DE4137277C1 - Current limiter circuit e.g. for use in satellite - has Zener diode between control electrode of MOSFET and main current path and uses comparator to control limiting threshold - Google Patents

Current limiter circuit e.g. for use in satellite - has Zener diode between control electrode of MOSFET and main current path and uses comparator to control limiting threshold

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Abstract

The current-limiting circuit includes an n-channel MOSFET (S1), an inductor (L) in series with the MOSFET and a unit (E1) for detecting the main current (I0) through the MOSFET. A comparator (K1) between the latter unit and the control electrode of the MOSFET is connected so that its output voltage (Ua) is constant for a low current (I0) and sharply decreases as the set maximum current is reached. A current-limiting element (ZD1), e.g. a Zener diode is also provided. This diode is connected between the control electrode and a terminal point in the main current circuit of the MOSFET. This point is in working connection with the end of the inductor away from the MOSFET. ADVANTAGE - Suitable for circuits with sudden changes in loading.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Strombegrenzung für den Strom über einen elektronischen Schalter.The invention relates to an arrangement for current limitation for the electricity through an electronic switch.

Aus der DE 34 24 040 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Begrenzung des Stromes durch einen Feldeffekttransistor bekannt. Diesem Feldeffekttransistor ist ein Stromgegenkopplungswiderstand in Serie geschaltet. Die aus der Gate-Source-Strecke des Feldeffekttransistors und dem Gegenkopplungswiderstand bestehende Reihenschaltung ist von einem Schwellwertelement überbrückt, durch das das maximale Gatepotential festgelegt wird. Wenn der Spannungsabfall am Gegenkopplungswiderstand bei steigender Belastung in den Bereich der Schwellenspannung des Schwellwertelements kommt, wird die Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors hochohmig, so daß eine weitere Erhöhung des Ausgangsstromes ausgeschlossen ist. Außerdem ist ein als Regler dienender Transistor vorgesehen, der auf die Steuerelektrode des Feldeffekttransistors so einwirkt, daß bei Erhöhung der Ausgangsspannung die Steuerspannung am Gate des Feldeffekttransistors verringert wird. Bei Erreichen eines zulässigen Maximalstromes sinkt die Ausgangsspannung sehr schnell ab. DE 34 24 040 A1 describes a circuit arrangement for Limitation of the current through a field effect transistor known. This field effect transistor is a Current feedback resistor connected in series. The one from the Gate-source path of the field effect transistor and the Negative feedback resistance existing series connection is from bridged by a threshold element by which the maximum Gate potential is set. If the voltage drop at Negative feedback resistance with increasing load in the Range of the threshold voltage of the threshold element comes, becomes the drain-source path of the field effect transistor high impedance, so that a further increase in the output current is excluded. There is also a controller Transistor provided on the control electrode of the Field effect transistor acts so that when increasing the Output voltage the control voltage at the gate of the Field effect transistor is reduced. When you reach one permissible maximum current, the output voltage drops very much quickly.  

Aus der DE 37 43 453 A1 ist eine Schaltungsanordnung zum Kurzschlußschutz eines Halbleiterverstärkerelementes bekannt. Der Hauptstrom über den elektronischen Schalter (Feldeffekttransistor) wird dort über einem Strommeßwiderstand erfaßt. Der erfaßte Strom wird einem Komparator zugeführt und dort mit einem Schwellwert verglichen. Der Komparator ist so beschaltet, daß seine Ausgangsspannung nach Überschreiten des eingestellten Schwellwertes umgekehrt proportional zur Belastung des Transistors ist.DE 37 43 453 A1 describes a circuit arrangement for Short-circuit protection of a semiconductor amplifier element is known. The main stream through the electronic switch (Field effect transistor) is there over a current measuring resistor detected. The detected current is fed to a comparator and compared it with a threshold. The comparator is wired so that its output voltage after exceeding of the set threshold value is inversely proportional to Load of the transistor is.

