DE3735511A1

DE3735511A1 - Spannungsstossschutzschaltkreis

Info

Publication number: DE3735511A1
Application number: DE19873735511
Authority: DE
Inventors: Juho Arras
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1986-10-28
Filing date: 1987-10-20
Publication date: 1988-05-05
Anticipated expiration: 2007-10-21
Also published as: GB2198003B; GB8723301D0; JPS63117621A; JP2655572B2; SE455146B; GB2198003A; SE8604591D0; DE3735511C2; SE8604591L; US4772979A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungsstoßschutzschaltkreis, der für die Verbindung zwischen einem Schaltkreis angepaßt ist, um zum einen Teil den Schaltkreis an den Stromleiter anzuschließen und zum anderen Teil den Schaltkreis gegen Spannungstransienten zu schützen, die möglicherweise auf dem Stromleiter auftreten und die ein übermäßig hohes oder niedriges Potential besitzen, was eine Zerstörung des Schaltkreises zur Folge haben könnte. Schutzschaltkreise in Übereinstimmung mit der Erfindung werden im einzelnen aber nicht ausschließlich vorgesehen in Leitungsschaltkreisen von Teilnehmerstufen, die gegen Spannungstransienten geschützt werden müssen, die durch Blitzeinschlag oder ähnliches auf einer Teilnehmerleitung hervorgerufen wurden.

Seit langem ist es bekannt, Einrichtungen einzusetzen für den Schutz von Telefonvermittlungen gegen Überspannungen, wie sie durch Blitzeinschlag auf der Teilnehmerleitung hervorgerufen werden. Viele verschiedene Arten von Schutzvorrichtungen sind zu diesem Zweck vorgeschlagen worden.

Es ist bekannt, zwei anti-seriell verbundene Feldeffekttransistoren als Schalter zu nutzen, unter anderem in Schaltkreisen zur Verbindung eines Leitungsschaltkreises in einer Telefonstation mit einer Teilnehmerleitung. Um diese Schalter gegen übermäßige Verlusteffekte aufgrund von Spannungstransienten zu schützen, die auf der Teilnehmerleitung auftreten können, ist bekannt, den Schaltkreis durch eine elektronische Abschaltvorrichtung für die Schalter zu vervollständigen.

Eine derartige Abschaltvorrichtung beschrieben in EP 01 33 789 umfaßt eine Steuerspannungsvorrichtung und elektronische Schalter, die dafür vorgesehen sind, die antiseriell verbundenen Feldeffekttransistoren mit einer gemeinsamen Steuerspannung zwischen deren Source-Elektroden und Gate-Elektroden zu versorgen, so daß ein Strom in beide Richtungen zwischen der Leitung und der geschützten Schaltung fließen kann, wobei ebenfalls vorgesehen ist, eine gemeinsame Steuerspannung an die Source-Elektroden und die Gate-Elektroden heranzuführen, so daß der Strom in keiner Richtung zwischen dem Leiter und dem Schaltkreis über die beiden antiseriell verbundenen Feldeffekttransistoren fließen kann. Die Vorrichtung, beschrieben in EP 01 33 789 umfaßt ebenso Spannungsfühlervorrichtungen, die mit dem Leiter und dem geschützten Schaltkreis verbunden sind, so daß Spannungsabfälle über den Transistoren erfaßt werden können. Die Spannungsfühlervorrichtung ist so ausgelegt, daß die Schalter aktiviert werden, so daß die Steuerspannung so ist, daß einer der beiden Feldeffekttransistoren abgeschaltet wird, wenn die Spannung über einem der Transistoren in leitfähigem Zustand einen gegebenen Wert übersteigt. MOS-Feldeffekttransistoren werden als Schalter und als Spannungsfühlervorrichtung in den Schaltkreisen eingesetzt, die in EP 01 33 789 beschrieben sind.

Sowohl in US 33 69 129 und US 36 56 025 wird ausgeführt, daß für die Begrenzung des Stroms in einem Schaltkreis, z. B. für medizinische Anwendungen, zwei seriell verbundene Feldeffekttransistoren vom JFET-Typ in dem Schaltkreis verbunden sind, und daß durch das Erreichen eines gesättigten leitfähigen Zustandes diese Transistoren den Strom in dem Schaltkreis begrenzen können.

Richtig dimensioniert und angeschlossen kann ein Schalter in Form von zwei antiseriell verbundenen Feldeffekttransistoren in Kombination mit einer ausreichend schnell und verläßlichen Abschaltvorrichtung eingesetzt werden als Schaltkreis für den Schutz eines geschützten Schaltkreises, wie z. B. einen Leitungsschaltkreis in einer Telefonvermittlung gegen übermäßige Spannungstransienten, die auf der Leitung auftreten und die z. B. durch einen Blitzeinschlag auf der Leitung hervorgerufen wurden.

In derartigen Schutzschaltkreisen, die zwei antiseriell verbundene Feldeffekttransistoren zwischen einem Stromleiter und einem Schaltkreis umfassen, besteht ein Problem im Auslösen des ausreichend verläßlichen, schnellen und vollständigen Abschaltens von einem der Transistoren, zum Schutz des geschützten Schaltkreises gegen schnelle Spannungstransienten, die eine Zerstörung des geschützten Schaltkreises bewirken könnten, insbesondere wenn das Ziel darin besteht, zu große Anforderungen an die Eigenschaften im Hinblick auf die Komponenten zu vermeiden, die in den Schutzschaltkreisen eingesetzt werden. Da die Absicht besteht, die Schutzschaltkreise in Form von integrierten Schaltkreisen herzustellen, können spezielle Probleme in einigen Schaltungslösungen auftreten, aufgrund der antiseriell verbundenen Feldeffekttransistoren und weiterer Feldeffekttransistoren, die in dem Schaltkreis enthalten sind und die nominell dieselbe Grenzspannung besitzen, da sie in demselben Prozeß angefertigt werden.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die oben erwähnten Probleme zu lösen und einen Schutzschaltkreis zu schaffen mit einer verläßlichen, schnellen und ausreichenden Abschaltung, der umgekehrt seriell verbundenen Feldeffekttransistoren.

