DE2638177A1 - Schutzvorrichtung gegen spannungsumpolung und ueberspannungen bei integrierten schaltungen - Google Patents

Schutzvorrichtung gegen spannungsumpolung und ueberspannungen bei integrierten schaltungen

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DE2638177A1 DE19762638177 DE2638177A DE2638177A1 DE 2638177 A1 DE2638177 A1 DE 2638177A1 DE 19762638177 DE19762638177 DE 19762638177 DE 2638177 A DE2638177 A DE 2638177A DE 2638177 A1 DE2638177 A1 DE 2638177A1
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Description

R. 3 370
10.8.1976 Ve/Hm
Anlage zur
Patentanmeldung
ROBERT BOSCH GMBH, 7000 STUTTGART 1
Schutzvorrichtung gegen Spannungsumpolung und Überspannungen bei integrierten Schaltungen
Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung gegen Spannungsumpolung und Überspannungen bei .integrierten Schaltungen (IC)5 an deren Ausgang ein Verbraucher, insbesondere ein Relais angeschlossen ist.
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Bekannte Schutzvorrichtungen gegen Überspannungen die z.B. durch das Abschalten eines induktiven Verbrauchers hervorgerufen werden, bestehen aus einer Freilaufdiode, die parallel zum induktiven Verbraucher am Ausgang eines IC geschaltet ist, und deren Kathode dem positiven Pol zugewandt ist. Diese Anordnung hat folgenden Nachteil: In Reihe zu diesem Relais ist üblicherweise die Schaltstrecke eines Ausgangstransistors geschaltet. Da bei integrierten Schaltkreisen die Bauteile zum Substrat hin immer eine Diode bilden, wirkt dieser Ausgangstransistor bei Spannungsumkehr wie eine Diode, deren Kathode dem ehemals positiven Pol zugewandt ist. Es entsteht somit bei Spannungsumkehr ein direkter Kurzschluß über den als Diode wirkenden Ausgangstransistor und die Freilaufdiode, der zur Zerstörung der integrierten Schaltung führen muß. Um dies zu verhindern ist es bekannt, zwischen dem zur negativen Versorgungsspannung führenden Ausgang der integrierten Schaltung und der negativen Versorgungsspannung eine externe, nicht integrierbare Schutzdiode zu sehalten, die umgekehrt gepolt ist wie die Substratdiode des Schalttransistors und so einen Kurzschluß vermeidet.
Diese bekannte Anordnung hat die Nachteile, daß erstens diese Schutzdiode nicht integrierbar ist und somit ein zusätzliches, diskretes Bauteil benötigt wird zur äußeren Beschaltung des IC und daß zweitens die Schaltung nicht überspannungsfest ist, wenn die Überspannung von der Versorgungsspannungsseite aufgeprägt wird und die Durchbruehspannung des Schalttransistors übersteigt. Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zu finden, die einen Schutz gegen Überspannungen an einem IC, an dessen Ausgang eine induktive Last vorgesehen ist, gewährt und die möglichst weitgehend integrierbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß parallel zur Schaltstrecke des Endstufentransistors des IC die Reihenschaltung eines Gleichrichterelements mit
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einer Spannungsbegrenzungsvorrichtung vorgesehen ist. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird mit geringstem Aufwand ein zusätzlicher Schutz gegen Spannungsumpolung erreicht, und zwar dadurch, daß der Verbindungspunkt des Gleichrichterelements mit der Spannungsbegrenzungs vorrichtung über einen äußeren Widerstand mit dem Pol der Versorgungsspannung verbunden ist, an den der Verbraucher angeschlossen ist. Die integrierte Schaltung ist über denselben Widerstand mit Strom versorgbar.
Um zu Verhindern, daß beim Abschalten des Relais die interne Betriebsspannung des IC bis auf die Höhe der Begrenzungsspannung der Spannnungsbegrenzungsvorrichtung ansteigt, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der zweite Anschluß des an die Versorgungsspannung angeschlossenen Begrenzungswiderstands für den Strom zum IC über ein zweites Sntkopplungsgleichrichterelement mit dem Verknüpfungspunkt zwischen dem ersten Gleichrichterelement und der Spannungsbegrenzungsvorrichtung verbunden.
