DE2504648C2

DE2504648C2 - Schaltungsanordnung zur Abschaltung bei Überstrom oder Überspannung

Info

Publication number: DE2504648C2
Application number: DE2504648A
Authority: DE
Inventors: Hitoo Takatsuki Iwasa; Gota Nagaoka Kano
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1974-02-04
Filing date: 1975-02-04
Publication date: 1982-11-11
Also published as: JPS50108539A; FR2260209B1; GB1498527A; US3992650A; CA1025947A; FR2260209A1; DE2504648A1; JPS579291B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Abschaltung bei Überstrom oder Überspannung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Schaltungsanordnung dieser Art ist aus dt DE-OS 17 63 885 bekannt. Dabei weist die Steuereinrichtung eine Spannungsregelungsschaltung und eine Stromregelungsschaltung auf, die beide einen Steuertransistor beeinflussen, der den Basisstrom des zwischen die Gleichspannungsquelle und den Verbraucher geschalteten Transistors steuert. Die Stromregelungsschaltung bringt beim Überschreiten des Schwellenwertes des zum Verbraucher fließenden Stroms über den Steuertransistor den zwischen Gleichspannungsquelle und Verbraucher geschalteten Transiistor in den Sperrzustand. Der Verbräucherström wird dadurch abgeschaltet. Die gesamte Schaltungsanordnung durchläuft dabei eine rückläufige Spannung-Strom-Kennlinie-Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltüngsanord^ nung zur Abschaltung bei Überstrom oder Überspan* nung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die einfacher im Aufbau ist, einen geringeren Aufwand erfordert und weniger Anschlüsse benötigt.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben und kann gemäß dem Unteranspruch vorteilhaft weitergebildet werden.

Durch den Einsatz eines negativen Widerstandes und durch das Einbeziehen der Kollektor-Basisstrecke des Transistors in die Meßstrecke konnte der schallungstechnische Aufwand beträchtlich verringert werden.

ίο Aus der DE-AS 15 13 409 ist eine elektronische Oberstromschutzschaltung bekannt, die drei parallel geschaltete Schaltungszweige aufweist Der Hauptschaltungszweig wird durch die Serienschaltung aus einem Widerstand und der Emitter-Kollektor-Strecke eines Leistungstransistcrs gebildet. Die über diesen Hauptschaltungszweig abfallende Spannung tritt in einem zweiten Schaltungszweig über zwei als Spannungsteiler geschalteten Widerständen auf. Den dritten Schaltungszweig bildet die Reihenschaltung aus einem weiteren Widerstand und der Emitter-Kollektor-Strekke eines Steuertransistors. Die Basis des Steuertransistors ist mit dem Spannungsteilerpunkt des zweiten Schaltungszweiges verbunden, während die Basis des Transistors im Hauptschaltungszweig mit dem Kollektor des Steuertransistors verbunden ist. Im Normalstrombereich leitet der Transistor im Hauptschaltungszweig und ist der Steuertransistor gesperrt Beim Erreichen eines Str& mschwellenwertes wird der Steuertransistor leitend geschaltet, was zum Abschalten des Transistors im Hauptschaltungszweig führt Die gesamte Überstromschutzschaltung hat das Verhalten eines negativen Widerstandes, da bei zunehmendem Anstieg der Quellenspannung der zum Verbraucher fließende Strom nach dem Erreichen eines Scheitelwertes wieder abnimmt bis zu einem Ausschaltstrom. Dabei weist jedoch auch der Ausschaltstrom noch einen beträchtlichen Wert auf, da sich der Steuertransistor im sogenannten Ausschaltzustand im gesättigten Leitungszustand befindet und über den den Steuertransistor enthaltenden Schaltungszweig ein Ausschaltstrom zum Verbraucher fließt, der etwa 10 bis i5% des von der Überstromschutzschaltung maximal durchgelassenen Stroms und einen entsprechend höheren Prozentteil des Nennstroms ausmacht Dadurch wird eine als Stromquelle dienende Batterie auch im sogenannten Ausschaltzustand noch beträchtlich belastet

Eine weitere Versorgungsspannungsregelschaltung mit Überstromschutzwirkung ist aus der DE-AS 11 34 742 bekannt. Hierbei ist zum Verbraucher ein Spannungsteiler parallel geschaltet dessen Teilerspannung der Basis eines Steuertransistors zugeführt wird, unter dem Einfluß von dessen von der Teilerspannung abhängigen Leitungszustand die Basis eines zwischen die Spannungsquelle und den Verbraucher geschalteten Transistors so angesteuert wird, daß unerwünschte Spannungsänderungen der Spannungsquelle oder am Verbraucher ausgeglichen werden. Auch diese Regelschaltung besitzt eine rückläufige Spannungs-Strom-Kennlinie, so daß beim Erreichen eines Stromscheitelwertes eine Stromabschaltung erfolgt Auch bei dieser bekannten Spannungsregelungs- und Überstromschutzschaltung kommt man nicht mit einem derart einfachen Schaltungsaufbau aus, wie er mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung verwirklicht werden konnte.