Aus DE 26 40 354 C2 ist eine dynamische Strombegrenzungsschaltung bekannt, bei der der Stromanstieg durch den elektronischen Schalter durch eine Spule erfaßt wird. Der Spannungsabfall an dieser Spule wird über einen Rückkopplungstransistor zum elektronischen Schalter geleitet.DE 26 40 354 C2 describes a dynamic one Current limiting circuit known, in which the current rise detected by the electronic switch through a coil becomes. The voltage drop across this coil is via a Feedback transistor passed to the electronic switch.

Aus der US-PS 39 35 527 ist eine Strombegrenzungsschaltung bekannt, welche einen Strombegrenzungswiderstand zuschalten kann. Dieser Strombegrenzungsschaltung ist eine Induktivität nachgeschaltet, die über eine Diode geshuntet ist.From US-PS 39 35 527 is a current limiting circuit known which connect a current limiting resistor can. This current limiting circuit is an inductor downstream, which is shunted via a diode.

Aus der DE 36 26 088 A1 ist ein Serienschalter bekannt, dessen Stellglied-Transistor in Abhängigkeit des Spannungsabfalls an einem Strommeßwiderstand steuerbar ist.From DE 36 26 088 A1 a series switch is known, the Actuator transistor depending on the voltage drop a current measuring resistor is controllable.

Aus DE 33 23 095 C2 bzw. EP 01 84 609 B1 sind Anordnungen zum Erfassen eines Stromes durch einen Widerstand bekannt, wobei Maßnahmen zur Kompensation temperaturabhängiger Größen vorgesehen sind.From DE 33 23 095 C2 and EP 01 84 609 B1 are arrangements for Detecting a current through a resistor is known, wherein  Measures to compensate for temperature-dependent variables are provided.

Aufgabe der Erfindung ist es eine Strombegrenzungsanordnung anzugeben, die für sprungartige Laständerungen geeignet ist. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die weiteren Ansprüche zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen auf.The object of the invention is a current limiting arrangement specify which is suitable for sudden load changes. This object is achieved by the features of patent claim 1 solved. The other claims show advantageous Configurations on.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß die Induktivität zur dynamischen Strombegrenzung sehr klein gewählt werden kann, da an ihr durch die erfindungsgemäße Konzeption nur die Spannung am Strombegrenzungselement, z. B. Schwellwertspannung einer Zenerdiode, abzüglich der Schwellwertspannung des elektronischen Schalters, z. B. Threshold-Spannung eines Feldeffekttransistors, abfällt. Die Anordnung gemäß der Erfindung reagiert sehr schnell auf Laständerungen, da keine wesentlichen Komponenten mit Verzögerungsverhalten vorhanden sind. Die Anordnung arbeitet sehr zuverlässig und kann auf einfache Weise mit Maßnahmen zur Kompensation von Temperatureffekten ausgestattet werden, so daß ihr Einsatz in Satelliten möglich ist.The invention has the advantage that the inductance dynamic current limitation can be chosen very small because only the tension in it through the conception according to the invention on the current limiting element, e.g. B. threshold voltage one Zener diode, minus the threshold voltage of the electronic switch, e.g. B. Threshold voltage of a Field effect transistor, drops. The arrangement according to the Invention reacts very quickly to changes in load, since none essential components with delay behavior available are. The arrangement works very reliably and can simple way with measures to compensate for Temperature effects are equipped so that their use in Satellite is possible.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert. Es zeigtThe invention will now be explained in more detail with reference to the drawings. It shows

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der Anordnung gemäß der Erfindung, Fig. 1 is a schematic diagram of the arrangement according to the invention,

Fig. 2 ein Spannungs-Strom-Diagramm der Schaltung nach Fig. 1, Fig. 2 is a voltage-current diagram of the circuit of Fig. 1,

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild mit zusätzlicher Temperaturkompensation und Fig. 3 is a block diagram with additional temperature compensation and

