CN1783705A - 具有短路保护电路的电路装置 - Google Patents

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Abstract

图示和说明了一种电路装置，其具有第一输入接线和第二输入接线、具有第一输出接线和第二输出接线、具有供电电压接线以及具有压控电压源、输出级和短路保护电路，其中，输出信号由施加在输入接线上的输入电压通过压控电压源和输出级生成。本发明的教导所基于的问题在于，如此构造和扩展该电路装置，以致(至少部分地)避免短路电流的温度依赖性和/或由负载电流对输出信号的影响。其中解决所指出的问题的本发明的电路装置首先并基本上由此来表征，电压跟随电路和与该电压跟随电路并联的泄漏电阻器属于短路保护电路，并且由电压跟随电路和泄漏电阻器组成的并联电路一方面与第二输出接线连接，而另一方面与第二输入接线连接。

Description

具有短路保护电路的电路装置
技术领域
本发明涉及一种电路装置，其具有第一输入接线和第二输入接线、具有第一输出接线和第二输出接线、具有供电电压接线以及具有压控电压源、输出级和短路保护电路，其中，输出信号由在输入接线上所施加的输入电压通过压控电压源和输出级生成。
背景技术
这里所讨论类型的电路装置以不同实施方案久已为人所知，并用于所有应将输入电压转换为输出信号的电路技术中，其中，该电路装置在正常情况下可以在输出侧提供比输入侧所需要的功率高的功率，以便控制该电路装置。通常，这样的电路装置例如可在隔离放大器、信号变换器和功率模块中找到。对于这样的电路的流行的应用情况例如在于，将第一电压范围的电压转换为第二电压范围的电压，以将该第一电压与标准的电压接口匹配，该电压接口例如以0V到10V范围中的电压值工作。
原则上，在设计这里所讨论类型的电路装置时在相关标准下出于实际使用、操作安全、但是也出于可证明性(Zertifizierbarkeit)的原因考虑，在输出侧短路的情况下、亦即当输出接线非常低阻地彼此连接时，该电路表现为如何。当不采取任何特别的电路技术措施时，在短路情况下存在这种危险，即电路装置的输出侧的特性在输入侧不再可控制，在该电路装置中或在该电路装置的输出级中转换高损耗功率，并甚至损坏该电路装置和/或在输出侧连接的电器。
出于这些原因，这里所讨论类型的电路装置经常在输出侧装备有电子限流装置，该电子限流装置在短路情况下至少阻止对电路装置的损坏。当输出级例如通过由压控电压源驱动的电流来控制时，从实践及有关文献中公知，测量流过该(短路的)输出接线的负载电流或短路电流，并根据负载电流的大小均匀地将控制输出级的电流旁路(vorbeileiten)到输出级上。这样的短路保护电路例如可以由双极晶体管来实现，该双极晶体管根据降落在被布置在负载电路中的“感知”电阻上的电压来控制(aufsteuern)，并将控制输出级的电流旁路到输出级的输入上，于是阻止负载电流继续升高，以及由此限制短路电流(Tietze，U.；Schenk，Ch.：“Halbleiter-Schaltungstechnik”，12.Auflage，Springer-Verlag，2002，第909-910页)。
这样的通过负载电流路径中的“感知”电阻检测负载电流的大小以及最终也检测短路电流的短路保护电路的缺点是，该电阻上的依赖于负载电流的压降在正常运行时影响输出信号、也即例如施加在输出接线上的电压，以及引起持续的损耗功率。此外，在短路保护电路中应用简单的、不受调节的诸如双极晶体管的半导体器件时的缺点是，由于半导体器件的温度依赖性，触发保护电路的短路电流的大小依赖于温度。在上述双极晶体管的情况下，这例如是工作在通流方向上的、该双极晶体管内的二极管的正向电压的温度依赖性。在应用通过基极-发射极段(Strecke)控制的双极性硅晶体管时，基极-发射极二极管的正向电压的温度依赖性约为-2mV/K。
发明内容
因此，本发明的教导所基于的问题在于，如此构造并扩展具有压控电压源、具有输出级和具有短路保护电路的电路装置，以致(至少部分地)避免上述缺点、特别是短路电流的温度依赖性和/或由负载电流对输出信号的影响。
其中解决上面推导和指出的问题的本发明的电路装置首先并且基本上由此来表征，即电压跟随电路和与电压跟随电路并联的泄漏电阻器属于短路保护电路，并且由电压跟随电路和泄漏电阻器构成的并联电路一方面与第二输出接线连接而另一方面与第二输入接线连接。通过短路保护电路的本发明的特别的实现方案，避免直接作用于负载电流的路径中、亦即输出级与输出接线的连接中，以致通过输出接线输出的输出信号也不受负载电流自身的影响。
