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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft allgemein das Gebiet von Umkehrspannungs- bzw. Überspannungsschutzeinheiten
für Verbraucher, die mit einer DC Gleichspannung von einer
DC Spannungsquelle gespeist werden.
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Insbesondere
betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines
Spannungsschutzes für einen Verbraucher, der zum Betrieb
mit einer DC Gleichspannung von einer DC Spannungsquelle versorgt
bzw. gespeist wird, die die Merkmale a), b) des Schutzanspruchs
1 umfasst. Das Einsatzgebiet einer derartigen Vorrichtung kann vielfältig
sein und ein typisches Beispiel ist die Bereitstellung eines Spannungsschutzes
für die elektronische Steuereinheit (ECU) eines Automobiles,
bei der eine falsche Polung beim Anschluss der Batterie an die elektronische Steuereinheit
eine Zerstörung derselben zur Folge haben kann. Andere
Einsatzgebiete sind in der Telekommunikation, z. B. bei der Verbindung
einer Batterie mit der der Steuereinheit einer Mobilfunkeinheit.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1 zeigt
ein Blockdiagramm, bei dem in einer Spannungsschutzvorrichtung VR
eine Umkehrspannungsschutzeinheit USS, die einen ersten und zweiten
Eingangsanschluss i+, i– und einen ersten und zweiten Ausgangsanschluss
o+, o– aufweist, zwischen eine DC Spannungsquelle B und
einen Verbraucher V geschaltet ist. Zum Betrieb benötigt
der Verbraucher V, z. B. eine elektronische Schaltung, eine vom
ersten Ausgangsanschluss o+ zum zweiten Ausgangsanschluss o– gerichtete
DC Spannung V'+. Wenn eine Spannung V'– zwischen den ersten und zweiten
Ausgangsanschluss o+, o– angelegt wird, so besteht die
Gefahr, dass der Verbraucher V zerstört oder zumindest
beschädigt wird.
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Die
Umkehrspannungsschutzeinheit USS ist zur Vermeidung dieses Problems
zwischen der DC Spannungseinheit B und dem Verbraucher V angeordnet.
Sie soll den Verbraucher V davor schützen, das beispielsweise
bei einer Verpolung der Anschlüsse i+, i– eine
Umkehrspannung V'– am Verbraucher
V anliegt, die von der vergolten Spannung V– an
den Eingangsanschlüssen i+, i– herrührt.
Das heißt, die Umkehrspannungsschutzeinheit USS soll vermeiden,
dass am Verbraucher V die schädlichen Umkehrspannungen
V'– im Betrieb anliegen.
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Um
diesen Umkehrspannungsschutz zu bewirken, umfasst die Umkehrspannungsschutzeinheit USS
typischerweise eine Schalteinheit SW, die den Verbraucher V von
der DC Spannungsquelle B entkoppelt, wenn die DC Gleichspannung
an den Eingangsanschlüssen i+, i– eine Spannung
V– mit einer Polarität
aufweist, die von dem zweiten Eingangsanschluss i– zu dem
ersten Eingangsanschluss i+ gerichtet ist, d. h. entgegengesetzt
zu der Betriebsspannung V+ mit einer ersten
Polarität ist, die von dem ersten Eingangsanschluss i+
zu dem zweiten Eingangsanschluss i– gerichtet ist. Dadurch
wird der Verbraucher V vor Umkehrspannungen V'– geschützt.
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2 zeigt
ein Beispiel einer Spannungsschutzvorrichtung VR mit einer Umkehrspannungsschutzeinheit
USS, die eine Diode D in dem Strompfad von der DC Energieversorgung
B zu dem Verbraucher V hin umfasst. Die Diode D erlaubt einen Stromfluss
nur in eine Richtung vom ersten Eingangsanschluss i+ zum ersten
Ausgangsanschluss o+ und nur dann, wenn die DC Spannung V mit der richtigen
Polarität V+ angelegt wird. Jedoch
gibt es einen inhärenten Spannungsabfall über
der Diode D, wenn sie leitet und, da die Diode immer Strom während
eines normalen Betriebs leitet, führt dies zu einem unnötigen
Energieverlust.
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3 zeigt
ein weiteres Beispiel einer Spannungsschutzvorrichtung VR mit einer
Umkehrspannungsschutzeinheit USS, bei der ein P-Kanal MOSFET Transistor
PT so verschaltet ist, dass die Drain d des Transistors PT mit dem
ersten Eingangsanschluss i+ verbunden ist, die Source s des P-Kanal MOSFET
Transistors PT mit dem ersten Ausgangsanschluss o+ verbunden ist,
und das Gate g des P-Kanal MOSFET Transistors PT über einen
Strombegrenzungswiderstand R1 mit einer Verbindung des zweiten Eingangsanschlusses
i– mit dem zweiten Ausgangsanschluss o– verbunden
ist. Der MOSFET Transistor PT ist nicht in einer normalen Konfiguration
verschaltet, d. h. die Drain-Source-Spannung ist umgekehrt von derjenigen
einer normalen Konfiguration. Die Leitungscharakteristiken des MOSFET Transistors
PT sind jedoch in diesem Umkehrmodus genauso wie in dem Vorwärtsmodus.
