgleichs-Hochspannungen leiten. Diese begrenzte Ausgleichsstromleitung beruht auf den verteilten Kollektorwiderständen der Transistoren 44 und 45, so daß diese mit üblichen Basis-Emitter-Obergangs-Konfigurationenausgebildet werden können. Weiterhin verändert die Schaltung weder das Frequenzverhalten noch die Impedanz am Ausgang der Schaltung 15 bei normaler Signalverarbeitung. In dieser Hinsicht liefert der Emitterfolgertransistor 44 normalerweise Ausgangssignale mit niedriger Quellenimpedanz, wie es für die Ansteuerung des Bildröhrentreibers 24 erforderlich ist, und bietet gleichzeitig Schutz beim Auftreten negativer Ausgleichshochspannungen. Die Transistoren 44 und 45 können mit üblicher Struktur ausgebildet sein. Im Falle von Ausgleichshochspannungen bei Bildröhrenüberschlägen werden beispielsweise Ausgleichsspannungen am Ausgangsanschluß 21 über eine effektiv hohe Impedanz induziert, die zusammen mit den niedrigen Emitterimpedanzen der Transistoren 44 und 45 eine erhebliche Dämpfung der Ausgleichsspannung am Anschluß 21 ergibt. Jedoch sind solche Ausgleichsspannungen typischerweise mit möglicherweise zerstörenden hohen Strömen verbunden, und von den Transistoren 44 und 45 geleitete Übergangsströme werden, wie erwähnt, in ihrer Größe durch die inhärenten verteilten Kollektorwiderstände dieser Transistoren begrenzt. Außerdem halten die Transistoren 44 und 45 die thermische Energie aus, welche die großen Übergangsströme mit sich bringen, weil die relativ große Kollektorzone eines üblichen Transistors dazu beiträgt, solche thermische Energie unschädlich abzuführen. Die beschriebene Schutzschaltung eignet sich zum Schutz jeglichen Halbleiterelementes (beispielsweise einschließlich Transistoren, Dioden und Widerständen, insbesondere in einer integrierten Schaltung), die nur relativ kleinflächig ausgebildet sind und nicht in der Lage sind, große Energiemengen, wie sie bei Hochspannungs-Ausgleichsvorgängen auftreten, sicher abzuführen oder zu begrenzen. Patentansprüche 1. Hochspannungsschutzschaltung für ein Signalverarbeitungssystem mit einem Ausgangsanschluß, an welchem zufällige Ausgleichshochspannungen auftreten können, und mit einem Halbleiterbauelement, welches durch die aufgrund der Ausgleichshochspannung auftretende Belastung beschädigt werden kann, mit einem normalerweise leitenden Transistor einer Leitfähigkeitsart, der mit der Basiselektrode an das Halbleiterbauelement und mit der Emitterelektrode an den Ausgangsanschluß sowie mit der Kollektorelektrode an eine erste Betriebsspannung angeschlossen ist, wobei die Emitterelektrode die Hauptstromstrecke des ersten Transistors bestimmt, der normalerweise leitet und Signale an den 4 AT 397 896 B Ausgangsanschluß abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter, normalerweise gesperrter Transistor (45) von dem ersten Transistor (44) entgegengesetzter Leitfähigkeitsart mit seiner Basiselektrode an die Basiselektrode des ersten Transistors (44) angeschlossen ist, mit seiner Emitterelektrode an die Emitterelektrode des ersten Transistors (44) und den Ausgangsanschluß (21) angeschlossen ist und mit der Kollektorelektrode an eine zweite Betriebsspannung (Masse) angeschlossen ist, daß die Emitterelektrode den Hauptstromleitungspfad des zweiten Transistors (45) bestimmt, daß eine Vorspannungsquelle (+) mit den Basiselektroden gekoppelt ist, wobei die von der Vorspannungsquelle (+) gelieferte Vorspannung einen Wert aufweist, welcher ausreicht, den ersten Transistor (44) in Durchlaßrichtung und den zweiten Transistor (45) in Sperrichtung vorzuspannen, daß der zweite Transistor (45) beim Auftreten von Ausgleichsvorgängen einer ersten Polarität am Ausgangsanschluß (21) leitend wird und zugehörige Ausgleichsströme über seine Hauptstromstrecke zur zweiten Betriebsspannung (Masse) ableitet, und daß der erste Transistor (44) Ausgleichsströme aufgrund von Ausgleichshochspannungen einer entgegengesetzten Polarität über seine Hauptstromstrecke an die erste Betriebsspannung (+VCC) ableitet.
2. 2. Hochspannungsschutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor (44) ein NPN-Transistor ist, der durch Ausgleichshochspannungen negativer Polarität entstehende Ausgleichsströme ableitet, und daß der zweite Transistor (45) ein PNP-Transistor zur Ableitung von aufgrund positiver Ausgleichshochspannungen entstehender Ausgleichsströme ist.
3. 3. Hochspannungsschutzschaltung nach Anspruch 1 mit einer Signale von dem Ausgangsanschluß erhaltenden Verbraucherschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgangsanschluß (21) und die Verbraucherschaltung (24, 30) eine Emitterlastimpedanz (51) für den ersten Transistor (44) geschaltet ist. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 5