Eine zweite Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Schutzschaltkreis der in Frage stehenden Art zu schaffen, der für die Fabrikation als integriertem Schaltkreis geeignet ist.

Zusammengefaßt und ein wenig vereinfacht kann die Funktion eines Schutzschaltkreises in Übereinstimmung mit der Erfindung wie folgt beschrieben werden:

Die Abschaltung von einem der Feldeffekttransistoren wird ausgelöst durch einen übermäßigen Spannungsabfall über einem der umgekehrt seriell verbundenen Feldeffekttransistoren.

Zusammengefaßt und ein wenig vereinfacht könnte man sagen, daß das, was den Schutzschaltkreis gemäß der vorliegenden Erfindung in einem derartigen Fall ausmacht, darin zu sehen ist, daß einer, zwei oder mehrere der Feldeffekttransistoren, die in dem Schutzschaltkreis enthalten sind, derartig dimensioniert sein sollen, daß in einem leitfähigen Zustand er/sie einen gesättigten Zustand erreichen, wenn eine Spannungstransiente der fraglichen Art auftritt.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Schutzschaltkreises gemäß der Erfindung gibt es zwei antiseriell verbundene Feldeffekttransistoren, die so dimensioniert sind, daß sie einen gesättigten Zustand erreichen, wenn eine Spannungstransiente mit einem Potential auftritt, das eine Beschädigung des geschützten Schaltkreises bewirken könnte. Dementsprechend kann eine Spannungsfühlervorrichtung, die so angeschlossen ist, daß sie die Spannungsabfälle über den umgekehrt seriell verbundenen Feldeffekttransistoren erfassen kann, schneller und einfacher das Auftreten einer Spannungstransienten erkennen. Auf diese Art kann eine verläßlichere und schnellere Abschaltung der Feldeffekttransistoren mit Hilfe der Spannungsfühlervorrichtung erzielt werden.

In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des Schutzschaltkreises gemäß der Erfindung gibt es einen dritten Feldeffekttransistor, der so verbunden ist, daß er Spannungsabfälle über den antiseriell verbundenen Feldeffekttransistoren erkennt und dafür vorgesehen ist, einen Schalter auszulösen, wobei der dritte Transistor so dimensioniert wird, daß er in seinen gesättigten Zustand kommt, die in der Spannungstransiente der fraglichen Art auftritt. Dementsprechend kann ein Tyristor als Schalter eingesetzt werden, wobei dieser Tyristor mit der Source- und der Gate-Elektrode des dritten und der antiseriell verbundenen Feldeffekttransistoren verbunden ist, während die Source-Elektrode des zusätzlichen Feldeffekttransistors mit der Elektrode des Tyristors verbunden ist, ohne die Gefahr einer Beschädigung des Tyristors. Dadurch, daß er automatisch in seinen gesättigten Zustand beim Auftreten einer Spannungstransienten der fraglichen Art gerät, kann der dritte Feldeffekttransistor nämlich den Strom durch die Tyristor-Gate-Elektrode auf einen Wert begrenzen, der den Tyristor nicht beschädigt. Die Kombination eines dritten Feldeffekttransistors und eines Tyristors, auf diese Art verbunden, schafft Bedingungen für eine schnelle und verläßliche Abschaltung der antiseriell verbundenen Feldeffekttransistoren.

In einer dritten bevorzugten Ausführungsform des Schutzschaltkreises gemäß der Erfindung sind beide antiseriell verbundenen Feldeffekttransistoren und auch der dritte Feldeffekttransistor entsprechend dem oben Gesagten so dimensioniert, daß sie ihren gesättigten Zustand erreichen, wenn eine Spannungstransiente auftritt, die ein Potential besitzt, das im geschützten Schaltkreis beschädigen könnte.

Weitere Vorteile mit verschiedenen Ausführungsformen des Schutzschaltkreises gemäß der Erfindung sind für einen Fachmann verständlich nach dem Studium der folgenden Beschreibung der entsprechenden Ausführungsform.

Was vollständiger und genauer als kennzeichnend angesehen wird für die verschiedenen Ausführungsformen des Schutzschaltkreises gemäß der Erfindung, ist in den Patentansprüchen offenbart.

Fig. 1 zeigt, stark vereinfacht, ein Schaltkreisschema einer ersten Ausführungsform eines Spannungsstoßschutzschaltkreises, der zwischen einem Stromleiter und einem geschützten Schaltkreis verbunden ist.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Spannungsstoßschutzschaltkreises, der zwischen einem Stromkreis und einem geschützten Schaltkreis verbunden ist.

Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Spannungsstoßschutzschaltkreises, der zwischen einem Stromkreis und einem geschützten Schaltkreis verbunden ist.

In Fig. 1 ist ein Spannungsstoßschutzschaltkreis zwischen einem Stromkreis LA und einem Schaltkreis SLIC verbunden. Der Schaltkreis besitzt die Aufgabe, den Schaltkreis SLIC mit dem Leiter LA zu verbinden und den Schaltkreis SLIC gegen Spannungstransienten zu schützen, die möglicherweise auf dem Leiter auftreten und die Potentiale besitzen, die so hoch oder so niedrig sind, daß sie den Schaltkreis SLIC beschädigen könnten. Der Schaltkreis SLIC kann ein Leitungsschaltkreis in einer Teilnehmerstufe in einer Telefonvermittlung sein und der Leiter kann eine Teilnehmerleitung darstellen.

Der Schaltkreis gem. Fig. 1 umfaßt zwei antiseriell verbundene Feldeffekttransistoren M 1 und M 2 mit deren miteinander verbundenen Source-Elektroden S und deren miteinander verbundenen Gate-Elektroden G. Ein erster Transistor M 1 besitzt eine an den Leiter LA angeschlossene Drain-Elektrode D. Ein zweiter Transistor M 2 besitzt eine an den Schaltkreis SLIC direkt angeschlossene Drain-Elektrode D. Zusätzlich ist bei beiden Transistoren M 1 und M 2 deren Substrat mit der Source-Elektrode des entsprechenden Transistors verbunden.

