DE29823936U1 - Bipolarer Strombegrenzer - Google Patents

Bipolarer Strombegrenzer

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    • G05F3/10—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics
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    • G05F3/20—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations
    • G05F3/24—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations wherein the transistors are of the field-effect type only
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Description

GR 98 G 3604 DE
Beschreibung
Bipolarer Strombegrenzer
Die Erfindung betrifft einen Zweipol mit bipolarer Strombe grenzung.
Aus „Halbleiter-Schaltungstechnik" von U. Tietze und Ch. Schenk, 9. Auflage, Springer-Verlag, 1991, Seiten 94 bis ist eine Konstantstromquelle bekannt, die aus einem selbstleitenden MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect ^Transistor) und einem Rückkopplungs-Widerstand aufgebaut ist. Ein Gate-Kontakt des MOSFETs wird über den Rückkopplungs-Widerstand auf einen Source-Kontakt des MOSFETs zurückgeführt. Mit dieser Zweipol-Anordnung wird ein über den MOSFET und den Rückkopplungs-Widerstand fließender Strom innerhalb eines weiten Spannungsbereichs praktisch konstant gehalten. Der konstante Stromfluß ergibt sich insbesondere dann, wenn eine an der Anordnung anstehende Spannung größer als eine Abschnürspannung des MOSFETs ist, und der MOSFET dann mit abgeschnürtem Kanal betrieben wird. Der konstante Stromwert wird dabei über den Rückkopplungs-Widerstand eingestellt. Da der Strom auf einen konstanten Wert begrenzt wird, kann man die Anordnung auch als Strombegrenzer bezeichnen. Die strombegrenzende Wirkung ist allerdings nur unipolar, d.h., daß nur eine Spannung mit vorgegebener Polarität, die zudem größer als die Abschnürspannung sein sollte, zu einer Strombegrenzung führt.
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, einen Zweipol der eingangs bezeichneten Art anzugeben, der eine bipolare Strombegrenzung durchführt und dessen Übergangsbereich zwischen den beiden Polaritäten durch einen möglichst niedrigen Übergangswiderstand gekennzeichnet ist. Außerdem soll der Zweipol möglichst einfach aufgebaut sein.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Zweipol entsprechend den Merkmalen des unabhängigen PertfeSfiyenspruchs 1 angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Zweipol mit bipolarer Strombegrenzung handelt es sich um einen Zweipol, welcher
- einen ersten selbstleitenden MOSFET mit einem ersten Gate-Kontakt, einem ersten Source-Kontakt und einem ersten Drain-Kontakt sowie
- einen zweiten selbstleitenden MOSFET mit einem zweiten Gate-Kontakt, einem zweiten Source-Kontakt und einem zweiten Drain-Kontakt umfaßt,
- wobei der erste und der zweite MOSFET gleichen Leitungstyps sind und mit zueinander entgegengesetzter Polarität innerhalb einer Reihenschaltung angeordnet sind, und - wobei der erste Gate-Kontakt mit dem zweiten Drain-Kontakt und der zweite Gate-Kontakt mit dem ersten Drain-Kontakt elektrisch leitend verbunden sind, so daß der erste und der zweite Gate-Kontakt jeweils über einen Drain-Source-Widerstand des jeweils anderen MOSFET auf den ersten bzw. den zweiten Source-Kontakt zurückgekoppelt sind.
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, daß die bekannte Anordnung der unipolaren Konstantstromquelle zum Aufbau eines bipolaren Strombegrenzers verwendet werden kann.
Dies ergibt sich insbesondere durch die Erweiterung der bekannten Anordnung um einen zusätzlichen, gespiegelten MOSFET, der in geeigneter Weise mit dem ersten MOSFET zusammengeschaltet wird. Bei beiden selbstleitenden MOSFETs des bipolaren Strombegrenzers wird ein Gate-Kontakt auf einen Source-Kontakt zurückgekoppelt. Jeder rückgekoppelte MOSFET wirkt als unipolarer Strombegrenzer. Durch eine Reihenschaltung der beiden rückgekoppelten MOSFETs mit zueinander entgegengesetzter Polarität ergibt sich dann ein nichtlinearer Zweipol, der die gewünschte bipolare Strombegrenzung durchführt. Für eine erste Spannungspolarität bewirkt der eine rückgekoppelte MOSFET eine Strombegrenzung auf einen positiven Begrenzungsstrom und für die entgegengesetzte Spannungspolarität bewirkt
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der andere rückgekoppelte MOSFET eine Strombegrenzung auf einen negativen Begrenzungsstrom. Insgesamt liegt somit die gewünschte bipolare Strombegrenzung vor.
