DE3331075A1 - Hochspannungsschutz fuer eine ausgangsschaltung - Google Patents

Description

RCA 78,822 Sch/Vu
U.S. Ser, No. 412,899
vom 30. August 1982

RCA Corporation, New York, N.Y. (V.St.A.)

. .Hochspännüngsschutz für eine Ausgangsschaltung

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Schutz eines signalyerarbeitenden Ausgangshalbleiters gegen Beschädigung durch'elektrische'.Uberbeanspruchung· infolge von Hochspannungs-AüsgieichsscKwingungeri positiver oder negativer Polarität. . '"'■.

Hochspanhungs-Ausgleichs'schwingungen, welche ein Halbleiterbauelement"wie einen Transistor beschädigen können, können auf verschiedene Weise entstehen. In einem Fernsehempfänger mit einer Bildwiedergaberöhre können solche Ausgleichsschwingungen beispielsweise bei Funkenüberschlägen in der Bildröhre'entstehen. Größe," Polarität und Dauer solcher Ausgleichsschwingungen können ausreichen, um Transistoren · zu beschädigen oder zu zerstören, die in Signalverarbeitungsschaltungen des Empfängers enthalten sind, etwa durch Überschreitung der Sperrdurchbruchsspannung von Transistoren, so daß übermäßig hohe Sperrschichtströme zum Fließen kommen. Diese Wirkung beobachtet man typischerweise, wenn Hochspannungs-Ausgleichsschwingungen an Schaltungspunkten

1 oder Anschlüssen induziert werden, an welche die Transistoren angeschlossen sind, und es wird besonders problematisch in einem System mit einer integrierten Schaltung, welche empfindliche Transistorschaltungen für die Verarbeitung von Signalen niedrigen Pegels enthält, übermäßige, durch Ausgleichsschwingüngen induzierte Ströme können Halbleiterübergänge von Transistoren zerstören und auch dazu führen, daß die Stromverstärkungscharakteristik eines Transistors bleibend verschlechtert wird.
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Zur Unterdrückung der Auswirkungen von Hochspannungs-Ausgleichs vor gangen kann man verschiedene Schutzschaltungen benutzen.

So können geeignet gepolte Halbleiterdioden an Schaltungspunkten verwendet werden, um die Ausgleichsschwingungen von empfindlichen Transistorschaltungen, die geschützt werden sollen, abzuleiten. Zu diesem Zweck können Dioden erforderlich sein, die nicht mit gängigen Techniken oder Konfigurationen hergestellt werden. Dioden für solche Erfordernisse sind aber häufig unerwünscht, insbesondere im Zusammenhang mit integrierten Schaltungen, weil diese Erfordernisse den Herstellungsprozeß für integrierte Schaltungen komplizieren- In jedem Falle muß man dafür sorgen, daß die Dioden genügend Verlustleistung verarbeiten können, um die elektrischen Beanspruchungen auszuhalten, die aus den Ausgleichsvorgängen resultieren, ohne daß sie dabei zerstört werden, und daß diese Dioden allein oder zusammen mit irgendwelchen zügehörigen, Schwellwerte bestimmenden Vorspannungsschaltungen nicht die gewünschten Impedanzverhältnisse oder Hochfrequenzeigenschaften der zu schützenden Schaltungen beeinträchtigen.

Man kann auch Widerstände oder Impedanzschaltungen benutzen, die speziell so ausgelegt sind/ daß sie Hochspannungs-Ausgleichs schwingungen unterdrücken, jedoch können solche Bauelemente für viele Schaltungsanwendungen vom Konstruktions-

Standpunkt aus gesehen zu kostspielig oder unpraktikabel sein und können außerdem die Impedanzeigenschaften und das Hochfrequenzverhalten der zu schützenden Schaltungen, für welche sie verwendet werden, beeinträchtigen. 5