Im normalen Betrieb, wenn die richtige (nicht verpolte) Spannung V+ zwischen dem ersten Eingangsanschluss i+
und dem zweiten Einganganschluss i– angelegt wird, dann
leitet der Transistor PT und die DC Gleichspannung V'+ wird
mit richtiger Polarität, gerichtet vom ersten o+ zum zweiten
o– Ausgangsanschluss, an dem Verbraucher V angelegt.
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Wenn
die verpolte Spannung V– zwischen die
Einganganschlüsse i+, i–, gerichtet vom zweiten i– zum
ersten i+ Eingangsanschluss, angelegt wird, dann wirkt die inhärente
Diode zwischen der Drain d und der Source s als eine offene Schaltung
und verhindert einen Stromfluss, so dass der Verbraucher V von der
Energiequelle B entkoppelt wird. Obwohl einige Energieverluste vorhanden
sein werden, ist der Energieverlust geringer als bei der Reihendiode
D in 2.
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Zum
Schutz des Gates g ist ein Paar einer ersten und zweiten Zenerdioden
Z1, Z2 vorgesehen, die an ihren Katoden verbunden sind, wobei deren Anoden
jeweils mit dem Gate g und der Source s verbunden sind. Die Zenerdioden
Z1, Z2 sind als Suppressordiode verschaltet. Die Beispiele in
2 und
3 sind
aus der
US 5, 546,264 bekannt.
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Obwohl
die Umkehrspannungseinheit USS, insbesondere gemäß des
Beispiels in 3, gut arbeitet und zudem geringere
Energieverluste als das Beispiel in 2 aufweist,
besteht dennoch ein weiters Problem im Zusammenhang mit dem Einsatz des
MOSFETs Transistors PT in 3. Obwohl
eine Umkehrspannung V– effektiv
vor Anlegung an den Verbraucher V entkoppelt werden kann, kann dennoch
der MOSFET Transistor PT bei überhöhten Spannungen
V+ und insbesondere bei erhöhten
Umkehrspannungen V– beschädigt
oder zerstört werden. Zwar stellt der Strombegrenzungswiderstand
R1 eine gewisse Strombegrenzung für den MOSFET Transistor
PT bereit, aber dennoch kann der Transistor PT bei erhöhten
Spannungen V–, V+ zerstört
oder zumindest beschädigt werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Wie
voran stehend erläutert, obwohl die Schaltung in 1, 2, 3 einen
effektiven Umkehrspannungsschutz für den Verbraucher V bzw.
dessen elektronische Schaltungen bereitstellen kann, besteht dennoch
das Problem, dass die in der Umkehrspannungsschutzeinheit USS verwendeten Schaltungskomponenten
durch überhöhte Spannungen zerstört bzw.
beschädigt werden. Dieses Problem stellt sich bei erhöhten
richtig gepolten Betriebsspannungen V+ der
DC Spannungsquelle B, sowie bei großen erhöhten
Umkehrspannungen V– der Spannungsquelle
gleichermaßen.
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Das
technische Problem der Erfindung besteht daher darin, eine Vorrichtung
zum Bereitstellen eines Spannungsschutzes für einen Verbraucher
bereitzustellen, bei der erhöhte Eingangsspannungen keine
Zerstörung der Schaltungskomponenten der Umkehrspannungsschutzeinheit
bewirken können.
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Dieses
technische Problem wird gelöst durch eine Vorrichtung zum
Bereitstellen eines Spannungsschutzes für einen Verbraucher,
der zum Betrieb mit einer DC Gleichspannung von einer DC Spannungsquelle
versorgt wird, umfassend einen ersten und zweiten Eingangsanschluss,
zwischen denen im Betrieb die DC Gleichspannung mit einer ersten
Polarität der DC Spannungsquelle angelegt wird, und einen ersten
und zweiten Ausgangsanschluss, die mit dem Verbraucher verbunden
sind und zwischen denen im Betrieb die DC Gleichspannung mit der
ersten Polarität anliegt; und eine zwischen die Eingangs-
und Ausgangsanschlüsse geschaltete Umkehrspannungsschutzeinheit
zum Entkoppeln des Verbrauchers von der DC Spannungsquelle, wenn
die DC Gleichspannung an den Eingangsanschlüssen eine zweite
Polarität entgegengesetzt zu der ersten Polarität
aufweist, zum Schützen des Verbrauchers vor Umkehrspannungen,
umfassend eine zwischen die Eingangsanschlüsse geschaltete Überspannungsschutzeinheit,
zum Schützen der Umkehrspannungsschutzeinheit vor Überspannungen.
