DE19739008C1 - Schaltungsanordnung zur Begrenzung eines Laststromes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Begrenzung eines Laststroms nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, mit einem als Längsregler geschalteten er­ sten Transistor, welcher einen Stromeingang, einen Stromausgang und einen Steu­ ereingang hat, einem zweiten Transistor, welcher einen Stromeingang, einen Strom­ ausgang und einen Steuereingang hat, und einem ersten Widerstand, welcher ei­ nerseits mit dem Stromausgang des ersten Transistors verbunden ist und anderer­ seits den Ausgang der Schaltungsanordnung bildet, wobei der Stromeingang des ersten Transistors den Eingang der Schaltungsanordnung bildet, der Steuereingang des ersten Transistors mit dem Stromeingang des zweiten Transistors verbunden ist, der Steuereingang des zweiten Transistors mit dem Stromausgang des ersten Tran­ sistors verbunden ist und der Stromausgang des zweiten Transistors mit dem Aus­ gang der Schaltungsanordnung verbunden ist.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist im Stand der Technik hinlänglich bekannt und wird regelmäßig in geregelten Netzgeräten verwendet. Die Schaltungsanord­ nung hat den Vorteil, daß sie einen unzulässigen Stromanstieg sehr schnell ausre­ gelt. Nachteilig bei dieser Schaltung ist, daß sie regelmäßig nicht in Hochspan­ nungsnetzgeräten verwendet werden kann, da der als Längsregler geschaltete erste Transistor nur eine begrenzte maximale Betriebsspannung verträgt. Übliche Be­ triebsspannungen liegen im Bereich weniger 100 Volt. Zwar sind heute Transistoren mit einer Betriebsspannung von beispielsweise 500 bis 1000 Volt erhältlich, jedoch sind diese für viele Anwendungsfälle zu teuer. Darüber hinaus gibt es Hochspan­ nungsnetzgeräte, deren Ausgangsspannung im Kilovolt-Bereich liegt.

Zur Begrenzung des Ausgangsstroms von Hochspannungsnetzgeräten, wie sie bei­ spielsweise bei der Sputterbeschichtung, dem Elektronenstrahlverdampfen, Glimm­ prozessen oder Elektronenschweißen oder -bohren verwendet werden, muß auf an­ dere Verfahren zurückgegriffen werden. So ist es beispielsweise bekannt, einen Wi­ derstand in den Ausgang des Netzteils zu schalten. Bei einem Kurzschluß ergibt sich ein maximaler Strom in Höhe der Ausgangsspannung geteilt durch den Wider­ stand. Nachteil ist die Verlustleistung des Widerstands beim normalen Betrieb. Hier­ durch ist die Begrenzung auch nur in engen Grenzen möglich. Außerdem muß der Spannungsabfall über den Widerstand ausgeregelt werden.

Des weiteren ist es bekannt, eine Drossel in den Ausgang eines Netzgerätes zu schalten. Bei einem Kurzschluß oder Überschlag kann der Ausgangsstrom durch die Drossel bedingt nur langsam ansteigen. Nachteilig hierbei ist jedoch die Regeldy­ namik. Außerdem kann es vorkommen, daß die Sättigung erreicht wird. Der Strom könnte dann wieder ungehemmt ansteigen. Des weiteren gibt es auch Probleme bei einem Stromabriß, da durch die Drossel eine Selbstinduktionsspannung erzeugt wird. Hierdurch können gefährliche Spannungsspitzen entstehen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine eingangs genannte Schaltungsanordnung derart auszubilden, daß sie zur Begrenzung eines Laststroms bei sehr hohen Ausgangs­ spannungen verwendet werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung ist zwischen dem Stromausgang des zweiten Transistors und dem Ausgang der Schaltungsanordnung ein zweiter Widerstand geschaltet und zwi­ schen dem Eingang der Schaltungsanordnung und dem Stromausgang des zweiten Transistors wenigstens eine erste Zenerdiode geschaltet. Die erste Zenerdiode liegt somit parallel zur Strecke Stromeingang - Stromausgang des ersten Transistors. Hierdurch wird die am ersten Transistor abfallende Spannung auf die Zenerspan­ nung der Zenerdiode begrenzt. Wählt man die Zenerspannung so, daß sie unterhalb der höchst zulässigen Betriebsspannung des ersten Transistors liegt, ist der erste Transistor gegen Überspannungen geschützt.

