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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Verbinden eines
ersten Schaltungsknotens mit einem zweiten Schaltungsknoten und
zum Schutz des ersten Schaltungsknotens vor einer Überspannung
an dem zweiten Schaltungsknoten.
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Überspannungsschaltungsanordnungen sind
beispielsweise aus der US-Patentanmeldung US
2004/0052022 A1 oder der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2004 044 114 A1 bekannt.
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Ziel
der Erfindung ist es dabei eine Schaltungsanordnung zur Verfügung zu
stellen, die ein Anschließen
des ersten Schaltungsknotens an den zweiten Schaltungsknoten bei
einem geringen elektrischen Widerstand zwischen dem ersten und zweiten
Schaltungsknoten ermöglicht
und die darüber
hinaus einen sicheren Schutz des ersten Schaltungsknotens vor einer Überspannung
bietet.
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Dieses
Ziel wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Die
Schaltungsanordnung zum Verbinden eines ersten Schaltungsknotens
mit einem Schaltungsknoten und zum Schutz des ersten Schaltungsknotens
vor einer Überspannung
an dem zweiten Schaltungsknoten umfasst ein erstes Halbleiterschaltelement
mit einer Laststrecke und einem Steueranschluss, dessen Laststrecke
zwischen den ersten und zweiten Schaltungsknoten geschaltet ist.
Die Schaltungsanordnung umfasst außerdem eine Ansteuerschaltung
für das
erste Halbleiterschaltelement, die dazu ausgebildet ist, eine an
dem ersten Schaltungsknoten anliegende erste Spannung zu erfassen
und das erste Halbleiter schaltelement über dessen Steuereingang abzuregeln,
wenn diese erste Spannung einen ersten Schwellenwert erreicht.
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Die
Ansteuerschaltung ist vorzugsweise außerdem dazu ausgebildet, das
Halbleiterschaltelement leitend anzusteuern, wenn die erste Spannung kleiner
als der erste Schwellenwert ist.
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Die
Ansteuerschaltung umfasst bei einer Ausführungsform der Erfindung eine
Spannungsmessanordnung, die an den ersten Schaltungsknoten angeschlossen
ist und die eine Messspannung bereitstellt, eine Referenzspannungsquelle,
die eine Referenzspannung bereitstellt, und einen Differenzverstärker mit
einem ersten und zweiten Eingang sowie einem Ausgang, dessen erstem
Eingang die Messspannung zugeführt
ist, dessen zweitem Eingang die Referenzspannung zugeführt ist
und an dessen Ausgang der Steuereingang des ersten Halbleiterschaltelements
angeschlossen ist.
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Vorzugsweise
umfasst die Schaltungsanordnung eine zweite Überspannungsschutzanordnung, die
das erste Halbleiterschaltelement vor einer Überspannung an deren Steuereingang
schützt.
Diese Überspannungsschutzanordnung
weist beispielsweise eine in Sperrrichtung zwischen den Steueranschluss
und den ersten Schaltungsknoten geschaltete erste Zenerdiode auf.
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Unabhängig vom
Vorhandensein der zweiten Überspannungsschutzanordnung
weist die Schaltungsanordnung erfindungsgemäß eine erste Überspannungsschutzanordnung
auf, die an den ersten Schaltungsknoten angeschlossen ist und die
dazu ausgebildet ist, das Halbleiterschaltelement sperrend anzusteuern,
wenn die Spannung an dem ersten Schaltungsknoten einen zweiten Schwellenwert übersteigt.