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Die
zwischen die Eingangsanschlüsse geschaltete Überspannungsschutzeinheit
ermöglicht, dass sämtliche nachfolgenden Schaltungskomponenten
in der Vorrichtung, insbesondere in der Umkehrspannungsschutzeinheit,
vor Überspannungen, beispielsweise hervorgerufen durch Anschließen
einer falschen DC Spannungsquelle, geschützt werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen, Ausbildungen und Verbesserungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Es
ist vorteilhaft, wenn die Umkehrspannungsschutzeinheit eine Schalteinheit
umfasst, die zwischen den ersten Eingangsanschluss und den ersten
Ausgangsanschluss geschaltet ist, und einen ersten Zustand, in dem
der erste Eingangsanschluss mit dem ersten Ausgangsanschluss verbunden
ist, und einen zweiten Zustand, in dem der erste Eingangsanschluss
von dem ersten Ausgangsanschluss getrennt ist, aufweist, wobei die
Schalteinheit in ihren ersten Zustand geht, wenn die an die Eingangsanschlüsse
angelegte DC Gleichspannung die erste Polarität aufweist,
und in ihren zweiten Zustand geht, wenn die an die Eingangsanschlüsse
angelegte DC Gleichspannung eine zweite Polarität, entgegengesetzt
zu der ersten Polarität, aufweist.
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Es
ist vorteilhaft, wenn die Umkehrspannungsschutzeinheit eine zwischen
den ersten Eingangsanschluss und den ersten Ausgangsanschluss geschaltete
Diode umfasst.
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Es
ist auch vorteilhaft, wenn die Überspannungsschutzeinheit
eine erste und zweite Zenerdiode umfasst, deren Kathoden untereinander
und deren Anoden mit dem ersten bzw. zweiten Eingangsanschluss verbunden
sind.
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Zudem
ist es auch vorteilhaft, wenn die Schalteinheit einen N-Kanal MOSFET
Transistor umfasst.
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Es
ist auch vorteilhaft, wenn die Vorrichtung einen Strombegrenzungswiderstand
umfasst.
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Ferner
hat sich als besonders erfolgreich herausgestellt, dass der zweite
Eingangsanschluss mit dem zweiten Ausgangsanschluss verbunden ist,
die Drain des P-Kanal MOSFET Transistors mit dem ersten Eingangsanschluss
verbunden ist, die Source des P-Kanal MOSFET Transistors mit dem
ersten Ausgangsschluss verbunden ist, und das Gate des P-Kanal MOSFET
Transistors über den erwähnten Widerstand mit
der Verbindung des zweiten Eingangsanschlusses mit dem zweiten Ausgangsanschluss
verbunden ist.
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Vorteilhaft
ist auch, wenn der erste Eingangsanschluss mit dem ersten Ausgangsanschluss verbunden
ist, die Source eines N-Kanal MOSFET Transistors mit dem zweiten
Ausgangsanschluss verbunden ist, die Drain des N-Kanal MOSFET Transistors
mit dem zweiten Eingangsanschluss verbunden ist, und das Gate des
N-Kanal MOSFET Transistors über den Strombegrenzungswiderstand
mit der Verbindung des ersten Eingangsanschlusses und des ersten
Ausgangsanschlusses verbunden ist.
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Vorteilhaft
ist auch, wenn eine vierte und fünfte Zenerdiode vorhanden
sind, deren Kathoden untereinander und deren Anoden mit der Source
bzw. mit dem Gate des MOSFET Transistors verbunden sind, zum Bereitstellen
eines Spannungsschutzes für das Gate.
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Vorteilhaft
ist auch, wenn die Vorrichtung einen Kondensator umfasst, der zwischen
die Eingangsanschlüsse geschaltet ist.
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Obwohl
einige spezifische Ausführungsformen nachstehend unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen erörtert werden, sei darauf
hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen und dargestellten
Ausführungsformen beschränkt ist. Insbesondere
umfasst die Erfindung auch Ausführungsformen, die sich
aus einer Kombination von in den Zeichnungen und in der Beschreibung
getrennt aufgeführten und beschriebenen Merkmalen bzw. Schritten
ergeben.
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Nachstehend
wird die Erfindung anhand ihrer vorteilhaften Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 ein
allgemeines Blockschaltbild einer Spannungsschutzvorrichtung VR
mit einer Umkehrspannungsschutzeinheit USS, die zwischen einer DC Spannungsquelle
B und einem Verbraucher V eingefügt ist, gemäß eines
allgemeinen Standes der Technik;
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2 ein
erstes Beispiel einer Spannungsschutzvorrichtung VR mit einer Umkehrspannungsschutzeinheit
USS in Form einer Vorwärtsdiode D, gemäß dem
Stand der Technik;
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3 ein
zweites Beispiel einer Spannungsschutzvorrichtung VR mit einer Umkehrspannungsschutzeinheit
USS mit einem P-Kanal MOSFET Transistor PT und einem Gate-Spannungsschutz
Z1, Z2, gemäß dem Stand der Technik;
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4 ein
Blockschaltbild einer Spannungsschutzvorrichtung VR mit einer Umkehrspannungsschutzeinheit
USS und einer Überspannungsschutzeinheit US, gemäß der
Erfindung;
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5a eine
erste Ausführungsform der Spannungsschutzvorrichtung VR
gemäß 4, bei der die Überspannungsschutzeinheit
USS mit einem P-Kanal MOSFET Transistor PT realisiert wird; und
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5b eine
zweite Ausführungsform der Spannungsschutzvorrichtung VR
gemäß 4, bei der die Überspannungsschutzeinheit
USS mit einem N-Kanal MOSFET Transistor NT realisiert ist.
