DE4022253C2

DE4022253C2 -

Info

Publication number: DE4022253C2
Application number: DE19904022253
Authority: DE
Inventors: Robert Dr.-Ing. 1000 Berlin De Hoenl
Original assignee: Krone GmbH
Current assignee: ADC GmbH
Priority date: 1990-07-11
Filing date: 1990-07-11
Publication date: 1992-04-16
Also published as: DE4022253A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Strombegrenzungsschaltung aus einem Feldeffekt-Tran sistor und einem Widerstand, wobei der eine Pol des Widerstandes mit der Source-Elektrode und der andere mit der Gate-Elektrode des Feldeffekt-Transistors ver bunden sind. (Tietze/Schenk, Halbleiter-Schaltungstechnik 3. Auflage, 1974, Kapitel 20.7).The invention relates to a Current limiting circuit from a field effect train sistor and a resistor, the one pole of the Resistance with the source electrode and the other with the gate electrode of the field effect transistor ver are bound. (Tietze / Schenk, semiconductor circuit technology 3rd edition, 1974, chapter 20.7).

Als Schutzschaltungen gegen Überstrom, wie sie in Schutzsteckern für Telekommunikationsanlagen eingesetzt werden, sind beispielsweise Kaltleiter, Sicherungen und Lotpillen bekannt, die bei zu hohem Stromfluß thermisch einen Abschaltvorgang auslösen. Nachteilig ist hierbei die Abhängigkeit des Auslösevorganges von der Umgebungs temperatur und der zur Verfügung stehenden, begrenzten Auslöseenergie.As protection circuits against overcurrent, as in Protective plugs used for telecommunications systems are, for example, PTC thermistors, fuses and Solder pills are known to be thermal when the current flow is too high trigger a shutdown. The disadvantage here is the dependence of the triggering process on the environment temperature and the available, limited Release energy.

Des weiteren sind strombegrenzende Bauelemente, wie eine Feldeffekt-Diode bzw. Curristor, bekannt, die ähnlich einem spannungsbegrenzenden Bauelement, wie ein Varristor oder einer Zener-Diode, den Strom auf einen Maximalwert begrenzen. Schaltungstechnisch realisierbar sind derartige Curristoren grundsätzlich aus einem selbstleitenden Feldeffekt-Transistor in Kombination mit einem Gegenkopplungs-Widerstand, wie es in Tietze/ Schenk, Halbleiter-Schaltungstechnik, 3. Auflage, 1974, Kapital 20.7, beschrieben ist. Sie kommen ohne Fremdspannung aus und sind daher als strombegrenzende Zweipol-Elemente direkt in den Strompfad, ähnlich einer Sicherung, ein setzbar.Furthermore, current-limiting components, such as one Field effect diode or curristor, known to be similar a voltage-limiting component, such as a Varristor or a Zener diode, the current on one Limit the maximum value. Can be implemented in terms of circuitry such curristors are basically one self-conducting field effect transistor in combination with a negative feedback resistor, as in Tietze / Schenk, semiconductor circuit technology, 3rd edition, 1974, capital 20.7. You get by without external voltage and are therefore as current-limiting two-pole elements directly into the current path, similar to a fuse settable.

Nachteilig hierbei ist, daß die o.g. Schaltung nur für eine Stromrichtung (I <= 0) geeignet ist. Bei negativen Strömen wird der Feldeffekt-Transistor im 3. Quadranten betrieben und die Funktion eines Curristors ist damit nicht mehr gegeben.The disadvantage here is that the above. Circuit only for a current direction (I <= 0) is suitable. With negative The field effect transistor will flow in the 3rd quadrant operated and the function of a curristor is so no longer exist.