Eine weitere wesentliche Erkenntnis liegt darin, daß der Begrenzungsstrom des jeweils gerade als Strombegrenzer, d.h. in Vorwärtsrichtung, betriebenen MOSFETs auch den in Reihe geschalteten anderen MOSFET passieren kann. Über letzteren fließt der Strom dann in Rückwärtsrichtung. Dies wird überhaupt erst durch eine Rückwärtsdiode, die ein inhärenter Bestandteil der selbstleitenden MOSFETs ist, ermöglicht. Diese normalerweise kaum beachtete Rückwärtsdiode des selbstleitenden MOSFETs wird im vorliegenden Fall mit Vorteil in die Betriebsweise des bipolar strombegrenzenden Zweipols eingebunden.
Ein Übergangsbereich zwischen positivem und negativem Begrenzungsstrom ist möglichst steil ausgebildet, um Verluste beim Umschalten der Spannungspolarität so gering wie möglich zu halten.
Günstig ist es, daß der nichtlineare Zweipol zur Strombegrenzung außer den beiden selbstleitenden MOSFETs kein weiteres Bauteil, insbesondere auch keinen gesonderten Widerstand, beinhaltet. Die beiden selbstleitenden MOSFETs sind jeweils über einen Drain-Source-Widerstand des jeweils anderen MOSFETs zurückgekoppelt. Unter dem Drain-Source-Widerstand ist in diesem Zusammenhang dann der nichtlineare Widerstand der genannten Rückwärtsdiode zu verstehen. Der bipolare Strombegrenzer kommt somit mit einem minimalen Einsatz an Bauteilen aus. Da kein gesonderter Widerstand vorhanden ist, hat eine Kennlinie des bipolaren Strombegrenzers im Übergangsbereich eine sehr hohe Steilheit. Da die beiden MOSFETs außerdem den gleichen Leitungstyp, d.h. den gleichen Leitungstyp im Kanal, haben, kann der bipolare Strombegrenzer problemlos integriert werden.
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Außer für seine originäre Bestimmung zur bipolaren Strombegrenzung kann der Zweipol auch für andere Anwendungen eingesetzt werden. So kann er beispielsweise der Separierung von Signalen mit stark unterschiedlichen (Spannungs-)Pegeln dienen. Hochpegelige Signale erfahren dabei die typische strombegrenzende Wirkung, wohingegen niedrigpegelige Signale entsprechend der Kennlinie in dem Übergangsbereich beeinflußt werden. Eine derartige Separierung (=Entkopplung) von hochpegeligen und niedrigpegeligen Signalen wird beispielsweise in einer Sende/Empfangs-Weiche einer Antenne benötigt.
Besondere Ausgestaltungen des Zweipols nach der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen.
.15 In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Zweipol rein passiv aufgebaut. Er weist keinerlei Verbindung zu irgendeiner Versorgungsquelle, sei es einer Spannungs- oder einer Stromquelle, auf. Obwohl der Zweipol mit den beiden selbstleitenden MOSFETs an und für sich aktive Bauelemente beinhaltet, handelt es sich dennoch um einen passiven Zweipol. Beide MOSFETs werden nämlich passiv betrieben. Es wird an keiner Stelle über eine Zuleitung eine Betriebs- oder Versorgungsspannung, beispielsweise für eine Arbeitspunkteinstellung, zugeführt.
Vorteilhaft ist eine weitere Ausgestaltung, bei der der Zweipol erdfrei aufgebaut ist. Darunter ist zu verstehen, daß keinerlei Verbindung zur Systemmasse vorhanden ist. Eine derartige Verbindung kann bei der Anordnung des Zweipols innerhalb eines größeren Schaltungsverbunds zu einer Masseschleife führen, die dann die Ursache für einen unerwünschten Kreisstrom sein könnte. Es sind andere Realisierungen eines bipolaren Strombegrenzers möglich, die über Verbindungen zu einer Stromquelle und zur Systemmasse verfügen. Dies hat dann -· 35 jedoch zur Folge, daß der betreffende bipolare Strombegrenzer unter Umständen nur über potentialtrennende Mittel, wie beispielsweise einen Transformator, in einen größeren Schal-
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tungsverbund integriert werden kann. Die passive und erdfreie Variante des hier betrachteten Zweipols kommt dagegen ohne solche potentialtrennende Mittel aus.
