DE3524998A1

DE3524998A1 - Spannungsgesteuerter hochgeschwindigkeits-schutzschalter

Info

Publication number: DE3524998A1
Application number: DE19853524998
Authority: DE
Inventors: John R. Dr. Princeton N.J. Michener
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1984-07-12
Filing date: 1985-07-12
Publication date: 1986-01-23
Also published as: US4603366A

Description

Spannungsgesteuerter Hochgeschwindigkeits-Schutzschalter

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schutzschalter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Insbesondere bei der Funktionsprüfung von Leistungs-MESFETs auf GaAs-Basis ist es erforderlich, den Ort einer Funktionsstörung zu identifizieren, um die Ursache für die Funktionsstörung angeben zu können. Bauelemente dieser Art fallen jedoch beim Auftreten einer Funktionsstörung oftmals in extrem kurzer Zeit vollständig aus. Beginnt beispielsweise in einem GaAs-MESFET ein Kurzschlußstrom zu fließen, so ist der Schaden nach einigen Zehnteln von Nanosekunden oder in noch kürzerer Zeit so groß, daß keine Informationen über den Ort oder die Ursache der Funktionsstörung mehr erhalten werden können. Um das ausgefallene Bauelement analysieren zu können, ist es daher notwendig, die ihm zugeführte Leistung so schnell wie möglich abzuschalten, nachdem die Funktionsstörung eingesetzt hat.

Es ist bekannt, ein Bauelement oder eine Anordnung zu schützen, indem ein Schaltungszweig (crowbar circuit) verwendet wird, der das Bauelement oder die Anordnung im Falle einer Überlastung im wesentlichen kurzschließt, so daß hierdurch die Leistung von dem Bauelement oder, der Anordnung abgeschaltet wird. Dies wurde z.B. durch die Anwendung von Thyristoren bewerkstelligt. Ein solcher Schaltungszweig mit einem Thyristor als Kurzschlußschalter ist aber nicht schnell genug, um einen GaAs-MESFET zu schützen, weil der Thyristor eine Ansprechzeit hat,

St 1 Sti/11.07.1985

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die nicht in Nanosekunden, sondern in Mikrosekunden gemessen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schutzschalter der eingangs genannten Art anzugeben, der innerhalb von Zehnteln von Nanosekunden oder in noch kürzerer Zeit nach dem Feststellen einer Überlastungssitutation wirksam wird bzw. auslöst. Das wird erfindungsgemäß durch eine Ausbildung desselben nach dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 erreicht.

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil liegt insbesondere darin, daß es bei einer Auslegung der bistabilen Multivibratoranordnung für schnelles Ansprechen möglieh ist, eine Änderung ihres Schaltzustandes wesentlich schneller herbeizuführen als etwa einen Thyristor oder dergleichen zu betätigen. Ein weiterer wesentlicher Vorteil eines erfindungsgemäßen Schutzschalters liegt darin, daß er Ströme mit hohen Momentanwerten aufnehmen kann. Außerdem stellt er einen kostengünstigen Hochgeschwindigkeits -Schutzschalt er dar.

In vorteilhafter Weise enthält die bistabile Multivibratoranordnung einen Hochgeschwindigkeits-Ausgangstransistör, der über seinen Kollektor mit dem einem Anschluß des Bauelements oder der Anordnung verbunden ist und über seinen Emitter mit dem anderen Anschluß desselben bzw. derselben. Auf diese Weise stellt die bistabile Multivibratoranordnung selbst einen "crowbar circuit" dar.

Weiterhin können mit Vorteil andere Einrichtungen, z.B. elektronische Schalter, so angeordnet werden, daß sie in Abhängigkeit vom Schaltzustand der bistabilen Multivibratoranordnung diese selbst vor Beschädigungen schützen, nachdem das Bauelement bzw. die Anordnung im Falle einer Funktionsstörung geschützt worden ist.

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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 2 das Prinzipschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei dem einige Details aus Fig. 1 weggelassen sind,

Fig. 3 eine zeitabhängige Darstellung zur Erläuterung der Betriebsweise des ersten Ausführungsbeispiels anhand der Spannung V,₂> die an einem zu prüfenden Bauteil bzw. an einer zu prüfenden Anordnung abfällt, und

Fig. 4 eine zeitabhängige Darstellung zur Erläuterung der Betriebsweise des ersten Ausführungsbeispiels anhand des Stromes Ip, der durch ein zu prüfendes Bauelement bzw. eine zu prüfende Anordnung fließt.