Einen negativen Widerstand aus einef Komplementärschaltung mit einem n^Kanal-Sperrschicht^Feldeffekttransistor Und einem p-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistor zu bilden, ist bereits bekannt aus

»Proceedings of the IEEE«, April 1965, Seite 404.

Die Erfindung wird nun anband zweier Ausführungsformen näher erläutert In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine erste Ausführungsform der erfmdungsgemäßen Schaltungsanordnung;

F i g. 2 einen mit zwei komplementären Sperrschicht-Feldeffekttransistoren aufgebauten negativen Widerstand;

F i g. 3 eine Strom-Spannungs-Kennlinie des in F i g. 2 gezeigten negativen Widerstandes; und

F i g. 4 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Bei dem in Fig.2 dargestellten Schaltbild ist die Gate-Ekktrode Gl eines im Verarmungsbetrieb arbeitenden n-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistors j5 21 mit der Drain-Elektrode D 2 eines im Verarmungsbetrieb arbeitenden p-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistors 22 verbunden, und die Gate-Elektrode GI des p-Kanal-Feldeffekttransistors 22 ist mit der Drain-Elektrode D1 des n-Kanal-Feldeffekttransistors 21 verbunden. Die beiden Source-Elektroden 51 und SI der beiden Feldeffekttransistoren 21 und 22 sind hintereinander geschaltet

Wenn eine Spannung V an den beiden äußeren Anschlüssen 31 und 32, also an der einen Drain-EIektrode DX und der anderen Drain-Elektrode Dl des in Serie geschalteten Paars von Feldeffekttransistoren angelegt wird, wobei die positive Spannung an der Elektrode DX anliegt, dann wird ein bekanntes Strom/Spannungsverhalten, dessen Diagramm einem + ähnelt, zwischen der Spannung Vund dem Speisestrom /erreicht, wie es in F i g. 3 dargestellt ist

Wie in F i g. 3 dargestellt, nimmt der Strom / von der Ausgangsspannung O aus zunächst zu und zeigt positives Widerstandsverhalten bei steigender Spannung. Bei weiterer Spannungserhöhung zeigt der Strom zunehmend ein charakteristisches Sättigungsverhalten. Wenn dann die Spannung den einem Stromscheitelpunkt m zugeordneten Spannungswert, die erste Schwellenspannung Vt 1, überschreitet, nimmt der Strom im Bereich zwischen Vt 1 und Vt 2 bei zunehmender Spannung ab, wobei er ein negatives Widerstandsverhalten zeigt Wenn schließlich die Spannung die zweite Schwellenspannung Vi 2 überschreitet, erreicht der Strom / einen Abschaltzustand. Dieser Zustand der Stromabschaltung hält bei weiterer Spannungserhöhung an, bis die Kippspannung Vt 3 erreicht ist bei der die Feldeffekttransistoren in den Durchbruch gelangen. Wenn die Spannung den Wert Vt 3 überschreitet wird ein Durchbruchstrom erzeugt, w Bei einer Schaltung gemäß F i g. 2 ergibt sich ein erster stabiler Bereich für 0 ·■' Vs ViI und ein zweiter stabiler Bereich, der Abschaltbereich, für Vi 2 S V < Vt 3. Ein unstabiler Zustand liegt vor. wenn sich die anlegende Spannung im Bereich van VfI < V< Vi 2 befindet

F i g. 1 zeigt das Schaltbild eines ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels. Dabei ist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 3 zur Abschaltung bei Überstrom oder Überspannung mil einem Verbraucher 2 und einer G'eichspannungsquelle 1 in Serie geschaltet, derart daß der Verbraucherstrom durch die Schaltungsanordnung 3 fließt Die Schaltungsanordnung 3 weist einen Transistor 4 als Schalteinrichtung auf, dessert Emitter oder Kollektor mit dem Verbraucher 2 verbunden ist, einen Meß-Widerstand 5 zum Erfassen und Überwachen der Spannung, der mit seinem einen Ende mit dem Kollektor oder Emitter des Transistors 4 und mit seinem anderen Ende mit dem einen Anschluß der Gleichspannungsquelle 1 verbunden ist, sowie einen bereits beschriebenen negativen Widerstand 6 mit komplementären Feldeffekttransistoren, der einen Endes 32 mit der Basis des Transistors 4 und anderen Endes mit dem vom Transistor abgewandten Anschluß des Meßwiderstandes 5 verbunden ist

Im folgenden wird die Wirkungsweise der in F i g. 1 beschriebenen Schaltung beschrieben:

