CN1149936A - 限流电路 - Google Patents

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Abstract

限流电路，包括场效应晶体管(12)的源-漏极通道，和与之串连的一个电流传感器(8)，共同配置在电路的纵向分支上。通过在电流传感器(8)内的一个扼流圈(9)限制电流的上升速度，从而有效地保护了短暂的过流现象。作为续流二极管的二极管(11)与电流传感器(8)并联连接，本电路尤其适于用作通信设备的电源。

Description

限流电路
本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的限流电路。
这样的电路已公开描述在DE-3535864A1中。在该文献所述电路的纵向分支中，配置有场效应晶体管的漏极-源极通道，与场效应晶体管的漏极-源极通道相串连的一个测量电阻形成电流传感器。这个测量电阻上的压降对一个双极晶体管起控制作用。场效应晶体管的栅极经过一个电阻接到控制场效应晶体管导通的一个接通电位上，还通过该双极晶体管的发射-收集极通道接到使场效应晶体管截止的截止电位上。当接通电网电压时，充电电流流经场效应晶体管；向一电容器充电，从而将电流限制在预定值的范围内。
与处于输入或输出端上的电容器并联的电路组件在带电压时或接通电压时，向电容器提供大充电电流。尤其当电路组件包括作为电流源的存储电容器时，配置有带电的母线的印刷电路板工作中只具有很小的阻抗。这种存储电容器可以尤其接在电源设备的输入端处，也可接在电源设备的输出端上，它们相互并联连接，以满足负载的多余馈给。
人们利用由场效应晶体管和测流电阻构成的限流电路限制了在接通或施加工作电压及还处于工作时的此充电电流。这种限制具有几微秒的典型的响应时间。如果这些组件在工作中被拉拨，由于插接的抖动会产生短暂的补充充电电流脉冲，得到多个稳定的临界值。这种现象会对由相邻组件形成的通信设备产生干扰。
本发明考虑到上述问题，采用限制电流的增长速度来取代对电流本身的限定，这样不会再出现上述缺陷。
因此本发明的目的在于提供一种权利要求1前序部分所述类型的电路，不仅对电流本身，而且对电流的上升速度加以限定。
按照本发明此电路如权利要求1特征部分所述方式构成。
通过这种措施，优点在于，实际上可实现无延迟的限流作用，对电路上任一组件或与存储电容器接通时出现的短暂的过流能够实现有效的保护。本发明另一优点在于，当尤其由于插接抖动引起较短的连续的变换过程时，或出现过压脉冲时，不会产生短暂的有害的过流现象。此外，限制电流的上升速度降低了对于电焊连接或空间紧密邻接的电路的干扰影响。因此本发明的电路特别适合应用于通信传输用设备，这些设备对于防止干扰具有很高要求。
对于印刷电路板上的组件进行替换时，电路不会由于大充电电流而损坏，因为在插接抖动期间，不论是插入还是拔出时，本发明的电路能够有效地对短时过流予以限制。
而且，本发明的电路能够防止插接引起过流的可能的不利影响。这种对充电电流的限定保证了当运行中出现过压时限制存储电容器上产生压升。并且也可有效阻止在接通、插拔或工作中电压不稳时保护设备的触发。
US-4438473介绍了一种电路，它提供一个用电器，并且在断路时中断充电电流。在该电路的纵向分支上接有在标准运行中受控导通的双极晶体管，短路时，该晶体管借助于一个电流传感器截止。这个电流传感器由一个电阻，和与之相串连的扼流圈组成。起中断作用的所述晶体管由一个触发电路控制并以二进制方式工作。这个触发电路的输出信号延迟地传送到起中断作用的处于导通状态的晶体管，使中断操作能够与一个容性负载相关联。可采用一般的半导体开关元件作为前述的过压保护器件。
本发明的有利的技术方案体现在权利要求2-10的附加技术特征中。