通过把电压跟随电路和并联的泄漏电阻器与电路装置的第二输入接线连接，保证了所述电路部分的公共的参考电位；在此可以涉及在电路中广泛应用的参考电位、诸如地电位，但是也可以涉及任意其他适合的电位。
电压跟随电路根据本发明如此来定向，以致该电压跟随电路在输入侧与第二输入接线连接，而在输出侧与第二输出接线连接。由此引起，也施加在第二输入接线上的参考电位通过电压跟随电路被转送给电路装置的第二输出接线。只要电压跟随电路工作在其正常工作范围中，对于该电压跟随电路就可能保证从其输入向其输出转送电位，而与它接收或发出哪一个电流无关。在该正常工作范围中，由于电压跟随电路和泄漏电阻器的并联以及由于电压跟随电路的输入侧和输出侧之间的相同的电位，在泄漏电阻器上无任何电位差，以致无任何电流流过该泄漏电阻器。由这一关系得出，电压跟随电路在电路装置正常工作时、亦即不在短路情况下必须完全接收流过输出接线的负载电流，只要在输出接线上连接负载即可。
只有当电压跟随电路不再在其正常工作范围内应用时，亦即当该电压跟随电路例如必须接收比由于其内部布线可能接收的电流高的电流时，电压跟随电路不再能够把在输入侧预定的电位传输到其输出侧。其结果是，电压跟随电路的输出侧电位与在输入侧预定的电位偏离。由于在泄漏电阻器的接线上现在建立的电位差，通过泄漏电阻器分路电压跟随电路不再可接收的短路电流的部分。
由于电压跟随电路通常通过最大程度无调节差的调节电路来实现并且因此也可调节取决于温度的影响以及欧姆电阻(如泄漏电阻器)没有示出突出的温度依赖性，所以利用本发明的电路装置也实现了没有值得注意的温度依赖性的短路保护。
存在多种构造和扩展本发明的教导的可能性。对此可参考从属权利要求。对于本发明特别的结构，告知下面的注意点。
在本发明的电路装置的优选实施例中，压控电压源通过简单的运算放大器电路来实现，其方式是，运算放大器的反相输入与两个布线电阻的各接线连接，而运算放大器的非反相输入与电路装置的第一输入接线连接，且第一布线电阻通过输出级与运算放大器的输出连接，而第二布线电阻与电路装置的第二输出接线连接。通过这一措施，给电路装置装备输入接线之间的高阻输入。同时可以通过运算放大器的低阻输出来控制捆扎在电压调节电路中的输出级。
在另一个优选的实施例中，在应用晶体管的情况下实施输出级，该晶体管通过其控制电极由压控电压源的输出来控制。输出级的晶体管以其另外两个电极被这样集成在负载电路中，使得第一负载电路电极与供电电压接线连接，而第二负载电路电极与电路装置的第一输出接线连接。通过在输出级中应用合适的晶体管能够以简单的方式实现如也适用于大功率要求一样适用于小信号范围的电路装置。
在另一个特别优选的实施例中，电压跟随电路借助第二运算放大器和反馈电阻来实现，其中，反馈电阻把第二运算放大器的输出反馈到第二运算放大器的反相输入上。由此，第二运算放大器的非反相输入表示电压跟随电路的输入侧，并且因此与电路装置的第二输入接线连接，而第二运算放大器的反相输出与电路装置的输出侧连接并且因此也与电路装置的第二输出接线连接。
如果共同实现电路装置的上述优选实施例，则意外地得到整个电路的特别有利的效果，该效果在下面说明。
运算放大器的工作范围通常由连接在其上的工作电压的电压范围来限定。当该工作电压范围通过上限工作电压和下限工作电压来确定时，电压跟随电路的上述优选的实施例在输出侧可以接收这样大的负载电流，以致关于数量方面正好下限工作电压降落在反馈电阻上；在这种情况下，第二运算放大器的反相输入还可以正好保持在该电位上，该电位通过第二运算放大器的非反相输入上的电位来预定。第二运算放大器的输出上的电压在这种情况下等于第二运算放大器的下限工作电压，该第二运算放大器的输出上的电压不可降低到此值之下。
电流进一步升高不可避免会导致，在反馈电阻上降落超过下限工作电压的数值的电压，且电压跟随电路的输出上的电位上升到电压跟随电路的在输入侧预定的电位之上。亦即在这种情况下，流过短路保护电路的电流仅依赖于在电路装置的第二输出上建立的电位、第二运算放大器的恒定的下限工作电压、电压跟随电路的反馈电阻的大小和在短路保护电路中所应用的泄漏电阻器的大小。亦即短路电流与在第二输出接线上建立的电位的变化成比例地变化。