Um beide Transistoren M 1 und M 2 an- oder abzuschalten, umfaßt der Schaltkreis gemäß Fig. 1 eine Steuerspannungsvorrichtung, die durch einen elektronischen Schalter T kontrollierbar ist. Die Steuerspannungsvorrichtung umfaßt zwei Stromgeneratorvorrichtungen I⁺con und I ^- con und eine Zenner-Diode Z _GS. Eine erste Stromgeneratorvorrichtung I⁺con ist mit einer positiven Versorgungsspannung + und der Gate-Elektrode G von beiden antiseriell verbundenen Feldeffekttransistoren verbunden, wobei ein Pol der Zenner-Diode ebenfalls mit den Gate-Elektroden verbunden ist. Der andere Pol der Zenner-Diode ist mit der Source-Elektrode der beiden antiseriell verbundenen Feldeffekttransistoren verbunden und mit der zweiten Stromgeneratorvorrichtung I ^- con, die weiter mit einer negativen Versorgungsspannung - verbunden ist. Der elektronische Schalter T ist parallel zu der Zenner-Diode mit der Source-Elektrode S und der Gate-Elektrode G der beiden Transistoren M 1 und M 2 verbunden.

Die erste Strom-Generatorvorrichtung ist dafür vorgesehen, einen Strom an den Pol der Zenner-Diode Z _GS heranzuführen, der an den Gate-Elektroden G angeschlossen ist. Die zweite Strom-Generator-Vorrichtung ist dafür vorgesehen, einen Strom von dem Pol der Zenner-Diode abzuführen, der mit den Source-Elektroden S verbunden ist. Der herangeführte und abgeführte Strom ist dafür vorgesehen, durch die Zenner-Diode zu fließen, wenn der Schalter T offen ist, um eine gemeinsame Steuerspannung für beide Transistoren M 1 und M 2 bereitzustellen. Die Steuerspannung über der Zenner-Diode ist derart, daß die Transistoren M 1 und M 2 leitend werden, wodurch ein Strom in beide Richtungen zwischen dem Leiter LA und dem Schaltkreis SLIC über die antiseriell verbundenen Transistoren fließen kann. Wenn andererseits der Schalter T geschlossen ist, ist die Zenner-Diode kurzgeschlossen, demnach stromlos und keine Steuerspannung, die M 1 und M 2 leitend werden läßt, liegt über der Zenner-Diode an. In diesem Fall kann kein Strom in einer der beiden Richtungen zwischen dem Leiter LA und dem Schaltkreis SLIC über die beiden Transistoren M 1 und M 2 fließen.

Der Schaltkreis gemäß Fig. 1 umfaßt eine Spannungsfühlervorrichtung in Form eines Komparators komp, der über eine Diode DM 3 und einen Schalter M 3 an den Leiter LA gekoppelt ist und über eine Diode DM 4 und einen Schalter M 4 an den Schaltkreis SLIC. Zusätzlich ist der Komparator mit den Source-Elektroden der Transistoren M 1 und M 2 über eine Referenzspannungsvorrichtung mit einstellbarer Referenzspannung, V _REF verbunden.

Der Komparator ist darüber hinaus mit der negativen Versorgungsspannung, -, verbunden, über eine dritte Stromgeneratorvorrichtung I _komp und mit dem Leiter LA über eine Serienschaltung aus einem Widerstand RM 5, einer Diode DM 5 und einem Schalter M 5. Der Komparator ist dafür vorgesehen, die Spannung der Diode DM 3 und DM 4 mit der Spannung der Referenzspannungsvorrichtung V _REF zu vergleichen und, wenn die Spannung der Diode ausreichend groß im Vergleich mit der Spannung V _REF ist, den Schalter T zu schließen und, darauf folgend, die Schalter M 3, M 4 und M 5 zu öffnen. Aufgrund der entgegengesetzten Polung der Dioden DM 3 und DM 4 entspricht die Spannung, die von den Dioden an den Komparator an den gemeinsamen Anschlußpunkt herangeführt wird, dem höchsten Potential an den Anschlüssen des Leiters LA und des Schaltkreises SLIC an den Spannungsstoßschutzschaltkreis. Dementsprechend reagiert der Komparator auf jeden Spannungsabfall über den beiden antiseriell verbundenen Feldeffekttransistoren.

Der Schaltkreis der Fig. 1 arbeitet in folgender Weise. Im Normalbetrieb, bevor eine Spannungstransiente, die auf den Schaltkreis SLIC zerstörend wirkt, auf der Leitung LA aufgetreten ist und das Potential der Leitung in einem Bereich liegt, der keine Beschädigung hervorruft, ist der Schalter T geöffnet, und die Schalter M 3, M 4 und M 5 sind geschlossen. Die Stromvorrichtungen I⁺con und I ^- con treiben einen Strom durch die Zenner-Diode Z _GS, wodurch eine Ansteuerspannung an die Transistoren M 1 und M 2 erzeugt wird, so daß diese eingeschaltet sind. Wenn das Potential der Leitung LA an ihrer Verbindung zu dem Schutzschaltkreis wesentlich größer als das Potential an der Verbindung des Schaltkreises SLIC zum Schutzschaltkreis ist, wird die Diode DM 3 leitend, während die Diode DM 4 sperrt. Der Komparator erfaßt dann den Spannungsabfall über M 1, schließt aber den Schalter T nicht, da dieser Spannungsabfall nicht ausreichend groß im Normalbetrieb ist. Falls hingegen das Potential der Leitung LA an ihrer Verbindung zu dem Schutzschaltkreis wesentlich niedriger als das Potential an der Verbindung des Schaltkreises SLIC mit dem Schutzschaltkreis ist, wird die Diode DM 4 leitend, während DM 3 sperrt. In diesem Fall erkennt der Komparator den Spannungsabfall über M 2, schließt aber den Schalter T nicht, da dieser Spannungsabfall in Normalbetrieb nicht ausreichend groß ist.

