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Die Erfindung betrifft eine Spannungsbegrenzungsschaltung, die dazu eingerichtet ist, an einem ersten Eingangsanschluss und einem zweiten Eingangsanschluss eine Eingangsspannung zu erhalten und an einem ersten Ausgangsanschluss und einem zweiten Ausgangsanschluss eine Ausgangsspannung bereitzustellen, wenn eine Eingangsspannung anliegt. Die Ausgangsspannung ist dabei spannungsbegrenzt.
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US 2014/0355157 A1 beschreibt eine Spannungsbegrenzungsschaltung. Bei einem Ausführungsbeispiel hat die Spannungsbegrenzungsschaltung eine Spannungserfassungsschaltung mit einer Zenerdiode, um ein Überschreiten einer Eingangsspannung zu erfassen. Überschreitet die Eingangsspannung die Zenerspannung der Zenerdiode, wird ein Schalter leitend, so dass die Überspannung gegen Masse abfließen kann. Sobald die Eingangsspannung wieder auf einen zulässigen Wert sinkt, sperrt die Zenerdiode und der Schalter nimmt wieder seinen sperrenden Zustand ein. Dadurch wird die Spannung begrenzt, sinkt jedoch nicht unter den durch die Zenerspannung der Zenerdiode definierten Schwellenwert für die Eingangsspannung ab. Eine ähnliche Schaltung ist auch aus
US 2004/0080880 A1 bekannt.
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DE 37 38 503 C1 offenbart ein elektrisches Bordnetz eines Fahrzeugs. Bei dem Abschalten von Lasten können bei laufendem Generator relativ hohe Impulse entstehen. Diese werden in ungefährliche kurze Spannungsimpulse mit dazwischen liegenden Pausen aufgelöst. Dazu ist ein Überspannungsgeber vorhanden, der bei zu hohen Spannungen ein Schaltelement ansteuert, mittels dessen die Pole des Bordnetzes mit einem Überspannungsableiter verbunden werden. In diesem Zustand entlädt sich ein Kondensator und bei ausreichender Entladung des Kondensators sperrt das Schaltelement erneut und die Bordspannung steigt wieder an. Auf diese Weise können Überspannungen in mehrere kurze Spannungsimpulse aufgeteilt und getaktet abgebaut werden.
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Eine solche Spannungsbegrenzungsschaltung ist beispielsweise in
DE 10 2013 203 732 A1 beschrieben. Dort ist zwischen den Ausgangsanschlüssen ein ansteuerbarer Thyristor geschaltet. Überschreitet die Ausgangsspannung einen Schwellenwert, wird am Steuereingang des Thyristors ein entsprechendes Thyristorsignal erzeugt und der Ausgang kurzgeschlossen.
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Wenn der Thyristor in seinen leitenden Zustand umgeschaltet wird, um die beiden Ausgangsanschlüsse kurzzuschließen, wird eine Verlustleistung im Thyristor umgesetzt. Die Verlustleistung führt zur Erwärmung des Thyristors. Um die Sperrschichttemperatur des Thyristors einzuhalten, müssen Temperatursicherungen eingesetzt werden. Ansonsten besteht die Gefahr, dass der Thyristor beschädigt oder zerstört wird und die Spannungsbegrenzungsfunktion nicht mehr ausführen kann.
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Es kann daher als Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, eine verbesserte Spannungsbegrenzungsschaltung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Spannungsbegrenzungsschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Die Spannungsbegrenzungsschaltung weist einen ersten Eingangsanschluss, einen zweiten Eingangsanschluss, einen ersten Ausgangsanschluss und einen zweiten Ausgangsanschluss auf. Zwischen den beiden Eingangsanschlüssen kann die Eingangsspannung angelegt werden. Zwischen den beiden Ausgangsanschlüssen liegt abhängig von der Eingangsspannung eine entsprechende Ausgangsspannung an. Vorzugsweise ist der erste Eingangsanschluss unmittelbar mit dem zweiten Ausgangsanschluss verbunden, so dass beide auf demselben Potenzial liegen. Es ist weiter bevorzugt, wenn der zweite Eingangsanschluss unmittelbar mit dem zweiten Ausgangsanschluss verbunden ist, so dass die beiden Anschlüsse ebenfalls auf demselben Potenzial liegen, beispielsweise Masse. Der erste Eingangsanschluss und/oder der erste Ausgangsanschluss sind zum Anschließen bzw. Bereitstellen des jeweils höheren Potenzials vorgesehen und eingerichtet.
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Die Spannungsbegrenzungsschaltung hat einen ansteuerbaren Kurzschlussschalter, der zwischen dem ersten Ausgangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss angeordnet ist. Abhängig von einer an einem Steuereingang des Kurzschlussschalters anliegenden Steuerspannung befindet sich der Kurzschlussschalter entweder in seinem leitenden oder seinem sperrenden Schaltzustand. In seinem leitenden Schaltzustand verbindet er die Ausgangsanschlüsse niederohmig bzw. schließt sie kurz. Der Kurzschlussschalter kann in seinem leitenden Zustand beispielsweise einen Kurzschlusswiderstand zwischen dem ersten Ausgangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss erzeugen, der im Bereich von kleiner als 20 Milliohm oder kleiner als 10 Milliohm liegt.