Fig. 4 eine Alternative zur Temperaturkompensation. Fig. 4 shows an alternative to temperature compensation.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Strombegrenzung, welche zwischen einer Gleichspannungsversorgungsquelle Q und einer Last RL vorgesehen ist. Der elektronische Schalter S1 ist als n-Kanal MOS-Feldeffekttransistor ausgebildet. In Serie zu seiner Drain-Source-Strecke ist die Induktivität L und der Strommeßwiderstand Rm angeordnet. Zwischen Gate und dem schalterabgewandten Ende des Strommeßwiderstandes Rm ist eine Zenerdiode ZD1 als statisches Strombegrenzungselement vorgesehen, deren Katode zum Gate weist. Die Serienschaltung bestehend aus Strommeßwiderstand Rm und Induktivität L ist durch eine Freilaufdiode DF überbrückt. Der Verbindungspunkt der Induktivität L mit dem Strommeßwiderstand Rm steht über den weiteren Widerstand Re als Teil der Einrichtung E1 mit dem invertierenden Eingang des Komparators K1 in Wirkverbindung. Der nichtinvertierende Eingang des Komparators K1 ist mit einer einstellbaren Referenzspannungsquelle Uref verbunden. Der Fußpunkt dieser Referenzspannungsquelle Uref ist an das schalterabgewandte Ende des Strommeßwiderstandes Rm, bzw. an die Anode der Zenerdiode ZD1 angeschlossen. Zwischen dem invertierenden Eingang des Komparators K1 und dem Ausgang, der zum Gate des Feldeffekttransistors S1 führt, ist ein Gegenkopplungswiderstand Rg vorgesehen, der durch die Antiseriellschaltung der Zenerdioden ZD2 und ZD3 überbrückt ist. Gegebenenfalls kann zum Widerstand Rg noch eine Kapazität C1 parallel geschaltet werden. Fig. 1 shows an embodiment of a current limiting, which is provided between a DC power source Q and a load RL. The electronic switch S 1 is designed as an n-channel MOS field-effect transistor. The inductance L and the current measuring resistor Rm are arranged in series with its drain-source path. Between the gate and the end of the current measuring resistor Rm facing away from the switch, a Zener diode ZD 1 is provided as a static current limiting element, the cathode of which faces the gate. The series circuit consisting of current measuring resistor Rm and inductance L is bridged by a free-wheeling diode DF. The connection point of the inductance L with the current measuring resistor Rm is in operative connection via the further resistor Re as part of the device E 1 with the inverting input of the comparator K 1 . The non-inverting input of the comparator K 1 is connected to an adjustable reference voltage source Uref. The base point of this reference voltage source Uref is connected to the end of the current measuring resistor Rm facing away from the switch or to the anode of the Zener diode ZD 1 . Between the inverting input of the comparator K 1 and the output that leads to the gate of the field effect transistor S 1 , a negative feedback resistor Rg is provided, which is bridged by the anti-serial connection of the Zener diodes ZD 2 and ZD 3 . If necessary, a capacitor C 1 can also be connected in parallel with the resistor Rg.

Im Gegensatz zur Stromauswerteeinrichtung gemäß EP 01 84 609 B1 oder De 33 23 905 C2 ist die Kennlinie des beschalteten Komparators K1 - Ausgangsspannung Ua=f (Strom IO durch den Feldeffekttransistor) - nicht linear ansteigend, sondern, vgl. Fig. 2, zuerst konstant und fällt bei Erreichen eines vorgegebenen Stromes Ik linear steil nach unten ab. Sobald die Ausgangsspannung Ua kleiner wird als die Thresholdspannung UTh des Feldeffekttransistors beginnt dieser n-Kanal MOSFET zu sperren.In contrast to the current evaluation device according to EP 01 84 609 B1 or De 33 23 905 C2, the characteristic of the connected comparator K 1 - output voltage Ua = f (current IO through the field effect transistor) - does not increase linearly, but, cf. Fig. 2, initially constant and drops linearly downwards when a predetermined current Ik is reached. As soon as the output voltage Ua becomes lower than the threshold voltage U Th of the field effect transistor, this n-channel MOSFET begins to block.