下面根据附图中所描述的实施例进一步说明本发明。附图为：
图1具有一个n沟道场效应晶体管和一个npn-晶体管的限流电路电路图，
图2图1所示电路的电流和电压随时间变化的曲线图，
图3带有场效应晶体管附加控制功能的限流电路电路图，及
图4具有一个P沟道场效应晶体管和一个pnp晶体管的限流电路电路图。
在图1所示的电路带有一个限流装置，它连接在电源2和存储电容器19之间，同时起限制导通电流作用和过压保护作用。
这个限流电路通过一个图中未示出的多头插接连接器的插接接点3和4与电源2连接，而且通过插接接点17和18与一个用电器连接，这个用电器是由存储电容器19和负载电阻20构成的并联电路。
存储电容器19的一端经过插接接点17，3与电源2的正极相连接，该电容器的另一端经过插接接点18，场效应晶体管12的漏极-源极通道，与其串连的电流传感器8和插接接点4与电源2的负极相连接。
电流传感器8包括测流电阻10和与之串连的扼流圈9。一个二极管11与电流传感器8相并联，该二极管呈反向(相对于充电电流)连接，起到扼流圈9的续流二极管作用。
场效应晶体管12的栅极作为执行环节，一方面与双极晶体管5的集电极连接，另一方面经一电阻16接到电路的纵向分支，此分支把用电器19，20和电源2的正极相连接。齐纳二极管7与场效应晶体管12的栅极-源极通道并联连接，这个齐纳二极管7的作用是限制使场效应晶体管12导通的电压为其齐纳电压值。
双极晶体管5的发射极通过插接接点4与电源2的负极相连接，它的集电极与场效应晶体管12的栅极相连，它的基极经过电阻6接至电流传感器8和场效应晶体管12源极的节点上。
经过本电路的限流作用，使来自电网的短暂的过高压只导致用电器20上的极小的电压压升。这个压差存在于场效应晶体管12上，是可以测知的。过压之后，电路再次恢复完全由场效应晶体管12控制的正常状态。
限流的电流I1从电源2的正极流出，经过闭合的开关1、并联的电容器19和电阻20，场效应晶体管12的漏-源极通道和电流传感器8回到电源2的负极。
电流I1的上升速度依靠扼流圈9测定，并依靠场效应晶体管12限制。扼流圈9必须的电感值在于，按照限制的电压主和测量电压的比例关系，扼流圈本身必须限制电流上升，最大布置应低于必须的值。
在连接插接接点3，4和17，18的情况下，通过开关1的闭合或在开关1已闭合的情况下插入接头，电容器19与电源电压Ue相连接时，充电电流然后会一直存在。
通过场效应晶体管实现限流，这个晶体管是一个自截止式n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOS-FET)，在电路中与容性用电器19，20相串连。场效应晶体管12带有寄生电容。栅-源极电容器13位于栅极和源极之间，栅-漏极电容14位于栅极和漏极之间，源-漏极电容15位于场效应晶体管12的源极和漏极之间。
电压U1通过高阻值的电阻16作用到场效应晶体管12上。齐纳二极管7限制其控制电压，起到保护场效应晶体管12的作用。
电阻10和扼流圈9的绕组电阻构成电流传感器8的欧姆分量。在某些情况下，可以只靠扼流圈9的绕组电阻构成上述欧姆分量，将额外的电阻10短接即可。
如果由于充电电流增加和由充电电流本身在扼流圈9和电阻10上产生的电压超过了晶体管5的基极导通电压，晶体管5导通，场效应晶体管12截止。以此方式，不仅可以限制充电电流I1的升高，而且限制了充电电流I1本身。
图2表示图1的电路电压为U1时和触头弹跳时充电电流的曲线，此时考虑了场效应晶体管12的寄生电容13，14和15。