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Nachstehend
wird unter Bezugnahme auf 4 zunächst
das Prinzip der Erfindung erläutert.
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ERLÄUTERUNG DES PRINZIPS
DER ERFINDUNG
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4 zeigt
zunächst das Prinzip der Erfindung ganz allgemein. Eine
Vorrichtung zum Bereitstellen eines Spannungsschutzes für
einen Verbraucher V, der zum Betrieb mit einer DC Gleichspannung V+, V'+ von einer
DC Spannungsquelle B versorgt wird, umfasst einen ersten und zweiten
Eingangsanschluss i+, i– und einen ersten und zweiten Ausgangsanschluss
o+, o–. Die Ausgangsanschlüsse o+, o– sind
mit dem Verbraucher V verbunden. Im Betrieb, wenn die nicht verpolte
DC Gleichspannung V+ zwischen die Eingangsanschlüsse
i+, i– mit einer ersten Polarität von dem ersten
i+ zu dem zweiten i– Eingangsanschluss angelegt werden,
erhält der Verbraucher V zwischen den Ausgangsanschlüssen
o+, o–, gerichtet vom ersten o+ zum zweiten o– Ausgangsanschluss,
die DC Gleichspannung V'+ mit der richtigen (ersten) Polarität.
Wenn also die DC Versorgungsspannung V+ mit
der richtigen ersten Polarität (vom ersten Eingansanschluss
i+ zum zweiten Eingangseinschluss i– gerichtet) an den
Eingangsanschlüssen angelegt wird, so erhält der
Verbraucher V eine der Eingangsspannung V+ entsprechende
(nämlich um die Verluste in der Umkehrspannungseinheit USS verminderte)
Versorgungsspannung V'+ mit der richtigen
(ersten) Polarität von dem ersten Ausgangsanschluss o+
zu dem zweiten Ausgangsanschluss o–.
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Wenn
die DC Gleichspannung der DC Energieversorgung B an den Eingangsanschlüssen
i+, i– eine zweite Polarität entgegengesetzt zu
der ersten Polarität aufweist, d. h. wenn eine verpolte
Eingangsspannung V– zwischen die
Eingangsanschlüsse i+, i– angelegt wird (gerichtet
von dem zweiten i– zu dem ersten i+ Eingangsanschluss),
dann entkoppelt die Umkehrspannungsschutzeinheit USS den Verbraucher
V von der DC Spannungsquelle B, um den Verbraucher V vor Umkehrspannungen
zu schützen. Diese Entkopplung kann beispielsweise mit
der in 4 dargestellten Schalteinheit SW erfolgen, ist aber
nicht darauf beschränkt. Wichtig ist, dass bei Anliegen
von fehlerhaften Spannungen, d. h. bei einer Verpolung beim Anschließen
der Batterie B an die Umkehrspannungsschutzeinheit USS verhindert wird,
dass die verpolte Eingangsspannung V– an
den Verbraucher V gelangt und diesen beschädigt oder sogar
zerstört.
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Zwischen
die Eingangsanschlüsse i+, i– ist eine Überspannungsschutzeinheit
US geschaltet, um sämtliche Komponenten der Umkehrspannungsschutzeinheit
USS vor Überspannungen zu schützen. Derartige Überspannungen
können beispielsweise durch Anschließen einer
falschen DC Spannungsquelle B an die Eingangsanschlüsse
i+, i– hervorgerufen werden. Gleichermaßen, selbst
wenn die Umkehrspannungsschutzeinheit USS die Entkopplung der vergolten
falschen Eingangsspannung V– von
dem Verbraucher V bewirken kann, so ist es selbst in diesem Fall
möglich, dass der Betrag der vergolten Eingangsspannung
V– Leistungskennmerkmale der Schaltungskomponenten
der Umkehrspannungsschutzeinheit USS, egal wie sie ausgeführt
ist, überschreitet und die Schaltungskomponenten der Umkehrspannungsschutzeinheit
USS damit zerstört bzw. beschädigt. Die Überspannungsschutzeinheit
US gemäß der Erfindung, die zwischen die Eingangsanschlüsse
i+, i– geschaltet ist, verhindert eine derartige Zerstörung
von Schaltungskomponenten der Umkehrspannungsschutzeinheit USS,
wenn erhöhte Spannungen V+, V– an den Eingangsanschlüssen
i+, i– der Spannungsschutzvorrichtung VR anliegen.
