DE2654419C2

DE2654419C2 - Schaltungsanordnung zur Spannungsbegrenzung

Info

Publication number: DE2654419C2
Application number: DE2654419A
Authority: DE
Inventors: Günther Dipl.-Ing. Dr.-Ing. 7906 Blaustein Bergmann; Arthur 6382 Friedrichsdorf 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: 1983-06-09
Also published as: GB1574078A; AT356187B; FR2373181A1; GR59256B; SE421094B; NL7708817A; CA1083667A; IT1090802B; ATA705077A; DE2654419A1; BE861307A; AU2901477A; SE7713151L

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Spannungsbegrenzung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der FR-PS 15 75 884 bekannt, welche zum Schutz einer an zwei Leitungsadern angeschlossenen Last dient. Mit Hilfe eines Widerstandes, welcher in die eine Leitung eingeschleift ist, wird der Laststrom überwacht, bei dessen Oberschreiten die zwischen beiden Leitungsadern stehende zu hohe Spannung durch die Begrenzungsschaudng kurzgeschlossen wird. Die Referenzspannung wird dabei durch eine Zenerdiode erzeugt Bei dieser Schaltungsanordnung ist es notwendig, einen Widerstand in die eine Leitung einzuschleifen, wodurch bei Sprech- oder Signaladern in der Fernmeldetechnik, die einen möglichst niedrigen Leitungswiderstand aufweisen sollen, dieser zusätzlich erhöht wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine Schaltungsanordnung zur Spannungsbegrenzung anzugeben, welche in Fernmelde- und Fernsprechanlagen einsetzbar ist wobei zusätzliche, in die Sprech- oder Signaladern einzuschleifende Widerstände vermieden werden. Dabei sollen Spannungswerte oberhalb von 3 Volt ohne große Exemplarstreuungen wirksam begrenzt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß die Transistoranordnung über ihre Steuerelektrode von einer Reihenschaltung mehrerer Dioden, deren eines Ende mit der Steuerelektrode und deren anderes Ende mit einem der beiden Anschlüsse verbunden ist oberhalb der Summenschleusenspannung der Dioden und der Transistoranordnung in den leitenden Zustand steuerbar ist daß an einem Abgriff zwischen den die Transistoranordnung steuernden Dioden eine weitere Reihenschaltung aus mindestens einer Diode und einem Widerstand angeschlossen ist deren anderes Ende an einem der Anschlüsse angeschlossen ist, wobei die Dioden der weiteren Reihenschaltung in der gleichen Richtung gepolt sind, wie die die Transistoranordnung leitend steuernden Dioden und wobei die Anzahl der Dioden der weiteren Reihenschaltung so gewählt ist daß ihre Summenschleusenspannung niedriger ist als die Summe aus der Schleusenspannung der Steuerstrecke der Transistoranordnung und der zwischen dieser und dem Abgriff liegenden Dioden. Die Transistoranordnung läßt sich so dimensionieren, daß sie im aufgesteuerten Zustand den erforderlichen Ableitstrom führen kann. 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. Durch die Schaltungsanordnung wird außerdem ein schaffer Knick in der Spannungsbegrenzung erzielt, wobei die Schaltungsanordnung bis nahe an den Begrenzungseinsatz extrem hochohmig ist, um dann anschließend sofort in den leitenden Zustand überzugehen.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Transistoranordnung aus einem Transistor besteht,

dessen Kollektor-Emincr-Strecke die steuerbare Strekke und dessen Basis die Steuerelektrode bildet, Piese Anordnung hit den Vorteil, sehr einfach zu sein und mit extrem wenig Aufwand auszukommen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht auch darin, daß anstellle eines einzelnen Transistors eine Darlington-Schaltung verwendet wird. Mit Hilfe dieser Schaltungsanordnung lassen sich bei der Spannungsbegrenzung auftretende größere Ableitströme verarbeiten.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht auch darin, daß die Transistoranordnung aus einer Kaskadenschaltung mehrerer Transistoren besteht, bei der jeweils der Kollektor des vorgeschalteten Transistors mit der Basis des nachfolgenden Transistors verbunden ist und bei der jeweils zwei aufeinanderfolgende Transistoren vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp sind und die Emitter aufeinanderfolgender Transistoren abwechselnd mit einem von den beiden Anschlüssen verbunden sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Schaltungsanordnung zur Spannungsbegrenzung bereits mit sehr kleinen Steuerleistungen wirksam.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht auch darin, daß die beiden Reihenschaltungen doppelt vorgesehen sind und die ebenfalls mit einem Abgriff versehene eine der beiden zusätzlichen Reihenschaltungen mit umgekehrter Polung parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Transistors und die andere der beiden zusätzlichen Reihenschaltungen ebenfalls mit umgekehrter Polung zwischen diesem Abgriff und einem der Anschlüsse geschaltet sind. Auf diese Weise läßt sich mit nur wenig Mehraufwand die Transistoranordnung als symmetrischer Spannungsbegrenzer ausbilden.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht auch darin, daß die Schaltungsanordnung auf einem Halbleiter-Chip als integrierter Baustein mehrfach angeordnet ist Die Schaltungsanordnung kann aus verlustleistungsarmen Bauelementen aufgebaut werden, wodurch sie sehr wenig Raum einnimmt Da Störspannungsspitzen verhältnismäßig selten auftreten, kann die Transistoranordnung 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

