DE2654419A1

DE2654419A1 - Schaltungsanordnung zur spannungsbegrenzung

Info

Publication number: DE2654419A1
Application number: DE19762654419
Authority: DE
Inventors: Guenther Dipl Ing Dr Bergmann; Arthur Kessler
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH; Telefonbau und Normalzeit GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1976-12-01
Filing date: 1976-12-01
Publication date: 1978-06-08
Also published as: FR2373181A1; BE861307A; AT356187B; NL7708817A; SE421094B; AU2901477A; GR59256B; DE2654419C2; ATA705077A; SE7713151L; CA1083667A; IT1090802B; GB1574078A

Description

Telefonbau und Normalzeit GtntH« 6 Frankfurt/M., Postfach 44-32 Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH, 6 Frankfurt/M. 70, Theodor-Stern-Kai 1

Schaltungsanordnung zur Spannungsbegrenzung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Spannungsbegrenzung_r insbesondere für Fernmelde- und Fernsprechanlagen zum Schutz der mit den Leitungen verbundenen elektronischen Koppelkontakte gegen Überspannungen, deren Leitfähigkeit unterhalb einer bestimmten Schwellenspannung sehr gering und oberhalb dieser hoch ist und die zwei Anschlüsse aufweist·

Als Überspannungsschutz sind Überspannungsableiter bekannt, die aus einem gasgefüllten Glasrohr mit zwei Elektroden bestehen, die zwischen die zu schützende Leitung und Erde geschaltet sind. Ihre Wirkungsweise ähnelt der einer Glimmlampe. Ihre spannungsbegrenzende Wirkung setzt jedoch erst oberhalb einer Spannung von 200 Volt ein, so daß derartige Überspannungsableiter zum Schutz von Halbleiterschaltungen ungeeignet sind, da derartige Überspannungsspitzen zum Durchbruch der bei elektronischen Koppelkontakten üblichen HalbleiterSperrschichten führen würden.

Ferner sind sogenannte Varistoren als Überspannungsableiter angewendet worden. Diese bestehen aus einem Halbleiterkörper mit zwei Elektroden, zwischen denen der Widerstand unabhängig von der Stromrichtung und abhängig von der angelegten Spannung ist. Die Varistoren haben jedoch den Nachteil, daß sie auch bei kleinen anliegenden Spannungen einen nicht vernachlässigbaren Nebenschluß zu der zu schützenden Leitung bzw. Schaltung bilden.

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Zur Ableitung von St or spannungen sind auch. Dioden und für höhere Spannungen Reihenschaltungen von Dioden und/oder Zenerdioden vorgeschlagen worden. Diese sind jedoch, wenn es auf geringen Platzbedarf ankommt, nur zur Ableitung geringer Störleistungen einsetzbar. Darüber hinaus unterliegen Zenerdioden, insbesondere bei monolithischer Integration erheblichen Exemplarstreuungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden. Insbesondere soll eine Schaltungsanordnung zur Spannungsbegrenzung der eingangs genannten Art angegeben werden, die einen vorgebbaren Spannungswert in der Größenordnung von 3 Volt ohne große Exemplarstreuungen wirksam begrenzt und die in der Lage ist, trotz geringem Platzbedarf im leitenden Zustand Ströme in der Größenordnung von 1 Ampere ohne merklichen Spannungsanstieg abzuleiten.

Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannte Erfindung gelöst. Die Halbleiteranordnung läßt sich so dimensionieren, daß sie im aufgesteuerten Zustand den erforderlichen Ableitstrom führen kann und die Reihenschaltung mehrerer Dioden zur Aussteuerung der Halbleiteranordnung hat den Vorteil, daß diese als verlustleistungsarme Bauelemente sehr klein herstellbar sind, wobei ihre Anzahl den Wert der zu begrenzenden Spannung bestimmt. Da Störspannungsspitzen verhältnismäßig selten auftreten, kann die Halbleiteranordnung zusammen mit den Dioden auf einem Halbleiter-Chip in bipolarer Silizium-Standardtechnologie als integrierter Baustein ausgebildet werden. Dabei ist es von besonderem Vorteil, daß sie sich ohne große gegenseitige Störungen mehrfach auf einem einzigen Halbleiter-Chip anordnen läßt.