Andere Ausführungsformen betreffen einen Zweipol, bei dem der Gate-Kontakt jedes der beiden selbstleitenden MOSFETs über einen Widerstand auf den jeweiligen Source-Kontakt zurückgekoppelt ist.
Die Steilheit der Kennlinie eines so ausgebildeten bipolaren Strombegrenzers wird in dem Übergangsbereich dann unter anderem durch den Widerstand, der auch der Einstellung des Begrenzungsstroms dient, bestimmt. Die Dimensionierung dieses Widerstands bestimmt sich deshalb sowohl nach dem geforderten Begrenzungsstrom als auch nach der geforderten Kennliniensteilheit im Übergangsbereich. Eine steile Kennlinie entspricht hierbei einem niedrigen Übergangswiderstand.
Bei einer solchen Ausführungsform ist nur ein einziger Rückkopplungs-Widerstand für beide selbstleitende MOSFETs vorgesehen ist. Dieser befindet sich sowohl im Rückkopplungszweig des ersten als auch des zweiten MOSFETs. Über ihn wird der positive und auch der negative Begrenzungsstrom eingestellt. Da der Rückkopplungs-Widerstand auch die Steilheit der Kennlinie des nichtlinearen Zweipols in dem Übergangsbereich maßgeblich mit beeinflußt, ist es vorteilhaft, anstelle von jeweils einem Widerstand für den positiven und den negativen Begrenzungsstrom nur einen einzigen für beide Polaritäten zu verwenden. Damit erhöht sich die Steilheit der Kennlinie in dem Übergangsbereich, womit gleichzeitig eine Reduzierung von Verlusten einhergeht.
Je nachdem, in welchem Frequenzbereich der nichtlineare Zweipol zur Strombegrenzung betrieben werden soll, kann der Rückkopplungs-Widerstand bevorzugt als ohmscher Widerstand, als Induktivität, als Kapazität oder als beliebig komplexer Widerstand ausgeführt sein. Für breitbandige Anwendungen ist
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dabei eine rein ohmsche Ausbildung besser geeignet, wohingegen für Schmalbandanwendungen eine reaktive bzw. komplexe Ausbildung des Widerstands bevorzugt ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Verdeutlichung ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt und gewisse Merkmale sind schematisiert dargestellt. Im einzelnen zeigen
Figur 1 einen Zweipol mit bipolarer Strombegrenzung, Figur 2 eine idealisierte Kennlinie eines strombegrenzenden Zweipols,
Figur 3 eine Kennlinie mit Übergangsbereich und Figur 4 einen weiterer Zweipol mit bipolarer Strombegrenzung.
Einander entsprechende Teile sind in den Figuren 1 bis 4 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In Figur 1 ist ein Zweipol Z mit bipolarer Strombegrenzung dargestellt. Er besteht im wesentlichen aus einem ersten selbstleitenden MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) Tl mit einem ersten Gate-Kontakt Gl, einem ersten Source-Kontakt Sl und einem ersten Drain-Kontakt Dl sowie einem zweiten selbstleitenden MOSFET T2 mit einem zweiten Gate-Kontakt G2, einem zweiten Source-Kontakt S2 und einem zweiten Drain-Kontakt D2. Die beiden MOSFETs Tl und T2 sind jeweils vom gleichen Leitungstyp, im vorliegenden Fall vom &eegr;-Typ. Die strombegrenzende Wirkung des Zweipols Z wird dadurch erreicht, daß sowohl der erste Gate-Kontakt Gl über einen Rückkopplungs-Widerstand ZF auf den ersten Source-Kontakt Sl als auch der zweite Gate-Kontakt G2 über den gleichen Rückkopplungs-Widerstand ZF auf den zweiten Source-Kontakt S2 zurückgeführt werden. Dabei bewirkt der erste MOSFET Tl eine Strombegrenzung bei positiven Spannungswerten und der zweite MOSFET T2 eine Strombegrenzung bei negativen Spannungswerten, jeweils bezogen auf einen vom ersten Drain-
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Kontakt Dl zum zweiten Drain-Kontakt D2 gerichteten Spannungspfeil .
Zur Verdeutlichung der Wirkungsweise zeigt die Figur 2 eine idealisierte Kennlinie des bipolar strombegrenzenden Zweipols Z. Bei einer positiven Spannung U fließt ein konstanter positiver Begrenzungsstrom IO und bei einer negativen Spannung U fließt ein konstanter negativer Begrenzungsstrom -10.