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht auch darin, daß die Schaltungsanordnung gemeinsam mit elektronischen Koppelpunkten integriert ist Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Überspannungsschutz in Fernmelde- und Fernsprechanfagen, insbesondere zum Schutz elektronischer Koppelkontakte ist es von Vorteil, daß wegen der Einfachheit des Aufbaus und des geringen Platzbedarfs die Schaltungsanordnung gemeinsam mit Koppelkontakten integriert werden kann.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, weiche in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt

F i g. 1 die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit einem Transistor,

Fig.2 die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit einer Darlingtonschaltung,

Fig.3 die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit einer Transistorkaskade und

F i g, 4 eine symmetrische Schaltungsanordnung zur Spannungsbegrenzung,

Die in Fig. 1 gezeigte Schaltungsanordnung besitzt zwei Anschlüsse 1 und 2, zwischen denen eine steuerbare Strecke einer Transistoranordnung 31 liegt Die Transistoranordnung 31 wird über ihre Steuerelektrode 4 von einer Reihenschaltung mehrerer Dioden 51, 52 gesteuert Dabei ist das eine Ende der Reihensehaltung mit der Steuerelektrode 4 und das andere Ende der Reihenschaltung mit einem der beiden Anschlüsse, im vorliegenden Fall mit dem Anschluß 1 derart verbunden, daß oberhalb der Summenschleusenspannung der Dioden und der Steuerstrecke der Transistoranordnung diese in den leitenden Zustand gesteuert wird. Die Steuerstrecke der Transistoranordnung liegt im vorliegenden Fall zwischen der Steuerelektrode 4 und dem Anschluß Z

Im einfachsten Fall besteht die Transistcranordnung 31 aus einem Transistor. Dabei bildet die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors die steuerbare Strecke der Transistoranordnung und die Bay'^Iektrode bildet die Steuerelektrode. Die Reihenschaltung der Dioden ist im vorliegenden Fall am Abgriff 8 abgezweigt worauf nachfolgend noch näher eingegangen wird. Unter der Schleusenspannung einer Diode oder eines Transistor wird diejenige Spannung an der Diode bzw. an der Basis-Emitter-Strecke des Transistors verstanden, bei der die Diode bzw. der Transistor leitend wird.

Die ist bei Silizium-Halbleitern bei einer Spannung von etwa 0,5 Volt am PN-Übergang der Fall. Die Summenschleusenspannung der Dioden und der Steuerstrecken der Transistoranordnung ist im vorliegenden Fall die Summe der Schleusenspannungen der Einzeidioden vermehrt um die Schleusenspannung der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 31.

In F i g. 2 ist eine an sich bekannte Darlington-Schaltung, bestehend aus der Hintereinanderschaltung der Transistoren 32 und 33 in Emittcrfolgerschaltung gezeigt die anstelle des Transistors 31 in Fi g. 1 beten kann, und in der Lage ist eine wesentlich. höhere Störleistung abzuführen.

In 'J i g. 1 ist weiterhin gezeigt, daß an einem Abgriff 8 der die Transistoranordnung, in diesem Fall den Transistor 31, leitend steuernden Dioden 51 und 52 eine weitere Reihenschaltung aus mindestens einer Diode 7 und einem Widerstand 6 angeschlossen ist deren anderes Ende an dem anderen Anschluß 2 angeschlossen ist Die Dioden dieser Reihenschaltung 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 ''.!er bis zum Abgriff 8 vorgesehenen Dioden 52. Mit Hilfe der Reihenschaltung aus den Dioden 51 und 52 und der Basis-Emittcr-Strecke des Transistors 31 wird im wesentlichen die Begrenzungsspannung bestimmt Die weitere Reihenschaltung aus den Dioden 7 und dem Widerstand 6 erzeugt im Anlaufstrombereich der Dioden einen Nebenschluß für den Transistor 31, so daß Spannungen unterhalb der Sehwellenspannung 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 Begrenzungscinsaiz der Schaltungsanordnung erzielt wird.