Dieser zweite Schwellenwert ist dabei größer als der erste Schwellenwert,
bei welchem die Ansteuerschaltung zur Abregelung des Halbleiterschaltelements
anspricht. Außerdem
ist die erste Überspannungsschutzanordnung
dazu ausgebildet, auf Änderungen
der Spannung an dem ersten Schaltungsknoten rascher zu reagieren
als die Ansteuerschaltung. Während
die Ansteuerschaltung des ersten Halbleiterschaltelements somit
auf langsame Änderungen
der Spannungen an dem ersten Schaltungsknoten reagiert, um die Span nung
an diesem Knoten auf den ersten Schwellenwert zu begrenzen, dient
die erste Überspannungsschutzanordnung
beispielsweise zum Schutz des ersten Schaltungsknotens vor raschen
Spannungsimpulsen, beispielsweise solchen Spannungsimpulsen, die
durch ESD-Impulse (ESD = Electro Statical Discharge) hervorgerufen
werden.
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Zusätzlich oder
alternativ zu der zweiten Überspannungsschutzanordnung
kann außerdem eine
dritte Überspannungsschutzanordnung
vorgesehen werden, die die Spannung an dem zweiten Schaltungsknoten überwacht
und die das erste Halbleiterschaltelement sperrend ansteuert, wenn
diese Spannung an dem zweiten Schaltungsknoten oberhalb eines dritten
Schwellenwertes liegt. Aufgabe der dritten Überspannungsschutzanordnung
ist es dabei, eine Überlastung
des ersten Halbleiterschaltelements zu verhindern, die entstehen
würde,
wenn bei einer zu großen
Spannung an dem zweiten Schaltungsknoten über einen langen Zeitraum eine
hohe Verlustleistung abfällt,
die bei Regelung der Spannung an dem ersten Schaltungsknoten entsteht.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
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1 zeigt
Teilaspekte der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
die ein zwischen einen ersten und zweiten Schaltungsknoten geschaltetes erstes
Halbleiterschaltelement und eine Ansteuerschaltung für dieses
erste Halbleiterschaltelement aufweist.
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2 zeigt
die gleiche Schaltung wie in 1, wobei
zusätzlich
eine Zenerdiode als Überspannungsschutzanordnung
am Steueranschluss des ersten Halbleiterschaltelements vorgesehen
ist.
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3 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
bei der eine zu sätzliche Überspannungsschutzanordnung
zwischen den ersten Schaltungsknoten und ein Bezugspotential geschaltet
ist, die das erste Halbleiterschaltelement ansteuert.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
die außerdem
eine die Spannung an dem zweiten Schaltungsknoten überwachende Überspannungsschutzanordnung
aufweist.
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5 veranschaulicht
einen möglichen
Einsatzzweck der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
zum Schutz einer Ausgangsklemme eines Operationsverstärkers.
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In
den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen
gleiche Schaltungskomponenten mit gleicher Bedeutung.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
die dazu ausgebildet ist, einen ersten Schaltungsknoten 1 elektrisch
mit einem zweiten Schaltungsknoten 2 zu verbinden und darüber hinaus
den ersten Schaltungsknoten 1 vor einer Überspannung
zu schützen. Diese
Schaltungsanordnung weist ein erstes Halbleiterschaltelement M1
mit einer Laststrecke und einem Steueranschluss auf. Die Laststrecke
dieses ersten Halbleiterschaltelements M1 ist zwischen den ersten und
zweiten Schaltungsknoten 1, 2 geschaltet und der
Steueranschluss dieses ersten Halbleiterschaltelements M1 ist durch
eine Ansteuerschaltung 10 angesteuert. Das erste Halbleiterschaltelement
M1 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
als n-Kanal-MOSFET ausgebildet. Die Drain-Source-Strecke dieses
MOSFET bildet dabei die Laststrecke, der Gate-Anschluss des MOSFET
bildet den Steueranschluss.