Dabei sind gleiche Schaltungsteile in sämtlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung, die von einer Gleichspannungsquelle 2 mit einer Spannung versorgt wird, dient dazu, eine Halbleiteranordnung 4 zu überprüfen. Die Spannungsquelle 2 kann einstellbar ausgebildet sein, um die Anordnung 4 mit einem ganzen Spannungsbereich beaufschlagen zu können. Es wird dabei angestrebt, die Anordnung 4 so bald wie möglich nach dem Auftreten eines Kurzschlusses abzuschalten, wobei dies nicht später sein soll als einige Zehntel von Nano-

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Sekunden nach dem Beginn des Kurzschlusses. Die Anordnung 4 braucht dabei aber nicht nur aus einem einzigen Bauelement zu bestehen, sondern kann irgendeine elektrische Anordnung sein, die sehr schnell nach dem Auftreten einer Funktionsstörung geschützt werden muß.

Die Gleichspannungsquelle 2 legt eine Spannung an ein einpoliges Schaltrelais (SPST-Relais) 6. Dieses Relais ist in einer selbsthaltenden Konfiguration vorgesehen, wobei seine Anschlüsse durch einen mittels einer Taste zu betätigenden Schalter 8 überbrückt sind. Wenn der Schalter 8 geschlossen wird, fließt ein Strom durch das Relais 6, so daß sich dessen Kontakte schließen. Diese bleiben dann unabhängig von der Stellung des Schalter geschlossen. Gleichzeitig mit dem Schließen des Schalters 8 wird ein weiterer mittels einer Taste zu betätigender Schalter 10 geschlossen. Die beiden Schalter 8 und 10 können entweder gemeinsam betätigt werden oder Teile eines zweipoligen Schalters (DPST-Switch) sein, doch ist dies nicht erforderlich und stellt keinen Teil der Erfindung dar. Mittels des Schalters" 10 bringt man eine bistabile Multivibratoranordnung, die mit 12 gekennzeichnet ist, in einen Ausgangszustand. Wie weiter unten erläutert wird, ändert die Anordnung 12 ihren Schaltzustand, wenn in der Anordnung 4 eine Funktionsstörung Platz zu greifen beginnt. Diese Änderung des Schaltzustandes wird dazu benutzt, um die Anordnung 4 und auch "die bistabile Multivibratoranordnung 12 zu schützen.

Die Arbeitsweise der Anordnung 12 wird nachfolgend beschrieben. In der Anordnung 12 sind npn-Transistoren 14 und 16 enthalten, die in einer üblichen Flipflop-Konfiguration verschaltet sind. Der Kollektor des Treiberträn sistors 14 ist mit der Versorgungsspannung über

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einen Widerstand 18 verbunden, der Kollektor des Ausgangstransistors 16 über einen Widerstand 20.

Die Emitter der Transistoren 14 und 16 sind geerdet. Der Basiskreis des Transistors 16 enthält einen Widerstand 22, der parallel zu einer Kapazität 24 angeordnet ist. Der Basiskreis des Transistors 14 enthält einen Widerstand 26, der parallel zu einer Kapazität 28 liegt. Der Widerstand 18, die Kapazität 24, der Widerstand 22 und der Kollektor des Transistor 14 sind dabei mit einem Schaltungspunkt 30 verbunden. Ein anderer Schaltungspunkt 32 stellt einen Verbindungspunkt des Widerstands 20, des Widerstands 26, der Kapazität 28 und des Kollektors des Transistors 16 dar.

Wenn der Schalter 10 geschlossen ist, d.h. wenn die Anordnung 12 in ihre Ausgangslage gebracht worden ist, wird der Transistor 14 leitend und der Transistor 16 gesperrt. Dies is darauf zurückzuführen, daß am Schaltungspunkt 30 eine Spannung anliegt, die nicht ausreicht, um einen Stromfluß von der Basis zum Emitter des Transistors 16 zu bewirken. Da ein solcher Stromfluß nicht existiert, ist der Transistor 16 gesperrt, wobei die Spannung am Schaltungspunkt 32 hoch ist. Die Werte der verwendeten Schaltungsteile sind dabei so gewählt, daß unter diesen Umständen ein Stromfluß im Basiskreis des Transistors 14 besteht. Dieser Basiskreis enthält ein transZorb-Element 34, das in diesem Fall benutzt wird, um eine Sperrung des Transistors 14 zu verhindern, so lange die weiter unten beschriebenen Umstände nicht eingetreten sind.