在接通时间点t1，电压U1从零跳跃升到Ue。由于在此时间点上，电容器19和场效应晶体管12的寄生电容13-15的放电，于是使扼流圈9和晶体管5的集电极及发射极间的电压也跃升到输入电压值Ue。晶体管5的基极电流流过电阻6，使晶体管5导通，这个电流给寄生电容13和14充电，流过齐纳二极管7的电流为寄生电容15充电。
电阻6是这样取值的，一方面有助于提供足够的向寄生电容13-15快速充电的基极电流，另一方面又要保证不使晶体管5过载。
扼流圈9的电感值的大小应这样选择，使寄生电容13-15的充电电流的主要部分不流过扼流圈9，而是流过晶体管5。由此晶体管5可以通过栅极可靠地将场效应晶体管12截止。在图2中，这个充电电流在时间点t1时具有一个峰值。
寄生电容13-15的充电电流衰减之后，晶体管5截止。然后场效应晶体管12通过电阻16再次接通，于是在时间点t2处，作为用电器电容的电容器19的充电电流开始流过该电容。通过扼流圈9的电感和晶体管5的基极导通电压的共同作用，限制了电流I1的上升速度。从时间点t3开始，电阻10上的压降达到晶体管5的基极导通电压，所以电流I1不再继续上升。在时间点t4上，电容器19快速充电，充电电流I1开始下降。当到达时间点t5时，电容器19完全充电，这时流动的电流只由容性用电器19，20的电阻20吸收。
在时间点t6上，电压U1出现短暂的中断，这可通过弹跳插接触头3和/或4实现。在中断期间，电容器19通过电阻20部分地放电。在时间点t7上电压U1又恢复。从时间点7开始的电流曲线与自时间点t1开始的曲线相同，电容器19到时间点t7的充电状态决定了充电周期的长短。当场效应晶体管12的寄生电容13-15还未完全放电时，电流限制采用无延迟的和不会超过常规限定值的峰值。
图3是一个与图1电路类似的限流电路。所不同的是，在晶体管5的集电极和电阻16之间的节点和场效应晶体管12的栅极之间连接一个电阻23。二极管24则与电阻23并联。二极管24相对于由电阻16提供的控制场效应晶体管12导通的电压反向连接。齐纳二极管7连接在晶体管5的集电极和场效应晶体管12的源极之间，与由电阻23和晶体管12的栅-源极通道构成的串连电路相并联连接。
电阻23在某些场效应晶体管类型的情况下可以与较长的栅极引线连接，其作用是抑制振荡。二极管24阻止场效应二极管72在接通时间点上受漏-源极寄生电容15的控制。
另一个与图1的电路的区别之处在于开关22。开关22允许变换在电阻16上的接通电位。在图示的开关位置的连接情况下，输入电压U1可作用到电阻16上。在另一开关位置，使辅助电压UH作用到电阻16上。
在开关22和电阻23之间连接有电阻16。电阻16和23的节点与晶体管5的集电极连接，并且通过齐纳二极管7连接到场效应晶体管12的源极上。齐纳二极管7相对于从开关22经电阻16作用到其阴极的电压反向连接，因此限制这个电压为齐纳电压值。
电阻16可通过开关22处于辅助电压UH，于是场效应晶体管12的控制电压取决于这个辅助电压UH。即场效应晶体管12的操作与电源电压U1无关。这样可以使场效应晶体管12作为执行元件起到辅助功能，如过压中断或对于不同用电器确定导通顺序。
作为对图1的电路的另一补充方案是，电阻25与场效应晶体管12的漏-源极通道并联连接，而且与由电流传感器8和晶体管12的漏-源极通道形成的串联电路并联连接一个齐纳二极管26，这个齐纳二极管26相对于电流I1反向连接。电阻25用作卸载电阻，减小场效应晶体管12的脉动载荷，或者当电阻16上施加了辅助电压UH时，而且场效应晶体管12为断开状态时，电阻25能例如作为辅助电源向用电器提供很小的电流，或者在场效应晶体管12导通之前使电容器19已逐渐充电。
齐纳二极管26的作用是防止场效应晶体管12中出现过压和反向电流。如果场效应晶体管12本身带有一个确定的雪崩特性，则齐纳二极管不是必须的。