Der Durchlaßwiderstand des Curristors ist die Summe aus dem Gegenkopplungs-Widerstand und dem Feldeffekt-Tran sistor-Widerstand. Diese Summe darf den zulässigen Längswiderstand der Schutzschaltung nicht überschreiten. Dabei liegt der erzielbare Durchlaßwiderstand bei ca. 300 Ohm und ist damit für die meisten Schutzschaltungen im Telekommunikationsbereich ungeeignet, deren Wider stände im allgemeinen einige Ohm nicht übersteigen dürfen.The forward resistance of the curristor is the sum of the negative feedback resistance and the field effect tran sistor resistance. This sum may be the permissible Do not exceed the series resistance of the protective circuit. The achievable forward resistance is approx. 300 ohms and is therefore for most protective circuits unsuitable in the telecommunications sector, the contra would generally not exceed a few ohms allowed to.

Aus der US-Electronics , April 15, 1968, Seite 104, ist eine weitere strombegrenzende Schaltung bekannt, mit einem Feldeffekt-Transistor und einem Widerstand, wobei die Source-Elektrode über einen Wider stand mit der Gate-Elektrode verbunden ist.From US Electronics, April 15, 1968, Page 104 is another current limiting circuit known, with a field effect transistor and a Resistor, the source electrode via an opp stood connected to the gate electrode.

Aus der DE-OS 15 38 608 ist eine Strombegrenzungsschal tung aus einem Feldeffekt-Transistor und einem Wider stand bekannt, bei der der eine Pol des Widerstandes mit der Source-Elektrode und der andere mit der Gate-Elektrode des Feldeffekt-Transistors verbunden sind. Bei dieser Strombegrenzungsschaltung wird der Abschnüreffekt eines Feldeffekt-Transistors genutzt (physikalischer Effekt im Halbleiter). Der Abschnüreffekt bei einem Feldeffekt- Transistor bewirkt bei zunehmender Spannung, ab einer gewissen Höhe, eine Verengung des Strompfades im Halb leiter und erhöht damit den dynamischen Widerstand. Die Folge ist eine Begrenzung des Strompfades. Diese Eigen schaft ist vom Fertigungsprozeß abhängig und ist damit Streuungen unterworfen. Nachteilig ist, daß die ange strebte Strombegrenzung ebenfalls streuen kann und im wesentlichen nur durch die Wahl eines entsprechenden Feldeffekt-Transistors einstellbar ist.From DE-OS 15 38 608 is a current limiting scarf device from a field effect transistor and a counter was known to have one pole of resistance with the source electrode and the other with the gate electrode of the field effect transistor are connected. At this Current limiting circuit becomes the pinch-off effect of one Field effect transistor used (physical effect in the Semiconductor). The cut-off effect with a field effect Transistor causes with increasing voltage, from one certain height, a narrowing of the current path in half conductor and thus increases the dynamic resistance. The The consequence is a limitation of the current path. This own shaft depends on the manufacturing process and is therefore Subject to scattering. The disadvantage is that the ange sought current limitation can also spread and in essential only by choosing an appropriate one Field effect transistor is adjustable.

Ein weiterer Nachteil bei den bekannten Schaltungen ist, daß die Strombelastbarkeit nur bei ca. 20 mA liegt, wobei im Telekommunikationsbereich aber 100 bis 500 mA verlangt werden.Another disadvantage of the known circuits is that the current carrying capacity is only about 20 mA, but in the telecommunications sector, however, 100 to 500 mA be requested.

Als strombegrenzendes Element liegt die Feldeffekt-Diode im Längszweig des Signalpfades und unterliegt damit hohen Forderungen an die Linearität im Durchlaßbereich, um Verzerrungen durch das inaktive Schutzelement zu ver meiden. Bei den bekannten Schaltungen ist die Linearität u. U. ungenügend.The field effect diode is the current-limiting element in the longitudinal branch of the signal path and is therefore subject to high demands on the linearity in the pass band, to avoid distortion caused by the inactive protection element avoid. In the known circuits, the linearity is u. U. insufficient.

Aufgabe ist es daher, eine Strombegrenzungsschaltung zu entwickeln, die symmetrisch bezüglich der Stromrichtung ist und deren Durchlaßwiderstand, Strombelastbarkeit und Linearität den Anforderungen des Einsatzes in Telekommu nikationsanlagen genügt.It is therefore the task of a current limiting circuit develop that is symmetrical with respect to the current direction and its forward resistance, current carrying capacity and Linearity meets the requirements of use in telecommunications nication systems is sufficient.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeich nenden Merkmalen des Patentanspruches 1 und des neben geordneten Anspruches 2. The solution to this problem results from the characteristics nenden features of claim 1 and in addition orderly claim 2.