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An einem der Eingangsanschlüsse kann eine Sicherung angeordnet sein, um den Kurzschlussschalter vor einer Überlast zu schützen.
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Der erfindungsgemäße Kurzschlussschalter ist vorzugsweise als Halbleiterschalter ausgeführt und hat jedenfalls in einem seiner Schaltzustände keine Selbsthaltungsfunktion, im Unterschied zu einem Thyristor. In einem seiner Schaltzustände - insbesondere in seinem leitenden Schaltzustand - wird der Kurzschlussschalter nur gehalten, wenn an seinem Steuereingang eine entsprechende Steuerspannung anliegt und/oder wenn in seinen Steuereingang ein entsprechender Steuerstrom fließt. Der Schaltzustand des Kurzschlussschalters hängt also direkt von der Steuerspannung und/oder dem Steuerstrom am bzw. in den Steuereingang ab. Als Kurzschlussschalter wird vorzugsweise ein Transistor, beispielsweise ein Feldeffekttransistor, insbesondere ein MOSFET verwendet.
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Zu der Spannungsbegrenzungsschaltung gehört außerdem ein Energiespeicher, dessen erster Energiespeicheranschluss mit dem Steuereingang des Kurzschlussschalters und dessen zweiten Energiespeicheranschluss mit dem zweiten Ausgangsanschluss verbunden ist. Außerdem ist Entladeschutzeinrichtung vorhanden, die zwischen den ersten Energiespeicheranschluss und den ersten Ausgangsanschluss geschaltet ist, z.B. eine Ladediode vorhanden, deren Kathode mit dem ersten Energiespeicheranschluss und deren Anode mit dem ersten Ausgangsanschluss verbunden ist. Der Energiespeicher kann über die Entladeschutzeinrichtung bzw. die Ladediode geladen werden, wenn eine Ausgangsspannung anliegt.
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Die Spannungsbegrenzungsschaltung hat außerdem eine Halteschaltung, die mit dem Steuereingang des Kurzschlussschalters und den Eingangsanschlüssen verbunden und dazu eingerichtet ist, die Steuerspannung oder den Steuerstrom am bzw. in den Steuereingang auf einem vorgegebenen Ausgangswert zu halten, solange die Eingangsspannung unterhalb eines vorgegebenen Spannungsschwellenwertes liegt. Dadurch wird sichergestellt, dass durch das Aufladen des Energiespeichers kein Umschalten des Kurzschlussschalters in den leitenden Zustand und das Kurzschließen der Ausgangsanschlüsse erfolgt.
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Wenn jedoch die Eingangsspannung über einen Spannungsschwellenwert steigt und mithin die Ausgangsspannung für den angeschlossenen Laststromkreis zu groß würde, beendet die Halteschaltung das Aufrechterhalten der Steuerspannung bzw. des Steuerstroms auf dem vorgegebenen Ausgangswert und am Steuereingang liegt die Energiespeicherspannung an. Wegen der Entladeschutzeinrichtung - z.B. einer Ladediode - kann sich der Energiespeicher ausschließlich durch Leckströme entladen und ein Entladestrom über die kurzgeschlossene Verbindung zwischen dem ersten Ausgangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss wird unterbunden. Dadurch wird der leitende Zustand des Kurzschlussschalters solange aufrechterhalten, bis sich der Energiespeicher so weit entladen hat, dass die Steuerspannung am Steuereingang bzw. der Steuerstrom in den Steuereingang ein Aufrechterhalten des Kurzschlussschalters im leitenden Zustand nicht mehr gewährleisten kann.
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Ist die Eingangsspannung zum Umschaltzeitpunkt des Kurzschlussschalters von dem leitenden Zustand zurück in den sperrenden Zustand immer noch oberhalb des Spannungsschwellenwertes, wird der Energiespeicher erneut geladen und der Vorgang wie vorstehend beschrieben nochmals ablaufen. Dieser Vorgang wiederholt sich zyklisch so lange, bis die Eingangsspannung wieder unterhalb des vorgegebenen Spannungsschwellenwertes liegt. Durch dieses gezielte Wiedereinschalten der Ausgangsspannung werden Leckströme des Energiespeichers dauerhaft kompensiert.
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Die Spannungsbegrenzungsschaltung kommt ohne Thyristor aus. Die Verlustleistung und mithin die erzeugte Wärme am Kurzschlussschalter ist gering und um den Faktor 10-20 kleiner als beim Einsatz eines Thyristors. Die fehlende Selbsthaltungsfunktion wird durch den Energiespeicher, die Entladeschutzeinrichtung und die Halteschaltung ersetzt.
