DE3400973A1

DE3400973A1 - Monolithisch integrierte gleichrichterbrueckenschaltung

Info

Publication number: DE3400973A1
Application number: DE19843400973
Authority: DE
Inventors: Hansmartin Dipl.-Ing. 2000 Norderstedt Störrle
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1984-01-13
Filing date: 1984-01-13
Publication date: 1985-07-18

Description

Monolithisch integrierte Gleichrichterbrückenschaltung
Die Erfindung betrifft eine monolithisch integrierte Gleichrichterbrückenschaltung. Zur Versorgung monolithisch integrierter bipolarer Schaltungen aus einer Wechselstromquelle, z.B. dem Netz, sind für Halbwellenbetrieb mit unsymmetrischer Spannungsbegrenzung monolithisch integrierbare Lösungen bekannt, so z.B. die Zündschaltung TCA 280 A von Valvo, siehe 'Valvo Datenbuch Prof. Integ. Schaltungen 1982", Seiten 193-202.
Die Nutzung beider Stromhalbwellen erfordert jedoch eine Gleichrichterbrückenschaltung. Bei einer gemeinsamen monolithischen Integration einer integrierten Schaltung und einer Gleichrichterbrücke tritt jedoch das Problem auf, daß sichergestellt werden muß, daß beim Vorzeichenwechsel der Speisewechselspannung keine der zwischen den integrierten Schaltungselementen und dem Halbleiterkörper gebildeten Substratdioden leitend wird.
Der Vollständigkeit halber sei hier erwähnt, daß es bereits bekannt ist, siehe z.B. die DE-OS 29 31 465, eine Gleichrichterbrückenschaltung aus als Dioden geschalteten Transistoren aufzubauen.
Die Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine monolithisch integrierte Gleichrichterbrücke so aufzubauen, daß ein leitend werden der Substratdioden sicher vermieden wird.
Diese Aufgabe wird entsprechend der bei der Integration angewendeten Technologie entweder dadurch gelöst, daß die vier gleichrichtenden Glieder der Brücke durch als Gleichrichter geschaltete bipolare Transistoren gebildet werden, wobei a) zwischen jeweils einem Wechselspannungseingang (1,2) und dem Minuspol der Brücke als Gleichrichter geschaltete NPN-Transistoren liegen b) der Minuspol der Brücke mit dem Substrat der integrierten Schaltung verbunden ist oder dadurch, daß die vier gleichrichtenden Glieder der Brücke durch als Gleichrichter geschaltete, in CMOS-Technologie gebildete Feldeffekt-Transistoren gebildet werden, wobei a) zwischen jeweils einem Wechselspannungseingang und dem Minuspol der Brücke als Gleichrichter geschaltete P-Kanal-Transistoren liegen, b) zwischen jeweils einem Wechselspannungseingang und dem Pluspol der Brücke als Gleichrichter geschaltete N-Kanal-Transistoren liegen und c) der Pluspol der Brücke mit dem Substrat der integrierten Schaltung verbunden ist.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen: Figuren 1 und 2 zwei Ausführungsbeispiele einer Gleichrichterbrückenschaltung nach der Erfindung Figur 3 ein Ausführungsbeispiel nach der Figur 2 mit symmetrischer Spannungsbegrenzung Figur 4 ein Ausführungsbeispiel nach Figur 2 mit symmetrischer Spannungsbegrenzung für Großquerstrom Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer mit bipolaren Transistoren ausgebildeten monolithisch integrierten Gleichrichterbrücke nach der Erfindung. An der Wechselspannungsseite 1,2 wird der Brücke die Wechselspannung U1,2 zugeführt. Die die eine Brückenhälfte bildenden NPN-Transistoren,T2 und T2' sind jeweils zwischen Basis und Kollektor kurzgeschlossen und bilden so Dioden. Von der die andere Brückenhälfte bildenden Transistoren T1,T1' wird die Kollektor-Basis-Diode verwendet. Die Kollektoren der Transistoren gleicher Leitfähigkeit T1 und T1' bzw. T2 und T2' sind miteinander verbunden.
Um sicherzustellen, daß die einzelnen Inseln der integrierten Schaltung, in dem die Transistoren und weitere Schaltungselemente realisiert sind, gegeneinander isoliert bleiben, ist das Substrat S an den negativen Punkt der Gleichspannungsseite angeschlossen. Die weiteren, von der hier beschriebenen Brückenschaltung, an deren Ausgang ein Ladekondensator C liegt, gespeisten weiteren Schaltungselemente der integrierten Schaltung sind mit 10 bezeichnet.