Im normalen Betriebszustand ist der erste Transistor etwa durchgeschaltet, so daß an ihn nur eine geringe Spannung abfällt. Steigt jedoch der Ausgangsstrom an, er­ höht sich die an dem ersten Widerstand abfallende Spannung, wodurch sich die Spannung am Steuereingang des zweiten Transistors erhöht. Dies bewirkt, daß der zweite Transistor über seinen mit dem Steuereingang des ersten Transistors ver­ bundenen Stromeingang dem ersten Transistor Steuerstrom entzieht beziehungs­ weise sich die am Steuereingang des ersten Transistors anliegende Spannung ver­ ringert, wodurch der erste Transistor mehr sperrt und somit ein geringerer Strom fließt. Gleichzeitig mit der erhöhten Sperrung des ersten Transistors erhöht sich die an ihm abfallende Spannung.

Erreicht die Spannung den Wert der Spannung der ersten Zenerdiode, fließt durch die erste Zenerdiode und den mit ihr in Reihe geschalteten zweiten Widerstand ein Strom zum Ausgang der Schaltungsanordnung. Hierdurch wird am zweiten Wider­ stand ein Spannungsabfall hervorgerufen, welcher der am Steuereingang des zwei­ ten Transistors anliegenden Spannung entgegenwirkt. Dadurch sperrt der zweite Transistor etwas, wodurch die Spannung am Steuereingang des ersten Transistors ansteigt beziehungsweise ein weiteres Abfallen von ihr verhindert wird. Es stellt sich somit ein Gleichgewichtszustand ein, bei dem am ersten Transistor eine der Zener­ spannungen der ersten Zenerdiode entsprechende Spannung abfällt.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung liegt darin, daß mehrere Schaltungsanordnungen in Reihe geschaltet werden können, wodurch eine Strombegrenzung bei Spannungen nahezu beliebiger Höhe erreicht werden kann. Da die Spannungsbegrenzung jeweils für jede Schaltungsanordnung separat wirkt, spielen Unsymmetrien keine Rolle. Die Gesamtspannung setzt sich zusammen aus der Summe der durch die erste Zenerdiode festgelegte Maximalspannung einer jeden Schaltungsanordnung. Darüber hinaus ist es möglich, die erfindungsgemäße Schaltungsanordnungen auch parallel zu betreiben, wodurch sich der Gesamtaus­ gangsstrom vergrößert. Durch eine Kombination von Reihen- und Parallelschaltun­ gen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann fast jede beliebige Span­ nung und jeder beliebige Strom erreicht werden. Da die einzelne Schaltungsanord­ nung aus herkömmlichen Bauelementen aufgebaut ist, läßt sich eine sehr preiswerte Begrenzung eines nahezu beliebig großen Laststroms bei sehr hohen Ausgangs­ spannungen erreichen.

Als besonders günstig hat sich herausgestellt, zwischen dem Stromausgang des zweiten Transistors und dem Steuereingang des zweiten Transistors eine Diode an­ tiparallel zu schalten. Durch die Diode wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß an der Strecke zwischen dem Steuereingang des zweiten Transistors und dem Strom­ ausgang des zweiten Transistors keine Spannung auftreten kann, durch welche diese Strecke zerstört wird. Eine derartige Spannung könnte kurzzeitig beim Durch­ schalten der ersten Zenerdiode am zweiten Widerstand abfallen. Zur Dämpfung des Stromanstiegs ist daher bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in Reihe zu der ersten Zenerdiode ein zweiter Widerstand geschaltet. Durch diesen Wider­ stand wird der Stromanstieg durch die erste Zenerdiode etwas gedämpft.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der erste Transistor als FET ausgebildet ist.

Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines besonderen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

Es zeigt die einzige Figur zwei in Reihe geschaltete erfindungsgemäße Schaltungs­ anordnungen.

Wie der Figur entnommen werden kann, sind zwei identische Schaltungsanordnun­ gen hintereinander geschaltet. Das heißt, daß der Ausgang 15 der ersten Schal­ tungsanordnung mit dem Eingang 16' der zweiten Schaltungsanordnung verbunden ist. Somit wird der Eingang der Gesamtschaltung vom Eingang 16 der ersten Schal­ tungsanordnung und der Ausgang der Gesamtschaltung vom Ausgang 15' der zweiten Schaltungsanordnung gebildet. Die beiden Schaltungsanordnungen sind identischen ausgebildet, so daß es genügt, die Beschreibung anhand der ersten Schaltungsanordnung vorzunehmen.