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Vorzugsweise weist die Halteschaltung wenigstens einen ansteuerbaren Schalter auf. Der wenigstens eine ansteuerbare Schalter ist dazu eingerichtet, den Steuereingang des Kurzschlussschalters mit dem zweiten Ausgangsanschluss zu verbinden, solange die Eingangsspannung unterhalb des vorgegebenen Spannungsschwellenwertes liegt. Der wenigstens eine ansteuerbare Schalter ist vorzugsweise als Halbleiterschalter und insbesondere als Transistor ausgeführt.
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Die Halteschaltung kann außerdem eine Komparatorschaltung aufweisen, deren Ausgang mit dem wenigstens einen ansteuerbaren Schalter der Halteschaltung verbunden ist. Die Komparatorschaltung kann außerdem mit den beiden Eingangsanschlüssen verbunden sein und die anliegende Eingangsspannung mit einem Referenzwert vergleichen. Abhängig vom Vergleichsergebnis ändert sich der Zustand des Ausgangs und insbesondere das Potenzial am Ausgang der Komparatorschaltung.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Halteschaltung einen ansteuerbaren ersten Schalter und einen ansteuerbaren zweiten Schalter auf. Zusätzliche ansteuerbare Schalter sind nicht notwendig. Die beiden ansteuerbaren Schalter können als Halbleiterschalter ausgeführt sein. Als ansteuerbare Schalter können Transistoren, beispielsgemäß Bipolar-Transistoren, und vorzugsweisen n-Kanal-Bipolar-Transistoren verwendet.
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Der zweite Schalter ist dabei vorzugsweise zwischen einen Steuereingang des ersten Schalters und den zweiten Eingangsanschluss geschaltet. Der Steuereingang des ersten Schalters kann vorzugsweise zusätzlich mit dem ersten Eingangsanschluss verbunden sein.
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Der zweite Schalter ist vorzugsweise Bestandteil der Komparatorschaltung. Ein Schalteranschluss der Schalters, beispielsweise der Kollektor oder der Emitter eines Bipolartransistors bzw. Der Drain-Anschluss oder der Source-Anschluss eines Feldeffekttransistors, bildet dabei den Ausgang der Komparatorschaltung. Dabei ist es vorteilhaft, wenn ein Steuereingang des zweiten Schalters mit einem Vergleichsschaltungsteil der Komparatorschaltung verbunden ist.
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Die Komparatorschaltung und insbesondere der Vergleichsschaltungsteil kann ein Schwellenwertbauteil, beispielsweise eine Zenerdiode, aufweisen, das den Referenzwert bestimmt. Beispielsweise wird der zweite Schalter in seinen leitenden Zustand umgeschaltet, wenn die Eingangsspannung den durch das Schwellenwertbauteil bestimmten Spannungsschwellenwert überschreitet. Andernfalls kann sich der zweite Schalter im sperrenden Zustand befinden.
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Die Komparatorschaltung und insbesondere der Vergleichsschaltungsteil kann eine Reihenschaltung aufweisen, die den ersten Eingangsanschluss mit dem zweiten Eingangsanschluss verbindet. Zu der Reihenschaltung gehört vorzugsweise das Schwellenwertbauteil und ein Reihenwiderstand.
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Wenn als Schwellenwertbauteil eine Zenerdiode verwendet wird, kann die Anode der Zenerdiode bei mit dem Reihenwiderstand der Reihenschaltung verbunden sein. Die Anode der Zenerdiode kann weiter vorzugsweise mit dem Steuereingang des ersten Schalters verbunden sein. Die Kathode der Zenerdiode ist vorzugsweise mit dem ersten Eingangsanschluss verbunden.
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Zu der Reihenschaltung kann bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel außerdem eine Sperrdiode gehören, deren Anode mit dem ersten Eingangsanschluss und deren Kathode mit dem Schwellenwertbauteil verbunden ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Spannungsbegrenzungsschaltung,
- 2 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Spannungsbegrenzungsschaltung und
- 3 einen stark schematisierten beispielhaften Verlauf verschiedener Spannungen und Ströme der Spannungsbegrenzungsschaltung in 2.
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In 1 ist ein Blockschaltbild einer Spannungsbegrenzungsschaltung 10 veranschaulicht. Die Spannungsbegrenzungsschaltung 10 weist einen Eingang mit einem ersten Eingangsanschluss 11 und einem zweiten Eingangsanschluss 12 auf. Zwischen den Eingangsanschlüssen 11, 12 liegt beim Betrieb der Spannungsbegrenzungsschaltung 10 eine Eingangsspannung UE an.