Eine aktive Transistorschutzschaltung ist ebenfalls bereits in Kombination mit einer .Fühlimpedanz verwendet worden, die sowohl mit einem Schaltungspunkt, an dem die Hochspannungs-Ausgleichs schwingungen, auftreten können, wie auch mit der zu schützenden Schaltung verbunden war. Bei dieser Anordnung dient der Schutztransistor zur Ableitung von durch Ausgleichsschwingungen induzierten Strömen von der zu schützenden' Schaltung ,· wenn der Schutztransistor in Abhängigkeit'von einer.Schwellwertleitungsspannung aktiviert ist, die 'über der:Eühlimpedanz entsteht. Für den Schutz einer Signalverarbeitungsschaltung ist diese Anordnung jedoch -unzweckmäßig, da die Fühlimpedanz die andernfalls zur geschützen- Signalverarbeitungsschaltung gehörige Impedanz verändert und auch hochfrequente Signale dämpfen kann, die normalerweise an dem Schaltungspunkt auftreten, indem sie' mit irgendwelchen.parasitären Kapazitäten, die an diesem 'Schaltungspunkt wirksam sein können, ein Tiefpaßfilter bildet.

Eine Schutzschaltung gegen .Ausgleichsvorgänge gemäß der Erfindung vermeidet die obengenannten Nachteile und eignet sich insbesondere zur Herstellung in einer integrierten Schaltung, welche auch die zu schützende Schaltung enthält. Speziell bietet die hier beschriebene Schutzschaltung Schutz gegen Hochspannungs-Ausgleichsschwingungen sowohl positiver wie auch'negativer Polarität ohne Beeinflussung der gewünschten .Signalverarbeitungseigenschaften der geschützten Schaltung (beispielsweise des Hochfrequenzverhaltens oder der Impedanzeigenschaften).

Eine erfindungsgemäße Schutzschaltung ist in einem Signalverarbeitungssystem enthalten, welches einen Signalaus-

gangsanschluß, an dem zufällige Hochspannungs-Ausgleichsschwingungen auftreten können, und ein Halbleiterelement enthält, welches empfindlich gegen Schaden durch elektrische überbeanspruchung infolge von Hochspannungs-Ausgleichsschwingungen ist. Die Schutzschaltung enthält einen ersten Transistor eines Leitungstyps, der normalerweise Signale vom Halbleiterelement über seinen Emitterausgang an den Ausgangsanschluß liefert, und einen zweiten, normalerweise gesperrten Transistor vom entgegengesetzten Leitungstyp.

Die Basen beider Transistoren sind zusammengeschaltet, die Emitter beider Transistoren sind zusammen an den Ausgangsanschluß geführt, und die Kollektoren der Transistoren liegen jeweils an Betriebsspannungspunkten. Ausgleichsströme aufgrund von Hochspannungs-Ausgangsschwingungen einer Polarität am Ausgangsanschluß werden über die Kollektor-Emitter-Strecke des ersten Transistors an den betreffenden Betriebsspannungspunkt abgeleitet. Der zweite Transistor wird leitend aufgrund von Ausgleichsspannungen der entgegengesetzten Polarität am Ausgangsanschluß und leitet die entsprechenden Ausgleichsströme über seine Kollektor-Emitter-Strecke an den betreffenden Betriebsspannungspunkt ab.

In der beiliegenden Zeichnung ist ein Teil eines Fernsehempfängers mit einer die erfindungsgemäße Schutzschaltung enthaltenden Schaltung veranschaulicht.

Leuchtdichtesignale von einer Quelle 10 und Farbsignale von einer Quelle 12 werden von getrennten Signaleingangsan-Schlüssen 13 und 14 einer Leuchtdichte- und Farbsignalverarbeitungsschaltung 15 eines Farbfernsehempfängers geliefert. Die Schaltung 15 (beispielsweise eine integrierte Schaltung) kombiniert die Leuchtdichte- und Farbsignale in bekannter Weise zu Farbbildsignalen r, g und b an Ausgangsanschlüssen 21, 22 bzw. 23. Die Farbsignale werden durch Bildröhren-Treiberverstärker 24, 25 und 26 verstärkt, welche verstärkte Farbbildsignale R, G und B hohen Pegels an

getrennte .Intensitätssteuerelektroden einer Farbbildröhre 30 liefern. Eine Betriebsspannungsquelle 35 erzeugt mehrere Betriebsspannungen für die Bildröhre 30, nämlich eine Hochspannung in der Größenordnung von 25 kV für die Anode der Bildröhre 30 und Spannungen in der Größenordnung weniger 100 V für andere Elektroden der Bildröhre 30 (beispielsweise Kathode, Schirmgitter und Fokuselektroden).