Im Normalbetriebszustand, wenn der Verbraucher 2 normal arbeitet und der Verbraucherstrom !,ich unterhalb eines vorher festgesetzten Wertes bzw. innerhalb eines vorher festgesetzten Bereichs bewegt ist der Spannungsabfall am Meßwiderstand 5 proportional zum Verbraucherstrom und liegt unterhalb einer vorher festgesetzten Spannung. Dieser Spannungsabfall über dem Meßwiderstand 5 legt zusammen mit der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 4 die Spannung fest die an beiden Enden des negativen Widerstands 6 anliegt Wenn man die resultierende, eingeprägte Spannung, die am negativen Widr *.tand 6 anliegt, derart auswählt daß sie zwischen J"Ou und der Spannung Vi2 (Fig.3) liegt wird der negative Widerstand 6 leitfähig und läßt hierbei einen Basisstrom in die Basis des Transistors 4 fließen, wodurch der Transisti.*.' 4 eingeschaltet wird. Der Verbraucherstrom fließt daher in normaler Weise zum Verbraucher 2.

Verhalten bei Überstrom: Wenn der Verbraucherstrom zunimmt, nimmt auch die eingeprägte Spannung zu, die am negativen Widerstand 6 aniiegt. Wenn die eingeprägte Spannung einen Wert zwischen den Spannungen Vi 2 und Vi 3 erreicht wird der negative Widerstand nichtleitend. Dementsprechend wird der Transistor 4 ausgeschaltet, wobei er den Strom zum Verbraucher 2 unterbricht.

Verhalten bei Überspannung der Gleichspannungsquelle: Wenn die Speisespannung aus irgendeinem Grund ansteigt, nimmt im Verhältnis hierzu auch der Spannungsabfall am Meßwiderstand zu, und .somit überschreitet die eingeprägte Spannung, die am negativen Widerstand 6 anliegt die Spannung Vt 2. Des.ialb wird der negative Widerstand 6 nichtleitend und schaltet den Transistor 4 aus. Dadurch wird der Verbraucherstrom unterbrochen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 dargestellt, bei dem der in F i g. 1 vorgesehene Meßwiderstand 5 durch den mit dem Transistor 4 in Reihe geschalteten Verbraucher 2' ersetzt ist. Dabei nimmt der Spannungsabfall über dem Verbraucher 2' selbst zu. wenn ein Überstrom durch diesen Verbraucher 2' fließt, und hierdurch überschreitet die eingeprägte Spannung, die am negativen Widerstand 6 anliegt, die Spannung Vi 2 und schaltet den Transistor 4 aus.

Anteile des oben erwähnten Transistors 4 kann auch ein Feldeffekttransistor oder mehrere miteinander verschaltete Transistoren, wie beispielsweise eine Darlingtonschaltung, verwendet werden.

Da der negative Widerstand 6 und der Transistor 4 aus Halbleiterbauelementen geb'ldet sind und auch der Meßwiderstand 5 als Halbleiterbauelement ausgebildet werden kann, läßt sich die gesamte Schaltungsanordnung 3 aus Halbleiterbauelementen aufbauen, Sie kann somit als eine monolithisch integrierte Hälbleiterschal· tung ausgebildet werden.

Hierzu 1 BIaIt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Abschaltung bei Oberstrom oder Oberspannung, mit einem zwischen einer Gleichspannungsquelle und einem Verbraucher angeordneten Transistor, dessen Basis über eine Steuereinrichtung in Abhängigkeit vom Verbraucherstrom gesteuert wird, wobei der Verbraucherstrom mit Hilfe eines ohmschen Meßwiderstandes erfaßt wird, der in Reihe mit dem Transistor geschaltet ist, und der Transistor in den nichtleitenden Zustand gesteuert wird, wenn der durch die Steuereinrichtung fließende Strom einen Schwellenwert erreicht, dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuereinrichtung durch einen negativen Widerstand (6) gebildet ist, der zwischen die Basis des Transistors (4) und das dem Transistor (4) abgewandte Ende des Meßwiderstandes (5) geschaltet ist, und der Schwellenwert der Scheitelwert des durch den negativen Widerstand (6) fließenden Stroms ist,

daß der negative Widerstand (6) aus einer Komplementärschaltung mit einem n-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistor (21) und einem p-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistor (22) besteht, wobei der Source-Anschluß (Si) des einen Feldeffekttransistors (21) mit dem Source-Anschluß (52) des anderen Feldeffekttransistors (22) und der Drain-Anschluß (Di) des einen Feldeffekttransistors (21) mit dem Gate-Anschluß (G 2) des anderen Feldeffekttransistors (22) und der Gate-Anschluß (G 1) des einen Feldeffekttransistors (21) mit dem Drain-Anschluß (D 2) des anderen Feldeffekttransistors (22) verbunden ist,

und daß der Drain-Anschluß (Di) des einen Feldeffekttransistors (21) mit de ι dem Transistor (4) angewandten Ende des Meßwiderstandes (5) und der Drain-Anschluß (D 2) des anderen Feldeffekttransistors (22) mit der Basis (C) des Transistors (4) verbunden ist(Fig. I).

2. Abänderung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstand (5) entfällt und der Verbraucher (2) an dessen Stelle angeordnet ist (F i g. 4).