Die Anordnung 4 liegt zwischen dem Schaltungspunkt 32 und dem Massepotential. Wenn sich in der Anordnung 4 eine Funktionsstörung bemerkbar zu machen beginnt, die

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einen Kurzschluß verursacht, so verringert sich die Spannung am Schaltungspunkt 32. Sinkt diese Spannung unter die Summe der Spannungsabfälle am transZorb-Element 34 und am Basis-Emitter-Übergang des Transistors 14, so sperrt der Transistor 14 und die Spannung am Schaltungspunkt 30 steigt. Das führt zu einer Leitendschaltung des Transistors 16, wodurch die Spannung am Schaltungspunkt 32 abgesenkt wird, so daß der Transistor 16 einen Kurzschluß zwischen dem spannungsführenden Anschluß der Anordnung 4 und dem Masseanschluß bildet, und einen "crowbar"-Schaltungszweig darstellt.

In einigen Fällen reicht die vorstehend beschriebene "crowbar"-Wirkung aus, um die Anordnung 4 zu schützen.

Allerdings besteht ein Spannungsabfall zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors 16 und damit die Möglichkeit eines Stromflusses durch die Anordnung 4 sogar für den Fall, daß der Transistor 16 voll durchgesteuert wird. Um diesen Stromfluß zu verhindern, ist die Source-Drain-Strecke eines NMOSFET 36 oder ein anderer elektronischer Schalter in Serie zur Anordnung vorgesehen, wobei das Gate des FET 36 mit dem Schaltungspunkt 32 verbunden ist. Ein NMOSFET bleibt gesperrt, bis sein Gate mit einem Potential von wenigstns 3 Volt beaufschlagt wird, so daß der Source-Drain-Strom im FET 36 abgeschaltet wird, sobald das Potential am Schaltungspunkt 32 unter diesen Wert absinkt, und die Anordnung 4 vollständig geschützt wird.

Um die erforderliche Schaltgeschwindigkeit zu erreichen, sollten die Transistoren 14 und 16 sehr kurze Schaltzeiten haben. Geeignete Transistoren sind z.B. bipolar gepulste Silizium-Leistungstransistoren des Typs MSC 82010. Diese können innerhalb von 5 oder 10 ns durchgesteuert werden. Die Kapazitäten 24 und 28 (dem Fach-

VPA 84 P 7428 DE mann auch als "feedforward"-Kapazitäten bekannt) erhöhen die Schaltgeschwindigkeit der Anordnung 12, indem sie an die ihnen zugeordneten Basiskreise Energie abgeben und dadurch die Leitendschaltung der jeweiligen Transistoren 14 und 16 beschleunigen.

Wenn die Anordnung 12 ihren Schaltzustand geändert hat (d.h. wenn der Transistor 14 sperrt, der Transistor 16 leitet und der Spannungsabfall an der Anordnung 4 auf den Wert 0 oder einen diesen nur geringfügig übersteigenden Wert reduziert ist) erreicht der Schaltungspunkt 30 eine höhere Spannung als zu dem Zeitpunkt des ersten Einschaltens der Anordnung 12, weil die Anordnung 4 nun nicht mehr ins Gewicht fällt. Die Spannung am Schaltungspunkt 30 wird durch einen Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen 38 und 40, geteilt, wobei die geteilte Spannung dem Gate eines Thyristors 42 zugeführt wird, um den Thyristor 42 zu zünden. Dadurch wird die Wicklung des Relais 6 überbrückt, dessen Kontakte sich daraufhin öffnen, so daß die gesamte Anordnung abgeschaltet wird.

Es ist notwendig, daß der FET 36 langsamer sperrt als der Transistor 16, da sonst ein Stromfluß existiert und der Transistor 16 nicht leitend werden würde. Der Schutzschalter kann als eine Serienschaltung von Schaltern aufgefaßt werden, wobei jeder dieser Schalter langsamer arbeitet als der Schalter vor ihm, dafür-aber mehr Schaltleistung bewältigen kann als dieser. Dabei wechseit die Anordnung 12 zuerst ihren Schaltzustand, weil die Transistoren 14 und 16 die schnellsten Komponenten sind. Dies schützt die Anordnung 4 vor Schaden. Nachdem· die Anordnung 12 ihren Schaltzustand gewechselt hat, sperrt der FET 36. Erst danach leitet der Thyristor 42, gefolgt vom Abfall des Relais 6. Die zeitliche Folge

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dieser Vorgänge ist in den Figuren 3 und 4 gezeigt. Wie in Figur 2 dagestellt ist, können das Relais 6, der Thyristor 42 und die damit verbundenen Schaltungsteile durch einen MOSFET 8 ersetzt werden, dessen Gate mit dem Schaltungspunk 32 verbunden ist und dessen Source-Drain-Strecke in Serie zu der Gleichspannungsquelle 2 und der restlichen Schaltung liegt. In diesem Fall wird die Versorgungsspannung für die gesamte Schaltung abgeschaltet, wenn die Spannung am Schaltungspunkt 32 so weit absinkt, der FET 36 sperrt.