Die Signalverarbeitungsschaltung 15 enthält mit den Ausgangsanschlüssen 21, 22 und 23 gekoppelte Ausgangsschaltungen, die'beschädigt oder zerstört werden können, wenn an diesen Anschlüssen Hochspannungen auftreten. In einem Fernsehempfänger liegt die Hauptquelle solcher Hochspannungen in Ausgleichsschwingungen, die -durch Funkenüberschläge der Bildröhre entstehen. Solche Bildröhrenüberschläge können zwischen der Hochspannungsanode und dem Empfängerchassis auf treten, wenn der Empfänger beispielsweise gewartet 'wird. Bildröhrenüberschläge können auch unvorhergesehen zwischen der Anode und einer oder mehreren anderen Elektroden (niedrigeren Potentials) der Bildröhre im normalen Betrieb des .Empfängers auftreten. In jedem Fall führen Bildröhrenüberschläge zu Hochspannungsausgleichsschwingungeri mit positiven und negativen Spitzenamplituden häufig von mehr als 100 V an den Schaltungsanschlüssen mit einer Dauer von einer bis mehreren Mikrosekunden.

Die Wahrscheinlichkeit von Beschädigungen oder Zerstörungen von HalbleiterSchaltungselementen durch Hochspannungs-Ausgleichsschwingungen erhöht- sich, wenn sich solche Schaltungen in ^-der Nähe von Hochspannungsquellen befinden, und mit der Möglichkeit dort auftretender Hochspannungs-Ausgleichsvorgänge. Hier sind die Signalausgangsanschlüsse der Schaltung 15 mit B'ildröhrentreiberverstärkern 24 bis 26 verbunden, welche Hochspannungs-Ausgangssignale an die Kathoden der Bildröhre 30 liefern. Die Bildröhrentreiber 24 bis 26 werden typischerweise aus einer Hochspannungs-

quelle (beispielsweise +230 V) gespeist, die durch die Quelle 35 gebildet sein kann, die auch hohe und sehr hohe Betriebsspannungen für die Bildröhre 30 liefert, wie bereits gesagt wurde.
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Die Schaltung 15 enthält mehrere Signalverarbeitungsschaltungen, welche jeweils Farbsignale an die Ausgangsanschlüsse 21 bis 23 liefert. Ein Teil der Signalverarbeitungs- und Ausgangskoppelschaltung für das rote Farbsignal r ist mit dem Anschluß 21 verbunden und enthält Transistoren 40, 44 und 45 und einen Widerstand 41 in der dargestellten Schaltungsweise. Ähnlich geschaltete Signalverarbeitungs- und Ausgangskoppelschaltungen für die Signale g und b liegen an den Ausgangsanschlüssen 22 und 23.

Der Transistor 40 ist ein Niederspannungssignalverstärkungstransistor geringer Leistung und liefert verstärkte Signale an seinem Kollektorlastwiderstand 41. Er kann beschädigt oder zerstört werden, wenn hohe Ausgleichsspannungen, wie sie etwa am Ausgangsanschluß 21 bei Bildröhrenüberschlägen auftreten können, .zu ihm gelangen. Solche Übergangsschwingungen (die häufig eine von Spitze zu Spitze gemessene Amplitude von mehr als 100 V haben) können auch den Lastwider stand 41 beschädigen oder zerstören, wenn der Transi- stör 40 und der Widerstand 41 in derselben integrierten Schaltung ausgebildet sind, da die geringe Fläche von integrierten Widerständen typischerweise nicht in der Lage ist, größere Mengen thermischer Energie abzuführen, wie sie bei durch große Ausgleichsschwingungen induzierte Ströme entstehen.