如果在图2所示的时间点t1给寄生电容13-15充电出现峰值电流之后还应继续阻尼，应特别增加一个扼流圈21，其具有相对较小的电感值。
图1的场效应晶体管12是一个n沟道MOS-FET晶体管，晶体管5是一个双极npn晶体管。图4与图1中的限流电路相比，场效应晶体管12是用P沟道MOS-FET代替n沟道MOS-FET，而晶体管5是用pnp晶体管代替npn晶体管。而且由场效应晶体管12的漏-源极通道和电流传感器8形成的串联电路，接到电源的正极上来代替接到电源的负极上。

Claims (10)

1.限流电路，配置在一个电源(2)和一个存储电容器(19)之间，在一个纵向分支上包含一个场效应晶体管(12，120)的源极-漏极通道和一个与这个源-漏极通常串连的电流传感器(8，80)，场效应晶体管(12，120)的栅极通过一个电阻(16，160)连接到控制场效应晶体管(12，120)导通的接通电位上，和通过晶体管(5，50)的发射-集电极通道连接到控制场效应晶体管(12，120)处于截止状态的截止电位上，晶体管(5，50)的发射极与测量装置(8，80)的一端连接，晶体管(5，50)的基极经由电阻(6，60)与电流传感器(8，80)的另一端连接，当电流传感器(8，80)上的压降低于某一预定的阈电压时，晶体管(5，50)的发射-集电极通道变为高阻值，当电流传感器(8，80)上的压降高于晶体管(5，50)的集电极的预定的阈电压时，场效应晶体管(12，120)提供一个起限流控制作用的电位，
其特征在于，电流传感器(8，80)包含一个扼流圈(9，90)，它的阻抗具有一电阻分量和一电感分量，并且与电流传感器(8，80)并连连接一个相对于充电电流(I1)反向连接的二极管(11，110)。
2.根据权利要求1的电路，其特征在于，在场效应晶体管(12)的栅极引线上接有一个栅极前置电阻(23)，与这个电阻(23)并连连接一个二极管(24)，它相对于在栅极前置电阻(23)上下降的和控制场效应晶体管(12)导通的电压反向连接。
3.根据权利要求1或2的电路，其特征在于，齐纳二极管(7)连接在晶体管(5，50)的集电极和场效应晶体管(12，120)的源极之间，并且相对于控制场效应晶体管(12，120)导通的电压反向连接。
4.根据权利要求1-3之一的电路，其特征在于，通过一个位于与电源(2)和用电器(19，20)直接连接的电位和一个辅助电压(UH)之间的开关(22)实现接通电位的转换。
5.根据权利要求1-4之一的电路，其特征在于，一个电阻(25)与场效应晶体管(12)的漏-源极通道并联连接。
6.根据权利要求1-5之一的电路，其特征在于，与由电流传感器(8，80)和场效应晶体管(12)的漏-源极通道形成的串联电路并联连接一个相对于充电电流(I1)反向连接的齐纳二极管(26)。
7.根据权利要求1-6之一的电路，其特征在于，扼流圈(9，90)的电感量是这样选择的，当电路处于导通状态时，使场效应晶体管(12，120)的寄生电容(13，14，15)的大部分充电电流从晶体管(5，50)的发射-集电极通道流过。
8.根据权利要求1-7之一的电路，其特征在于，电流传感器(8，80)的欧姆分量是这样选择的，它将与晶体管(5，50)的阈电压相连接的负载电流限制在一个预定值上。
9.根据权利要求1-8之一的电路，其特征在于，在晶体管(5，50)的基极引线上接有一电阻(6，60)，它的阻值应这样考虑，对于场效应晶体管(12)的寄生电容(13，14，15)的充电，阻值应足够小，对于保护晶体管(5，50)过载，阻值应足够大。
10.根据权利要求1-9之一的电路，其特征在于，测量装置(8，80)的欧姆分量是由扼流圈(9，90)的线圈电阻构成。
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