Wird die Schaltung als Zweipol aufgefaßt, so entspricht die Drain-Elektrode des ersten Feldeffekt-Transistors der Anode und diejenigen des zweiten Feldeffekt-Tran sistors der Kathode. Ein Stromfluß durch einen derar tigen erfindungsgemäßen Zweipol von der Anode zur Kathode bewirkt u. a. einen Spannungsabfall am Koppel widerstand. Dadurch wird über die Rückkopplung das Gate-Potential und somit der Widerstand des ersten Feldeffekt-Transistors bestimmt. Beim Erreichen eines bestimmten Stromes wird dieser Widerstand so groß, daß kein weiterer Anstieg des Stromes mehr möglich ist, auch wenn die Spannung über der Schaltung erhöht wird. Der zweite Feldeffekt-Transistor ist bei dieser Stromrich tung immer niederohmig. Eine Umkehrung der Stromrichtung vertauscht symmetrisch die Funktionen der jeweiligen Feldeffekt-Transistoren. Nunmehr begrenzt der zweite Feldeffekt-Transistor über seinen dynamischen Widerstand den Strom, während der erste Feldeffekt-Transistor lei tend geschaltet ist. Die erfindungsgemäße Strombegren zungsschaltung arbeitet daher bidirektional und ist zum Einsatz in Telekommunikationsanlagen verwendbar.If the circuit is interpreted as a two-pole, it corresponds the drain electrode of the first field effect transistor the anode and those of the second field effect tran sistors of the cathode. A current flow through a derar term poles of the invention from the anode to Cathode causes u. a. a voltage drop at the coupling resistance. This will cause the feedback Gate potential and thus the resistance of the first Field effect transistor determined. When you reach one certain current, this resistance becomes so great that no further increase in current is possible, too when the voltage across the circuit is increased. The second field-effect transistor is in this Stromrich always low impedance. A reversal of the current direction swaps the functions of each one symmetrically Field effect transistors. Now the second limits Field effect transistor through its dynamic resistance the current while the first field effect transistor lei is switched. The current limits according to the invention tion circuit therefore works bidirectionally and is for Can be used in telecommunications systems.

Gemäß Anspruch 2 ist ein bidirektionaler Strombegrenzer mit getrennten Abgleichwiderständen beansprucht. Hierbei erfolgt der Abgleich der Formen der Kennlinien durch die beiden Widerstände für beide Durchlaßrichtungen getrennt.According to claim 2 is a bidirectional current limiter claimed with separate trimming resistors. Here the shapes of the characteristic curves are compared by the two resistors for both forward directions Cut.

Durch Parallelschalten mehrerer bidirektionaler Einhei ten läßt sich durch die Aufteilung des Strompfades die Strombelastbarkeit erhöhen und gleichzeitig der Durch laßwiderstand reduzieren. Die Parallelschaltung zeigt auch, infolge statistisch verteilten unterschiedlichen Verhaltens, eine höhere Linearität als die einzelnen Zweipole. Eine solche Parallelschaltung ist als Hybrid baustein oder in integrierter Form zu verwirklichen.By connecting several bidirectional units in parallel ten can be divided by dividing the current path Increase current carrying capacity and at the same time the through reduce let resistance. The parallel connection shows also, due to statistically distributed different Behavioral, a higher linearity than the individual Bipoles. Such a parallel connection is a hybrid building block or in an integrated form.