Wenn das Potential an der Verbindung der Leitung LA und dem Schutzschaltkreis größer ist als an der Verbindung des Schaltkreises SLIC und dem Schutzschaltkreis und ansteigt, erhöht sich der Spannungsabfall über den Transistoren M 1 und M 2. Gleichzeitig mit dem ansteigenden Spannungsabfall über M 1 steigt das Potential, das von der Diode DM 3 an den Komparator geführt wird, bezogen auf das Potential, das von V _REF bereitgestellt wird. Wenn das Potential von DM 3 ausreichend hoch wird, im Vergleich zum Potential von V _REF, schließt der Komparator zuerst den Schalter T und öffnet dann die Schalter M 3, M 4 und M 5. Wenn der Schalter T geschlossen ist, werden die Steuerspannungen M 1 und M 2 reduziert. Auf diese Weise kann bewirkt werden, daß M 1 den Strom von der Leitung LA zum Schaltkreis SLIC sperrt. Andererseits kann M 2 weiterhin den Strom über seine Substratdiode zu SLIC leiten.

Wenn das Potential an der Verbindung der Leitung LA mit dem Schutzschaltkreis niedriger als an der Verbindung des Schaltkreises SLIC mit dem Schutzschaltkreis ist und fällt, erhöht sich der Spannungsabfall über den Transistoren M 1 und M 2. Gleichzeitig mit einem ansteigenden Spannungsabfall über M 2 fällt das Potential, das von V _REF an den Komparator herangeführt wird, im Vergleich zum Potential, das von der Diode DM 4 bereitgestellt wird. Wenn das Potential von V _REF ausreichend niedrig ist in bezug auf das Potential der Diode DM 4, schließt der Komparator zunächst den Schalter T und öffnet dann die Schalter M 3, M 4 und M 5. Wenn der Schalter T geschlossen ist, werden die Steuerspannungen an M 1 und M 2 reduziert. Auf diese Weise kann bewirkt werden, daß M 2 den Strom vom Schaltkreis SLIC zur Leitung LA sperrt. Andererseits kann M 2 weiterhin über seine Substratdiode Strom zu LA leiten. In den beiden oben beschriebenen Fällen wird ein Zustand in dem Schutzschaltkreis erzielt, bei dem die Leitung LA im wesentlichen gegenüber dem Schaltkreis SLIC isoliert ist.

Das Potential auf der Leitung LA, bei dem der Komparator den Schalter T 1 schließt, ist abhängig von den Charakteristika der antiseriell verbundenen Feldeffekttransistoren, vom Vorwärts-Spannungsabfall über DM 3 und DM 4 und auch von der Referenzspannung V _REF. Durch die Veränderung von V _REF z. B. kann der Komparator so eingestellt werden, daß der Schalter T bei anderen Potentialen an der Leitung LA geschlossen wird. Vorzugsweise besitzt der Schalter T eine Selbsthaltefunktion oder der Komparator zeigt Hystereseverhalten, was bewirkt, daß der Schalter T, nachdem er geschlossen wurde, nicht wieder kurze Zeit später geöffnet wird, falls das Potential an der Verbindung zur Leitung LA auf einen Wert zurückgeht innerhalb des Bereichs, bei dem keine Beschädigung auftritt.

Um eine schnelle und verläßliche Reaktion innerhalb des Komparators zu erzielen, sind die antiseriell verbundenen Feldeffekttransistoren gemäß der Erfindung so dimensioniert, daß sie im Leitzustand die Sättigung erreichen, wenn eine Spannungstransiente mit beschädigendem Potential auf der Leitung auftrifft. Darüber hinaus ist gem. der Erfindung der Komparator angepaßt, um den Schalter zu betätigen, wenn die Spannung über einem der Transistoren M 1 oder M 2 so groß ist, daß der entsprechende Transistor gesättigt ist. Damit die Reaktion des Komparators schneller und verläßlicher in Verbindung mit dem entsprechenden Transistor geschieht, der in seinen gesättigten Zustand gerät, wird er mit dem Spannungsabfall über dem Transistor angehoben, schneller ansteigend durch den Strom durch den Transistor, wenn er sich in seinem gesättigten Zustand befindet.

Aus praktischen Gründen ist es wünschenswert, daß ein Spannungstoßschutzschaltkreis in der Lage ist, mit veränderten Versorgungsspannungen ebenfalls zu arbeiten. In einem Schaltkreis gem. Abb. 1 besteht ein Risiko im Hinblick auf die angepaßte negative Versorgungsspannung darin, daß die Source-Elektrode der Transistoren ebenso wie die Eingänge von V _REF und DM 4 des Komparators ein tieferes Potential erreichen als die negative Versorgungsspannung, bevor der Komparator Zeit hatte, zunächst den Schalter 1 zu schließen und dann die Schalter M 3, M 4 und M 5 zu öffnen. Wenn dies geschieht, unterbleibt die Stromversorgung über die Stromgeneratorvorrichtung I _komp zu dem Komparator komp. Um eine Fehlfunktion in Verbindung mit der angepaßten negativen Versorgungsspannung zu vermeiden, umfaßt der Schutzschaltkreis gemäß Fig. 1 einen Schaltungsteil vom Komparator über den Widerstand RM 5 die Diode DM 5 und den Schalter M 5 zur Leitung LA und dieser Schaltungsteil kann die Aufgaben der Stromgeneratorvorrichtung I _komp übernehmen, wenn LA plötzlich ein wesentlich tieferes Potential als die negative Versorgungsspannung einnimmt.