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In 4 ist
die Umkehrspannungsschutzeinheit USS zwischen den ersten Eingangsanschluss
i+ und den ersten Ausgangsanschluss o+ geschaltet und der zweite
Eingangsanschluss i– und der zweite Ausgangsanschluss o– sind
verbunden, wobei bei einer Verpolung der Eingangsspannung V+ die
Entkopplung durch Trennung des ersten Eingangsanschlusses i+ vom
ersten Ausgangsanschluss o+ erfolgt. Es ist jedoch auch möglich
die Umkehrspannungsschutzeinheit USS zwischen dem zweiten Eingangsanschluss
i– und dem zweiten Ausgangsanschluss o– anzuordnen
und den ersten Einganganschluss i+ mit dem ersten Ausgangsanschluss
o+ zu verbinden. In diesem Fall erfolgt bei einer Verpolung der
Eingangsspannung V+ die Entkopplung des Verbrauchers V von der DC
Energiequelle B durch Trennung des zweiten Eingangsanschlusses i– vom
zweiten Ausgangsanschluss o–. Die Umkehrspannungsschutzeinheit
USS kann dann so aufgebaut sein, wie eine Ausführungsform
in 5b zeigt, die nachstehend noch diskutiert werden
wird.
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Es
ist sogar möglich, dass eine erste Umkehrspannungsschutzeinheit
USS zwischen dem ersten Eingangsanschluss i+ und dem ersten Ausgangsanschluss
o+ angeordnet ist und eine zweite Umkehrspannungseinheit USS zwischen
dem zweiten Eingangsanschluss i– und dem zweiten Ausgangsanschluss
o– angeordnet ist. Diese Umkehrspannungsschutzeinheiten
USS können dann beispielsweise jeweils so aufgebaut sein,
wie in 5a und 5b gezeigt.
Einerseits wird damit ein doppelter Schutz bereitgestellt und andererseits
können die Schaltschwellen, um jeweils von dem ersten Zustand in
den zweiten Zustand zu gehen, in jeder Umkehrspannungsschutzeinheit
USS unterschiedlich eingestellt werden.
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In 4 und
den 5a und 5b wird eine
Entkopplung vorgenommnen, wenn die Eingangsspannung V+ verpolt an
dem ersten und zweiten Eingangsanschluss anliegt, d. h. die Verpolung der
Eingangsspannung V triggert die Entkopplung des Verbrauchers V von
der DC Energiequelle B. Möglich ist jedoch auch eine Konfiguration,
bei der die an dem Verbraucher V vorhandene DC Spannung V' die Entkopplung
verursacht, z. B. wenn im Verbraucher V selbst eine Fehlspannung
erzeugt wird, die verpolt als Spannung V'– an dem ersten
und zweiten Ausgangsanschluss o–, o+ anliegt. Es kann sinnvoll
sein zu verhindern, dass eine derartige Spannung V'– zurück
auf den Eingang i+, i– durch die Vorrichtung VR wirkt,
so dass elektronische Schaltungen in der DC Energiequelle B selbst
zerstört bzw. beschädigt werden. Dies ist heutzutage
durchaus nicht unwahrscheinlich, da viele DC Energiequellen B heutzutage
beispielsweise Mikroprozessorgestützte Ladeüberwachungsschaltungen
oder andere Schaltungen zur Überwachung der Strom und Spannungsabgabe
enthalten. Um diese „Rückschlagspannungen" vom
Ausgang auf den Eingang zurück zu vermeiden, kann man nur
im oberen Pfad von dem ersten Ausgangsanschluss o+ zu dem ersten
Eingangsanschluss i+ eine Umkehrspannungsschutzeinheit USS anordnen
(und den zweiten Ausgangsanschluss o– mit dem zweiten Eingangsanschluss
i– verbinden), die eine Entkopplung dann vornimmt, wenn
eine verpolte Spannung V'– vom Verbraucher V selbst erzeugt
wird oder an den Ausgangsanschlüssen o+, o– vorhanden
ist. Alternativ kann die Einheit USS nur in dem unteren Pfad zwischen
dem zweiten Ausgangsanschluss o– und dem zweiten Eingangsanschluss
i– angeordnet werden und der obere Pfad zwischen dem ersten
Ausgangsanschluss o+ und dem ersten Eingangsanschluss i+ direkt
verbunden werden, wobei die Einheit USS die Entkopplung wiederum
dann vornimmt, wenn eine verpolte Spannung V'– vom Verbraucher
V selbst erzeugt wird oder an den Ausgangsanschlüssen o+,
o– vorhanden ist, wobei diese Entkopplungen natürlich
vorzugsweise dann vorgenommen werden, wenn keine DC Energiespannung
am Eingang i+, – anliegt. In diesen Fällen wird
die Überspannungsschutzeinheit US immer zwischen dem ersten
Ausgangsanschluss o+ und dem zweiten Ausgangsanschluss o– angeordnet.