Der Signaltransistor 40 und der Widerstand 41 werden gegen die Auswirkungen hoher Ausgleichsspannungen mit Hilfe einer Schaltung geschützt, welche einen NPN-Transistor 44 und einen PNP-Transistor 45 enthält. Der Transistor 44, der normalerweise für die Signalverarbeitung leitet, ist als Emitterfolger geschaltet und koppelt die Ausgangssignale

:-:::._:-: ,,..: 3331U7& -ιοί vom Transistor 40 mit niedriger Emitterausgangsimpedanz ah den Anschluß 21. Der Emitter des Transistors 44 ist über einen äußerhalb der integrierten Signalverarbeitungsschaltung 15 befindlichen Lastwiderstand 51 an.Bezugsmassepotential geführt.· Die Anordnung des Widerstandes 51 außerhalb der Signalverärbeitungsschaltung 15 ist erwünscht, um die Erwärmung-der integrierten Signalverarbeitungsschaltung 15 durch die im-Widerstand 51 -umgesetzte Verlustleistung zu verringern. Der Widerstand 51 könnte jedoch auch in der Schaltung 15 enthalten sein. Der Kollektor des Emitterfol-' gertransistors- 44 "Ist unmittelbar -an eine positive Betriebsgieichspannung +V' gelegt.

Die Basisund der niederohmige Emitter des PNP-Transistors 45 sind unmittelbar mi^:t'Basis und niederohmigem Emitter des NPN-Tränsistors 44 verbunden. Der Kollektor des Transistors^: Ä5 liegt unmittelbar an' Massebezugspotential. Unter normalen Bedingungen wird die -Basis-Emitter-Übergangs-Vorspahnung für den PNP-Transistor 45 unmittelbar durch die Basis-Emitter-Übergangsspannung des normalerweise leitenden Transistors 44 "gebildet. Bei normalen Signalverarbeitungszuständen ist also'die Basis-Emitter-Strecke des PNP-Transistors durch die am leitenden Basis-Emitter-'Ubergang des'Transistors 44 entstehende Spannung in Sperrrichtung'¹ vorgespannt';· Daher leitet-der Transistor 45 normalerweise nicht und hat'· keinen Einfluß auf die Signale, die normalerweise durch den·Verstärkertransistor 40 und den Emitterfolgertransistor 44 zum Ausgangsanschluß 21 übertragen werden.

Ströme, die durch negative Ausgleichs-Hochspannungen am Anschluß 21- entstehen, fließen durch den NPN-Transistor 44, der einen'Stromweg zur· Ableitung solcher Ausgleichsströme vom Signalverstärkertrahslstor 40 weg bildet. Durch AUsglei'chsvorgähge in^:düzxefip.e Ströme in diesem Strompfad fließen von 'der Betriebsspannungsquelle +V durch die Kollek-

CC

tor-Emitter-Strecke' des'Transistors 44 und den Anschluß 21

zur Quelle der Ausgleichsspannungen. Der PNP-Transistor bleibt bei negativen Ausgleichsspannungen gesperrt.

Tritt eine positive Ausgleichsspannung am Anschluß 21 auf, dann wird der PNP-Transistor 45 in Durchlaßrichtung vorgespannt und bildet einen Stromweg zur Ableitung von Strömen, die durch positive Ausgleichsspannungen induziert sind, weg vom Signaltransistor 40. In diesem Falle werden die durch die Ausgleichsspannung induzierten Ströme über die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 45 nach Masse abgeleitet. Auch nimmt der Basisstrom des Transistors 45 mit dem wesentlich größeren, durch Ausgleichsspannungen induzierten Emitterstrom des Transistors 45 proportional zu und bewirkt, daß die Basisspannung des NPN-Transistors 44 proportional wächst. Wird die Basisspannung des Transistors 44 genügend groß, um den Basis-Kollektor-Übergang des Transistors 44 in Durchlaßrichtung vorzuspannen, dann entsteht ein zusätzlicher Weg zur Ableitung der durch Ausgleichsspannungen induzierten Ströme. Dieser Weg enthält die Emitter-Basis-Strecke des PNP-Transistors 45, die in Durchlaßrichtung vorgespannte Basis-Kollektor-Strecke des NPN-Transistors AA und die Spannungsquelle +V . Jeglicher in diesem letztgenannten Stromweg fließender Strom ist bedeutend kleiner als der von Ausgleichsspannungen induzierte Strom, der über die Emitter-Kollektor-Strecke des PNP-Transistors 45 nach Masse abgeleitet wird.