Der Spannungsstoßschutzschaltkreis, dargestellt in Fig. 2 unterscheidet sich von dem aus Fig. 1 im wesentlichen durch seine detaillierte Darstellung. Zusätzlich besitzt der Schaltkreis zwei Feldeffekttransistoren M 4 und M 5, die zur Ansteuerung über die Steuerspannung verbunden sind, anstelle der drei Schalter M 3, M 4 und M 5 in Fig. 1, die direkt durch den Komparator gesteuert werden. Die Funktion des Schaltkreises, dargestellt in Fig. 2, ist jedoch im wesentlichen gleich der des Schaltkreises aus Fig. 1.

In Fig. 2 besitzen 3 npn-Transistoren Q 5, Q 6 und Q 8 die gleiche Aufgabe, die in Fig. 1 durch den Komparator und die Stromgeneratorvorrichtungen I _komp erzielt werden. Eine Diode D _REF, seriell mit einem variablen Widerstand R _REF verbunden zwischen den Source- und den Gate-Elektroden der antiseriell verbundenen Feldeffekttransistoren, arbeitet als Referenzspannungsvorrichtung. Zwei Transistoren Q 1 und Q 2 dienen als erste Stromgeneratorvorrichtung für die Versorgung eines Stroms zu einem Pol der Zenner-Diode. Zwei Transistoren Q 7 und Q 9 und eine Diode DQ 7, dienen als zweite Stromgeneratoreinheit für die Ableitung eines im wesentlichen gleichen Stroms von dem anderen Pol der Zenner-Diode. Ein vierter Feldeffekttransistor M 4, dessen Source-Elektrode an die Basis des Transistors Q 6 angeschlossen ist und dessen Drain-Elektrode D mit der Kathode der Dioden DM 3 und DM 4 verbunden ist, hat ebenfalls eine an die Gate-Elektroden der Transistoren M 1 und M 2 angeschlossene Gate-Elektrode G und arbeitet als Schalter. Ein fünfter Feldeffekttransistor M 5 besitzt eine, an die Anode der Diode DM 5 angeschlossene Source-Elektrode und eine an Q 5, Q 6 und Q 8 angeschlossene Drain-Elektrode und eine an die Gate-Elektroden von M 1 und M 2 angeschlossene Gate-Elektrode. Der fünfte Transistor M 5 arbeitet gleichermaßen als Schalter und als Widerstand. Q 5, Q 6 und Q 8 arbeiten annähernd als Differenzialverstärker und steuern den Tyristor T über den Kollektor von Q 6, der mit der Gate-Elektrode des Tyristors verbunden ist, wobei der Tyristor so eingebaut ist, daß seine Steuerung über die n-Basis erfolgt.

Der Strom, der heran- oder abgeführt wird, durch die entsprechende erste oder zweite Stromgeneratorvorrichtung, ist größer als der Tyristor-Haltestrom. Wenn der Tyristor durch Q 6 eingeschaltet wird, bleibt er darauf folgend unabhängig von Q 6 leitend, solange er einen ausreichenden Strom über die Strom-Generator-Vorrichtung erhält. Der Tyristor arbeitet demnach in dieser Ausführung in der Schutzschaltung als selbsthaltender elektronischer Schalter.

Der Spannungsstoßschutzschaltkreis gem. Fig. 3 unterscheidet sich von den Schutzschaltkreisen der Fig. 1 und 2 in erster Linie dadurch, daß er eine Spannungsfühlervorrichtung in Form eines dritten Feldeffekttransistors M 3 besitzt, der über die Dioden DM 3 und DM 4 entsprechend mit den Verbindungspunkten der Leitung LA und des Schaltkreises SLIC mit der Spannungsstoßschutzschaltung verbunden ist. Der dritte Feldeffekttransistor M 3 besitzt eine, an die Gate-Elektrode der Transistoren M 1 und M 2 angeschlossene Gate-Elektrode G und eine, an die Gate-Elektrode des Tyristors angeschlossene Source-Elektrode S. In dieser Ausführungsform des Schutzschaltkreises ist die Gate-Elektrode des Tyristors verbunden mit der p-Basis des Tyristors. In Fig. 3 bilden Q 1, Q 2, DQ 1 und DQ 2 eine erste Stromgeneratoreinheit ähnlicher Art und mit ähnlichen Eigenschaften wie die erste Stromgeneratorvorrichtung in Fig. 2 oder die Stromgeneratorvorrichtung I⁺con in Fig. 1. Zusätzlich bilden Q 7, Q 9 und DQ 7 eine zweite Stromgeneratorvorrichtung von ähnlicher Art und mit ähnlichen Eigenschaften wie die zweite Stromgeneratorvorrichtung in Fig. 2 oder die Stromgeneratorvorrichtung I ^- con in Fig. 1. Die Dioden DQ 1 und DQ 2 mit denen die Transistoren der ersten Stromgeneratorvorrichtung Q 1 und Q 2 an die Zenner-Diode etc. verbunden sind, besitzen die Aufgabe, Probleme zu vermeiden, wenn der Transistor Q 1 umgekehrt vorgespannt ist. Dies geschieht bei ausreichend hohen Spannungen an LA. Die Diode DQ 7 mit der die Transistoren Q 7 und Q 9 der zweiten Stromgeneratorvorrichtung an die Zenner-Diode etc. angeschlossen sind, besitzt die Aufgabe, Q 7 vor übermäßigen negativen Spannungen an LA zu schützen. Der dritte Feldeffekttransistor M 3 in Fig. 3 erkennt den Spannungsabfall über jedem der umgekehrt in Reihe geschalteten Feldeffekttransistoren M 1 und M 2 und ist angepaßt, um leitend zu werden und dadurch den Tyristor T einzuschalten, wenn der entsprechende Spannungsabfall ausreichend groß ist, im Verhältnis zum Vorwärts-Spannungsabfall über den Tyristor T und entweder die Diode DM 3 oder die Diode DM 4. Der Strom, der durch die erste Stromgeneratoreinheit herangeführt wird oder der durch die zweite Stromgeneratoreinheit abgeführt wird, ist größer als der Haltestrom des Tyristors. Wenn der Tyristor durch M 3 eingeschaltet wird, bleibt er, darauf folgend, leitend unabhängig von M 3, solange er einen ausreichenden Strom über die Strom-Generatoreinheit erhält. In dieser Ausführung der Schutzschaltung arbeitet der Tyristor als selbsthaltender elektronischer Schalter.