Der Eingang 16 der Schaltungsanordnung ist mit dem einen Stromeingang darstel­ lenden Drainanschluß 1D eines ersten Metalloxyid-Feldeffekttransistors 1 (MOS- FET) verbunden. Der einen Stromausgang darstellenden Sourceanschluß des er­ sten Transistors 1 ist mit einem Ende eines ersten Widerstands 3 verbunden. Das andere Ende des ersten Widerstands 3 bildet den Ausgang 15 der Schaltungsan­ ordnung. Der einen Steuereingang darstellende Gateanschluß 1G des ersten Tran­ sistors 1 ist mit dem einen Stromeingang darstellenden Kollektoranschluß 2C eines zweiten Transistors 2 verbunden. Der einen Stromausgang bildende Emitteran­ schluß 2E des zweiten Transistors 2 ist mit einem ersten Anschluß eines zweiten Widerstands 4 verbunden. Der zweite Anschluß des zweiten Widerstands 4 ist mit dem Ausgang 15 der Schaltungsanordnung verbunden. Der einen Steuereingang darstellende Basisanschluß 2B des zweiten Transistors 2 ist mit dem Sourcean­ schluß 1S des ersten Transistors 1 verbunden. Zwischen dem Sourceanschluß 1S des ersten Transistors 1 und dem Eingang 16 der Schaltungsanordnung ist eine Reihenschaltung aus einem dritten Widerstand 14 und einer zweiten Zenerdiode 13 angeordnet. Die Verbindung zwischen dem dritten Widerstand 14 und der zweiten Zenerdiode 13 ist an den Gateanschluß 1G des ersten Transistors 1 angeschlossen. Zwischen dem Emitteranschluß 2E des zweiten Transistors 2 und dem Eingang 16 der Schaltungsanordnung ist eine Reihenschaltung aus sechs ersten Zenerdioden 5 bis 10 und einem vierten Widerstand 12 geschaltet. Es wurden sechs Zenerdioden verwendet, um mit Standardbauelementen eine hohe Zenerspannung zu erreichen Nachfolgend wird die Funktionsweise der Schaltungsanordnung kurz beschrieben. Der durch die Schaltungsanordnung vom Eingang 16 zum Ausgang 15 fließende Strom wird durch den ersten Transistor 1 gesteuert. Hierzu liegt am Gateeingang 1G des ersten Transistors 1 eine Spannung an. Die am Gateeingang 1G anliegende Spannung wird durch den zweiten Transistor 2 eingestellt. Die Spannung hängt da­ von ab, wie weit der zweite Transistor 2 durchgesteuert ist. Die Durchsteuerung des zweiten Transistors 2 hängt ab von der Spannung zwischen dem Basisanschluß 2B und dem Emitteranschluß 2E des zweiten Transistors 2.

Durch den dritten Widerstand 14 und der Kollektor-Emitterstrecke als zweiten Tran­ sistor 2 wird am Gateanschluß 1G des ersten Transistors 1 eine Spannung einge­ stellt, mittels welcher der Betriebszustand der Schaltungsanordnung 1 eingestellt wird. Im normalen Betriebszustand entspricht die Spannung am Gateanschluß 1G der Spannung am Drainanschluß 1D.

Unter der Voraussetzung, daß durch den zweiten Widerstand 4 kein Strom fließt und somit an ihm keine Spannung abfällt, entspricht die zwischen dem Basisanschluß 2B und dem Emitteranschluß 2E des zweiten Transistors anliegende Spannung dem durch den durch den ersten Transistor 1 fließenden Laststrom IL am ersten Wider­ stand 3 hervorgerufenen Spannungsabfall.

Erhöht sich der Laststrom IL, erhöht sich der Spannungsabfall am ersten Widerstand 3, das heißt die zwischen dem Basisanschluß 2B und dem Emitteranschluß 2E des zweiten Transistors 2 anliegende Spannung. Hierdurch schaltet der zweite Transi­ stor 2 weiter durch, wodurch die Spannung am Kollektoranschluß 2C des zweiten Transistors 2, das heißt am Gateanschluß 1G des ersten Transistors 1 geringer wird. Hierdurch verringert sich die Durchsteuerung des ersten Transistors 1, wo­ durch zum einen der Laststrom IL geringer wird, und zum anderen die am Transistor 1 zwischen dem Drainanschluß 1D und dem Sourceanschluß 1S anliegende Span­ nung größer wird.