在输出接线短路的情况下，在本电路装置的优选实施例中存在特别有利的关系，因为压控电压源的布线电阻的串联电路在输出侧短路，并因此在电路装置的第二输出上施加输入电压。如上已解释的那样，可是在这种情况下，流过短路保护电路的电流只依赖于输入电压、第二运算放大器的恒定的下限工作电压、欧姆反馈电阻和欧姆泄漏电阻器，并且更确切地说这样，使得流过短路保护电路的短路电流与输入电压的变化成比例地变化。
由此，该电路装置的这一特别优选的实施例在正常工作情况下表示具有短路保护的压控电压源而在短路情况下表示压控电流源。由此，电路装置的输出信号在短路情况下也能确定地建立，并通过改变输入电压也能确定地变化。因此，短路情况也可被理解为优选的电路装置的正常工作情况。当通过电路装置的输出接线应既输出确定的电压信号又输出确定的电流信号时，这一特性能够例如被有利地应用。
附图说明
详细地，现在存在构造和扩展本发明的电路装置的多种可能。对此结合附图参照从属于权利要求1的权利要求和参照优选实施例的说明。在附图中：
图1示出无短路保护的电路装置的实施例，
图2示出从现有技术中公知的具有短路保护的电路装置的实施例，以及
图3示出本发明的电路装置的优选实施例。
具体实施方式
下面根据优选实施例在应用某些电子器件的情况下说明本发明的电路装置，这些电子器件基于某些工艺(双极晶体管、运算放大器)。本发明也可同样好地在应用基于其他工艺的器件的情况下实现(例如场效应晶体管、运算放大电路的分立结构或者应用集成较高的电路)。亦即，针对实现本发明的唯一前提最一般的是电路装置的上级模块的按照本发明的共同作用，在该电路装置中不依赖于工艺地实现所述单个模块。
图1中的实施例示出电路装置1，其具有第一输入接线2和第二输入接线3、具有第一输出接线4和第二输出接线5、具有供电电压接线6以及具有压控电压源7、输出级8，可是没有短路保护电路。该电路适用于，通过在输入接线2、3上所施加的输入电压U1借助压控电压源7和输出级8在输出接线4、5上提供输出信号、即输出电压U2。
在正常工作状态下，电路装置1的输出通过与输出接线4和5连接的电负载(这里通过电阻RL来表示)来负担，该电负载即使在完全控制输出级8时也应将负载电流限制到兼容(vertraeglich)的值上。可是，如果输出接线4、5短路，则缺少必需的输出侧的电流限制，并且输出级8或者甚至通过输出接线4、5接收该短路电流的设备处于将由短路电流损坏的直接危险中。
从现有技术中公知图2中示出的电路装置1，该电路装置1为了在短路情况下限制负载电流而装设短路保护电路9。在此，该公知的短路保护电路9在负载电流的路径中装设欧姆“感知”电阻RF，在该欧姆“感知”电阻RF上降落与负载电流成比例的电压。如果该电压降达到以基极-发射极段与感知电阻RF并联的双极保护晶体管TS的基极-发射极正向电压的值，则所控制的保护晶体管TS分路如此大部分的控制输出级8的电流，直至输出级8已将负载电流或短路电流降低到所确定的值。
短路保护电路9的这种结构的缺点在于，在感知电阻RF上，在电路装置1正常工作时也转换损耗功率并通过在负载路径中布置感知电阻RF来影响电路装置1的输出信号。此外，保护晶体管TS的基极-发射极段的正向电压的温度依赖性也引起在短路情况下建立的短路电流的温度依赖性。
图3中所示的电路装置1的优选实施例设置短路保护电路9，该短路保护电路9包括电压跟随电路10和与电压跟随电路10并联的泄漏电阻器R0。由电压跟随电路10和泄漏电阻器R0构成的并联电路一方面与第二输出接线5连接，而另一方面与第二输入接线3连接。在此，电压跟随电路10如此定向，以致该电压跟随电路10在输入侧与第二输入接线3连接，而在输出侧与第二输出接线5连接。
在根据图3的优选实施例中，压控电压源7通过简单的运算放大器电路来实现，该运算放大器电路包括运算放大器OP1和两个布线电阻R1、R2。在此，运算放大器OP1的反相输入11分别与两个布线电阻R1、R2的接线连接，而运算放大器OP1的非反相输入12与第一输入接线2连接。此外，第一布线电阻R1通过输出级8与运算放大器OP1的输出13连接，而第二布线电阻R2与第二输出接线5连接。在该优选实施例中，输出级8在应用双极晶体管T1的情况下被实现，其中晶体管T1通过其基极14由压控电压源7的输出13来控制，并且以其集电极电极与供电电压接线6连接，而以其发射极电极16与第一输出接线4连接。
电路装置1的该优选实施例如此以简单的方式实现了电路装置1的基本特性，以从输入电压中产生输出信号，其中实现输入接线3、4之间的高输入电阻和输出信号的可调节功率，该功率能够根据供电电压接线6上的供电电压UB以及通过适当选择晶体管T1在宽范围内变化。