Wenn der Spannungsstoßschutzschaltkreis aus Fig. 3 auf eine Spannungstransiente mit ausreichend hohem oder niedrigem Potential am Leiter LA reagiert mit einem Kurzschluß der Steuerspannung über der Zenner-Diode mit Hilfe des Tyristors, wird einer der Transistoren M 1 und M 2 in einen nicht-leitfähigen Zustand abgeschaltet, während der andere über seine Substratdiode leitet. Da die Gate-Elektrode G von M 3 auch an die Zenner-Diode angeschlossen ist, wird M 3 ebenso in einen nicht-leitfähigen Zustand versetzt, wenn der Tyristor leitend geworden ist und die Steuerspannung der Transistoren M 1 und M 2 kurzgeschlossen hat. Während der Zeit, wenn M 3 leitend geworden ist und den Tyristor steuert und bevor die Steuerspannung Zeit gehabt hat, ausreichend abzufallen, um M 3 nicht-leitend werden zu lassen, existiert ein Strompfad entweder vom Leiter LA über DM 3, M 3, die Tyristor-Gate-Elektrode und die Substrat-Diode von M 2 zum Schaltkreis SLIC oder vom Schaltkreis SLIC über DM 4, M 3, die Gate-Elektrode des Tyristors und die Substrat-Diode von M 1 zur Leitung LA. Es wird gewünscht, daß der Tyristor möglichst schnell und zuverlässig abgeschaltet wird, jedoch muß der Tyristor-Steuereingang gleichzeitig gegen übermäßige Ströme geschützt werden, aufgrund seiner begrenzten Stromwiderstandsfähigkeit. Mit dem Ziel, einen geeigneten Tyristor einzusetzen und ihn zuverlässig und schnell einzuschalten, wird der dritte Feldeffekttransistor M 3 dafür so dimensioniert, daß er, indem er in seinen gesättigten Zustand gerät dadurch automatisch den Strom durch die Gate-Elektrode des Tyristors auf einen Wert begrenzt, der den Tyristor nicht beschädigt. Aufgrund dieser Strombegrenzung des dritten Feldeffekttransistors M 3 kann dieser und der Tyristor entsprechend als Spannungsfühlereinheit und Schalter in dem Schaltkreis ohne weitere Komponenten eingesetzt werden, abgesehen von den Dioden, die in Serie mit ihnen geschaltet erforderlich sind, wobei die weiteren Komponenten den Spannungsstoßschutz weniger schnell und verläßlich machen. Die Strombegrenzung des dritten Feldeffekttransistors während der oben erwähnten Zeit kann ebenso den Schaltkreis SLIC gegen übermäßige Ströme über den Tyristor während derselben Zeit schützen.

In der Schutzschaltung gem. Fig. 3 wird bevorzugt, daß die umgekehrt in Serie verbundenen Feldeffekttransistoren M 1 und M 2 ebenfalls so dimensioniert sind, daß sie in ihren gesättigten Zustand geraten, wenn eine Spannungstransiente auf der Leitung LA auftritt, die ein Potential besitzt, das den Schaltkreis SLIC beschädigen könnte. Es ist jedoch nicht absolut notwendig, in allen Betriebszuständen und Anwendungsfällen, daß M 1 und M 2 auf diese Art dimensioniert sind und in einzelnen Fällen könnte es ausreichend sein, daß M 3 allein so dimensioniert ist, daß er in seinen gesättigten Zustand gerät.

Wie M 1, M 2 und M 3 genau dimensioniert werden müssen, variiert natürlich von Fall zu Fall, abhängig von der Spannung, der der Schaltkreis SLIC widersteht, welcher Transistor eingesetzt wird usw. Da es dem Fachmann bekannt ist, wie unterschiedliche Dimensionen eines Feldeffekttransistors die elektrischen Parameter beeinflußt, sollte es zusätzlich hier nicht notwendig sein, eine Dimensionierung für einen speziellen Fall zu beschreiben. Für einen Fachmann kann jedoch erwähnt werden, daß die Feldeffekttransistoren der Fig. 1 bis 3 vom DMOS-Typ mit einem n-Kanal sein können und eine typische Schwellspannung von V _TO = 2 V besitzen. In solch einemFall kann die Steuerspannung für M 1 und M 2 über 5,2 V liegen, was zusammen mit geeignet ausgewählten geometrischen Abmessungen den Transistoren M 1 und M 2 einen Leitungswiderstand im linearen Bereich von 7,5 Ohm gibt. Die Strombegrenzung durch Sättigung kann dann bei Strömen von ungefähr 230 mA durch M 1/M 2 auftreten. Der Spannungsstoßschutzschaltkreis kann hergestellt werden durch den Einsatz eines bekannten Prozesses für integrierte Schaltkreise, der dielektrische Isolation zwischen den Komponenten erzeugt.

Ein Spannungsstoßschutzschaltkreis gem. den Fig. 1 bis 3 kann auf viele Arten im Geltungsbereich der Erfindung modifiziert werden. So kann z. B. eine irgendwie unterschiedliche Stromgeneratorvorrichtung eingesetzt werden. Obwohl es bevorzugt wurde, die Drain-Elektrode des ersten Feldeffekttransistors direkt mit dem Leiter und die Drain-Elektrode des zweiten Feldeffekttransistors direkt mit dem geschützten Schaltkreis zu verbinden, kann es in einigen Fällen möglich sein, die Drain-Elektrode an den Leiter und den geschützten Schaltkreis über dazwischen liegende Komponenten anzuschalten. In solch einem Fall kann es ebenso in einigen Fällen möglich sein, die Anoden der Dioden DM 3 und DM 4 jeweils direkt an die Drain-Elektroden des ersten und zweiten Transistors oder ihren Leiter und die geschützte Schaltung oder über dazwischen liegende Komponenten anzuschließen. Dies wurde jedoch nicht bevorzugt. Andere Modifikationen sind für einen Fachmann vorstellbar.