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Die Spannungsbegrenzungsschaltung 10 hat außerdem einen Ausgang mit einem ersten Ausgangsanschluss 13 und einem zweiten Ausgangsanschluss 14. Zwischen den Ausgangsanschlüssen 13, 14 wird - abhängig von der Eingangsspannung UE - eine Ausgangsspannung UA bereitgestellt. Vorzugsweise ist der erste Eingangsanschluss 11 unmittelbar mit dem ersten Ausgangsanschluss 13 verbunden, so dass diese beiden Anschlüsse 11, 13 auf demselben Potenzial liegen, das als Versorgungspotenzial 15 bezeichnet wird. Entsprechend ist beispielsgemäß der zweite Eingangsanschluss 12 mit dem zweiten Ausgangsanschluss 14 unmittelbar verbunden, so dass diese beiden Anschlüsse 12, 14 auf demselben Potenzial liegen. Beispielsgemäß sind der zweite Eingangsanschluss 12 und der zweite Ausgangsanschluss 14 mit Masse M verbunden und dieses gemeinsame Potenzial kann als Massepotenzial 16 bezeichnet werden. Jedenfalls ist das Potenzial des ersten Eingangsanschlusses 11 und des ersten Ausgangsanschlusses 13 größer als das Potenzial des zweiten Eingangsanschlusses 12 bzw. des zweiten Ausgangsanschlusses 14.
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Die Spannungsbegrenzungsschaltung weist eine Kurzschlussschaltung 17 auf. Zu dieser Kurzschlussschaltung 17 gehört ein ansteuerbarer Kurzschlussschalter 18, der einen Steuereingang 18a aufweist. Abhängig von einer Steuerspannung US am Steuereingang 18a oder einem Steuerstrom in den Steuereingang 18 a des Kurzschlussschalters 18 nimmt dieser entweder seinen leitenden Schaltzustand oder seinen sperrenden Schaltzustand ein. Der Kurzschlussschalter 18 hat in einem Schaltzustand und beispielsweise im leitenden Schaltzustand keine Selbsthaltefunktion. Sein Schaltzustand hängt unmittelbar von der anliegenden Steuerspannung US bzw. dem Steuerstrom ab.
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Als Kurzschlussschalter 18 wird beim beschriebenen Ausführungsbeispiel ein Feldeffekttransistor und beispielsgemäß ein normal sperrender n-Kanal MOSFET 19 verwendet. Beispielsweise ist der Kurzschlussschalter 18 in seinem leitenden Schaltzustand, wenn eine Steuerspannung US oberhalb eines Ansteuerschwellenwertes AS von beispielsweise etwa 2,0 bis 3,5 V anliegt. Sinkt die Steuerspannung US unter diesen Ansteuerschwellenwert AS ab, schaltet der Kurzschlussschalter 18 wieder in seinen sperrenden Schaltzustand um.
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Der Kurzschlussschalter 18 ist zwischen den ersten Ausgangsanschluss 13 und den zweiten Ausgangsanschluss 14 geschaltet, so dass er diese in seinem leitenden Schaltzustand niederohmig verbindet bzw. kurzschließt. In seinem leitenden Zustand hat der Kurzschlussschalter 18 vorzugsweise einen Kurzschlusswiderstand mit einem Widerstandswert im Milliohmbereich und beispielsgemäß von maximal 5 oder 10 oder 20 Milliohm.
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Zu der Kurzschlussschaltung 17 gehört außerdem ein Energiespeicher, der beispielsgemäß durch einen Kondensator 20 gebildet ist, sowie eine Entladeschutzeinrichtung 21, die zwischen den ersten Energiespeicheranschluss (10a) und den ersten Ausgangsanschluss (13) geschaltet ist. Als Entladeschutzeinrichtung dient beim Ausführungsbeispiel eine Ladediode 21. Es können auch steuerbare Halbleiterschalter als Entladeschutzeinrichtung verwendet werden, die zum Laden des Kondensators 20 leiten und zum Verhindern einer Entladung sperren.
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Die Anode der Ladediode 21 ist mit dem ersten Eingangsanschluss 11 und dem ersten Ausgangsanschluss 13 verbunden. Die Kathode der Ladediode 21 ist mit einem ersten Kondensatoranschluss 20a verbunden. Der erste Kondensatoranschluss 20a ist außerdem mit dem Steuereingang 18a des Kurzschlussschalters 18 verbunden. Der andere, zweite Kondensatoranschluss 20b ist mit dem zweiten Eingangsanschluss 12 und dem zweiten Ausgangsanschluss 14 verbunden. Am Kondensator 20 liegt eine Kondensatorspannung UC an.
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Zu der Spannungsbegrenzungsschaltung 10 gehört außerdem eine Halteschaltung 25. Die Halteschaltung 25 ist dazu eingerichtet, die Steuerspannung US auf einem Wert unterhalb des Ansteuerschwellenwerts AS zu halten, solange die Eingangsspannung UE einen vorgegebenen Spannungsschwellenwert Umax nicht überschreitet.
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Hierfür weist die Halteschaltung 25 wenigstens einen und beim Ausführungsbeispiel einen ansteuerbaren ersten Schalter 26 sowie einen ansteuerbaren zweiten Schalter 27 auf. Der erste Schalter 26 ist beispielsgemäß zwischen den Steuereingang 18a des Kurzschlussschalters 18 und den zweiten Eingangsanschluss 12 bzw. den zweiten Ausgangsanschluss 14 geschaltet. In seinem leitenden Zustand verbindet er den Steuereingang 18a mit dem zweiten Ausgangsanschluss 14 bzw. dem zweiten Eingangsanschluss 12. Leitet der erste Schalter 26, wird der Kurzschlussschalter 18 in seinem sperrenden Schaltzustand gehalten.