Die beschriebene Schutzschaltung benötigt vorteilhafterweise wenige Komponenten, und die Transistoren 44 und 45 brauchen keine großen Elemente oder Leistungselemente zu sein. Damit kann die'Schutzschaltung vorteilhafterweise in einer integrierten Schaltung mit nur begrenzter verfügbarer Fläche verwendet werden. Die Transistoren 44 und 45 zeichnen sich von Haus aus durch Selbstbegrenzung der Ausgleichsstromleitung aus, wenn sie bei Ausgleichs-Hochspannungen leiten. Diese begrenzte Ausgleichsstromleitung be-

ruht auf den verteilten Kollektorwiderständen der Transistoren 44 und 45, so daß diese mit üblichen Basis-Emitter-Ubergangs-Konfigurationen ausgebildet werden können. Weiterhin verändert die Schaltung weder das Frequenzverhalten noch die Impedanz am Ausgang der Schaltung 15 bei normaler Signalverarbeitung. In dieser Hinsicht liefert der Emitterfolgertransistor 44 normalerweise Ausgangssignale mit nie-· driger Quellenimpedanz, wie es für die Ansteuerung des Bildröhrentreibers .24 erforderlich ist, und bietet gleichzeitig Schutz beim Auftreten negativer Ausgleichshochspannungen. ; ^:

Die Transistoren 44 und 45 können mit üblicher Struktur ausgebildet sein. Im Falle von Ausgleichshochspannungen bei ^;Bildröhrenüberschlägen werden beispielsweise Ausgleichsspannungen am Ausgangsanschluß 21 über eine effektiv hohe Impedanz induziert, "die zusammen mit den niedrigen Emitterimpedanzen der Transistoren 44 und 45 eine erhebliche Dämpfung der Ausgleichsspannung am Anschluß 21 ergibt.

Jedoch sind solche Ausgleichsspannungen typischerweise mit möglicherweise zerstörenden hohen Strömen verbunden, und von den Transistoren 44 und 45 geleitete Übergangsströme werden, wie erwähnt, in ihrer Größe durch die inhärenten verteilten^ .Kollektorwiderstände dieser Transistoren begrenzt. Außerdem halten.die Transistoren 44 und 45 die thermische Energie aus, welche die großen Übergangsströme mit sich bringen, weil die relativ große Kollektorzone eines üblichen Transistors dazu beiträgt, solche thermische Energie unschädlich abzuführen.

Die beschriebene Schutzschaltung eignet sich zum Schutz jeglichen Halbleiterelementes (beispielsweise einschließlich Transistoren, Dioden^und Widerständen, insbesondere in einer integrierten Schaltung), die nur relativ kleinflächig ausgebildet sind und nicht in der Lage sind, große Energiemengen, wie sie bei Hochspannungs-Ausgleichsvorgängen auftreten, sicher abzuführen oder zu begrenzen.

Claims (6)

1. fcCA 78,822 Sch/Vu
   q.S. Ser. No. 412,899
   vom 30. August 1982

   FAX CR Il + IM 10891 2 7160

   RCA Corporation,.New York, N.Y.(V.St.A.)