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Die
Ansteuerschaltung 10 weist eine Strommessanordnung auf,
die in dem Beispiel als Spannungsteiler mit zwei in Reihe ge schalteten
Widerständen
R1, R2 ausgebildet ist. Die Reihenschaltung dieser beiden Widerstände ist
dabei zwischen den ersten Schaltungsknoten 1 und ein Bezugspotential GND
geschaltet. Diese Spannungsmessanordnung stellt eine Messspannung
V2 zur Verfügung,
die der Spannung über
dem an Bezugspotential angeschlossenen Widerstand R2 der Reihenschaltung
entspricht. Eine Auswerteschaltung vergleicht diese Messspannung
V2 mit einer durch eine Referenzspannungsquelle 3 bereitgestellten
Referenzspannung Vref1 und steuert abhängig von diesem Vergleichsergebnis
das erste Halbleiterschaltelement M1 an. Die Auswerteschaltung ist
in dem Beispiel gemäß 1 als
Differenzverstärker
ausgebildet, der einen ersten Eingangstransistor T1 und einen zweiten
Eingangstransistor T2 aufweist. Der Steueranschluss des ersten Eingangstransistors
T1 ist dabei an den den Spannungsteilerwiderständen R1, R2 gemeinsamen Knoten
angeschlossen und damit durch die Messspannung V2 angesteuert. Der
zweite Eingangstransistor T2 ist durch die Referenzspannung Vref1
angesteuert. Als gemeinsame Last der beiden Eingangstransistoren
T1, T2 ist eine Stromquelle 4 vorhanden, die einen Laststrom
I4 erzeugt. Der Differenzverstärker
weist außerdem
einen Stromspiegel T3, T4 mit einem als Diode verschalteten Eingangstransistor
T3 und einem Ausgangstransistor T4 auf. Der Eingangstransistor T3
des Stromspiegels ist dabei zwischen ein Ansteuerpotential Vcc2
und den zweiten Eingangstransistor T2 geschaltet, während der
Ausgangstransistor T4 des Stromspiegels zwischen das Ansteuerpotential
Vcc2 und den ersten Eingangstransistor T1 geschaltet ist. Der Steueranschluss
des ersten Halbleiterschaltelements M1 ist dabei an einen dem Ausgangstransistor
T4 des Stromspiegels und dem ersten Eingangstransistor T1 gemeinsamen
Knoten angeschlossen.
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Die
Funktionsweise der in 1 dargestellten Schaltung wird
nachfolgend erläutert:
Zunächst sei
angenommen, dass die Messspannung V2 kleiner als die erste Referenzspannung
Vref1 ist. In diesem Fall ist der zweite Eingangstransistor T2 des
Differenzverstärkers
weiter aufgesteuert als der erste Eingangstransistor T1 mit der
Folge, dass der Laststrom E4 fast vollständig den zweiten Eingangstransistor
T2 durchfließt.
Dieser den zweiten Eingangstransistor T2 durchfließende Strom
wird über den
Stromspiegel T3, T4 auf den Steueranschluss des ersten Halbleiterschaltelements
M1 abgebildet, um das erste Halbleiterschaltelement M1 leitend anzusteuern
bzw. um den Steueranschluss des ersten Halbleiterschaltelements
M1 auf das Ansteuerpotential Vcc2 zu legen. In diesem Betriebszustand
ist das erste Halbleiterschaltelement vollständig leitend angesteuert mit
der Folge, dass das erste Halbleiterschaltelement M1 einen minimalen
Eingangswiderstand annimmt. Der MOSFET M1 wirkt in diesem Betriebszustand
als Schalter, die Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten 1, 2 entspricht
annähernd
einem Kurzschluss.
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Erreicht
bzw. übersteigt
die Messspannung V2 den ersten Referenzwert Vref1 so wird der erste Eingangstransistor
aufgesteuert mit der Folge, dass die Ansteuerspannung des ersten
Halbleiterschaltelements M1 reduziert wird, um das erste Halbleiterschaltelement
M1 so abzuregeln, dass die erste Spannung Vcc1 an dem ersten Schaltungsknoten
auf einen Wert begrenzt wird, der über das Teilerverhältnis des
Spannungsteilers proportional ist zu der Referenzspannung. Der erste
Schwellenwert der Spannung Vcc1 an dem ersten Schaltungsknoten 1,
ab welchem das erste Halbleiterschaltelement M1 abgeregelt wird,
ist über
die Messspannung V2 und den ersten Referenzspannungswert Vref1 einstellbar.