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Zu der Halteschaltung 25 gehört außerdem eine Komparatorschaltung 28. Ein Ausgang 28a der Komparatorschaltung 28 ist mit einem Steuereingang 26a des ersten Schalters 26 verbunden. Über die Komparatorschaltung 28 wird der erste Schalter 26 zwischen seinem leitenden und seinem sperrenden Zustand umgeschaltet. Die Komparatorschaltung 28 ist dazu eingerichtet, die Eingangsspannung UE mit dem Spannungsschwellenwert Umax zu vergleichen und den ersten Schalter 26 in seinen sperrenden Zustand umzuschalten, wenn die Eingangsspannung UE den Spannungsschwellenwert Umax überschreitet.
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Zu der Komparatorschaltung 28 gehört beispielsgemäß der zweite Schalter 27 sowie ein Vergleichsschaltungssteil 29. Der Vergleichsschaltungsteil 29 ist mit dem Steuereingang 27a des zweiten Schalters 27 und dem ersten Eingangsanschluss 11 verbunden.
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Die insoweit beschriebene Spannungsbegrenzungsschaltung 10 gemäß 1 arbeitet wie folgt:
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Zunächst wird an die Eingangsanschlüsse 11, 12 eine Eingangsspannung UE angelegt. Dadurch lädt sich der Kondensator 20 über die Ladediode 21 vollständig auf.
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Solange die Eingangsspannung UE den vorgegebenen Spannungsschwellenwert Umax nicht übersteigt, befindet sich der zweite Schalter 27 in seinem sperrenden Zustand. Dies führt dazu, dass vom ersten Eingangsanschluss 11 ein Strom über den Ausgang 28a der Komparatorschaltung zum Steuereingang 26a des ersten Schalters 26 fließt und diesen in seinen leitenden Zustand umschaltet. Das hat wiederum zur Folge, dass die Steuerspannung US am Steuereingang 18a des Kurzschlussschalters 18 unterhalb des Ansteuerschwellenwertes AS liegt und der Kurzschlussschalter 18 dadurch in seinem sperrenden Schaltzustand verbleibt.
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Überschreitet die Eingangsspannung UE den Spannungsschwellenwert Umax, wird der zweite Schalter 27 über den Vergleichsschaltungsteil 29 in seinen leitenden Zustand umgeschaltet, was dazu führt, dass der erste Schalter 26 sperrt. Die Steuerspannung US am Steuereingang 18a des Kurzschlussschalters 18 hängt jetzt von der Kondensatorspannung UC am Kondensator 20 ab. Dieser ist über den Ansteuerschwellenwert AS aufgeladen. Der Kurzschlussschalter 18 wird dadurch in seinen leitenden Schaltzustand umgeschaltet.
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Das Umschalten des Kurzschlussschalters 18 in seinen leitenden Zustand führt dazu, dass der erste Ausgangsanschluss 13 über den Kurzschlussschalter 18 niederohmig - im Bereich von einigen Milliohm - mit dem zweiten Ausgangsanschluss 14 verbunden ist. Die Ausgangsspannung UA ist somit sehr klein bzw. nahezu gleich Null. Über die Ladediode 21 wird in diesem Schaltzustand des Kurzschlussschalters 18 verhindert, dass sich der Kondensator 20 durch die kurzgeschlossene Verbindung zwischen den Ausgangsanschlüssen 13, 14 entladen kann. Das Entladen des Kondensators 20 kann ausschließlich über einen Strom in den Steuereingang 18a des Kurzschlussschalters 18 und/oder andere parasitäre Effekte erfolgen. Die Entladezeitdauer ist entsprechend groß.
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Solange die Kondensatorspannung UC oberhalb des Ansteuerschwellenwertes AS für den Kurzschlussschalter 18 liegt, verbleibt dieser in seinem leitenden Schaltzustand. Zwar wird wegen der niederohmigen Verbindung zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 13 und dem zweiten Ausgangsanschluss 14 der zweite Schalter 27 wieder in seinen sperrenden Zustand umgeschaltet, denn die Eingangsspannung UE ist jetzt wieder kleiner als der Spannungsschwellenwert Umax. Dennoch verbleibt der erste Schalter 26 in seinem sperrenden Zustand, weil unabhängig vom Zustand des Ausgangs 28a der Komparatorschaltung 28, als beispielsgemäß unabhängig vom Schaltzustand des zweiten Schalters 27 kein Strom in den Steuereingang 26a des ersten Schalters 26 fließt bzw. an diesem Steuereingang 26a des ersten Schalters 26 keine ausreichend große Spannung anliegt.
