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Erklärung bezüglich staatlich finanzierter Forschung oder Entwicklung
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Querverweis auf verwandte Anmeldung
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Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft Ausgangsspannungsbegrenzer für Stromversorgungen und dergleichen und insbesondere einen Niederspannungsausgangsbegrenzer mit hoher Präzision.
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Elektrische Schaltungen werden normalerweise in Verbindung mit einer Stromversorgung betrieben, welche die erforderlichen Spannungs- und Strompegel für die elektrische Schaltung liefert. Insbesondere bei Anwendungen für Sicherheit und hohe Zuverlässigkeit kann es wünschenswert sein, dass die Stromversorgung eine Ausgangsbegrenzungsschaltung zum Steuern der Ausgangsleistung von der Stromversorgung aufweist, wie beispielsweise im Falle eines Kurzschlusses an den Stromversorgung-Ausgangsklemmen oder einem Anstieg bei der Stromversorgungsspannung, die einen zusätzlichen Stromverbrauch der elektrischen Schaltung bewirken würde. Bei manchen Anwendungen muss die Ausgangsbegrenzungsschaltung bei niedrigen Spannungen akkurat arbeiten, wie beispielsweise in der Größenordnung von 3 bis 4 Volt (mit einer Toleranz von 5%), sich dabei jedoch sehr viel höheren Spannungen von bis zu 36 Volt anpassen können.
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Eine Möglichkeit, eine solche Ausgangsbegrenzungsschaltung bereitzustellen, besteht in der Verwendung einer Zenerdiode zur Steuerung der Vorspannung eines Serientransistors, den der Strom von der Stromversorgung zur elektrischen Schaltung durchlaufen muss. Wenn die Spannung ansteigt, begrenzt die Zenerdiode die Vorspannung des Serientransistors und verringert so den Stromfluss zwischen der Stromversorgung und der elektrischen Schaltung zur Sicherheit. Dieser Ansatz erfordert normalerweise, dass die Zenerdiode auf Verluststrom untersucht und geprüft wird, um einen solch präzisen Schutz in einem breiten Temperaturbereich bereitzustellen, wie er in industriellen Anwendungen benötigt wird.
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Eine Alternative besteht in der Verwendung einer spezialisierten integrierten Schaltung, welche die Ausgangsspannung der Stromversorgung bis zu der höchsten zu erwartenden Spannung (z. B. 36 Volt) überwachen kann. Solche integrierten Schaltungen können einen präzisen Komparator bereitstellen, der eine geschaltete Ausgabe auf einer erwünschten begrenzten Spannung erzeugt. Die geschaltete Ausgabe kann dann einen Serientransistor anstelle der Zenerdiode steuern.
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Das Problem bei diesem Ansatz besteht darin, dass solche integrierten Schaltungen, die hohe Betriebsspannungen tolerieren können, sehr teuer sind.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung sieht eine Ausgangsschutzschaltung vor, die eine preisgünstige integrierte Leistungsschaltung, wie beispielsweise einen Nebenschlussregler verwendet, um eine akkurate Erfassung von Überspannungsbedingungen zu bieten. Der Nebenschlussregler ist vor übermäßigem Stromverbrauch aufgrund hoher Eingangsspannungen durch einen Strombegrenzer geschützt, bei dem mithilfe eines Niederspannungsteils effektiv hohe Eingangsspannungen erfasst werden können, ohne dass er den hohen Eingangsspannungen direkt ausgesetzt ist.
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In einem Ausführungsbeispiel sieht die Erfindung eine Überspannungsschutzschaltung mit einer Eingangsklemme zum Aufnehmen von Strom von einer Stromquelle, die eine Spannung bereitstellt, und einer Ausgangsklemme zum Bereitstellen von Strom für eine elektrische Schaltung vor, die der Überspannungsschutzschaltung nachgeschaltet ist. Eine Serienbegrenzungs-Festkörpervorrichtung, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf, ein Transistor, die auf kontinuierliche Weise oder als Schaltvorrichtung arbeitet, ist zwischen der Eingangsklemme und der Ausgangsklemme zur Steuerung des Stromflusses dazwischen positioniert und ein Nebenschlussregler liefert ein Signal zum Steuern der Vorspannung der Serienbegrenzungsvorrichtung, um den Stromfluss durch die Serienbegrenzungsvorrichtung zu senken, wenn die Spannung an der Eingangsklemme über einen vorgegebenen Spannungsschwellenwert steigt, der von dem Nebenschlussregler gemessen wird. Ein erster Strombegrenzer kommuniziert zwischen dem Nebenschlussregler und der Eingangsklemme, um den Nebenschlussregler vor Spannungen an der Eingangsklemme zu schützen, die höher als eine Nennspannung des Nebenschlussreglers sind.