Im folgenden sei die Erfindung und ihre bevorzugte Ausgstaltung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The following is the invention and its preferred Ausgstaltung explained with the drawings. It demonstrate:

Fig. 1 die Kennlinie einer Feldeffekt-Diode, Fig. 1 shows the characteristic curve of a field effect diode,

Fig. 2 das Ersatzschaltbild einer Feldeffekt-Diode, Fig. 2 shows the equivalent circuit diagram of a field effect diode,

Fig. 3 die bidirektionale Stromegrenzungsschaltung mit gemeinsamen Ableichwiderstand, Fig. 3 shows the bidirectional Stromegrenzungsschaltung common Ableichwiderstand,

Fig. 4 die bidirektionale Strombegrenzungsschaltung mit getrennten Ableichwiderständen und Fig. 4 shows the bidirectional current limiting circuit with separate trimming resistors and

Fig. 5 die Kennlinie einer bidirektionalen Strom begrenzungsschaltung. Fig. 5 shows the characteristic of a bidirectional current limiting circuit.

Fig. 1 zeigt die Kennlinie einer bekannten strombegren zenden Feldeffekt-Diode. Dargestellt ist der Strom durch die Feldeffekt-Diode als Funktion der Spannung über der Diode. Im vorderen Teil I, dem Arbeitsbereich, nimmt der Strom linear mit der Spannung zu. Im Teil II zeigt die Funktion ein nichtlineares Verhalten und im Teil III, dem Begrenzungsbereich, ist der Maximalstrom durch die Diode unabhängig von der angelegten Spannung. Fig. 1 shows the characteristic of a known current-limiting field effect diode. The current through the field effect diode is shown as a function of the voltage across the diode. In the front part I, the work area, the current increases linearly with the voltage. In part II the function shows a non-linear behavior and in part III, the limiting range, the maximum current through the diode is independent of the applied voltage.

Fig. 2 zeigt eine technische Realisierung einer Feldef fekt-Diode, die aus einem Feldeffekt-Transistor 1 und einem Gegenkoppelwiderstand 2 besteht. Der Gegenkoppel widerstand 2 verbindet die Source-Elektrode des Feld effekt-Transistors 1 mit seinem Gate. Zunächst ist das Potential an Gate G und Source S gleich (d. h. U_GS = 0) und damit ist der selbstleitende Feldeffekt-Transistor niederohmig. Bei einsetzendem Strom erhöht sich das Source-Potential, d. h. U_GS wird negativ und der Feld effekt-Transistor damit hochohmiger. Ab einem bestimmten Strom ist der Feldeffekt-Transistor 1 so hochohmig, daß ein weiterer Anstieg des Stromes nicht mehr möglich ist, auch wenn die Spannung über der Schaltung erhöht wird. Fig. 2 shows a technical implementation of a field effect diode, which consists of a field effect transistor 1 and a negative feedback resistor 2 . The negative feedback resistor 2 connects the source electrode of the field effect transistor 1 with its gate. First of all, the potential at gate G and source S is the same (ie U _GS = 0) and the self-conducting field effect transistor is therefore low-resistance. When current begins, the source potential increases, ie U _GS becomes negative and the field-effect transistor thus has a higher resistance. Above a certain current, the field-effect transistor 1 is so high-resistance that a further increase in the current is no longer possible, even if the voltage across the circuit is increased.

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße bidirektionale Strom begrenzungsschaltung mit gemeinsamen Abgleichwiderstand. Ein Feldeffekt-Transistor 4 ist über einen Koppelwider stand 5 mit einem Feldeffekt-Transistor 6 derart ver schaltet, daß die beiden Feldeffekt-Transistoren 4, 6 sourcemäßig gekoppelt sind. Das Gate des Feldeffekt- Transistors 4 wird mit dem Source-Potential des Feld effekt-Transistors 6, d. h. dem Potential im Punkt 10 nach dem Widerstand 5, beaufschlagt. Analog wird das Gate des Feldeffekt-Transistors 6 mit dem Potential im Punkt 9 vor dem Widerstand 5 beaufschlagt. In den Gate- Source-Zweigen sind jeweils Dioden 7, 8 mit der Durchlaß richtung Gate-Source enthalten. Zunächst, bei Nichtflie ßen eines Stromes, ist das Potential an Source und Gate des ersten Feldeffekt-Transistors 4 gleich und der Feld effekt-Transistor 4 somit niederohmig. Bei einsetzendem Strom, wobei der Strom von der Drain D des ersten Feld effekt-Transistors 4 zur Drain des zweiten Feldeffekt- Transistors 6 fließen soll, ist die Spannung in Punkt 9 vor dem Koppelwiderstand 5 höher als in Punkt 10 nach dem Koppelwiderstand 5. Fig. 3 shows a bidirectional current limiting circuit according to the invention with a common trimming resistor. A field-effect transistor 4 is via a coupling resistor 5 with a field-effect transistor 6 switched in such a way that the two field-effect transistors 4, 6 are source-coupled. The gate of the field effect transistor 4 is acted upon by the source potential of the field effect transistor 6 , ie the potential at point 10 after the resistor 5 . Analogously, the gate of field-effect transistor 6 is acted upon by the potential at point 9 in front of resistor 5 . In the gate-source branches each contain diodes 7, 8 with the passage direction gate-source. First, when a current is not flowing, the potential at the source and gate of the first field-effect transistor 4 is the same and the field-effect transistor 4 is thus low-resistance. When current begins, the current flowing from the drain D of the first field-effect transistor 4 to the drain of the second field-effect transistor 6 , the voltage in point 9 before the coupling resistor 5 is higher than in point 10 after the coupling resistor 5 .