Ein Übergang zwischen positivem und negativem Begrenzungsstrom +10 bzw. -IO ist bei der in Figur 2 dargestellten idealisierten Kennlinien abrupt. Der abrupte Übergang entspricht hierbei einem verschwindenden Übergangswiderstand. Dieser verschwindende Wert ist in der Praxis selbstverständlich nicht zu erzielen.
Figur 3 zeigt deshalb einen realistischeren Kennlinienverlauf mit einem Übergangsbereich Ü und einem endlichen Übergangswiderstand. Bei der praktischen Realisierung wird jedoch stets ein möglichst schmaler Übergangsbereich Ü angestrebt, der dem Verlauf der idealisierten Kennlinie von Figur 2 möglichst nahekommt. Je steiler die Kennlinie an dieser Stelle ausgebildet ist, desto niedriger fallen die Verluste aus.
Der in Figur 1 gezeigte Zweipol Z wird nun detaillierter beschrieben. Der erste und der zweite MOSFET Tl bzw. T2 sind über den Rückkopplungs-Widerstand ZF in Reihe geschaltet. Dazu ist der erste Source-Kontakt Sl des ersten MOSFETs Tl mit einem und der zweite Source-Kontakt S2 des zweiten MOSFETs T2 mit dem anderen der beiden Anschlüsse des Rückkopplungs-Widerstands ZF verbunden. Desweiteren sind der erste Gate-Kontakt Gl mit dem zweiten Source-Kontakt S2 und der zweite Gate-Kontakt G2 mit dem ersten Source-Kontakt Sl verbunden. Die beiden MOSFETs Tl und T2 sind somit mit zueinander entgegengesetzter Polarität innerhalb der Reihenschaltung des Zweipols Z angeordnet. Die Anschlüsse des
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Zweipols Z werden durch den ersten und den zweiten Drain-Kontakt Dl bzw. D2 gebildet.
Verglichen mit einer anderen, nicht dargestellten Schaltungs-Variante, bei der jedem der beiden MOSFETs Tl bzw. T2 ein eigener Rückkopplungs-Widerstand ZF zugeordnet ist, weist die Variante von Figur 1 einen niedrigeren Übergangswiderstand auf. Gemäß den vorstehenden Ausführungen ist dies im Hinblick auf niedrige Verluste besonders vorteilhaft.
Der positive sowie der negative Begrenzungsstrom +10 bzw. -IO werden jeweils durch den gleichen Rückkopplungs-Widerstand ZF eingestellt. Für den ersten und den zweiten MOSFET Tl bzw. T2 kommt im gezeigten Beispiel jeweils ein Transistor des Typs BSP 149 der Firma Siemens zum Einsatz. Alternativ könnte jedoch auch beispielsweise der Siemens-Transistor BSS 149 verwendet werden. Der Rückkopplungs-Widerstand ZF ist rein ohmsch und hat einen Wert von 5,1 &OHgr;. Dadurch wird ein absoluter Begrenzungsstrom |&idiagr;&thgr;| von ungefähr 100 inA eingestellt.
Der Übergangswiderstand des dargestellten Zweipols Z ergibt sich als Reihenschaltung eines ersten Drain-Source-Widerstands, des Rückkopplungs-Widerstands ZF und eines zweiten Drain-Source-Widerstands, wobei erster und zweiter Drain-Source-Widerstand jeweils einen Innenwiderstand des ersten bzw. zweiten MOSFETs Tl bzw. T2 darstellen. Für kleine Signalpegel, die innerhalb des Übergangsbereichs Ü liegen, werden die beiden MOSFETs Tl und T2 jeweils in einem praktisch symmetrischen Aussteuerungsbereich um den Nullpunkt des Ausgangskennlinienfelds der beiden MOSFETs Tl und T2 betrieben. Für kleine Signalpegel haben die Kennlinien des Ausgangskennlinienfelds der beiden MOSFETs Tl und T2 jeweils eine lineare Steigung, welche dem bereits angesprochenen Drain-Source-Widerstand entspricht. Im vorliegenden Fall ergibt sich dann ein gesamter Übergangswiderstand von etwa 10 &OHgr;.
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Für große Signalpegel, die außerhalb des Übergangsbereichs Ü liegen, verhalten sich die beiden MOSFETs Tl und T2 nicht mehr symmetrisch. Je nach Signalpolarität wirkt stets einer der MOSFETs Tl und T2 als Strombegrenzer, und der jeweils andere aufgrund der Rückwärtsdiode, die jeweils integraler Bestandteil der beiden selbstleitenden MOSFETs Tl und T2 ist, als im Durchlaßbereich betriebene Diode. Bei einem positivem Spannungswert wirkt der erste MOSFET Tl als Strombegrenzer, während der zweite MOSFET T2 über seine Rückwärtsdiode betrieben wird und den Begrenzungsstrom IO ungehindert passieren läßt. Für einen negativen Spannungswert kehren sich die Verhältnisse genau um.