Über die Basis-Emitter-Diode eines Transistors, z.B. T2 kann der über den als Diode wirkende Transistor T1 zufließende Strom zum negativen Potential der Eingangsseite der Brücke, z.B. dem Anschluß 2 abfließen.
Die Spannungsfestigkeit der Brücke ist durch die Basis-Emitter-Sperrspannungen der Transistoren gegeben.
Wie in dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2 dargestellt, ist es auch möglich, komplementäre Transistoren, d.h.
NPN-Transistoren T2 und T2' sowie PNP-Transistoren T1 und T1' zu verwenden. Verbindet man nun, wie dargestellt, die Basen der komplementären Transistorpaare über einen Strom begrenzenden Widerstand RB, so bleibt als Spannungsdifferenz zwischen den Eingangsanschlüssen 1,2 der Brücke und dem Ladekondensator C lediglich die Sättigungsspannung zweier Transistoren. Die Verbindung der Basen der Transistoren T1' und T2' hat zur Folge, daß, so lange die Spannung U1,2 am Eingang der Brücke kleiner ist als die Spannung Uc über dem Ladekondensator ein zusätzlicher Entladestrom über den Widerstand RB schließen würde, wenn er nicht durch den als sperrende Diode wirkenden Transistor D unterbunden würde.
Wird die Brücke nicht, wie üblich, von einer niederohmigen Quelle gespeist, sondern aus einer Stromquelle, wie sie sich z.B. ergibt, wenn die Brücke über einen hochohmigen Widerstand an das Netz angeschlossen ist, so muß zum Schutz der integrierten Schaltung die Eingangsspannung U1,2 begrenzt werden.
In dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind daher anstelle des Strom begrenzenden Widerstandes RB spannungsbegrenzende Dioden DB und DB' eingefügt. Eine gleich große Zahl in Serie geschalteter Dioden, die aus den Kollektor-Basis-Dioden der Transistoren T1,T2 und DB gebildet werden, verhindern hier ein Entladen des Kondensators C, so lange U1,2 kleiner als Uc ist, so daß eine Sperrdiode wie D in Figur 2 entfallen kann.
Die NPN-Transistoren sind für U1,2 kleiner als Uc gesperrt.
Ein parasitärer Kollektorstrom würde die gestrichelt eingezeichnete Substratdiode DS der Diode DB öffnen, und so, wie oben ausgeführt, die Isolation der einzelnen Schaltungselemente gegeneinander beeinträchtigen.
Der Widerstand R zwischen Kollektor und Basis jedes NPN-Transistors T2 und T2', verhindert jedoch, daß die Substratdiode DS in Durchlaßrichtung geschaltet werden kann.
Die Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Figur 3 dadurch abgewandelt ist, daß es lediglich NPN-Transistoren verwendet, von denen die Transistoren T1 und T1' als Dioden geschaltet sind. Dieses Ausführungsbeispiel ist daher besonders für größere Last- und Querströme geeignet.
Soll die Betriebsspannung der Gleichrichterbrücke auf die technisch zulässige Spannung begrenzt werden, so können anstelle einer Kette von Dioden zwischen den Basen der Transistoren T1 und T2 auch die UBE-Sperrspannungen des jeweils gesperrten Transistors T2 als begrenzendes Element eingesetzt werden. Es ergibt sich dann eine Schaltung wie in Figur 2 dargestellt.
Die Figur 5 zeigt schließlich ein Ausführungsbeispiel mit in CMOS-Technologie realisierten komplementären Feldeffekttransistorpaaren. Die Brücke wird durch die N-Kanal-Transistoren T1 und T1', sowie die P-Kanal-Transistoren T2 und T2' gebildet.
Da jedoch wegen der unipolaren Leitfähigkeit der CMOS-Transistoren der Ladekondensator C über die Brücke entladen würde, so lange die Spannung U1,2 am Eingang der Brücke kleiner als die Spannung Uc über diesem Kondensator ist, ist in die negative Ausgangsleitung der Brücke ein als Diode geschalteter Feldeffekttransistor D eingeschaltet, der die unerwünschte Entladung verhindert. Um die Spannung am Ausgang der Brücke und damit auch die Spannung U1,2 über dem Eingang zu begrenzen, ist dem Ladekondensator C eine Diodenkette Z parallel geschaltet.
Diese Diodenkette ist ebenfalls aus Feldeffekttransistoren gebildet.