Eine nach F i g. 1 aufgebaute Schaltungsanordnung begrenzt eine gegenüber dem Anschluß 2 positive Spannung. Sollen positive und negative Spannungen begrenzt werden, so ist es zweckmäßig, die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung als Antiparallelschaltung zweier Schaltungsanordnungen nach Fig. 1 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 hohen Stromverstärkungsfaktoren auch bei inversem Betrieb herzustellen. Dadurch ist auch mit einem einzigen Transistor eine Schaltungsanordnung zur symmetrischen Begrenzung von Überspannungen realisierbar. Wie F i g. 4 zeigt, sind hierzu die beiden Reihenschaltungen 51, 52 und 6, 7 doppelt vorgesehen. Die mit dem Abgriff 81 vorgesehene 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. 1 bzw. der Fig.4. 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 erforderlich, daß an dem Widerstand 6, durch den bereits durch die Dioden 7 fließenden Flußstrom eine so hohe Spannung steht, daß der Transistor 31 ausgesteuert wird.

Liegt am Anschluß 2 eine höhere Spannung als am -, Anschluß 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

ίο 31 nunmehr im inversen Betrieb aufgesteuert wird.

Die Bauelemente der erfitidungsgemäßen Schaltungsanordnung, insbesondere die Dioden und Widerstände werden nur mit einer sehr geringen Verlustleistung belastet, so daß sit so klein wie technisch möglich realisiert werden können. Auch tritt die Störleistung an der Transistoranordnung jeweils nur kurzzeitig auf, so daß auch die Transistoranordnung nicht viel 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

r> 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 kann. Es sind folglich keine zusätzlichen Betriebsspannungen erforderlich. In monolithisch integrierter Ausgestaltung kann die übliche negative Substratvorspannung entfallen, da der Substratstrom wegen des Fehlens in Sättigung betriebener Transistoren vernachlässigt werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Schalt, igsanordnung zur Spannungsbegrenzung, insbesondere für Fernmelde- und Fernsprechanlagen zum Schutz der mit Leitungen verbundenen elektronischen Koppelkontakte gegen Überspannungen, deren Leitfähigkeit unterhalb einer wählbaren Schwellenspannung gering und oberhalb dieser hoch ist, wobei die zwei Anschlüsse aufweisende, eine steuerbare Transistoranordnung enthaltene Schaltungsanordnung oberhalb einer vorgebbaren Spannung in den leitenden Zustand steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoranordnung über ihre Steuerelektrode (4) von einer Reihenschaltung mehrerer Dioden (51, 52), deren eines Ende mit der Steuerelektrode (4) und deren anderes Ende mit einem der beiden Anschlüsse (1,2) verbunden ist, oberhalb der Summenschieusenspannung der Dioden (51,52) und der Transistoranordnung in den leitenden Zustand steuerbar ist, daß an eJnem Abgriff (8) zwischen den die TransistorsBordnung steuernden Dioden (51, 52) eine weitere Reihenschaltung aus mindestens einer Diode (7) und einem Widerstand (6) angeschlossen ist, deren anderes Ende an einem der Anschlüsse (1, 2) angeschlossen ist, wobei die Dioden (7) der weiteren Reihenschaltung in der gleichen Richtung gepolt sind, wie die die Transiütoranordnung leitend steuernden Dioden (51,52) und wobei die Anzahl der Dioden (7) der weiteren Reibenschaltung so gewählt ist, daß ihre Summenschleusenspannung niedriger ist als die Summe aus der Schleusenspannung der Steuerstrecke der Transistoranordnung und der zwischen dieser und dem Abgriff (8) liegenden Dioden (52).

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoranordnung aus einem Transistor (31) besteht, dessen Kollektor-Emitter-Strecke die steuerbare Strecke und dessen Basis die Steuerelektrode (4) bildet

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle eines einzelnen Transistors (31) eine Darlington-Schaltung (Transistoren 32,33) verwendet wird (F i g. 2).

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoranordnung aus einer Kaskadenschaltung mehrerer Transistoren (34, 35, 36) besteht, bei der jeweils der Kollektor des vorgeschalteten Transistors mit der Basis des nachfolgenden Transistors verbunden und bei der jeweils zwei aufeinanderfolgende Transistoren vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp sind und die Emitter aufeinanderfolgender Transistoren abwechselnd mit einem von den beiden Anschlüssen (1, 2) verbunden sind.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Reihenschaltungen doppelt vorgesehen sind und die ebenfalls mit einem Abgriff (81) versehene eine der beiden zusätzlichen Reihenschaltungen mit umgekehrter Polung parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Transistors (31) und die andere der beiden zusätzlichen Reihenschaltungen ebenfalls mit umgekehrter Polung zwischen diesem Abgriff (81) und einem der Anschlüsse (1, 2) geschaltet sind.

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

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