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Somit ist es ein Merkmal von mindestens einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, die Nutzung eines Fließstrom-Nebenschlussreglers zu ermöglichen, um einen präzisen Niederspannungs-Überspannungsschutz ohne Beschädigung des Nebenschlussreglers bei gelegentlich zu erwartenden hohen Spannungen bereitzustellen.
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Der Nebenschlussregler kann durch einen zweiten Strombegrenzer mit dem Vorspannungssteuertransistor in Verbindung stehen.
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Somit ist es ein Merkmal von mindestens einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, den Nebenschlussregler vor hohen Spannungen im Zusammenhang mit der Steuerung der Serienbegrenzungsvorrichtung zu schützen.
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In einem Ausführungsbeispiel können sowohl der erste Strombegrenzer als auch der zweite Strombegrenzer als Konstantstromquellen betrieben werden.
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Somit ist es ein Merkmal von mindestens einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, einen präzisen Schaltpunkt für die Überspannungssteuerung trotz der Entnahme des Nebenschlussreglers aus der direkten Steuerung der Serienbegrenzungsvorrichtung bereitzustellen. Dies kann einem Widerstandsnetz gegenübergestellt werden, das eine Regelstrecke mit niedrigerer Verstärkung bereitstellen würde.
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Diese speziellen Ziele und Vorteile beziehen sich unter Umständen nur auf ein Ausführungsbeispiel, das unter die Ansprüche fällt, und definieren daher nicht den Geltungsbereich der Erfindung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist ein Schaltplan einer Überspannungsschutzschaltung, die zwischen der Stromversorgung in einer Lastschaltung positioniert werden kann, und aus zwei Überspannungsschutzmodulen besteht, welche jeweils einen Nebenschlussregler verwenden, wie in den anschließenden Erweiterungen dargestellt.
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Ausführliche Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
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Wie in 1 dargestellt, kann eine Überspannungsschutzschaltung 10 zwischen einer Stromversorgung 12 und einer Lastschaltung 14 positioniert werden, um die Lastschaltung 14 vor Kosten durch übermäßigen Stromverbrauch zu schützen, wie beispielsweise bei Ausfall der Stromversorgung 12, was zu hohen Spannungen führen kann. Grundsätzlich können die von der Lastschaltung 14 korrekt aufgenommenen höheren Spannungen die Nennspannungen von Komponenten der Schaltung 14 überschreiten oder zu einem übermäßigen Stromverbrauch führen, der diese Komponenten beschädigen kann. Im Allgemeinen beinhaltet die Überspannungsschutzschaltung 10 eine Eingangsklemme 16, die Strom von der Stromversorgung 12 aufnimmt, und eine Ausgangsklemme 18 zum Bereitstellen von einer Ausgangsleistung für die Schaltung 14.
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In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Überspannungsschutzschaltung 10 eine erste Überspannungsschutzschaltung 20a aufweisen, die in Reihe mit einer zweiten Überspannungsschutzschaltung 20b geschaltet ist. Im Allgemeinen arbeiten beide Überspannungsschutzschaltungen 20 mit demselben Spannungsschwellenwert und schaffen Redundanz für den Fall eines Ausfalls der einen oder der anderen Schaltung. Strom, der von der Stromversorgung 12 fließt, muss durch beide Überspannungsschutzschaltungen 20 fließen, bevor er die Lastschaltung 14 erreicht.
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Die Überspannungsschutzschaltungen 20 können jeweils über eine Eingangsklemme 22 und eine Ausgangsklemme 24 verfügen, wobei die Eingangsklemme 22 der Überspannungsschutzschaltung 20a mit der Eingangsklemme 16 verbunden ist und die Ausgangsklemme 24 der Überspannungsschutzschaltung 20b mit der Ausgangsklemme 18 verbunden ist. Die Ausgangsklemme 24 der Überspannungsschutzschaltung 20a ist mit der Eingangsklemme 22 der Überspannungsschutzschaltung 20b verbunden.