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Es
ist jedoch auch denkbar, dass eine erste Einheit USS in dem oberen
Pfad zwischen dem ersten Eingangsanschluss i+ und dem ersten Ausgangsanschluss
o+ angeordnet ist und eine Entkopplung bei Verpolung der Spannung
V– an den Eingangsanschlüssen i+, i– vornimmt,
und eine zweite Einheit USS in dem unteren Pfad zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss
o– und dem zweiten Eingangsanschluss i– angeordnet
ist und eine Entkopplung bei Verpolung der Spannung V'– an
den Ausgangsanschlüssen o+, o– vornimmt. Damit
kann quasi eine „bidirektionale" Entkopplung vorgenommen
werden, d. h. in der Vorwärtsrichtung, wenn die DC Energiequellenspannung
V– verpolt angelegt wird und in der Rückwärtsrichtung,
wenn die DC Energiequelle möglicherweise abgeschaltet ist
und der Verbraucher V eine verpolte Spannung V'– fehlerhaft
selbst erzeugt oder diese anderswie dort verursacht wird. In beiden Fällen
ist dann vorzugsweise jeweils eine Überspannungsschutzeinheit
US über den Eingangsanschlüssen i+, i– und
den Ausgangsanschlüssen o+, o– vorgesehen, zum
jeweiligen Schutz der jeweiligen Umkehrspannungsschutzeinheit USS.
Zweckdienlicher weise wird dann, wenn die DC Gleichspannung von der
DC Energieversorgung B erzeugt und an die Eingangsanschlüsse
i+, i– angelegt wird, diese Tatsache von einem ersten Detektor
erfasst und dann die in einer Leitung i+ → o+ oder i– → o– vorhandene Umkehrspannungseinheit
USS mit einer Überbrückungsschaltung überbrückt.
Genauso wird zweckdienlicher weise dann, wenn die DC Gleichspannung
von dem Verbraucher V selbst erzeugt wird (und keine Eingangsspannung
von der DC Energiequelle erzeugt wird) und an die Ausgangsanschlüsse
o+, o– als Fehlspannung verpolt angelegt wird, diese Tatsache von
einem zweiten Detektor erfasst und dann die in einer Leitung o+ → i+
oder o– → i– vorhandene Umkehrspannungseinheit
USS mit einer Überbrückungsschaltung überbrückt.
Dies kann je nach Aufbau der Umkehrspannungseinheit USS erforderlich sein,
um einen Stromfluss in einem Rückflusspfad zu entweder
der DC Energieversorgung oder dem Verbraucher V zu garantieren.
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Es
ist natürlich auch möglich den oberen Pfad mit
dem unteren Pfad auszutauschen, d. h. so, dass eine Einheit USS
in dem unteren Pfad die Entkopplung bei verpolter DC Energiequellenspannung V– am
Eingang i+, i– vornimmt und eine andere Einheit USS in
dem oberen Pfad die Entkopplung bei verpolter Spannung V'– am
Ausgang o+, o– vornimmt. Auch in diesem Fall ist dann vorzugsweise
jeweils eine Überspannungsschutzeinheit US über
den Eingangsanschlüssen i+, i– und den Ausgangsanschlüssen
o+, o– vorgesehen, zum jeweiligen Schutz der jeweiligen
Umkehrspannungsschutzeinheit USS.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass bei allen voran stehend beschriebenen
Beispielen der Anordnung von einer oder mehreren Umkehrspannungseinheiten
USS und Überspannungsschutzeinheiten US jede Einheit USS
und US so aufgebaut sein kann, wie unter Bezugnahme auf 5a, 5b beschrieben
werden wird. Das heißt, für einen Doppelvorwärtsschutz
werden die 5a und 5b kombiniert
und für einen Vorwärts-/Rückwärtsschutz
bzw. Rückwärts-/Vorwärtsschutz werden
die 5a, 5b ebenfalls kombiniert, aber
eine der beiden Drain-Source Anschlusspaare D-S umgedreht in S-D.
Dies kann dann im oberen oder unteren Pfad geschehen. In beiden
Fällen ist in vorteilhafter Weise jeweils eine Überspannungsschutzeinheit
US über den Eingangsanschlüssen i+, i– bzw.
den Ausgangsanschlüssen o+, o– vorhanden.