Claims

1. Spannungsstoßschutzschaltkreis, der für die Verbindung zwischen einem Leiter (LA) und einem geschützten Schaltkreis (SLIC) angepaßt ist, um den geschützten Schaltkreis an den Leiter anzuschließen und ihn gegen Spannungstransienten mit übermäßig hohem oder niedrigem Potential zu schützen, die möglicherweise auf dem Leiter (LA) auftreten und die eine Beschädigung des geschützten Schaltkreises bewirken könnten,
wobei dieser Spannungsstoß-Schutzschaltkreis zwei antiseriell verbundene Feldeffekttransistoren (M 1, M 2) und eine Steuerspannungsvorrichtung (I⁺con, I ^- con, Z _GS, T), die durch einen elektronischen Schalter (T) steuerbar ist, umfaßt,
wobei die Transistoren (M 1, M 2) miteinander verbundene Source-Elektroden (S) und miteinander verbundene Gate-Elektroden (G) besitzen, und
wobei deren Substrate mit der Source-Elektrode des entsprechenden Transistors verbunden ist, wobei die Ansteuerspannungsvorrichtung in einen ersten Betriebszustand steuerbar ist, in dem die Vorrichtung versucht, eine gemeinsame Ansteuerspannung zwischen den Gate-Elektroden (G) und den Source-Elektroden (S) der beiden Transistoren (M 1, M 2) so aufrecht zu erhalten, daß ein Strom in beide Richtungen zwischen dem Leiter (LA) und dem Schaltkreis (SLIC) über die beiden Transistoren fließen kann, ebenso wie in einen zweiten Betriebszustand, in dem die Steuerspannungseinheit versucht, eine gemeinsame Steuerspannung zwischen den Gate-Elektroden (G) und den Source-Elektroden (S) der beiden Transistoren (M 1, M 2) so aufrecht zu erhalten, daß Strom in keiner Richtung zwischen dem Leiter (LA) und dem Schaltkreis (SLIC) über die beiden Transistoren fließen kann,
wobei der Schutzschaltkreis eine Spannungsfühlervorrichtung (M 3 oder Q 5 und Q 6) umfaßt, die an den Leiter (LA) und den Schaltkreis (SLIC) so angeschaltet ist, daß sie den Spannungsabfall über die beiden Transistoren (M 1, M 2) erfaßt und die so angepaßt ist, daß wenn der Spannungabfall über einem der Transistoren eine vorgegebene Größe überschreitet, sie den elektronischen Schalter (T) aktiviert, um die Ansteuerspannungseinheit in ihren zweiten Betriebszustand zu steuern, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei antiseriell verbundenen Feldeffekttransistoren (M 1, M 2) so dimensioniert sind, daß in ihrem leitfähigen Zustand sie in einen gesättigten Zustand geraten, falls eine Spannungstransiente auf dem Leiter mit einem Potential auftritt, das eine Beschädigung des Schaltkreises (SLIC) bewirken kann, und
daß die Spannungsfühlervorrichtungen (M 1 oder Q 5 und Q 6) dafür angepaßt sind, den Schalter zu betätigen, wenn der Spannungsabfall über einem der Transistoren so groß ist, daß der fragliche Transistor, wenn leitend, in seinem gesättigten Zustand ist.

2. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsfühlervorrichtungen einen dritten Feldeffekttransistor (M 3) umfassen, dessen Drain-Elektrode zur Erfassung der Spannung an der Verbindung des Schutzschaltkreises mit dem Leiter (LA) oder mit dem geschützten Schaltkreis (SLIC) angeschlossen ist,
daß seine Source-Elektrode über den elektronischen Schalter (T) an die Source-Elektroden (S) der zwei Transistoren (M 1, M 2) angeschlossen ist und
daß die Gate-Elektrode des dritten Feldeffekttransistors (M 3 ) mit der Gate-Elektrode der Transistoren (M 1, M 2) angeschlossen ist, um die gemeinsame Ansteuerspannung zu empfangen.

3. Schaltkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter einen Tyristor (T) umfaßt, dessen Anode mit den Gate-Elektroden (G) von beiden antiseriell verbundenen Transistoren (M 1, M 2) verbunden ist und dessen Kathode mit den Source-Elektroden (S) von beiden antiseriell verbundenen Transistoren verbunden ist,
daß die Source-Elektrode des dritten Feldeffekttransistors (M 3) mit der Gate-Elektrode des Tyristors verbunden ist und
daß der dritte Transistor (M 3) so dimensioniert ist, daß er, indem er in seinen gesättigten Zustand durch das Auftreten einer Spannungstransienten gerät, dadurch automatisch den möglichen Strom durch die Gate-Elektrode des Tyristors (T) über den dritten Feldeffekttransistor auf einen Wert begrenzt, der den Tyristor (T) oder den geschützten Schaltkreis (SLIC) nicht beschädigt.