   Patentansprüche

   /TT) Signalverarbeitungssystem mit einem Ausgangsanschluß, an welchem zufällige Ausgleichshochspannungen auftreten können, und mit einem Halbleiterbauelement, welches durch aufgrund der Ausgleichshochspannung entstehenden elektrischen Belastung beschädigt werden kann, ferner mit einem normalerweise leitenden Transistor eines Leitungstyps, der mit einer ersten Eingangselektrode an das Halbleiterbauelement und mit einer niederohmigen zweiten Elektrode an den Ausgangsanschluß sowie mit einer dritten Elektrode an eine erste Betriebsspannung angeschlossen ist, wobei die zweite Elektrode die Hauptstromstrecke des ersten Transistors bestimmt, der normalerweise leitet und Signale zum Ausgangsanschluß gelangen läßt,
   dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter, normalerweise gesperrter Transistor (45)

   vom dem ersten Transistor (44) entgegengesetzten Leitungstyp mit einer ersten Elektrode (Basis) an die erste Elektrode (Basis) des ersten .Transistors (44) angeschlossen ist, mit einer niederohmigen zweiten Elektrode (Emitter) an die zweite Elektrode (Emitter) des ersten Transistors (44) und den Ausgangsanschluß (21) angeschlossen ist und mit einer dritten Elektrode (Kollektor) an eine zweite Betriebsspannung (Masse) angeschlossen ist, daß die zweite Elektrode (Emitter) den Hauptstromleitungspfad des zweiten Transistors (45). bestimmt, daß ferner der zweite Transistor (45) beim Auftreten von Ausgleichsvorgängen einer ersten Polarität am Ausgangsanschluß (21) leitend wird und zugehörige Ausgleichsströme zur zweiten Betriebsspannung (Masse) über seine Hauptstromstrecke ableitet,

   und daß der erste Transistor (44) Ausgleichsströme aufgrund von Ausgleichshochspannungen einer ersten Polarität über seine Hauptstromstrecke an die erste Betriebsspannung (+V ) ableitet.

   CC
2. 2) Signalverarbeitungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch-.gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Elektrode(Basis bzw. Emitter) des ersten Transistors einen Halbleiterübergang, an dem normalerweise eine Vorspannung auftritt, definieren und. daß die erste und zweite Elektrode (Basis bzw. Emitter) des zweiten Transistor (45) einen Halbleiterübergang definieren, dessen Vorspannung normalerweise hauptsächlich durch die am Halbleiterübergang des ersten Transistors (44) entstehende Vorspannung gebildet wird, um den zweiten Transistor (25) normalerweise gesperrt zu halten.
3. 3) Signalverarbeitungsschaltung- nach Anspruch 1 oder 2_r dadurch gekennzeichnet, daß die erste, zweite und dritte Elektrode des ersten und zweiten Transistors deren Basis, Emitter bzw. Kollektor sind.
4. 4) SignalVerarbeitungsschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor (44) ein NPN-Transistor i_st, der durch Ausgleichshochspannungen negativer Polarität entstehende Ausgleichsströme ableitet, und daß der zweite Transistor (45) ein PNP-Transistor zur Ableitung von aufgrund positiver Ausgleichshochspannungen entstehender Ausgleichsströme ist.
5. 5) Signalverarbeitungsschaltung nach Anspruch 1 mit einer Signale von dem Ausgangsanschluß erhaltenden Verbraucherschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgangsanschluß (21) und die Verbraucherschaltung (24, 30) eine Emitterlastimpedanz (51) für den ersten Transistor (44) geschaltet ist.
6. 6) Signalverarbeitungsschaltung nach Anspruch 1 für einen Fernsehempfänger, gekennzeichnet durch eine Bildwiedergaberöhre (30), die bei Bildröhrenüberschlägen Ausgleichshochspannungen erzeugen kann, eine Betriebsspannungsquelle (35) zur Erzeugung von Betriebsspannungen für die Bildröhre (30) und einen Bildröhrentreiberverstärker (24) zur Versorgung der Bildröhre (30) mit einer verstärkten Version der am Ausgangsanschluß(21) auftretenden Signale.