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Demnach erfolgt ein Umschalten des Kurzschlussschalters 18 in seinen sperrenden Zustand erst dann, wenn die Kondensatorspannung UC durch Entladen des Kondensators soweit abgesunken ist, dass die Steuerspannung US unter den Ansteuerschwellenwert AS gesunken ist. Der Kondensator 20 wird dann wieder aufgeladen. Liegt allerdings die Eingangsspannung UE immer noch über dem Spannungsschwellenwert Umax, wird der zweite Schalter 27 wieder in seinen leitenden und der erste Schalter 26 in seinen sperrenden Zustand umgeschaltet, so dass über den erneut zumindest teilweise geladenen Kondensator 20 wieder das Umschalten des Kurzschlussschalters 18 in seinen leitenden Schaltzustand verursacht und solange aufrechterhalten wird, bis durch die Kondensatorentladung das Halten des Kurzschlussschalters in dem leitenden Zustand nicht mehr möglich ist. Diese Umschaltvorgänge werden fortgesetzt, bis die Eingangsspannung UE wieder unter den Spannungsschwellenwert Umax abgesunken ist. Dann bleibt nach dem Sinken der Steuerspannung US unter den Ansteuerschwellenwert AS der Kurzschlussschalter in seinem sperrenden Schaltzustand. Der Kondensator 20 wird dann wieder vollständig aufgeladen.
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In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Spannungsbegrenzungsschaltung 10 veranschaulicht. Gleiche Teile im Vergleich zum Ausführungsbeispiel nach 1 sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Insoweit wird auf die vorstehende Beschreibung verwiesen.
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Der Kurzschlussschalter 18 ist beim Ausführungsbeispiel nach 2 durch den MOSFET 19 gebildet. Das Gate des MOSFET stellt den Steuereingang 18a dar. Der Drain-Anschluss des MOSFET 19 ist mit dem ersten Ausgangsanschluss 13 und der Source-Anschluss ist mit dem zweiten Ausgangsanschluss 14 verbunden. Zwischen dem ersten Kondensatoranschluss 20a und dem Steueranschluss 18a (Gate) ist ein Strombegrenzungswiderstand 35 geschaltet.
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Die beiden Schalter 26, 27 sind jeweils durch Transistoren gebildet. Beim Ausführungsbeispiel ist der erste Schalter 26 durch einen ersten Bipolar-Transistor 36 und der zweite Schalter 27 durch einen zweiten Bipolar-Transistor 37 gebildet. Die jeweilige Basis bildet den betreffenden Steuereingang 26a bzw. 27a. Die Basis des ersten Bipolar-Transistors 36 ist über einen ersten Basiswiderstand 38 mit dem ersten Eingangsanschluss 11 bzw. dem ersten Ausgangsanschluss 13 verbunden. In die Basis des ersten Bipolar-Transistors 36 fließt ein erster Basisstrom IB1.
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Die Basis des zweiten Bipolar-Transistors 37 ist über einen zweiten Basiswiderstand 39 mit einem Verbindungspunkt 40 einer Reihenschaltung 41 verbunden. Die Reihenschaltung weist beispielsgemäß eine Sperrdiode 42, ein Schwellenwertbauteil, das beispielsgemäß durch eine Zenerdiode 43 gebildet ist, sowie einen Reihenwiderstand 44 auf. Die Reihenschaltung 41 verbindet den ersten Eingangsanschluss 11 mit dem zweiten Eingangsanschluss 12. Die Anode der Zenerdiode 43 ist mit dem Verbindungspunkt 40 verbunden. Der Verbindungspunkt 40 ist über den Reihenwiderstand 44 mit dem zweiten Eingangsanschluss 12 verbunden. Die Kathode der Sperrdiode 42 ist mit der Kathode der Zenerdiode 43 verbunden. Die Anode der Sperrdiode 42 ist mit dem ersten Eingangsanschluss 11 verbunden.
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Das Schwellenwertbauteil kann auch durch eine IC-Schaltung realisiert werden, die den Spannungsschwellenwert definiert. Die Zenerdiode 43 ist lediglich als Beispiel für ein solches Schwellenwertbauteil zu verstehen.
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Beim Ausführungsbeispiel nach 2 bildet die Reihenschaltung 41 den Vergleichsschaltungsteil 29. Gemeinsam mit dem zweiten Basiswiderstand 39 und dem zweiten Bipolar-Transistor 37 bildet die Reihenschaltung 41 die Komparatorschaltung 28. Die Komparatorschaltung 28, der erste Bipolar-Transistor 36 und der erste Basiswiderstand 38 bilden die Halteschaltung 25.
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Ein Entladewiderstand 45 ist optional vorhanden. Er verbindet unmittelbar oder mittelbar den ersten Kondensatoranschluss 20a mit Masse M, um bei leitendem Kurzschlussschalter 18 bzw. MOSFET 19 ein Entladen mit einer vorgegebenen Zeitcharakteristik zu bewirken. Der Entladewiderstand 45 kann mit dem Steueranschluss 18a des Kurzschlussschalters 18 verbunden sein (2) oder auch parallel zu dem Kondensator 20 geschaltet sein.