Zur Integration sind in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Gleichrichterelemente als Transistoren in Diodenschaltung ausgebildet, und als Spannungsbegrenzungsvorrichtung ist wenigstens eine Zenerdiode vorgesehen.
Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß die nicht integrierbare Diode gegen Masse entfällt und ein bis auf einen äußeren Widerstand integrierbares System entsteht. Es ergeben sich daraus eine einfachere und billigere Herstellung sowie ein geringerer Platzbedarf durch den Wegfall des diskreten Bauelements. Es wird ein Schutz gegen Spannungsumpolung und Überspannungen geschaffen. Mit Hilfe des internen Überspannungsschutzes kann zugleich der Relaisabschaltstrom abgefangen werden. Durch die in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehene Entkoppeldiode wird die Übertragung der Begrenzungsspannung auf die interne Betriebsspannung des IC XSF&ip&fFP*
317 Ο
Vier Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schutzvorrichtung gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer integrierbaren Schutzvorrichtung,
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer integrierbaren Schutzvorrichtung,
Fig. 4 die Verwendung einer weiteren Alternative einer Spannungsbegrenzungsvorrichtung als drittes Ausführungsbeispiel, und
Fig. 5 die Verwendung einer vierten Alternative einer Spannungsbegrenzungsvorrichtung als viertes Ausführungsbeispiel .
Die in Fig. 1 dargestellte Schutzvorrichtung, die den Stand der Technik darstellt, zeigt einen integrierten Schaltkreis, der aus einer Vorstufe 10 und einer Endstufe 11 besteht. Die Vorstufe 10 kann eine beliebige Vorstufe sein und ist nicht näher beschrieben. Als Endstufe 11 ist ein NPN-Transistor vorgesehen, dessen Basis mit der Vorstufe 10 verbunden ist. Die Vorstufe 10 und der Emitter des Endstufen-Transistors 11 sind über eine extern angeordnete, in diskreter Bauweise ausgeführte Schutzdiode 12 an Masse angeschlossen. Der Kollektor des Endstufen-Transistors 11 ist über die Parallelschaltung der Magnetwicklung 13 eines Relais mit einer Freilaufdiode 14 mit dem positiven Pol 15 einer Spannungsquelle verbunden. Der positive Pol 15 ist weiterhin über einen Strombegrenzungswiderstand 16 mit dem IC 10 bzw. 11 verbunden. Dieser Begrenzungswiderstand 16 ist gewöhnlich nicht in integrierter Form im IC enthalten.
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33V f.
Um die Wirkungsweise der Anordnung zu verdeutlichen, muß von der Tatsache ausgegangen werden, daß bei integrierten Schaltungen alle Bauelemente zum Substrat hin eine Diode bilden. Dies ist durch die beiden Dioden 110, 111 versinnbildlich, die jeweils die Vorstufe 10 bzw. die Endstufe 11 überbrücken. Überspannungen, die beim Abschalten des Relais 13 auftreten, werden durch die Freilaufdiode Ik kurzgeschlossen. Zum Schutz des IC gegen versehentliches oder durch Abschaltvorgänge bedingtes Umpolen der Polarität der Spannungsquelle ist die Schutzdiode 12 vorgesehen. Ohne die Schutzdiode 12 wird bei falscher Polung ein direkter Kurzschluß über die Diode 111 und die Freilaufdiode l4 entstehen. Die Vorstufe 10, die ebenfalls eine Diode 110 zum Substrat enthält, ist bei Polaritätsumkehr durch den Begrenzungswiderstand l6 geschützt.
Das in Fig. 2 dargestellte, erste Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ähnlich wie das den Stand der Technik darstellende Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1. Gleiche Bauelemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Schutzdiode. 12 und die Freilauf diode 1*J entfallen. Parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke des Endstufentransistors 11 ist die Reihenschaltung einer Diode 17 mit einer Zenerdiode 18 vorgesehen. Der Verknüpfungspunkt der Diode 17 mit der Zenerdiode 18 ist über eine Entkoppeldiode 19 mit dem Verknüpf ungsρunkt zwischen dem Strombegrenzungswiderstand 16 und der Vorstufe 10 verbunden. Die Kathoden der drei Dioden 17 bis 19 sind dabei miteinander verbunden.