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Im einfachsten Pall besteht die Halbleiteranordnung aus
einem Transistor, dessen Kollektor-Emitter-Strecke die
steuerbare Strecke für die Spannungsbegrenzung bildet
und dessen Basiselektrode die Steuerelektrode ist» Diese Anordnung hat den Vorteil, sehr einfach zu sein und mit
extrem wenig Aufwand auszukommen.

Hat die Schaltungsanordnung der Spannungsbegrenzung
größere Ableitströme zu verarbeiten, so wird mit Vorteil die Halbleiteranordnung als Darlington-Transistor ausgebildet.

Mit extrem kleinen Steuerleistungen kommt die Weiterbildung der Halbleiteranordnung gemäß Anspruch 4 aus.

Wenn es auf einen sehr scharfen Knick der Spannungsbegrenzung ankommt, die Schaltungsanordnung zur Spannungsbegrenzung also bis nahe an den Begrenzungseinsatz extrem hochohmig sein soll, ist es vorteilhaft, die Anordnung gemäß Anspruch 5 auszubilden.

Mit nur wenig Mehraufwand läßt sich die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, bei der die Halbleiteranordnung lediglich aus einem einzigen Transistor besteht als symmetrischer Spannungsbegrenzer ausbilden, so wie es im Anspruch 6 vorgeschlagen ist.

Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Überspannungsschutz in JPernmelde- und Fernsprechanlagen, insbesondere zum Schutz elektronischer Koppelkontakte ist es von Vorteil, daß wegen der Einfachheit des Aufbaues und des geringen Platzbedarfs die Schaltungsanordnung gemeinsam mit Koppelkontakten integriert werden kann.

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Die Erfindung wird nun anhand von Figuren naher erläutert. Es zeigen im einzelnen:

Fig. 1 Prinzipieller Aufbau der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung

Fig. 2 Erfindungsgeraäße Schaltungsanordnung mit einem Transistor als Halbleiteranordnung

Fig. 3 Darlington-Transistor-Schaltung als Halbleiteranordnung

Fig. 4- Transistorkaskade als Halbleiteranordnung

Fig. 5 Symmetrische Schaltungsanordnung zur Spannungsbegrenzung gemäß der Erfindung

Fig. 1 zeigt das prinzipielle Schaltbild der Schaltungsanordnung zur Spannungsbegrenzung gemäß der Erfindung. Diese Schaltungsanordnung besitzt zwei Anschlüsse 1 und 2, zwischen denen eine steuerbare Strecke einer Halbleiteranordnung 3 liegt. Die Halbleiteranordnung 3 wird über ihre Steuerelektrode 4 von einer oder, wie in Fig. A dargestellt, von einer Reihenschaltung mehrerer Dioden 5, gesteuert. Dabei ist das eine Ende der Reihenschaltung mit der Steuerelektrode 4 und das andere Ende der Reihenschaltung mit einem der beiden Anschlüsse, im vorliegenden Fall dem Anschluß Λ derart verbunden, daß oberhalb der Summen— Schleusenspannung der Dioden und der Steuerstrecke der Halbleiteranordnung die Halbleiteranordnung in den leiten-

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den Zustand gesteuert wird. Die Steuerstrecke der Halbleiteranordnung liegt im vorliegenden Fall zwischen den Anschlüssen 4 und 2.

Im einfachsten Pail besteht die Halbleiteranordnung 3 einem Transistor, wie in Pig. 2 gezeigt. In Pig. 2 bildet die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors die steuerbare Strecke der Halbleiteranordnung und die Basiselektrode bildet die Steuerelektrode. Die Reihenschaltung der Dioden ist im vorliegenden Pall am Abgriff 8 abgezweigt, worauf nachfolgend noch näher eingegangen wird. Unter der Schleusenspannung einer Diode oder eines Transistors wird diejenige Spannung an der Diode bzw. an der Basis-Emitter-Strecke des Transistors verstanden, bei der die Diode bzw. der Transistor leitend wird. Das ist bei Silizium-Halbleitern bei einer Spannung von etwa 0,5 Volt am PN-Übergang der Pail. Die Summenschieusenspannung der Dioden und der Steuerstrecken der Halbleiteranordnung ist im vorliegenden Pail die Summe der Schleusenspannungen der Einzeldioden vermehrt um die Schleusenspannung der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 31.

In Pig. 3 ist eine an sich bekannte Darlington-Schaltung, bestehend aus der Hintereinanderschaltung der Transistoren 32 und 33 ^ⁿ Emitterfolgerschaltung gezeigt, die anstelle des Transistors 31 in Pig. 2 treten kann und in der Lage ist, eine wesentlich höhere Störleistung abzuführen.