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Zwischen der Eingangsklemme 22 und der Ausgangsklemme 24 ist eine Serienstrombegrenzungs-Festkörpervorrichtung 26 in Reihe geschaltet. In einem Ausführungsbeispiel kann es sich bei der Serienstrombegrenzungs-Festkörpervorrichtung 26 um einen Metalloxid-Feldeffekttransistoren (MOSFET) handeln, mit einer Source, die an die Eingangsklemme 22 angeschlossen ist, und einem Drain, der mit der Ausgangsklemme 24 verbunden ist. Das Gate kann über einen Vorspannungswiderstand 28 mit der Masse verbunden sein. Die Vorspannung der Serienstrombegrenzungs-Festkörpervorrichtung 26 wird durch einen PNP-Transistor 30 bereitgestellt, dessen Emitter mit dem Knotenpunkt zwischen dem Vorspannungswiderstand 28 und dem Gate der Serienstrombegrenzungs-Festkörpervorrichtung 26 verbunden ist. Der Emitter des PNP-Transistors 30 ist mit der Eingangsklemme 22 verbunden. Wenn der Transistor 30 leitet, steigt die Spannung an dem Vorspannungswiderstand 28 an und reduziert den Stromfluss durch die Source und den Drain der Serienstrombegrenzungs-Festkörpervorrichtung 26 oder schaltet ihn ab.
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Der Transistor 30 kann von einem Nebenschlussstromregler 32 gesteuert werden, wie beispielsweise einem programmierbaren, hochpräzisen Referenz-Nebenschlussregler, hergestellt von verschiedenen Unternehmen unter der Handelsbezeichnung NCV431. Ein solcher Nebenschlussstromregler 32 weist nur drei Anschlüsse auf, darunter einen Kathodenanschluss, einen Referenzanschluss und einen Anodenanschluss. Der letztere ist mit der Masse verbunden und der Referenzanschluss ist mit einer Spannung verbunden, die durch einen Widerstandsteiler an der Eingangsklemme 22 abgeleitet wird, der aus den in Reihe geschalteten Widerständen 34 und 36 besteht, wobei der Widerstand 34 mit der Eingangsklemme 22 und dann über einen Knotenpunkt 38 mit dem Widerstand 36 verbunden ist, der seinerseits zur Masse führt. Der Widerstandsteiler kann beispielsweise die Spannung an der Eingangsklemme 22 um zwei Drittel reduzieren, so dass sie bequem innerhalb der Spannungsgrenzen des Nebenschlussstromreglers 32 bleibt.
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Wie Fachleuten allgemein bekannt, kann ein Serien-Nebenschlussregler einen internen Transistor, wie beispielsweise einen PNP-Transistor 40 beinhalten, der Strom zwischen der Kathode und der Anode entsprechend der Vorspannung durch einen Funktionsverstärker 42 leitet. Der Funktionsverstärker 42 empfängt an seinem positiven oder nichtumkehrenden Eingang ein Signal von dem Referenzeingang und gibt einen negativen Eingang auf einer Präzisionsspannungsreferenz 44 aus, die bezüglich der Masse an der Anode vorgespannt ist. Wenn die Spannung an der Referenz die Spannung der Präzisionsspannungsreferenz 44 übersteigt, leitet der Transistor 40. Der Funktionsverstärker 42 weist eine hohe Verstärkung auf, so dass die Funktion des Transistors 40 darin besteht, scharf einzuschalten, wenn die in dem Nebenschlussstromregler 32 programmierte Spannung an dem Referenzeingang überschritten wird.