Die Wirkungsweise des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels besteht darin, daß der Schutz bei Umkehr der Polarität der Spannungsquelle durch den Begrenzungswiderstand l6 und den Widerstand der Magnetwicklung 13 gegeben ■ist. Durch den Wegfall der Freilauf diode 14 ist dies bei dieser Anordnung gewährleistet. Steigt die Spannung durch den Absehaltvorgang an der Magnetwicklung 13 an, so wird diese Spannung über die Diode 17 an die Zenerdiode 18 gelegt. Steigt diese Spannung über die Durchbruchspannung
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der Zenerdiode 18 an, (häufiger Werfe ca. 8 Volt), so bricht die Zenerdiode 18 durch und die Spannung wird über die Diode 17 durch die Zenerdiode 18 begrenzt. Durch die Entkopplungsdiode 19 wird ein Spannungsanstieg der internen Betriebsspannung des IC auf die Höhe der Begrenzungsspannung verhindert. Da die Dioden 17 bis 19 voll integrierbar sind, ist die integrierte Schaltung von außen nur noch an den Widerstand 16 und die Magnetwicklung 13 des Relais angeschlossen.
Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht in Aufbau und Wirkung dem in·Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel. Die Dioden 17, 19 sind als Transistoren 170, 190 in Diodenschaltung ausgeführt, da Dioden in integrierten Schaltungen gewöhnlich als Transistoren ausgeführt sind. Dazu tritt anstelle der Anoden-Kathodenstrecke der Dioden die Emitter-Kollektor-Strecke der hier eingesetzten pnp-. Transistoren, wobei jeweils die Basis und der Kollektor des jeweiligen Transistors miteinander verbunden sind. Als Spannungsbegrenzungsvorrichtung tritt an Stelle der Zenerdiode 18 die Anordnung 20. In dieser Anordnung 20 ist eine Zenerdiode l8 durch die Reihenschaltung der Zenerdiode l8 mit einem Widerstand 21 und der parallel dazu geschalteten Kollektor-Emitter-Strecke eines NPN-Transistors 22 ersetzt, wobei die Basis des Transistors 22 mit dem Verknüpfungspunkt zwischen dem Widerstand 21 und der Zenerdiode l8 verbunden ist. Wird die Durchbruchspannung der Zenerdiode l8 erreicht, so wird über die Basis der Transistor 22 stromleitend gemacht. Eine zweite, identische Anordnung, bestehend aus der Zenerdiode 23, dem Widerstand 24 und dem Transistor 25, ist in Reihe zur ersten Anordnung geschaltet. Durch die zweite Anordnung wird die Durchbruchsspannung der Spannungsbegrenzungsvorrichtung 20 verdoppelt. Werden weitere solche Dreierkombinationen in Reihe geschaltet, so kann die Durchbruchsspannung weiter erhöht werden. Analog dazu können auch in Fig. 2 mehrere Zenerdioden in Reihe geschaltet werden. Eine zusätzliche Verpolschutzdiode 26 ist parallel zur Schaltstrecke des Endstufen-Transistors 11
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zur Entlastung der Substratdiode des Endstufen-Transistors vorgesehen, da Substratdioden keine guten Dioden sind. Diese Verpolschutzdiode 26 kann vorteilhaft auch in den anderen Ausführungsbeispielen vorgesehen sein. Gleiches gilt für die zusätzliche Verpolschutzdiode 27·
Fig. 4 zeigt eine Alternative einer Spannungsbegrenzungsvorrichtung 20. Anstelle des Transistors 25 der Anordnung tritt eine Vierschichttriode 28. Der Widerstand 24 ist dabei so dimensioniert, daß bei normaler Betriebsspannung während eines Abschaltvorganges der Magnetwicklung die Vierschichttriode 28 nicht getriggert wird. Wird dagegen von außen eine entsprechend hohe überspannung eingeprägt, so wird bei Erreichen eines bestimmten Stromes durch den Widerstand 24 die Vierschichttriode 28 gezündet und die Spannung an der Vierschichttriode bricht auf deren Flußspannung zusammen. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß bei hohen äußeren .Überspannungen die Verlustleistung im IC erheblich reduziert wird gegenüber der Anordnung mti einem Transistor.