Besitzen die beiden Spannungsteilerwiderstände R1, R2 gleiche Widerstandswerte
und soll die erste Spannung beispielsweise auf 5 V eingeregelt werden,
wenn die zweite Spannung diesen Wert von 5 V übersteigt, so wird die Referenzspannungsquelle 3 so
gewählt,
dass diese eine erste Referenzspannung Vref1 von 2,5 V bereitstellt.
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Die
Ansteuerschaltung und das erste Halbleiterschaltelement M1 wirken
in dem zuvor erläuterten
Betriebszustand als Spannungsregler, der die erste Spannung an dem
ersten Schaltungsknoten 1 regelt bzw. auf einen oberen
Wert begrenzt. Eine Spannungsdifferenz zwischen der an dem zweiten Knoten 2 anliegende
Spannung Vcc und der geregelten ersten Spannung liegt über der
Laststrecke des ersten Halbleiterschaltelements M1 und wird dort
in Verlustleistung in Form von Wärme
umgesetzt.
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Die
in 1 dargestellte Schaltungsanordnung ermöglicht eine
sichere Einstellung eines maximal zulässigen Spannungswertes der
ersten Spannung Vcc1 und schützt
den ersten Schaltungsknoten 1 sicher vor Überspannungen
an dem zweiten Schaltungsknoten 2. Das erste Halbleiterschaltelement
M1 ist beispielsweise ein Leistungstransistor, der je nach Ausführungsform
dazu geeignet ist, Spannungen von einigen 10 V bis zu einigen 100
V sicher zu sperren.
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2 zeigt
die gleiche Schaltungsanordnung wie 1, wobei
zusätzlich
eine zweite Überspannungsschutzanordnung 20 vorgesehen
ist, die das erste Halbleiterschaltelement M1 vor einer Überspannung
an dessen Steueranschluss schützt.
Diese zweite Überspannungsschutzanordnung 20 weist eine
in Sperrrichtung zwischen den Steueranschluss und den ersten Schaltungsknoten 1 geschaltete
Zenerdiode Z1 auf. Diese Zenerdiode Z1 begrenzt im Falle einer Überspannung
des Ansteuerpotentials Vcc2 die Ansteuerspannung, d. h. die Gate-Source-Spannung, des ersten
Halbleiterschaltelements M1 auf den Wert ihrer Durchbruchspannung,
beispielsweise 6,46 V, der Zenerdiode Z1.
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3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
bei der eine erste Überspannungsschutzanordnung 30 vorhanden
ist, die dazu ausgebildet ist, den ersten Schaltungsknoten 1 insbesondere
vor rasch ansteigenden Spannungsimpulsen zu schützen, beispielsweise solchen
Span nungsimpulsen, die durch ESD-Impulse an dem zweiten Schaltungsknoten 2 hervorgerufen
werden. Diese erste Überspannungsschutzanordnung 30 weist
eine Reihenschaltung mit einer zweiten Zenerdiode Z2 und einem weiteren
Widerstandselement R3 auf, die zwischen den ersten Schaltungsknoten 1 und
Bezugspotential GND geschaltet ist. Die erste Überspannungsschutzanordnung 30 weist
außerdem
ein als Bipolartransistor ausgebildetes Transistorelement T5 auf,
dessen Laststrecke (Kollektor-Emitter-Strecke) zwischen den Steueranschluss
des ersten Halbleiterschaltelements M1 und Bezugspotential GND geschaltet
ist und dessen Steueranschluss (Basis-Anschluss) an den der zweiten
Zenerdiode Z2 und dem Widerstandselement R3 gemeinsamen Knoten angeschlossen ist. Übersteigt
bei dieser Schaltungsanordnung die erste Spannung Vcc1 einen Spannungswert,
der der Summe aus der Durchbruchspannung der Zenerdiode Z2 und der
Einsatzspannung des Bipolartransistors T5 entspricht, so wird der
Bipolartransistor T5 leitend angesteuert, um das erste Halbleiterschaltelement
M1 zu sperren bis der Spannungsimpuls abgeklungen ist.