Die maximale Spannung, mit der Zweipol Z belastet werden kann, richtet sich nach der maximalen Spannung, die zwischen dem jeweiligen Drain-Kontakt Dl oder D2 und dem jeweiligen Source-Kontakt Sl oder S2 der beiden MOSFETs Tl bzw. T2 bauartbedingt angelegt werden darf. Bei dem gewählten Transistortyp beträgt diese Spannung etwa 200 V. Durch eine andere Transistorwahl ist jedoch auch eine höhere zulässige Spannung prinzipiell möglich.
In Figur 4 ist eine alternative Ausführungsform für den Zweipol Z mit bipolarer Strombegrenzung dargestellt. Wiederum sind beide MOSFETs Tl und T2 jeweils vom gleichen Leitungstyp. Beide MOSFETs Tl und T2 haben im Beispiel von Figur 4 jeweils einen &eegr;-leitenden Kanal. Im Unterschied zu der Ausführungsform von Figur 1 beinhaltet die Variante von Figur 4 keinen gesonderten Rückkopplungs-Widerstand ZF. Der- erste Gate-Kontakt Gl wird hier vielmehr über einen Drain-Source-Widerstand des zweiten MOSFETs T2 auf den ersten Source-Kontakt Sl zurückgekoppelt, und der zweite Gate-Kontakt G2 wird über einen Drain-Source-Widerstand des ersten MOSFETs Tl auf den zweiten Source-Kontakt S2 zurückgekoppelt. Hierbei werden die entsprechenden Drain-Source-Widerstände nun jeweils durch den nichtlinearen Widerstand der Rückwärtsdiode der beiden MOSFETs Tl und T2 gebildet. Durch den Wegfall des
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Rückkopplungs-Widerstands ZF wird einerseits die Steigung der Kennlinie im Ubergangsbereich Ü gemäß Figur 3 erhöht, d.h. der Übergangswiderstand erniedrigt, andererseits kann der Zweipol Z gemäß Figur 4 jedoch nur mit einer maximalen Spannung von etwa 20 V betrieben werden.
Die Ursache für die niedrigere Betriebsspannung liegt hierbei in der maximal zulässigen Gate-Source-Spannung der verwendeten MOSFETs Tl und T2, die gerade bei dem genannten Spannungswert liegt. Die am Zweipol Z anliegende Spannung fällt praktisch vollständig bei einem der beiden Transistoren Tl oder T2 zwischen dem Gate-Kontakt Gl bzw. G2 und dem Source-Kontakt Sl bzw. S2 ab. Diese zwischen Gate und Source abfallende Spannung wird dabei lediglich um den Spannungsabfall an der Rückwärtsdiode des jeweils anderen MOSFETs Tl bzw. T2 reduziert. Bauartbedingt ist bei dem gewählten Transistortyp eine maximale Spannung von etwa 20 V zwischen Gate und Source zulässig.

Claims (3)

1. Zweipol mit bipolarer Strombegrenzung umfassend
1. einen ersten selbstleitenden MOSFET (T1) mit einem ersten Gate-Kontakt (G1), einem ersten Source-Kontakt (S1) und einem ersten Drain-Kontakt (D1) sowie
2. einen zweiten selbstleitenden MOSFET (T2) mit einem zweiten Gate-Kontakt (G2), einem zweiten Source-Kontakt (S2) und einem zweiten Drain-Kontakt (D2),
3. wobei der erste und der zweite MOSFET (T1, T2) gleichen Leitungstyps sind und mit zueinander entgegengesetzter Polarität innerhalb einer Reihenschaltung angeordnet sind, und
4. wobei der erste Gate-Kontakt (G1) mit dem zweiten Drain- Kontakt (D2) und der zweite Gate-Kontakt (G2) mit dem ersten Drain-Kontakt (D1) elektrisch leitend verbunden sind, so daß der erste und der zweite Gate-Kontakt (G1, G2) jeweils über einen Drain-Source-Widerstand des jeweils anderen MOSFET (T1, T2) auf den ersten bzw. den zweiten Source-Kontakt (S1, S2) zurückgekoppelt sind.
2. Zweipol nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweipol (Z) als passiver Zweipol ausgebildet ist.
3. Zweipol nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweipol (Z) erdfrei ausgebildet ist.
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