Somit ist die Gate-Source-Spannung des Feldeffekt- Transistors 4 negativ und dieser wird damit hochohmiger. Die Diode 7 ist im leitenden Zustand. Für den Feld effekt-Transistor 6 gilt, daß zu Beginn das Source- und das Gate-Potential ebenfalls gleich sind und somit der Feldeffekt-Transistor 6 niederohmig ist. Mit dem Ein setzen des Stromes ist das Potential in Punkt 9 größer als dasjenige in Punkt 10 und somit sperrt die Diode 8. Der Feldeffekt-Transistor 6 bleibt bei dieser Strom richtung im leitenden Zustand.The gate-source voltage of the field-effect transistor 4 is thus negative and the latter becomes more high-resistance. The diode 7 is in the conductive state. For the field effect transistor 6 applies that the source and the gate potential are also the same at the beginning and thus the field effect transistor 6 is low-resistance. With the onset of the current, the potential in point 9 is greater than that in point 10 and thus blocks diode 8 . The field effect transistor 6 remains conductive in this current direction.

Eine Anderung der Stromrichtung bewirkt eine symmetri sche Vertauschung der Funktionen der beiden Feldeffekt- Transistoren 4, 6. Nunmehr verändert der Feldeffekt- Transistor 6 seinen Widerstand und wirkt strombegrenzend während der Feldeffekt-Transistor 4 leitend ist.A change in the current direction causes a symmetrical interchange of the functions of the two field effect transistors 4, 6 . Now the field-effect transistor 6 changes its resistance and has a current-limiting effect while the field-effect transistor 4 is conductive.

Die Dioden 7 und 8 dienen einerseits der Schaffung defi nierter Potentialverhältnisse an den Gates der Feldef fekt-Transistoren 4, 6 und verhindern andererseits bei Sperrschicht-Feldeffekt-Transistoren (JFET) einen uner wünschten Stromfluß in den Gate-Source-Zweigen.The diodes 7 and 8 serve on the one hand to create defi ned potential relationships at the gates of the field effect transistors 4, 6 and on the other hand prevent junction field effect transistors (JFET) from an undesired current flow in the gate-source branches.