Claims

PATENTANSPRÜCHE Monolithisch integrierte Gleichrichterbrückenschaltung dadurch gekennzeichnet, daß die vier gleichrichtenden Glieder der Brücke durch als Gleichrichter geschaltete bipolare Transistoren (T1,T1',T2,T2') gebildet werden, wobei a) zwischen jeweils einem Wechselspannungseingang (1,2) und dem Minuspol (4) der Brücke als Gleichrichter geschaltete NPN-Transistoren (T2,T2') liegen, b) der Minuspol (4) der Brücke mit dem Substrat (S) der integrierten Schaltung verbunden ist (Fig. 1).
2. Gleichrichterbrückenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jeweils einem Wechselspannungseingang (1,2) und dem Pluspol (3) der Brücke als Gleichrichter geschaltete NPN-Transistoren (T1,T1') liegen (Fig. 1).
3. Gleichrichterbrückenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwischen einem Wechselspannungseingang (1,2) und dem Pluspol (3) der Brücke als Gleichrichter geschaltete PNP-Transistoren (T1,T1') (Fig.2).
4. Gleichrichterbrückenschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Speisung der Brückenschaltung aus einer Stromquelle die mit dem Minuspol der Brücke verbundenen Transistoren (T2,T2') als Strom begrenzende Bauelemente wirken.
5. Gleichrichterbrückenschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die Basen der NPN- und PNP-Transistoren (T2,T2';T1,T1') miteinander verbunden und die jeweils verbundenen Basen über einen Strom begrenzenden Widerstand (RB) miteinander verbunden sind (Fig. 2).
6. Gleichrichterbrückenschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß in der negativen Ausgangsleitung (4) der Brücke ein Rückstrom in die Brücke verhinderndes, als Diode wirkendes Schaltungselement (D) liegt.
7. Gleichrichterbrückenschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die Basen von zwei Transistoren (T1,T2;T1',T2') unterschiedlichen Leitungstyps (NPN, PNP) die mit unterschiedlichen Wechselspannungseingängen (1,2) verbunden sind, über ein spannungsbegrenzendes Bauelement DB,DB' miteinander verbunden sind (Fig. 3).
8. Gleichrichterbrückenschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis jedes NPN-Transistors (T2;T2') über einen Widerstand R,R' mit dem Kollektor verbunden ist (Fig. 3).
9. Monolithisch integrierte Gleichrichterbrückenschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die vier gleichrichtenden Glieder der Brücke durch als Gleichrichter geschaltete, in CMOS-Technologie ausgebildete Feldeffekt-Transistoren (T1,T1",T2,T2") gebildet werden, wobei a) zwischen jeweils einem Wechselspannungseingang (1,2) und dem Minuspol (4) der Brücke als Gleichrichter geschaltete P-Kanal-Transistoren (T2,T2') liegen, b) zwischen jeweils einem Wechselspannungseingang (2,1) und dem Pluspol (3) der Brücke als Gleichrichter geschaltete N-Kanal-Transistoren (T1,T1') liegen und c) der Pluspol der Brücke mit dem Substrat (S) der integrierten Schaltung verbunden ist (Fig. 5).
10. Gleichrichterbrückenschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der negativen Ausgangsleitung (4) der Brücke ein Rückstrom in die Brücke verhindernder, als Diode geschalteter P-Kanal-Transistor (D) liegt.
11. Gleichrichterbrückenschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung über dem Ausgang (3,4) der Brücke durch eine, über diesem Ausgang liegende, als Spannungsbegrenzer wirkende Diodenkette Z begrenzt wird.