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Im Prinzip arbeitet das Ausführungsbeispiel nach 2 so, wie es allgemein im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel nach 1 erläutert wurde. Anhand von 3 sind stark schematisierte, lediglich beispielhafte zeitliche Verläufe für unterschiedliche Spannungen und Ströme der Spannungsbegrenzungsschaltung 10 aus 2 veranschaulicht. Anhand von 3 wird die Funktionsweise der Spannungsbegrenzungsschaltung 10 nach 2 erklärt.
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Es sei angenommen, dass die Eingangsspannung UE zu einem ersten Zeitpunkt t1 den Spannungsschwellenwert Umax überschreitet. Der Spannungsschwellenwert Umax ist durch die Zenerspannung der Zenerdiode 43 vorgegeben. Beim Überschreiten des Spannungsschwellenwertes Umax wird die Zenerdiode 43 leitend, so dass ein zweiter Basisstrom IB2 in die Basis des zweiten Bipolar-Transistors 37 fließt. Dies hat zur Folge, dass der zweite Bipolar-Transistor 37 in seinen leitenden Zustand umgeschaltet wird.
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Solange sich der zweite Bipolar-Transistor 37 in seinem sperrenden Zustand befunden hat, kann über den ersten Basiswiderstand 38 ein erster Basisstrom IB1 in die Basis des ersten Bipolar-Transistors 36 fließen und diesen in seinem leitenden Zustand halten. Dies hat wiederum zur Folge, dass die Steuerspannung US in etwa gleich Null ist und zumindest kleiner als ein Ansteuerschwellenwert AS für den MOSFET 19. Wenn zum ersten Zeitpunkt t1 der zweite Bipolar-Transistor 37 leitend wird, sinkt der erste Basisstrom IB1 und der erste Bipolar-Transistor 36 geht in seinen sperrenden Zustand über. Das Gate des MOSFET 19 wird dann nicht länger über den ersten Bipolar-Transistor 36 mit dem Massepotenzial 16 verbunden. Die Steuerspannung US wird jetzt durch die Kondensatorspannung UC bestimmt. Die Steuerspannung UC steigt somit zum ersten Zeitpunkt t1 an und überschreitet den Ansteuerschwellenwert AS, was zum Umschalten des MOSFET 19 in seinen leitenden Zustand führt. Dadurch wird die Verbindung zwischen den Ausgangsanschlüssen 13, 14 niederohmig und die Ausgangsspannung sinkt zum ersten Zeitpunkt t1 auf die Drain-Source-Spannung des MOSFET 19 ab, beispielsgemäß im Wesentlichen auf 0 Volt.
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Ab dem ersten Zeitpunkt t1 entlädt sich der Kondensator 20. Die Entladung erfolgt durch Leckströme des MOSFET 19, der Ladediode 21 und des Kondensators 20. Eine schnelle Entladung über die niederohmige Drain-Source-Verbindung ist durch die Ladediode 21 verhindert. Wenn die Entladung anhand der Leckströme zu langsam ist, kann optional der Entladewiderstand 45 eingesetzt werden.
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Zu einem zweiten Zeitpunkt t2 ist die Kondensatorspannung UC soweit abgesunken, dass die Steuerspannung US den Ansteuerschwellenwert AS unterschreitet, wodurch der MOSFET 19 in seinen sperrenden Zustand umgeschaltet wird. Damit liegt als Ausgangsspannung UA wieder die Eingangsspannung UE an und der Kondensator 20 wird über die Ladediode 21 erneut geladen.
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Zum zweiten Zeitpunkt t2 ist beispielhaft angenommen, dass die Eingangsspannung UE immer noch oberhalb des Spannungsschwellenwertes Umax liegt. Nach dem Umschalten des MOSFET 19 von seinem leitenden zurück in den sperrenden Schaltzustand, beginnt etwas zeitverzögert wieder ein zweiter Basisstrom IB2 in den zweiten Bipolar-Transistor 37 zu fließen (dritter Zeitpunkt t3), so dass der zweite Bipolar-Transistor 37 leitend wird, was wiederum den ersten Basisstrom IB1 unterbindet und den ersten Bipolar-Transistor 36 in seinen sperrenden Zustand umschaltet. Folglich wird die Steuerspannung US wieder durch die Kondensatorspannung UC bestimmt. Der Kondensator 20 konnte sich wähernd der für die Umschaltvorgänge benötigten Zeitdauer zwischen dem zweiten Zeitpunkt t2 und dem dritten Zeitpunkt t3 teilweise aufladen und die Kondensatorspannung UC sorgt dafür, dass die Steuerspannung US wieder oberhalb des Ansteuerschwellenwertes AS liegt. Ab dem dritten Zeitpunkt t3 entlädt sich der Kondensator 20 erneut.