Fig. 4 zeigt einen bidirektionalen Strombegrenzer mit getrennten Ableichwiderständen 11, 12. Die Source-Elek trode eines Feldeffekt-Transistors 14 ist über einen Widerstand 11 und einen weiteren Widerstand 12 mit der Source-Elektrode eines Feldeffekt-Transistors 16 ver bunden. Die Gate-Elektroden der beiden Feldeffekt-Tran sistoren 14 und 16 werden mit dem Potential zwischen den beiden Widerständen 11 und 12 des Punktes 13 beauf schlagt. In den beiden Gate-Zweigen befinden sich jeweils eine Diode 17 und 18, deren Durchlaßrichtung jeweils vom Gate weg zeigt. Der Abgleich der Form der Kennlinie erfolgt durch die beiden Widerstände 11, 12 für beide Durchlaßrichtungen getrennt. Dies ist notwendig, wenn die beiden Feldeffekt-Transistoren 14 und 16 unter schiedliche Kennlinien aufweisen. Fig. 4 shows a bi-directional current limiter with separate Ableichwiderständen 11, 12. The source electrode of a field effect transistor 14 is connected via a resistor 11 and a further resistor 12 to the source electrode of a field effect transistor 16 . The gate electrodes of the two field effect transistors 14 and 16 are struck with the potential between the two resistors 11 and 12 of the point 13 . In the two gate branches there are in each case a diode 17 and 18 , whose forward direction points away from the gate. The shape of the characteristic curve is separated by the two resistors 11 , 12 for both forward directions. This is necessary if the two field effect transistors 14 and 16 have different characteristics.

Ein gemeinsamer Abgleich für beide Durchlaßrichtungen, wie er bei einer Schaltung gemäß Fig. 3 durchgeführt wird, bedingt identische Feldeffekt-Transistoren 14 und 16.A common adjustment for both forward directions, as is carried out in a circuit according to FIG. 3, requires identical field effect transistors 14 and 16 .

Fig. 5 zeigt die resultierende Kennlinie einer erfin dungsgemäßen bidirektionalen Strombegrenzungsschaltung gemäß den in Fig. 3 oder 4 dargestellten Basiszweipolen. Dargestellt ist der Durchlaßstrom als Funktion der angelegten Spannung. Im Arbeitsbereich II ist dieser eine lineare Funktion der Spannung, im positiven Über gangsbereich II und im negativen Übergangsbereich IIa wird von diesem linearen Zusammenhang abgewichen, so daß der Strom im positiven Begrenzungsbereich III auf einen positiven Maximalstrom und im negativen Begrenzungs bereich IIIa auf einen negativen Begrenzungsstrom fest gelegt wird. Diese maximalen Durchlaßströme sind in den Begrenzungsbereichen unabhängig von der angelegten Spannung, und es ergibt sich ein bidirektionales Strom begrenzungselement mit einer symmetrischen Stromver laufskurve. Fig. 5, the resultant curve shows a OF INVENTION to the invention bi-directional current limiting circuit according to the base two poles shown in Fig. 3 or 4. The forward current is shown as a function of the applied voltage. In working area II, this is a linear function of the voltage, in the positive transition area II and in the negative transition area IIa is deviated from this linear relationship, so that the current in the positive limiting area III to a positive maximum current and in the negative limiting area IIIa to a negative limiting current is fixed. These maximum forward currents are independent of the applied voltage in the limiting areas, and there is a bidirectional current limiting element with a symmetrical current curve.

Claims

1. Current limiting circuit consisting of a field-effect transistor and a resistor, one pole of the resistor with the source electrode and the other with the gate electrode of the field-effect transistor ( 4 ) being connected, characterized in that a second field effect -Transistor ( 6 ) is coupled to the first field effect transistor ( 4 ) such that the source of the first field effect transistor ( 4 ) is connected via the resistor ( 5 ) to the source of the second field effect transistor ( 6 ) that the gate of the first field-effect transistor ( 4 ) is connected to the source of the second field-effect transistor ( 6 ) via a first diode ( 7 ) with the gate-source direction and that the gate of the second field-effect transistor ( 6 ) is connected via a second Diode ( 8 ) with the gate-source direction is connected to the source of the first field effect transistor ( 4 ).

2. Current limiting circuit comprising a field-effect transistor and a resistor, one pole of the resistor being connected to the source electrode and the other to the gate electrode of the field-effect transistor ( 4 ), characterized in that a second field-effect Transistor ( 16 ) is coupled to the first field-effect transistor ( 14 ) such that the source of the first field-effect transistor ( 14 ) is connected to the source of the second field-effect transistor ( 16 ) via two serial coupling resistors ( 11 , 12 ) and that between the two resistors ( 11 , 12 ), the two gate voltages of the two field-effect transistors ( 14 , 16 ) are tapped via two diodes ( 17 , 18 ), whose forward directions point away from the gates.