Andere Bauelemente können anstelle der oben erwähnten eingesetzt werden. Beispielsweise kann eine Zenerdiode an die Stelle des transZorb-Elements 34 treten und die Transistoren 14 und 16 brauchen nicht dem bipolaren Typ anzugehören. Es ist weiterhin möglich, anstelle des Thyristors 42 beispielsweise ein Triac zu verwenden und weitere Substitutionen vorzunehmen.

10 Patentansprüche
4 Figuren

Claims

VPA 84 P 7428 DE »L Patentansprüche

1. Schutzschalter mit Spannungsansteuerung für eine zu schützende Anordnung (4), gekennzeichnet durch eine bistabile Multivibratoranordnung (12), die auf eine an der zu schützenden Anordnung abfallende Spannung anspricht, indem sie aus einem ersten Schaltzustand in einen zweiten Schaltzustand übergeht, wenn die an der zu schützenden Anordnung (4) abfallende Spannung unter einen vorgegebenen Wert absinkt.

2. Schutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die bistabilie Multivibratoranordnung (12) einen Ausgangstransistor (16), insbesondere eines Hochgeschwindigkeitstyps mit sehr kurzen Schaltzeiten, aufweist, der über seinen Kollektor mit einem ersten Anschluß (32) der zu schützenden Anordnung (4) verbunden ist und über seinen Emitter an einem zweiten Anschluß der zu schützenden Anordnung liegt.

3. Schutzschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die bistabile Multivibratoranordnung (12) einen Treibertransistor (14), insbesondere eines Hochgeschwindigkeitstyps mit sehr kurzen Schaltzeiten, enthält, der mit dem Ausgangstransistor (16) zu einer Flipflopkonfiguration verschaltet ist und der in seinem Basiskreis ein elektrisches Netzwerk enthält, das nur dann leitet, wenn die an der zu schützenden Anordnung (4) abfallende Spannung den vorgegebenen Wert übersteigt.

4. Schutzschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das elektrische Netzwerk eine elektronische Anordnung enthält, die einer

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Gruppe von Anordnungen angehört, welche Zenerdioden und transZorb-Elemente umfaßt.

5. Schutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, daß eine für ihn vorgesehene Spannungsquelle (2) durch einen überbrückenden Schaltungszweig (42) kurzschließbar ist, wobei der überbrückende Schaltungszweig (42) auf den Schaltzustand der bistabilen Multivibratoranordnung (12) derart anspricht, daß er einen Kurzschluß bewirkt, wenn die an der zu schützenden Anordnung abfallende Spannung unter den vorgegegebenen Wert absinkt.

6. Schutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

gekennzeichnet durch einen ersten

elektronischen Schalter (36), der in Serie zu der zu * schützenden Anordnung vorgesehen ist und in Abhängigkeit vom Schaltzustand der bistabilen Multivibratoranordnung (12) betätigbar ist.

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7. Schutzschalter nach einem der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet durch Kapazitäten (24, 28) in den Basiskreisen der Transistoren (14, 16) der bistabilen Multivibratoranordnung (12).

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8. Schutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine für ihn vorgesehene Spannungsquelle (2) durch einen zweiten elektronischen Schalter (8) abschaltbar ist, der auf den Schaltzustand der bistabilen Multivibratoranordnung (12) derart anspricht, daß er eine solche Abschaltung bewirkt, wenn die an der zu schützenden Anordnung abfallende Spannung unter den vorgegebenen Wert absinkt.

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9. Schutzschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der erste elektronische Schalter (36) langsamer anspricht als die bistabile Multivibratoranordnung (12).

10. Schutzschalter nach den Ansprüchen 1, 5 und 8 oder

1, 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite elektronische Schalter (8) bzw. der überbrückende Schaltungszweig (42) langsamer ansprechen als der erste elektronische Schalter (36).