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BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
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4 zeigt
bereits eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung,
bei der die Umkehrspannungsschutzeinheit USS eine Schalteinheit
SW umfasst, die zwischen den ersten Eingangsanschluss i+ und den
ersten Ausgangsanschluss o+ geschaltet ist, und die einen ersten
Zustand aufweist, in dem der erste Eingangsanschluss i+ mit dem
ersten Ausgangsanschluss o– verbunden ist, und einen zweiten
Zustand aufweist, in dem der erste Eingansanschluss i+ von dem ersten
Ausgangsanschluss o+ getrennt ist. Die Schalteinheit SW geht in
ihren ersten Zustand, wenn die an die Eingangsanschlüsse
i+, i– angelegte DC Spannung V+ die
erste Polarität, gerichtet von dem ersten Eingangsanschluss
i+ zu dem zweiten Eingangsanschluss i–, aufweist. Die Schalteinheit
SW geht in ihren zweiten Zustand, wenn die an die Eingangsanschlüsse
i+, angelegte DC Gleichspannung V– die
zweite Polarität, entgegengesetzt zu der ersten Polarität
und damit von dem zweiten Eingangsanschluss i– zu dem ersten
Eingangsanschluss i+ gerichtet, aufweist. Damit wird eine automatische
Entkopplung des Verbrauchers V von der DC Gleichspannungsquelle
B bei Verpolungen der Eingangsspannung V erreicht.
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Die
Umkehrspannungsschutzeinheit USS kann auch mit einer zwischen den
ersten Eingangsanschluss i– und den ersten Ausgangsanschluss
o– geschalteten Diode D realisiert werden. Da die Überspannungsschutzeinheit
US über den Eingansanschlüssen i+, i– parallel
geschaltet ist, können sämtliche Ausführungsformen
der Schalteinheit SW mit einem ersten bzw. zweiten Zustand oder
mittels einer Diode D vor Überspannungen der normalen sowie der
vergolten Eingangsspannung V+, V– geschützt werden.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform der Überspannungsschutzeinheit
US in Form einer dualen Supressordiode V1 ist in 5a und 5b gezeigt. Eine
derartige Überspannungsschutzeinheit US umfasst eine erste
und zweite Zehnerdiode Z1, Z2, deren Katoden K1, K2 untereinander
verbunden sind und deren Anoden mit dem ersten bzw. zweiten Eingangsanschluss
i+, i– verbunden sind. Ein Beispiel für eine derartige
duale Supressordiode ist RKZ 223 611/1-VISHAY SMAJ5.0CA-E3.
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Weitere
Ausführungsformen der Erfindung sind in den 5a und 5b gezeigt.
In 5a ist die Schalteinheit SW mit einem P-Kanal
MOSFET Transistor PT verwirklicht und in 5b ist
die Schalteinheit SW mit einem N-Kanal MOSFET Transistor NT realisiert.
Beide Schaltungen umfassen einen Strombegrenzungswiderstand R1.
Wie in der 4 ist eine Überspannungsschutzeinheit
US zwischen den ersten Eingangsanschluss i+ und den zweiten Eingangsanschluss
i– geschaltet und eine bevorzugte Ausführungsform
davon umfasst die bereits erwähnte Supressordiode V1. Obwohl
die Supressordiode V1 eine bevorzugte Ausführungsform in
Verbindung mit den P- bzw. N-Kanal MOSFET Transistoren PT, NT darstellt,
sei darauf hingewiesen, dass auch Überspannungsschutzeinheiten
US in anderer Form verwendet werden können.
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In 5a ist
der zweite Eingangsanschluss i– mit dem zweiten Ausgangsanschluss
o– verbunden und die Drain d des P-Kanal MOSFET Transistors
PT ist mit dem ersten Eingansanschluss i+ verbunden. Die Source
s des P-Kanal MOSFET Transistors PT ist mit dem ersten Ausgangsanschluss
o+ verbunden und das Gate g des P-Kanal MOSFET Transistors PT ist über
den Strombegrenzungswiderstand R1 mit der Verbindung des zweiten
Einganganschlusses i– mit dem zweiten Ausgangsanschluss
o– verbunden.
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Der
P-Kanal MOSFET Transistor PT in 5a ist
als High-Side Switch implementiert. Der P-Kanal MOSFET Transistor
PT V2 wird durch die in dem MOSFET enthaltene parasitäre
Diode (zwischen Drain d und Source s) leitend geschaltet. Der Widerstand
R1 dient als Strombegrenzung für den Gate Strom IG. Somit wird die Spannung für die
folgende elektrische Schaltung bei richtiger Anlegung der Eingansspannung
V+ im ersten Zustand der Schalteinheit SW
mit richtiger Polarität an den Verbraucher V gegeben. Wird
die Eingangsspannung nun verpolt angelegt, d. h. wird die Eingangsspannung
V– mit einer zweiten Polarität
von dem zweiten Eingansanschluss i– zu dem ersten Eingangsanschluss
i+ angelegt, dann sperrt der P-Kanal MOSFET PT, da die parasitäre
Diode ein Schalten des MOSFET verhindert. Somit geht die mit dem
Transistor PT realisierte Schalteinheit SW in ihren zweiten Zustand,
in dem der erste Eingangsanschluss i+ von dem ersten Ausgangsanschluss
o+ getrennt ist und somit der Verbraucher V von der DC Spannungsquelle
B entkoppelt wird.