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Aufgrund
der teilweisen Realisierung der ersten Überspannungsschutzanordnung 30 in
Bipolartechnologie reagiert die Überspannungsschutzanordnung 30 rascher
auf Änderungen
der Spannung an dem ersten Schaltungsknoten 1 als die beispielsweise
in CMOS-Technologie realisierte Ansteuerschaltung 10. Die
erste Überspannungsschutzanordnung 30 ist
daher geeignet, den ersten Schaltungsknoten 1 vor raschen
Spannungsanstiegen, beispielsweise Spannungsanstiegen durch ESD-Impulse,
zu schützen,
während
die Ansteuerschaltung 10 den Schaltungsknoten 1 vor
langsamer ansteigenden Spannungen an dem zuweiten Schaltungsknoten 2 schützt. Die
Ansteuerschaltung 10 stellt darüber hinaus sicher, dass das
erste Halbleiterschaltelement M1 leitend angesteuert wird, wenn
die erste Spannung Vcc1 an dem ersten Schaltungsknoten 1 kleiner als
der über
dem Spannungsteiler R1, R2 und die Referenzspannung Vref1 eingestellte
Schwellenwert dieser ersten Spannung Vcc1 ist.
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Da
die Ansteuerschaltung 10 langsamer reagiert als die erste Überspannungsschutzanordnung 30 kann
es bei schnellen Spannungsänderungen
an dem zweiten Schaltungsknoten 2 dazu kommen, dass die
erste Spannung Vcc1 über
den voreingestellten ersten Grenzwert ansteigt. Erreicht diese Spannung
Vcc2 den über
die Durchbruchspannung der zweiten Zenerdiode Z2 und die Einsatzspannung des
Transistors C5 eingestellten Grenzwert, so wird das erste Halbleiterschaltelement
M1 sperrend angesteuert. Aufgrund der raschen Reaktionszeit der zweiten
Spannungsschutzanordnung 30 ist sichergestellt, dass die
erste Spannung Vcc1 allenfalls für eine
sehr kurze Zeitdauer den über
den Spannungsteiler R1, R2 und die erste Referenzspannungsquelle 3 eingestellten
Grenzwert übersteigt.
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Wie
bereits erläutert
steuert die Ansteuerschaltung 10 das erste Halbleiterschaltelement
M1 bei einer Spannung Vcc an dem zweiten Schaltungsknoten 2 die
höher ist
als der erste Schwellenwert der ersten Spannung Vcc1 das erste Halbleiterschaltelement
M1 so an, dass ein Spannungsabfall über diesem ersten Halbleiterschaltelement
M1 der Differenz zwischen der Spannung Vcc an dem zweiten Schaltungsknoten 2 und
dem ersten Schwellenwert der ersten Spannung Vcc1 entspricht. Die
während
dieses regelnden Betriebszustandes in dem ersten Halbleiterschaltelement
M1 anfallende Verlustleistung führt
zu einer Erwärmung
des ersten Halbleiterschaltelements M1. Um eine Überhitzung dieses ersten Halbleiterschaltelements
M1 zu verhindern, ist bei dem in 4 dargestellten
Ausführungsbeispiel der
Schaltungsanordnung eine weitere Überspannungsschutzanordnung 40 vorgesehen,
die die Spannung Vcc an den zweiten Schaltungsknoten 2 erfasst
und die das erste Halbleiterschaltelement M1 über ein weiteres Transistorelement
C6 sperrend ansteuert, wenn diese Spannung Vcc einen weiteren Grenzwert übersteigt.