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Zu einem vierten Zeitpunkt t4 erreicht die Steuerspannung US erneut den Ansteuerschwellenwert AS. Zu diesem vierten Zeitpunkt t4 ist beispielhaft angenommen, dass die Eingangsspannung UE unter den Spannungsschwellenwert Umax abgesunken ist. Der Kurzschlussschalter 18 bzw. der MOSFET 19 schaltet in seinen sperrenden Schaltzustand um und die Ausgangsspannung UA entspricht wieder der Eingangsspannung UE. Über den ersten Basiswiderstand 38 fließt ein erster Basisstrom IB1 in den ersten Bipolar-Transistor 36 und hält diesen in seinen leitenden Zustand, so dass sich der Kondensator 20 aufladen kann, ohne den MOSFET 19 in seinen leitenden Zustand umzuschalten. Da die Eingangsspannung UE unterhalb des Spannungsschwellenwertes Umax liegt, sperrt die Zenerdiode 43 und es fließt kein zweiter Basisstrom IB2 in den zweiten Bipolar-Transistor 37. Der zweite Bipolar-Transistor 37 bleibt in seinem sperrenden Zustand.
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Die Spannungsbegrenzungsschaltung 10 eignet sich insbesondere für den Einsatz zur Erzeugung einer spannungsbegrenzten, vorzugsweise eigensicheren Ausgangsspannung UA. Zwar kann die Ausgangsspannung UA kurzzeitig, nach dem Entladen des Kondensators 20 ansteigen (zwischen dem zweiten Zeitpunkt t2 und dem dritten Zeitpunkt t3). Jedoch ist die dadurch an den Ausgangsanschlüssen 13, 14 bereitgestellte elektrische Energie aufgrund der kurzen Zeitspanne ausreichend klein.
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Die Erfindung betrifft eine Spannungsbegrenzungsschaltung 10, an deren Eingang eine Eingangsspannung UE anliegt und die am Ausgang eine Ausgangsspannung UA bereitstellt. Solange die Eingangsspannung UE einen vorgegebenen Spannungsschwellenwert Umax nicht überschreitet, entspricht die Ausgangsspannung UA der Eingangsspannung UE. Überschreitet die Eingangsspannung UE den Spannungsschwellenwert Umax, wird über einen Kurzschlussschalter 18, vorzugsweise einen Feldeffekttransistor und insbesondere einen MOSFET 19 eine niederohmige Verbindung zwischen den Ausgangsanschlüssen 13, 14 des Ausgangs erzeugt. Der Kurzschlussschalter 18 ist ohne Selbsthaltefunktion ausgeführt. Die Aufrechterhaltung der niederohmigen Verbindung wird durch das Bereitstellen einer Kondensatorspannung UC am Steuereingang 18a des Kurzschlussschalters 18 gesichert. Hat sich der Kondensator 20 ausreichend entladen, sinkt die Steuerspannung US am Steuereingang 18a des Kurzschlussschalters 18 unter einen Ansteuerschwellenwert AS und der Kurzschlussschalter 18 schaltet wieder in seinen sperrenden Schaltzustand um. Über eine Halteschaltung 25, die mit dem Steuereingang 18a des Kurzschlussschalters 18 verbunden ist, wird sichergestellt, dass der Kurzschlussschalter 18 unabhängig vom Betrag der Kondensatorspannung UC in seinem sperrenden Schaltzustand verbleibt, solange die Eingangsspannung UE den Spannungsschwellenwert Umax nicht überschreitet.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Spannungsbegrenzungsschaltung
- 11
- erster Eingangsanschluss
- 12
- zweiter Eingangsanschluss
- 13
- erster Ausgangsanschluss
- 14
- zweiter Ausgangsanschluss
- 15
- Versorgungspotenzial
- 16
- Massepotenzial
- 17
- Kurzschlussschaltung
- 18
- Kurzschlussschalter
- 18a
- Steuereingang des Kurzschlussschalters
- 19
- MOSFET
- 20
- Kondensator
- 20a
- erster Kondensatoranschluss
- 20b
- zweiter Kondensatoranschluss
- 21
- Ladediode
- 25
- Halteschaltung
- 26
- erster Schalter
- 26a
- Steuereingang des ersten Schalters
- 27
- zweiter Schalter
- 27a
- Steuereingang des zweiten Schalters
- 28
- Komparatorschaltung
- 28a
- Ausgang der Komparatorschaltung
- 29
- Vergleichsschaltungsteil
- 35
- Strombegrenzungswiderstand
- 36
- erster Bipolartransistor
- 37
- zweiter Bipolartransistor
- 38
- erster Basiswiderstand
- 39
- zweiter Basiswiderstand
- 40
- Verbindungspunkt
- 41
- Reihenschaltung
- 42
- Sperrdiode
- 43
- Zenerdiode
- 44
- Reihenwiderstand
- 45
- Entladewiderstand
- AS
- Ansteuerschwellenwert
- IB1
- erster Basisstrom
- IB2
- zweiter Basisstrom
- t1
- erster Zeitpunkt
- t2
- zweiter Zeitpunkt
- t3
- dritter Zeitpunkt
- t4
- vierter Zeitpunkt
- UA
- Ausgangsspannung
- UC
- Kondensatorspannung
- UE
- Eingangsspannung
- Umax
- Spannungsschwellenwert
- US
- Steuerspannung