In Pig. 2 ist weiterhin gezeigt, daß an einem Abgriff 8 der die Halbleiteranordnung, in diesem Pail den Transistor 311 leitend steuernden Dioden 51 und 52 eine weitere !Reihenschaltung aus minfestens einer Diode 7 und einem Widerstand 6 angeschlossen ist, deren anderes Ende an dem anderen Anschluß 2 angeschlossen ist. Die Dioden dieser Eeihen-

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schaltung sind in gleicher Richtung gepolt wie die den Transistor 31 leitend steuernden Dioden 51 und 52 und die Diodenzahl der Dioden 7 ist so gewählt, daß ihre Summenschleusenspannung niedriger ist als die Summe aus der Schleusenspannung der Steuerstrecke des Transistors 31 "und der bis zum Abgriff 8 vorgesehenen Dioden 52. Mit Hilfe der Reihenschaltung aus den Dioden 51 und 52 und der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 31 wird im wesentlichen die Begrenzungsspannung bestimmt. Die weitere Reihenschaltung aus den Dioden 7 mit dem Wider- " stand 5 erzeugt im Anlauf Strombereich der Dioden einen Nebenschluß für den Transistor 31₅ so daß für Spannungen unterhalb der Schwellenspannung der Transistor 31 mit Sicherheit gesperrt ist. Durch diese weitere Reihenschaltung wird dadurch der Übergangsknick vom gesperrten Zustand des Transistors 31 in den leitenden Zustand wesentlich verschärft, so daß ein schärferer Begrenzungseinsatz der Schaltungsanordnung erzielt wird.

Eine nach Fig. 1 oder 2 aufgebaute Schaltungsanordnung begrenzt eine gegenüber dem Anschluß 2 positive Spannung. Sollen positive und negative Spannungen begrenzt werden, so ist es zv/eckmäßig, die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung als Antiparallelschaltung zweier Schaltungsanordnungen nach Fig. 2 vorzusehen. Dies ist bei monolithischer Integration der Schaltungsanordnung leicht zu erreichen, wobei eine hohe Symmetrie des Begrenzungseinsatzes für positive und negative Überspannungen erreicht wird. Selbstverständlich ist durch Wahl der Dioden in der Reihenschaltung auch eine unsymmetrische Begrenzung erreichbar.

Durch an sich bekannte technologische Modifikation ist es möglich, Transistoren mit hohem Stromverstärkungsfaktoren auch bei inversem Betrieb herzustellen. Dadurch

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ist auch mit einem einzigen Transistor eine Schaltungsanordnung zur symmetrischen Begrenzung von Überspannungen realisierbar. Wie Fig. 5 zeigt, sind hierzu die beiden Reihenschaltungen 51, 52 und 6, 7 doppelt vorgesehen. Die mit dem Abgriff 81 versehene eine Reihenschaltung 53} 54 ist mit umgekehrter Polung parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Transistors 31 geschaltet. Die andere Reihenschaltung, bestehend aus dem Widerstand 61 und der bzw. den Dioden 71 ist ebenfalls in umgekehrter Polung zwischen Abgriff 81 und dem einen Anschluß 1 geschaltet. Unter umgekehrter Polung wird hiermit verstanden, daß die Dioden eine entgegengesetzte Polung aufweisen, wie die Dioden 51» 52 und 7 der Fig. 2 bzw. der . 5.

Überschreitet die positive Spannung am Anschluß 1 gegenüber der Spannung am Anschluß 2 den vorgegebenen Schwellwert, so werden die Dioden 51» 52 und 7 leitend und da die Summenschleusenspannung der Dioden 7 niedriger liegt als die Summenschleusenspannung der Dioden 52 und der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 31 wird der Transistor 31 leitend gesteuert. Hierzu ist es allerdings erfordex*- lich, daß an dem Widerstand 6, der in der Größenordnung zwischen 10 und 100 liegt durch den bereits durch die Dioden 7 fließenden Flußstrom eine so hohe Spannung steht, daß der Transistor 31 ausgesteuert wird.

Liegt an der Klemme 2 eine höhere Spannung als an der Klemme 1, so tritt die Begrenzung der Spannung dann ein, wenn die Dioden 53 und 54 sowie die Dioden 71 leitend werden und der Spannungsabfall am Widerstand 61, der den gleichen Widerstandswert hat wie der Widerstand 6, so groß geworden ist, daß der Transistor 31 nunmehr im inversen Betrieb aufgesteuert wird.