Erreicht die zwischen dem Drainanschluß 1D und dem Sourceanschluß 1S des er­ sten Transistors 1 anliegende Spannung einen Wert, der größer als die Summe der Zenerspannungen der ersten Zenerdioden 5 bis 10 ist, fließt durch die Zenerdioden sowie dem vierten Widerstand 12 und dem zweiten Widerstand 4 ein Strom. Der am zweiten Widerstand 4 durch den Stromfluß hervorgerufene Spannungsabfall wirkt dem am ersten Widerstand 3 hervorgerufenen Spannungsabfall entgegen. Hierdurch verringert sich die zwischen dem Basisanschluß 2B und dem Emitteranschluß 2E des zweiten Transistors 2 anliegende Spannung.

Durch die Gegenwirkung stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein, bei dem durch die Schaltungsanordnung ein begrenzter Strom IL fließt und zwischen dem Drainan­ schluß 1D und dem Sourceanschluß 1S des ersten Transistors 1 eine Spannung etwa in der Höhe der Summe der Zenerspannungen der ersten Zenerdioden 5 bis 10 entspricht.

Der vierte Widerstand 12 dämpft den Stromanstieg durch die ersten Zenerdioden 5 bis 10. Hierdurch wird vermieden, daß am zweiten Widerstand 4 eine Spannungs­ spitze auftritt, welche unter Umständen den zulässigen Wert der zwischen dem Emitteranschluß 2E und dem Basisanschluß 2B des zweiten Transistors 2 anste­ henden Spannung übersteigen könnte. Dem selben Zweck dient auch die Diode 11. Durch die Diode 11 wird durch die zwischen dem Emitteranschluß 2E und dem Ba­ sisanschluß 2B des zweiten Transistors 2 anstehende Spannung auf etwa 0,7 Volt begrenzt. Zum Schutz der Gate-Sourcestrecke des Transistors 1 dient die Zenerdi­ ode 13. Wenn sich bei einem plötzlichen Lastabfall die Spannung am Kollektoran­ schluß 2C des Transistors 2 beziehungsweise am Gateanschluß 1G des Transistors 1 plötzlich erhöht befindet sich der Transistor 1 noch in Sperrzustand. Das heißt, über die Drain-Sourcestrecke des Transistors 1 fällt die durch die ersten Zenerdiode 5 bis 10 begrenzte Spannung ab. Hierdurch könnten im ersten Augenblick an der Gate-Sourcestrecke des Transistors 1 unzulässige Spannungswerte auftreten. Durch die zweiter Zenerdiode 13 kann diese Spannung jedoch auf zulässige Werte begrenzt werden.

Claims (3)

1. Schaltungsanordnung zur Begrenzung eines Laststromes (IL), mit einem als Längsregler geschalteten ersten Transistor (1), welcher einen Stromeingang (1D), einen Stromausgang (1S) und einen Steuereingang (1G) hat, einem zweiten Transi­ stor (2), welcher einen Stromeingang (2C), einen Stromausgang (2E) und einen Steuereingang (28) hat, und einem ersten Widerstand (3), welcher einerseits mit dem Stromausgang (1S) des ersten Transistors (1) verbunden ist und andererseits den Ausgang (15) der Schaltungsanordnung bildet, wobei der Stromeingang (1D) des ersten Transistors (1) den Eingang (16) der Schaltungsanordnung bildet, der Steuereingang (1G) des ersten Transistors (1) mit dem Stromeingang (2C) des zweiten Transistors (2) verbunden ist, der Steuereingang (2B) des zweiten Transi­ stors (2) mit dem Stromausgang (1S) des ersten Transistors (1) verbunden ist und der Stromausgang (2E) des zweiten Transistors (2) mit dem Ausgang (15) der Schaltungsanordnung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Stromausgang (2E) des zweiten Transistors (2) und dem Aus­ gang (15) der Schaltungsanordnung einer zweiter Widerstand (4) geschaltet ist und zwischen dem Eingang (16) der Schaltungsanordnung und dem Stromausgang (2E) des zweiten Transistors (2) wenigstens eine erste Zenerdiode (5 bis 10) geschaltet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Stromausgang (2E) des zweiten Transistors (2) und dem Steuer­ eingang (2B) des zweiten Transistors (2) eine Diode (11) geschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zu der ersten Zenerdiode (5 bis 10) ein dritter Widerstand (12) ge­ schaltet ist.