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Die Erfindung beschreibt eine elektrische Schaltung, insbesondere einen Ausgangstreiber, mit einem Signaleingang und einem Signalausgang, wobei der Signaleingang mit der Basis eines Ausgangs-Transistors verbunden ist und der Signalausgang als offener Kollektor des Ausgangs-Transistors ausgebildet ist.
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Eine solche elektrische Schaltung kann beispielsweise als Ausgangstreiber für integrierte Schaltkreise (IC), insbesondere Mikrokontroller (μC), verwendet werden. Der Ausgangstreiber dient beispielsweise zur Anpassung des Ausgangs an einen Bus oder einen anderen Pegel oder zur Konfiguration der Logik-Ausgänge einer Wired-AND-Verknüpfung (verdrahtetes UND) oder einer Wired-OR-Verknüpfung (verdrahtetes OR).
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Ein Ausgangstreiber weist in der Regel einen Bipolartransistor auf, dessen Basis als Signaleingang mit dem entsprechenden Ausgang des integrierten Schaltkreises verbunden ist. Der Kollektor des Transistors dient ohne weitere Beschaltung als Signalausgang, daher die Bezeichnung „offener Kollektor”. Der Emitter des Transistors ist üblicherweise direkt mit Masse verbunden.
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Dabei kann der Transistor Teil des integrierten Schaltkreises oder extern in einer separaten Schaltung angeordnet sein. Es ist auch eine Schaltung mit einem MOSFET denkbar, wobei als Signalausgang die offene Senke (Open Drain) dient.
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In der Regel wird der offene Kollektor (Open Collector = OC) über einen sogenannten pull-up Widerstand mit einer Betriebsspannung verbunden. Die Betriebsspannung liegt typischerweise zwischen 5 V und 19 V. Der Widerstand ist meist nicht im IC enthalten und muss daher extern beschaltet werden. Bei OC-Ausgängen besteht daher immer die Gefahr, dass beispielsweise im Fehlerfall der offene Kollektor ohne einen solchen Widerstand direkt mit einer Betriebsspannung verbunden wird. Sobald der Transistor dann leitend geschaltet wird, wird die Betriebsspannung über den Transistor direkt mit Masse kurzgeschlossen. Dabei können durch den Transistor sehr hohe Ströme fließen, die den Transistor elektrisch oder thermisch zerstören können.
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Um einen solchen Kurzschluss mit der Betriebsspannung zu verhindern gibt es mehrere schaltungstechnische Möglichkeiten.
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Eine beispielhafte Schaltung zur Absicherung eines offenen Kollektors ist in 1 gezeigt. Dazu wird eine Stromgegenkopplung mit einem Emitterwiderstand R3 eingesetzt. Am Signaleingang IN ist dazu zusätzlich ein Spannungsteiler aus zwei Widerständen R1 und R2 zur Masse geschaltet, wobei die Basis des Ausgangs-Transistors Q1 mit dem Mittelabgriff verbunden ist. Der Transistor Q1 arbeitet dabei im Linearbetrieb.
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Zur Kompensation des Temperaturdrifts des Basis-Emitter pn-Übergangs im Transistor Q1 ist eine zusätzliche Diode D1 in den Eingangs-Spannungsteiler eingebracht, wobei die Anode der Diode D2 mit der Basis verbunden ist. Die Diode D2 stabilisiert das Schaltverhalten des Transistors Q2 über einen großen Temperaturbereich.
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Der Kollektor bleibt unbeschaltet als OC-Signalausgang EXT bestehen.
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Bei einem Kurzschluss wird die Verlustleistung zwischen Transistor Q1 und Emitterwiderstand R3 aufgeteilt. Um die Belastung des Transistors Q1 zu verringern, kann der Emitterwiderstand R3 vergrößert werden. Dadurch wird jedoch auch die Spannung des Low-Pegels im Normalbetrieb angehoben, so dass eine beliebige Vergrößerung des Emitterwiderstands R3 nicht möglich ist. Durch Anpassen des Eingangsspannungsteilers kann die Spannung des Low-Pegels innerhalb des linearen Bereichs des Transistors Q1 eingestellt werden. Dies erfordert aber eine sorgfältige Abstimmung, die von der Betriebsspannung, dem Low-Pegel und den Widerstandswerten abhängt und daher aufwändig und kompliziert durchzuführen ist.
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Dennoch fällt am Transistor Q1 selbst eine hohe Verlustleistung ab. Bei sehr hohen Betriebsspannungen, beispielsweise zwischen 16 V und 19 V, und/oder bei höheren Umgebungstemperaturen kann der Transistor Q1 daher in einen kritischen Zustand geraten, der außerhalb der Betriebsspezifikation liegt und schließlich zur Zerstörung führen kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher eine elektrische Schaltung, insbesondere einen Ausgangstreiber, mit einem offenen Kollektor der vorgenannten Art zu schaffen, bei der der offene Kollektor gegenüber einem Kurzschluss zur Betriebsspannung abgesichert ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltung mit den im Hauptanspruch genannten Merkmalen gelöst.
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Der Schutz des Ausgangs-Transistors erfolgt dadurch, dass er durch ein zusätzliches Schaltelement ausgeschaltet wird, sobald die am offenen Kollektor anliegende Spannung über einem festgelegten Grenzwert liegt.
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In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist das Schaltelement als bipolarer Schalt-Transistor ausgebildet.