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Bei
der Ausführungsform in 5b ist
der erste Eingangsanschluss i+ mit dem ersten Ausgangsanschluss
o+ verbunden, die Source s des N-Kanal MOSFET Transistors NT ist
mit dem zweiten Ausgangsanschluss o– verbunden, die Drain
d des N-Kanal MOSFET Transistors NT ist mit dem zweiten Eingangsanschluss
i– verbunden, und das Gate g des N-Kanal MOSFET Transistors
NT ist über den Widerstand R1 mit der Verbindung des ersten
Eingansanschlusses i+ mit dem ersten Ausgangsanschluss o+ verbunden.
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Auch
in 5b dient die Überspannungsschutzeinheit
US, die in vorteilhafter Weise mit der dualen Supressordiode V1
aufgebaut sein kann, dazu zu verhindern, dass eine zu hohe Eingangsspannung
V+, hervorgerufen beispielsweise durch Anschließen
einer falschen DC Energiespannungsquelle B oder durch Verpolung
der Anschlüsse davon, an die nachfolgenden Komponenten,
beispielsweise den Transistor NT, gelangt.
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Der
N-Kanal MOSFET ist als Low-Side Switch in der Umkehrspannungsschutzeinheit
USS implementiert. Der N-Kanal MOSFET wird über das Gate
leitend geschaltet. Der Strombegrenzungswiderstand R1 dient wiederum
als Strombegrenzung für den Gate Strom IG.
Somit wird der Stromkreis der folgenden elektronischen Schaltung
geschlossen. Wird nun die Eingangsspannung verpolt, d. h. eine Eingangsspannung
V. mit umgekehrter Polarität an die Eingansanschlüsse
i+, i– angelegt, so sperrt der N-Kanal MOSFET Transistor
NT, da die Spannung UGS zwischen Gate G
und Source S nicht mehr positiv ist und somit wird der Stromkreis
unterbrochen.
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Somit
wird auch in 5b, wie in 5a,
bei Verpolungen der Eingangsspannung zwischen den Eingangsanschlüssen
i+, i– der Verbraucher V von der DC Spannungsquelle B entkoppelt,
d. h. die durch einen MOSFET implementierte Schalteinheit SW geht
von ihrem ersten Zustand, in dem der zweite Eingangsanschluss i– mit
dem zweiten Ausgangsanschluss o– verbunden sind, in einen
zweiten Zustand, bei dem der zweite Eingangsanschluss i– von
dem zweiten Ausgangsanschluss o– getrennt ist.
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Ein
Beispiel eines P-Kanal MOSFET Transistors, der in 5a verwendet
werden kann, ist RYN 122 1710/1-VISHAY SI3473CDV-T1-E3. Auch in 5b kann
die Überspannungsschutzeinheit US in vorteilhafter Weise
mit der dualen Supressordiode V1 realisiert werden.
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WEITERE AUSFÜHRUNGENSFORMEN
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Vorzugsweise
ist zwischen den Eingansanschlüssen i+, i– ein
Kondensator C1 vorgesehen. In vorteilhafter Weise kann der Kondensator
C1 Spannungswelligkeiten kompensieren, so dass der Überspannungsschutz
US nicht sofort bei geringfügigen Überschreitungen
der DC Nennspannung V+ ausgelöst
wird.
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Ferner
kann eine vierte und fünfte Zehnerdiode Z3 Z4, deren Katoden
K1, K2 untereinander und deren Anoden mit der Source s bzw. mit
dem Gate g des MOSFET Transistors NT PT verbunden sind, auch in 5a, 5b, ähnlich
wie in 3 zusätzlich zu dem Überspannungsschutz
US verwendet werden. In vorteilhafter Weise wird zusätzlich
dadurch ein Spannungsschutz speziell für das Gate g des
jeweiligen MOSFETs bereitgestellt.
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Für
den Kondensator C1 kann ein SMD Kondensator mit einer Kapazität
von 1 nF und einer Spannungsfestigkeit von 50 V verwendet werden. Ein
typischer Widerstand R1 für die Strombegrenzung ist ein
SMD Widerstand mit 10 kOhm.
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GEWERBLICHE ANWENDBARKEI
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Das
Prinzip der Erfindung, so wie insbesondere in 4, 5a, 5b dargestellt,
kann auf jede Versorgungsspannung bzw. jeden elektronischen Verbraucher
V angewendet werden. Ein spezielles Beispiel einer Anwendung ist
die Anlegung einer Batteriespannung an eine elektronische Fahrzeugsteuereinheit
oder die Anlegung einer Batterie an ein Mobilfunkgerät,
bzw. deren elektronische Steuereinheit.
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Bezugszeichen
in den Schutzansprüchen dienen der Illustration und engen
den Schutzumfang in der Erfindung nicht ein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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