4. Spannungsstoßschutzschaltkreis für die Verbindung zwischen einem Leiter (LA) und einem geschützten Schaltkreis (SLIC), um den geschützten Schaltkreis mit dem Leiter zu verbinden und ihn gegen Spannungstransienten mit übermäßig hohem oder niedrigem Potential zu schützen, die möglicherweise auf den Leiter (LA) auftreten, wobei diese den geschützten Schaltkreis beschädigen könnten,
wobei der Spannungsstoßschutzschaltkreis zwei umgekehrt seriell verbundene Feldeffekttransistoren (M 1, M 2) und eine Ansteuerspannungsvorrichtung (I⁺con, I ^- con, Z _GS, T), die durch einen elektronischen Schalter (T) steuerbar sind, umfaßt,
wobei die Transistoren (M 1, M 2) miteinander verbundene Source-Elektroden (S) und miteinander verbundene Gate-Elektroden (G) besitzen und ebenfalls ihre Substrate mit der Source-Elektrode des entsprechenden Transistors verbunden sind,
wobei die Ansteuerspannungsvorrichtung in einen ersten Betriebszustand steuerbar ist, in dem die Vorrichtung versucht, eine gemeinsame Ansteuerspannung zwischen den Gate-Elektroden (G) und den Source-Elektroden (S) der Transistoren (M 1, M 2) so aufrecht zu erhalten, daß ein Strom in beide Richtungen zwischen dem Leiter (LA) und dem geschützten Schaltkreis (SLIC) fließen kann, ebenso wie in einen zweiten Betriebszustand, in dem die Vorrichtungen versuchen, eine gemeinsame Steuerspannung zwischen den Gate-Elektroden (G) und den Source-Elektroden (S) der Transistoren (M 1, M 2) so aufrecht zu erhalten, daß Strom in keiner Richtung zwischen dem Leiter (LA) und dem geschützten Schaltkreis (SLIC) über die beiden Transistoren fließen kann,
wobei der Schutzschaltkreis einen dritten Feldeffekttransistor (M 3), dessen Drain-Elektrode für die Erfassung der Spannung an der Verbindung des Schutzschaltkreises mit dem Leiter (LA) oder mit dem geschützten Schaltkreis (SLIC) verbunden ist, wobei die Source-Elektrode des dritten Transistors über den elektronischen Schalter (T) an beide Source-Elektroden der beiden umgekehrt seriell verbundenen Transistoren (M 1, M 2) so verbunden sind, daß dieser dritte Transistor (M 3), den Spannungsabfall über beiden Transistoren (M 1, M 2) erfassen kann,
wobei der Transistor angepaßt ist, den Schalter (T) zu betätigen, wenn der Spannungsabfall über einem der umgekehrt seriell verbundenen Feldeffekttransistoren einen vorgegebenen Wert überschreitet, um die Ansteuerspannungsvorrichtung in den zweiten Betriebszustand zu steuern, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Elektrode des dritten Transistors (M 3) mit der Ansteuerspannungsvorrichtung verbunden ist, um die gemeinsame Ansteuerspannung zu empfangen,
daß der elektronische Schalter einen Tyristor (T) umfaßt, dessen Anode mit den Gate-Elektroden (G) der umgekehrt seriell verbundenen Transistoren (M 1, M 2) und dessen Kathode mit den Source-Elektroden (S) der beiden umgekehrt seriell verbundenen Transistoren (M 1, M 2) verbunden ist, daß die Source-Elektrode des dritten Feldeffekttransistors (M 3) mit der Gate-Elektrode des Tyristors verbunden ist und
daß der dritte Feldeffekttransistor so dimensioniert ist, daß er, indem er in seinen gesättigten Zustand beim Auftreten einer Spannungstransienten gerät, automatisch den Strom durch die Tyristor-Gate-Elektrode über den zusätzlichen Feldeffekttransistor auf einen Wert begrenzt, der den Tyristor oder den geschützten Schaltkreis (SLIC) nicht beschädigt.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide umgekehrt seriell verbundenen Feldeffekttransistoren (M 1, M 2) so dimensioniert sind, daß im leitfähigen Zustand einer von ihnen beim Auftreten einer Spannungstransienten auf dem Leiter (LA) gesättigt wird, die ein Potential besitzt, das den geschützten Schaltkreis (SLIC) beschädigen könnte, und
daß der dritte Feldeffekttransistor (M 3) angepaßt ist, um den Schalter (T) zu betätigen, wenn die Spannung über einem der Transistoren so groß ist, daß der fragliche Transistor sich in seinem gesättigten Zustand befindet.

6. Schaltung nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Elektrode des dritten Feldeffekttransistors mit dem Leiter (LA) über eine Diode (DM 3) verbunden ist, die so vorgespannt ist, daß sie Strom vom Leiter zum dritten Feldeffekttransistor leitet und Strom in entgegengesetzter Richtung sperrt und
daß die Drain-Elektrode des dritten Feldeffekttransistors (M 3) mit dem geschützten Schaltkreis (SLIC) über eine weitere Diode (DM 4) verbunden ist, die angepaßt ist, um Strom in einer Richtung von dem geschützten Schaltkreis (SLIC) zum dritten Feldeffekttransistor zu leiten und in entgegengesetzter Richtung zu sperren.

7. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerspannungsvorrichtung eine Zenner-Diode (Z _GS) umfaßt, von der ein Pol mit den Source-Elektroden (S) der beiden antiseriell verbundenen Feldeffekttransistoren (M 1, M 2) und der andere Pol mit den Gate-Elektroden (G) der antiseriell verbundenen Transistoren verbunden ist,
daß die Ansteuerspannungsvorrichtung eine erste Stromgeneratorvorrichtung (I⁺con) für das Heranführen eines Stroms an den Pol der Zenner-Diode (Z _GS), der an die Gate-Elektroden angeschlossen ist, umfaßt,
daß die Ansteuerspannungsvorrichtung eine zweite Stromgeneratorvorrichtung (I ^- con) für das Abführen eines im wesentlichen gleichen Stromes von dem Pol der Zenner-Diode, die an die Source-Elektroden angeschlossen ist, umfaßt,
wobei der Strom durch die Zenner-Diode fließen soll, wenn der Tyristor nicht leitend ist, um die gemeinsame Ansteuerspannung für die Transistoren (M 1, M 2 und M 3) zu erreichen, der aber im wesentlichen statt dessen durch den Tyristor fließt, wenn der Tyristor eingeschaltet ist, und
daß der Strom zu/von der Stromgeneratorvorrichtung eine Größe besitzt, so daß er den Haltestrom des Tyristors übersteigt.

8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromgeneratorvorrichtung der Ansteuerspannungsvorrichtung zwei Stromgeneratoren (Q 1, Q 2 und Q 7, Q 9) besitzt, die jeweils an einen Pol der Zenner-Diode (Z _GS) über getrennte Dioden (DQ 1, DQ 2, DQ 3) angeschlossen sind.