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Die Ansteuerung des Schalt-Transistors erfolgt vorzugsweise über einen Spannungsteiler aus einer Zenerdiode und einem Widerstand, wobei die Kathode der Zenerdiode mit dem offenen Kollektor und der Widerstand mit Masse verbunden ist.
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Die Zenerspannung der Zenerdiode legt somit den Grenzwert der maximalen Spannung am offenen Kollektor fest, bei dessen Überschreiten der Schalt-Transistor leitend geschaltet wird.
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Dadurch wird die Basis des Ausgangs-Transistors auf Masse-Potenzial gezogen, wodurch der Ausgangs-Transistor sperrt. Es fließt dann kein Strom mehr durch den Ausgangs-Transistor, so dass auch keine Verlustleistung auftritt.
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Durch diese Schutzmaßnahme kann der Emitterwiderstand entsprechend kleiner dimensioniert werden, so dass die Spannung des Low-Pegels nicht unnötig erhöht wird.
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Insgesamt wird durch die zusätzliche Schaltung die Funktion des offenen Kollektors im Normalbetrieb nicht beeinträchtig.
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Die erfindungsgemäße Schaltung bildet somit eine einfache und effiziente Absicherung gegen Kurzschluss mit der Betriebsspannung.
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Die Erfindung ist nachfolgend mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigt:
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1 eine Schaltung mit einer Schutzschaltung für den offenen Kollektor gemäß dem Stand der Technik und
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2 eine erfindungsgemäße Schaltung mit einer Schutzschaltung für den offenen Kollektor.
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Die in der 2 gezeigte elektrische Schaltung dient beispielsweise als Ausgangstreiber für einen Mikrocontroller.
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Die Schaltung weist einen Ausgangs-Transistor Q2, dessen Basis über einen Vorwiderstand R4 mit dem Signaleingang IN verbunden ist. Mit dem Signaleingang ist im Beispiel der Ausgang eines Mikrokontrollers μC verbunden.
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Der Signalausgang EXT ist als offener Kollektor des Transistors Q2 ausgeführt.
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Wird der offene Kollektor Ausgang mit der Betriebsspannung kurzgeschlossen, tritt am Ausgangs-Transistor eine hohe Verlustleistung auf, die den Ausgangs-Transistor beschädigen kann.
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Um den Ausgangs-Transistor Q2 vor elektrischer Überlast zu schützen, weist die Schaltung ein zusätzliches Schaltelement Q3, vorzugsweise einen Schalt-Transistor auf, über den die Basis des Ausgangs-Transistors Q2 mit Masse verbindbar ist.
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Wird der Schalt-Transistor Q3 leitend, wird die Basis des Ausgangs-Transistors Q2 auf Masse gelegt, wodurch der Ausgangs-Transistor Q2 sperrt. Dadurch fließt kein Strom mehr durch den Ausgangs-Transistor Q2 und es fällt keine Verlustleistung mehr ab.
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Zusätzlich weist der Ausgangs-Transistor Q2 einen Emitterwiderstand R5 auf, welcher den Strom begrenzt.
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Anstelle des bipolaren Schalt-Transistors kann auch ein beliebig anderer elektrisch ansteuerbarer Schalter verwendet werden, beispielsweise ein MOSFET oder Relais. I
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Der Schalt-Transistor wird automatisch in Abhängigkeit der Spannung am offenen Kollektor angesteuert. Dazu ist die Basis des Schalt-Transistors Q3 über einen Vorwiderstand R6 mit einem Spannungsteiler verbunden ist, der zwischen dem offenen Kollektor EXT und Masse geschaltet ist. Der Spannungsteiler ist aus einer Zenerdiode D2 und einem Widerstand R7 gebildet.
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Die Kathode der Zenerdiode D2 ist direkt mit dem Signalausgang EXT verbunden und der Widerstand ist mit Masse verbunden.
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Sobald die Betriebsspannung am offenen Kollektor EXT die Zenerspannung der Zenerdiode D2 übersteigt, fließt ein Strom durch die Zenerdiode D2 und damit zur Basis des Schalt-Transistors Q3.
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Dadurch wird der Schalt-Transistor Q3 leitend und der Ausgangs-Transistor Q2 wird wie oben beschrieben ausgeschaltet.
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Neben der gezeigten Ansteuerung für den Schalt-Transistor Q3 sind auch andere Spannungsüberwachungen denkbar, weshalb die Erfindung weder auf die Art des Schalters noch auf die Art der Schaltauslösung beschränkt ist.
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Es ist einfach zu erkennen, dass im gezeigten Ausführungsbeispiel durch Wahl der Zenerdiode der Grenzwert, ab dem die Schutzschaltung aktiviert wird, einfach festgelegt werden kann.
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Im Normalbetrieb, das heißt mit korrekt beschaltetem offenen Kollektor, ist die zusätzliche Schutzschaltung völlig transparent, so dass dadurch keine zusätzliche Energie verbraucht wird.
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Bezugszeichenliste
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- Q1, Q2
- Ausgangs-Transistor
- D1
- Diode
- R1, R2
- Widerstand Eingangsspannungsteiler
- R3, R5
- Emitterwiderstand
- Q3
- Schaltelement
- R4
- Basis Vorwiderstand
- R6
- Vorwiderstand
- D2
- Zenerdiode
- R7
- Widerstand Schaltspannungsteiler
- IN
- Signaleingang
- EXT
- offener Kollektor, Signalausgang
- μC
- Mikrokontroller
