DE4013731C2 - Schaltungsanordnung zur Begrenzung des Einschaltstromstoßes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 (EP 0 272 514 A1).

Zur Begrenzung von Einschaltstromstößen ist es bekannt, einen Strombegrenzungswiderstand in die Versorgungsspannungszuleitung zu schalten und diesen durch ein von einer Steuerschaltung betätigtes Schaltglied zu überbrücken, sobald der am Strombegrenzungswiderstand auftretende Spannungsabfall einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet.

In einer aus der DE-AS 22 47 816 bekannten Schaltungsanordnung wird als überbrückendes Schaltglied ein Thyristor verwendet.

In der (älteren Anmeldung) DE 39 03 789 A1 wird ein MOS-Feldeffekttransistor (MOSFET) als überbrückendes Schaltglied benutzt.

Obgleich der in diesen Schaltungen verwendete Strombegrenzungswiderstand im Normalfalle nur kurzzeitig belastet wird, muß er für höhere Leistung ausgelegt sein, da Fälle, in denen - z. B. aufgrund eines zu großen Stromverbrauchs der Last - der die Überbrückung auslösende Schwellwert nicht erreicht wird, nicht auszuschließen sind. Der Strombegrenzungswiderstand benötigt deshalb wegen seiner Baugröße und zu erwartender Hitzeentwicklung, die die Anordnung anderer Bauelemente in unmittelbarer Nähe verbietet, viel Platz.

In einer, in der EP 0 272 514 A1 beschriebenen Schaltungsanordnung wird deshalb die Schaltstrecke eines MOS-Feldeffekttransistors selbst als Strombegrenzungswiderstand benutzt. Der besondere Strom­ begrenzungswiderstand kann damit entfallen. Zudem läßt sich die Schaltstrecke des MOSFET - im Gegensatz zu einem passiven Strombe­ grenzungswiderstand - auch extrem hochohmig steuern, so daß z. B. beim Stecken einer Baugruppe jeglicher Stromfluß unterbrochen wer­ den kann und damit Funkenbildung und dadurch bedingte Abnutzung der Steckkontakte vermieden werden können.

Die bekannte Schaltungsanordnung, die speziell im Eingang von Stromversorgungsgeräten eingesetzt werden soll und außer einer Strombegrenzung auch einen Schutz gegen Überspannung bietet, ent­ hält im Hauptstrompfad einen Strommeßwiderstand, der zwar nieder­ ohmiger als ein Strombegrenzungswiderstand ausgelegt werden kann, aber dennoch einen Spannungsabfall und einen Leistungsverlust be­ wirkt. Außerdem dient bei der bekannten Schaltung nicht der Ladezu­ stand, d. h. die Ladespannung als Steuergröße sondern der Ladestrom. Die Strombegrenzung wird somit nur indirekt vom Ladezustand der kapazitiven Last gesteuert.

Schließlich weist die bekannte Schaltung eine große Zahl von teil­ weise empfindlichen Bauelementen auf. Sie ist deshalb relativ auf­ wendig und störungsgefährdet.

Aufgabe der Erfindung ist, eine Schaltungsanordnung zur Stromstoß­ begrenzung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, die einfach aufgebaut ist und deren Strombegrenzungs­ eigenschaft direkt vom Ladezustand der angeschalteten kapazitiven Last abhängig ist.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentan­ spruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Mit der Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird nach stromlos stattfindendem Anschluß einer mit der Schaltungsanordnung ausge­ statteten Baugruppe in kürzester Zeit ein erster Schaltzustand er­ reicht, in dem der MOSFET als Strombegrenzungswiderstand vorgege­ bener Größe arbeitet. Bei Erreichen eines vorgegebenen Ladezustan­ des der kapazitiven Last wird digital in einen zweiten Schaltzu­ stand geschaltet, in dem der MOSFET niederohmig durchgesteuert ist und praktisch keine Verluste mehr verursacht. Spannungseinbrüche in einer in Betrieb befindlichen Anlage, in die eine mit der Schal­ tungsanordnung nach der Erfindung ausgestattete Baugruppe gesteckt wird, werden so sicher vermieden.

Eine Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 wiederge­ geben und betrifft eine Maßnahme zur Kompensation der schaltver­ zögernden Wirkung der Gate-Drain-Kapazität des MOSFET.

Anhand einer Figur soll nun ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung nach der Erfindung eingehend beschrieben und seine Funktion erklärt werden.