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Die Bauelemente der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, insbesondere die Dioden und Widerstände werden nur mit einer sehr geringen Verlustleistung belastet, so daß sie so klein wie technisch möglich realisiert werden können. Auch tritt die Störleistung an der Halbleiteranordnung jeweils nur kurzzeitig auf, so daß auch die Halbleiteranordnung nicht Ariel Platz beansprucht und somit die gesamte Schaltungsanordnung auf einem einzigen Halbleiter-Chip mehrfach angeordnet werden kann. Das ist besonders dann günstig, wenn eine Vielzahl von Leitungen oder Schaltungen vor Überspannungen geschützt werden sollen.

Der geringe Platzbedarf der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erlaubt es sogar, in Fernmeldeanlagen die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gemeinsam mit elektronischen Koppelkontakten zu integrieren.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist darin zu sehen, daß sie wie ein passiver Zweipol verwendet werden tann. Es sind folglich keine zusätzlichen Betriebsspannungen erforderlich. In monolithisch integrierter Ausgestaltung kann die übliche negative Substratvorspannung entfallen, da der Subtratstrom wegen des Fehlens in Sättigung betriebener Transistoren, vernachlässigt werden kann.

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Claims

Patentansprüche :

1. JS ehalt lings anor dnung zur Spannungsbegrenzung, insbesondere für Fernmelde- und ffernsprechanlagen zum Schutz der mit den Leitungen verbundenen elektronischen Koppelkontakte gegen Überspannungen, deren Leitfähigkeit unterhalb einer bestimmten Schwellenspannung sehr gering und oberhalb dieser hoch ist und die zwei Anschlüsse aufweist, dadurch Re kennzeichnet,

daß zwischen den Anschlüssen (1,2) eine steuerbare Strecke einer Halbleiteranordnung (3) liegt, die über ihre Steuerelektrode (4) von einer oder einer Reihenschaltung mehrerer Dioden (5), deren eines Ende mit der Steuerelektrode (4) und deren anderes Ende mit dem einen der beiden Anschlüsse (1) verbunden ist, oberhalb der Summenschleusenspannung der Dioden und der Steuerstrecke der Halbleiteranordnung in den leitenden Zustand steuerbar ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiteranordnung ein Transistor (31) ist, dessen Kollektor-Emitter-Strecke die steuerbare Strecke bildet und dessen Basiselektrode die Steuerelektrode (4) ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiteranordnung als Darlington-Transistor (32,33) ausgebildet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiteranordnung aus der Kaskadenschaltung mehrerer Transistoren (34-, 35₅ 36) besteht, bei der jeweils der

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Kollektor des Vortransistors mit der Basis des nachfolgenden Transistors verbunden ist, jeweils zwei aufeinanderfolgende Transistoren vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp sind und die Emitter aufeinanderfolgender Transistoren abwechselndmit dem einen (i) und mit dem anderen Anschluß (2) verbunden sind.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Abgriff (8) der die Halbleiteranordnung leitend steuernden Dioden eine weitere Reihenschaltung aus mindestens einer Diode (7) und einem Widerstand (6) angeschlossen ist, deren anderes Ende an dem anderen Anschluß (2) angeschlossen ist, deren Dioden (7) -in gleicher Richtung gepolt sind wie die die Halbleiteranordnung leitend steuernden Dioden (51, 52) und deren Diodenanzahl so gewählt ist, daß ihre Summenschleusenspannung niedriger ist als die Summe aus der Schleusenspannung der Steuerstrecke der Halbleiteranordnung (31) iind der bis zum Abgriff (8) vorgesehenen Dioden (52) (Fig. 2).

6. Anordnung nach Anspruch 2 und 5i dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Reihenschaltungen doppelt vorgesehen sind und die mit dem Abgriff (81) versehene eine (53₅ 5^) der beiden zusätzlichen Reihenschaltungen mit umgekehrter Polung parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Transistors (31) und die andere (61, 71) der beiden zusätzlichen Reihenschaltungen ebenfalls mit umgekehrter Polung zwischen Abgriff (81) und dem einen Anschluß (1) geschaltet sind (S¹Ig. 5)·

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7. An-Ordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf einem Halbleiter-Chip als integrierter Baustein mehrfach angeordnet ist.

8. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie gemeinsam mit elektronischen Koppelkontakten integriert ist.

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