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Im Allgemeinen muss die Menge des an der Kathode empfangenen Stroms beschränkt werden, damit die Nennleistung des Nebenschlussstromreglers 32 nicht überschritten wird, und so kann der Nebenschlussstromregler 33 normalerweise nicht direkt mit der Basis des Vorspannungstransistors 30 verbunden werden. Aus diesem Grund ist er durch einen Strombegrenzer 54 angeschlossen, der aus einem JFET 50 besteht und einen Pfad von der Basis des Transistors 30 durch den Drain und die Source des JFET 50 und anschließend durch einen Strommesswiderstand 52 zur Kathode des Nebenschlussstromreglers 32 bietet. Das Gate des JFET 50 ist direkt mit der Kathode des Nebenschlussstromreglers 32 verbunden, und auf diese Weise ist der JFET 50 dazu programmiert, im Wesentlichen als eine Konstantstromquelle zu fungieren, wobei ein erhöhter Strom an dem Strommesswiderstand 52 eine Vorspannung für den JFET 50 bietet, die ihn tendenziell in den ausgeschalteten Zustand vorspannt. Auf diese Weise wird die Menge des von der Kathode des Nebenschlussstromreglers 32 aufgenommenen Stroms beschränkt. Die Kathode des Nebenschlussstromreglers 32 ist außerdem an eine Strombegrenzerschaltung 56 angeschlossen, die aus einem JFET 58 besteht und eine Verbindung zwischen der Eingangsklemme 22 und der Kathode des Nebenschlussstromreglers 32 bildet. Der JFET 58 bietet einen Pfad von der Eingangsklemme 22 durch seine Source und seinen Drain und anschließend durch den Strommesswiderstand 62 zu der Kathode des Nebenschlussstromreglers 32. Das Gate des JFET 58 ist an die Kathode des Nebenschlussstromreglers 32 angeschlossen, um ein Feedback zu bieten, das tendenziell zu einem konstanten Stromfluss durch den JFET 58 führt. Auf diese Weise erzeugen hohe Spannungen an der Eingangsklemme 22 keinen übermäßigen Stromeingang in die Kathode des Nebenschlussstromreglers 32.
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Bestimmte hier verwendete Begriffe dienen lediglich zu Referenzzwecken und sind in keiner Weise als einschränkend aufzufassen. So beziehen sich beispielsweise Begriffe wie „oben”, „unten”, „oberhalb” und „unterhalb” auf Richtungen in den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. Begriffe wie „vorne”, „hinten”, „Rückseite”, „Boden” und „Seite” beschreiben die Ausrichtung von Komponententeilen in einem konsistenten aber zufällig gewählten Bezugsrahmen, der durch Bezugnahme auf den Text und die angehängten Zeichnungen klar hervorgeht, in welchen die genannten Komponenten dargestellt sind. Zu den Begriffen können die oben spezifisch aufgeführten Worte zählen, Ableitungen davon sowie Worte mit ähnlicher Bedeutung. In ähnlicher Weise implizieren die Begriffe „erster”, „zweiter” und ähnliche numerische Begriffe, die sich auf Strukturen beziehen, keine Sequenz oder Reihenfolge, sofern es nicht anders aus dem Kontext klar hervorgeht.
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Bei der Einführung von Elementen oder Merkmalen der vorliegenden Offenlegungsschrift und der Ausführungsbeispiele weisen die Artikel „ein”, „eine”, „eines”, „einer” sowie „der”, „die” und „das” darauf hin, dass es ein oder mehrere solche Elemente oder Merkmale gibt. Die Begriffe „umfassen”, „beinhalten” und „aufweisen” sind als inklusiv aufzufassen und bedeuten, dass es zusätzliche Elemente oder Merkmale zu den spezifisch aufgeführten geben kann. Weiterhin versteht sich, dass die hier beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Funktionen nicht zwingend in der hier erläuterten oder dargestellten bestimmten Reihenfolge durchgeführt werden müssen, sofern die Reihenfolge der Durchführung nicht speziell erwähnt ist. Außerdem versteht sich, dass zusätzliche oder alternative Schritte durchgeführt werden können.
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Insbesondere sei darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die hier enthaltenen Ausführungsbeispiele und Zeichnungen beschränkt ist, sondern die Ansprüche auch modifizierte Formen der Ausführungsbeispiele einschließlich Teilen von Ausführungsbeispielen und Kombinationen aus Elementen verschiedener Ausführungsbeispiele im Geltungsbereich der nachfolgend aufgeführten Ansprüche einschließen. Sämtliche hier genannten Veröffentlichungen einschließlich Patentliteratur und Nichtpatentliteratur sind hierin durch Bezugnahme vollumfänglich eingeschlossen.