Die Figur zeigt eine aus einem ohmschen Anteil R_L und einem kapazitiven Anteil C_L bestehende Last, die aus einer Stromquelle mit der Ausgangsspannung U_V mit Laststrom versorgt werden soll. In Reihe mit der Last liegt die Source-Drain-Strecke eines MOSFET V₂, dessen Gate-Anschluß mit dem Mittenanschluß eines aus Widerständen R₂ und R₃ bestehenden Spannungsteilers verbunden ist. Der Spannungsteiler ist einerseits mit einem durch eine Reihenschaltung eines Widerstandes R₁ mit einer Z-Diode V₁ hergestellten durch die Z-Diode stabilisierten positiven Potential, andererseits über einen Transistor V₃ mit der negativen Klemme der Stromquelle und dem Source-Anschluß des MOSFET V₂ verbunden. Die beiden Widerstände des Spannungsteilers sind so dimensioniert, daß bei durchgeschaltetem Transistor V₃ die am Mittenanschluß gegenüber dem Source-Potential des MOSFET anstehende Spannung so groß ist, daß der sich entsprechend der Kennlinie des MOSFET einstellende Source-Drain-Widerstand die gewünschte Strombegrenzung bewirkt.

Wird die Last über die in der Figur dargestellte Schaltungsanordnung an die Stromquelle angeschlossenen, so ist die Lastkapazität zunächst ungeladen. Der Drain-Anschluß des MOSFET erhält über die Last positives Potential in bezug auf den mit der negativen Klemme der Stromversorgung verbundenen Source-Anschluß des MOSFET. Über einen Widerstand R₄ wird durch die an der Source-Drain-Strecke des MOSFET anliegende Spannung Strom über die Basis-Emitter-Strecke des Transistors V₃ getrieben und dieser damit durchgesteuert. Damit stellt sich am Mittenanschluß des Spannungsteilers die für den Strombegrenzungsbetrieb des MOSFET erforderliche Spannung ein. Die Source-Drain-Strecke des MOSFET wird leitend und ermöglicht die Aufladung des kapazitiven Lastanteils C_L mit begrenztem Strom.

Mit zunehmender Aufladung der Lastkapazität verringert sich der Spannungsabfall an der Source-Drain-Strecke des MOSFET und wird schließlich so klein, daß er zur Durchsteuerung des Transistors V₃ nicht mehr ausreicht. Der Transistor V₃ sperrt deshalb und die am Mittenanschluß des Spannungsteilers anstehende Gate-Source-Spannung des MOSFET steigt auf den Wert der Schwellenspannung der Z-Diode V₁ an. Dies bewirkt das völlige Durchschalten des MOSFET. Letzterer stellt nun nur noch einen sehr niedrigen Widerstand dar, der keine nennenswerten Verluste mehr verursacht.

Der MOSFET zeigt in der dargestellten Schaltungsanordnung bistabiles Verhalten, da die Abnahme seines Source-Drain-Widerstandes das Sperren des Transistors V₃ beschleunigt. Eine Rückkehr in den Strombegrenzungsbetrieb ist hier ohne zwischenzeitliches Abschalten der Stromquelle nicht möglich. Eine solche Möglichkeit kann jedoch, z. B. mittels eines die Gate-Source-Strecke des MOSFET kurzzeitig überbrückenden Schalters, geschaffen werden.

Ein Kondensator C₁ ist dem Spannungsteilerwiderstand R₃ parallelgeschaltet. Er kompensiert die Gate-Drain-Kapazität des MOSFET und verhindert ein kurzzeitiges Durchschalten des MOSFET bei Anschluß der Last.

Claims (2)

1. Schaltungsanordnung zur Begrenzung eines beim Anschalten einer kapazitiven Last (C_L) an eine Stromquelle auftretenden Strom­ stoßes mit einem mit der Last in Reihe geschalteten Strombegren­ zungswiderstand und einer Steuerschaltung, die abhängig vom Ladezu­ stand der kapazitiven Last die Wirkung des Strombegrenzungswider­ standes aufhebt, wobei als Strombegrenzungswiderstand die Source- Drain-Strecke eines MOS-Feldeffekttransistors (MOSFET) (V₂) ver­ wendet wird, und die Steuerschaltung die Gate-Source-Spannung des MOSFET (V₂) beeinflußt und so einstellt, daß die Source-Drain- Strecke des MOSFET einen vorgegebenen Widerstand annimmt, solange die Lastkapazität (C_L) einen vorgegebenen Ladezustand noch nicht erreicht hat, jedoch niederohmig durchschaltet, wenn der vorgege­ bene Ladezustand erreicht oder überschritten ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer­ schaltung einen Spannungsteiler (R₂, R₃) enthält, dessen einer Teilwiderstand (R₂) mit gegenüber dem Source-Potential des MOSFET stabilisiertem positiven Potential, dessen anderer Teilwiderstand (R₃) über die Schaltstrecke eines Transistors (V₃) mit dem Source-Potential des MOSFET und dessen Mittenanschluß mit dem Gate-Anschluß des MOSFET verbunden ist, und daß die Steuerelektrode des Transistors über einen Widerstand (R₄) mit dem lastseitigen Ausgang des MOSFET verbunden ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem über die Schaltstrecke des Transistors (V₃) mit dem Source-Potential des MOSFET verbundenen Teilwiderstand (R₃) des Spannungsteilers ein Kondensator (C₁) parallelgeschaltet ist.