电压跟随电路10在按照图3的电路装置1的优选实施例中借助第二运算放大器OP2和反馈电阻R3来转换，其中，反馈电阻R3将第二运算放大器OP2的输出17反馈到第二运算放大器OP2的反相输入18上。第二运算放大器OP2的反相输入18与第二输出接线5连接，而第二运算放大器OP2的非反相输入19与第二输入接线3连接。第二运算放大器OP2的工作范围通过上限工作电压UCC和下限工作电压USS来确定。通过第二运算放大器OP2的非反相输入19在输入侧施加在电压跟随电路10上的地电位可被传输到第二运算放大器OP2的反相输入18(“虚拟接地”)，只要为了通过反馈电阻R3平衡运算放大器2的输出17和反相输入18之间的电位而在输出17上不必要位于由UCC和USS限定的电压范围之外的电压。
如果在短路情况下要由电压跟随电路10接收的短路电流如此大，以致电压跟随电路10必须工作在其工作范围以外，并且由于其在第二运算放大器OP2的反相输入18上建立不同于地电位的电位，则电路装置1的第二输出接线5正如泄漏电阻器R0的接线那样在电位方面提升。亦即，在短路情况下，短路电流的一部分通过泄漏电阻器R0流到地。在该优选实施例中，输出接线4、5之间的短路同时引起压控电压源7中的布线电阻R1、R2的串联电路短路，以致输入电压U1也施加在运算放大器OP1的反相输入上，并由此也施加在电路装置的第二输出接线上。因此，通过短路保护电路9流走的短路电流IK由下式得出：
              IK＝U1/R0+(U1+USS)/R3。
由此，针对按照图3的优选实施例得出以下特别惊人的效果，即从带短路保护的压控电压源中在短路情况下变成压控电流源，由此输出信号在短路情况下继续通过输入接线2、3上的输入电压U1是可控的。亦即，在应用图3的电路装置时，短路情况表示可控制的工作情况，而不表示任何例外状态。按照图3的优选的电路装置能够有意识地在短路-工作状态下采用，其方式是例如在输出接线4、5上连接极低阻的负载。在这一情况下，输出信号不是电压而是通过输入电压U1来控制的输出电流，该输出电流例如利用工作在0-20mA范围内的标准的电流接口。

Claims (5)

1.电路装置，其具有第一输入接线(2)和第二输入接线(3)、具有第一输出接线(4)和第二输出接线(5)、具有供电电压接线(6)以及具有压控电压源(7)、输出级(8)和短路保护电路(9)，其中，输出信号由施加在所述输入接线(2，3)上的输入电压通过所述压控电压源(7)和所述输出级(8)来生成，
其特征在于，
电压跟随电路(10)和与所述电压跟随电路(10)并联的泄漏电阻器(R0)属于所述短路保护电路(9)，并且由所述电压跟随电路(10)和所述泄漏电阻器(Po)组成的并联电路一方面与所述第二输出接线(5)连接而另一方面与所述第二输入接线(3)连接。
2.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，运算放大器(OP1)和两个布线电阻(R1，R2)属于所述压控电压源(7)，所述运算放大器(OP1)的反相输入(11)与所述两个布线电阻(R1，R2)的各接线连接，并且所述运算放大器(OP1)的非反相输入(12)与所述第一输入接线(2)连接，以及所述第一布线电阻(R1)通过所述输出级(8)与所述运算放大器(OP1)的输出(13)连接，而所述第二布线电阻(R2)与所述第二输出接线(5)连接。
3.根据权利要求1或2所述的电路装置，其特征在于，晶体管(T1)属于所述输出级(8)，并且所述晶体管(T1)通过其控制电极(14)由所述压控电压源(7)的输出来控制，所述晶体管(T1)以第一负载电路电极(15)与所述供电电压接线(6)连接而以第二负载电路电极(16)与所述第一输出接线(4)连接。
4.根据权利要求3所述的电路装置，其特征在于，所述晶体管是双极晶体管、特别是npn晶体管。
5.根据权利要求1到4中之一所述的电路装置，其特征在于，第二运算放大器(OP2)和反馈电阻(R3)属于所述电压跟随电路(10)，所述反馈电阻把所述第二运算放大器(OP2)的输出(17)反馈到所述第二运算放大器(OP2)的反相输入(18)上，所述第二运算放大器(OP2)的所述反相输入(18)与所述第二输出接线(5)连接，而所述第二运算放大器(OP2)的非反相输入(19)与所述第二输入接线(3)连接。
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