Das in Fig. 5 dargestellte Asuführungsbeispiel einer Spannungsbegrenzungsvorrichtung 20 hat den prizipiellen Aufbau einer Schaltkombination 23, 24, 25 in Fig. 3> jedoch ist der Transistor 25 durch die Vierschichttriode 28 ersetzt. In Reihe zu dieser Anordnung ist die weitere Zenerdiode 18 geschaltet. Diese Schaltung hat die vorteilhafte Eigenschaft, daß bei überschreiten eines bestimmten Wertes der äußeren Betriebsspannung die Durchbruchspannung der gesamten Anordnung auf die Vierschichttriode bei Absinken der Spannung unter die doppelte Zenerspannung zunächst stromleitend bleibt. Für die Auslegung des Widerstandes 24 gilt das zu Fig. 4 Gesagte.
Äquivalent zu den beschriebenen Ausführungsbeispielen sind auch Anordnungen, bei denen die induktive Last mit dem negativen Pol der Versorgungsspanung verbunden ist. In
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diesem Fall muß der Schutzwiderstand 16 in die negative Versorgungsspannungsleitung des IC geschaltet werden. Der Schalttransistor wird als pnp-Transistor ausgebildet. Ferner ist die Überspannungsschutzschaltung 20 mit der Diode 19 zu vertauschen und die Polarität der Diode 17 umzupolen. Die drei Dioden 17, l83 19 sind jetzt mit ihren Anoden verbunden.
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Claims (1)

  1. 3 3V Ü
    Ansprüche
    ί 1·!Schutzvorrichtung gegen Spannungsumpolung und Überspannungen, vorzugsweise bei integrierten Schaltungen (IC), an deren Ausgang ein Verbraucher, insbesondere ein Relais, angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Schaltstrecke des Endstufentransistors (11) des IC (10, 11) die Reihenschaltung eines Gleichrichterelements (17) mit einer Spannungsbegrenzungsvorrichtung (18,20) vorgesehen ist.
    2. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungspunkt des Gleichrichterelements (17) mit der Spannungsbegrenzungsvorrichtung (18,20) über wenigstens einen Begrenzungswiderstand (16) mit dem Pol der Versorgungsspannung verbunden ist, an dem der Verbraucher ange-
    • schlossen ist.
    3. Schutzvorrichtung nach Anspruch loder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Gleichrichterelement (17) eine Diode vorgesehen ist.
    4. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Spannungsbegrenzungsvorrichtung (l8, 20) wenigstens eine Zenerdiode vorgesehen ist.
    5· Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Spannungsbegrenzungsvor-
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    richtung (20) wenigstens eine Vierschichttriode (28) vorgesehen ist.
    6. Schutzvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Spannungsbegrenzungsvorrichtung (20) wenigstens ein Halbleiterschalter (22, 25, 28) vorgesehen ist, dessen Steuerelektrode durch eine Zenerdiode (18, 23) steuerbar ist.
    7. Schutzvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung der Zenerdiode (18, 23) mit einem Widerstand (2I3 24) die Schaltstrecke des Halbleiterschalters (22j 25 j 28) überbrückt und daß der Verknüpfungspunkt der Zenerdiode (18, 23) mit dem Widerstand (21, 24) an die Steuerelektrode des Halbleiterschalters (22, 25, 28) angeschlossen ist.
    8. Schutzvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterschalter ein Transistor (223 25) ist.
    9. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterschalter eine Vierschichttriode (2 8) ist.
    '10. Schutzvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zur Vierschichttri.ode (28) wenigstens eine weitere Spannungsbegrenzungsvorrichtung (18) geschaltet'
    ist>- 809810/0046
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    3 Π7 O
    11. Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Anschluß des an die Versorgungsspannung angeschlossenen Begrenzungswiderstands (16) für den Strom zum IC (10, 11) über ein zweites Entkopplungsgleichrichterelement (19) mit dem Verknüpfungspunkt zwischen dem ersten Gleichrichterelement und der Spannungsbegrezungsvorrichtung (18) verbunden ist.
    12. Schutzvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Entkopplungsgleichrichterelement (19) als Diode ausgebildet ist.
    13· Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Integration die Dioden (17, 19) als Transistoren (170, 19Ο) in Diodenschaltung ausgebildet sind.
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