Das Transistorelement C6 ist bei dieser Schutzanordnung 40 zwischen
den Steueranschluss des ersten Halbleiterschaltelements M1 und Bezugspotential
GND geschaltet. Dieses Transistorelement C6 ist über einen Vergleicher 6 angesteuert,
der ein aus der Spannung Vcc über
einen Span nungsteiler R4, R5 abgeleitetes Messsignal V5 mit einem
zweiten Referenzwert Vref2 vergleicht. Die Vergleicheranordnung 6,
die beispielsweise als Komparator ausgebildet ist, steuert das Transistorelement T6
dabei leitend an, wenn die Messspannung V5 größer als die zweiter Referenzspannung
Vref2 ist. Eine parallel zu den Eingängen des Komparators 6 geschaltete
dritte Zenerdiode Z3 schützt
den Komparator 6 vor einer Überspannung an dessen Eingang.
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Die
Schutzanordnung 40 steuert das erste Halbleiterschaltelement
M1 damit sperrend an, wenn die Spannung Vcc an den zweiten Schaltungsknoten 2 einen
Spannungswert annimmt, bei dem bei Langzeitbetrieb eine Überhitzung
des ersten Halbleiterschaltelements M1 zu befürchten ist. Der Grenzwert der
zweiten Spannung Vcc, bei welcher das erste Halbleiterschaltelement
M1 über
die Schutzanordnung 40 gesperrt wird, beträgt beispielsweise
8,5 V.
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In
nicht näher
dargestellter Weise besteht auch die Möglichkeit, mittels eines Temperatursensors
eine Temperatur im Bereich des ersten Halbleiterschaltelements zu
erfassen und das Transistorelement T6 abhängig von einem durch den Sensor
erzeugten Temperatursignal anzusteuern. Das erste Halbleiterschaltelement
wird dadurch unmittelbar vor einer Überhitzung geschützt.
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Die
zuvor erläuterte
Schaltungsanordnung kann Bezug nehmend auf 5 insbesondere
als Schutzschaltung für
den Ausgang eines Operationsverstärkers OPV eingesetzt werden.
Der erste Schaltungsknoten 1 entspricht dabei dem Ausgang
des Operationsverstärkers
OPV. Der zweite Schaltungsknoten 2 entspricht einem Anschlusspin
zu dem oder von dem ein Stromfluss in Richtung des Ausgangs des
Operationsverstärkers
OPV stattfinden kann.
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- 1
- erster
Schaltungsknoten
- 10
- Ansteuerschaltung
- 2
- zweiter
Schaltungsknoten
- 20
- zweite Überspannungsschutzanordnung
- 3
- Referenzspannungsquelle 4
- 30
- erste Überspannungsschutzanordnung
- 4
- Laststromquelle
- 40
- dritte Überspannungsschutzanordnung
- 5
- Referenzspannungsquelle
- 6
- Komparator
- I4
- Laststrom
- M1
- erstes
Halbleiterschaltelement
- OPV
- Operationsverstärker
- R1,
R2
- Spannungsteilerwiderstände
- R3
- Widerstand
- R4,
R5
- Spannungsteilerwiderstände
- T1,
T2
- Eingangstransistoren
eines Differenzverstärkers
- T3,
T4
- Stromspiegeltransistoren
- T5
- Bipolartransistor
- T6
- Transistor
- V2
- Messspannung
- Vcc
- Spannung
des zweiten Schaltungsknotens, zweite Spannung
- Vcc1
- Spannung
des ersten Schaltungsknotens, erste Spannung
- Vcc2
- Ansteuerpotential,
Ansteuerspannung
- Vref1
- Referenzspannung
- Vref2
- Referenzspannung
- Z1,
Z2
- Zenerdioden
- Z3
- Zenerdiode