Es gilt:The following applies:

Der Komparator K1 ist also invertierend beschaltet (abfallende Kennlinie). Der abfallende Teil der Kennlinie und damit der Beginn des Abfalls läßt sich durch Einstellen der Referenzspannung Uref parallel nach links oder rechts (gestrichelt in Fig. 2) verschieben. Der konstante Teil der Kennlinie, d. h. die Höhe der Ausgangsspannung Ua hängt von den Werten der Schwellwertdioden ZD2 und ZD3 ab.The comparator K 1 is therefore connected in an inverting manner (falling characteristic). The falling part of the characteristic curve and thus the beginning of the drop can be shifted parallel to the left or right (broken line in FIG. 2) by setting the reference voltage Uref. The constant part of the characteristic curve, ie the level of the output voltage Ua, depends on the values of the threshold diodes ZD 2 and ZD 3 .

Die Induktivität L dient zur dynamischen Strombegrenzung und wirkt insbesondere bei sprungartigen Kurzschlüssen. Durch die Beschaltung mit der Zenerdiode ZD1 fällt über dieser Induktivität L nur die Differenz aus der Zenerspannung der Zenerdiode ZD1 und der Thresholdspannung UTh des MOSFET S1 ab. Da diese Spannung relativ niedrig ist, kann die Induktivität L bei voller Wirksamkeit im Kurzschlußfall sehr klein gewählt werden.The inductance L serves for dynamic current limitation and is particularly effective in the event of sudden short circuits. Through the connection to the Zener diode ZD 1 , only the difference between the Zener voltage of the Zener diode ZD 1 and the threshold voltage U Th of the MOSFET S 1 drops across this inductance L. Since this voltage is relatively low, the inductance L can be chosen to be very small with full effectiveness in the event of a short circuit.

Der Komparator K1 ist als Verstärker mit P-Verhalten beschaltet. Da integrierende Elemente nicht vorhanden sind, bzw. kaum eine Rolle spielen, wirkt er auch sehr schnell auf sprungartige Laständerungen und begrenzt automatisch den Strom bei solchen Betriebsfällen. The comparator K 1 is connected as an amplifier with P behavior. Since there are no integrating elements or hardly play a role, it also acts very quickly on sudden load changes and automatically limits the current in such operating cases.

Die Widerstände Rm und Re können vorteilhafterweise thermisch gekoppelt werden und gleiche Materialeigenschaften zumindest bezüglich ihrem spezifischen Widerstand und ihrem Temperaturverhalten aufweisen.The resistors Rm and Re can advantageously be thermal be coupled and at least the same material properties regarding their specific resistance and their Show temperature behavior.

Fig. 3 zeigt das Ersatzschaltbild dieser Widerstände Rm und Re mit ihren parasitären Induktivitäten Lσ 1 und Lσ 2. Die Beschaltung ist so gewählt, daß die induktive Spannung an der Induktivität Lσ 1 des Widerstandes Rm, die sich insbesondere bei höherfrequenten Strömen IO bemerkbar macht, durch die phasenentgegengesetzte induktive Spannung an der parasitären Induktivität Lσ 2 des Widerstandes Re kompensiert wird. Weitere Ausgestaltungen hinsichtlich der thermischen Kopplung der beiden Widerstände sind der EP 01 84 609 B1 entnehmbar. Fig. 3 shows the equivalent circuit of these resistors is Rm and Re, with its parasitic inductance Lσ 1 and Lσ 2. The wiring is selected so that the inductive voltage across the inductor Lσ 1 of the resistor Rm, which is particularly noticeable at higher frequency currents IO noticeable, is compensated for by the phase-opposite inductive voltage at the parasitic inductance Lσ 2 of the resistor Re. Further configurations with regard to the thermal coupling of the two resistors can be found in EP 01 84 609 B1.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der ohmsche Wicklungswiderstand der sowieso vorgesehenen Induktivität L zur Erfassung des Stromes IO herangezogen. Die Induktivität L, hier als Drossel ausgebildet, mit einer Hauptwicklung HW wird mit einer zusätzlichen Meßwicklung MW versehen. Das Ersatzschaltbild gemäß Fig. 4 zeigt die reinen Induktivitäten LH und LM von Haupt- und Meßwicklung sowie die rein ohmschen Widerstände RH und RM. Der Wicklungssinn von Haupt- und Meßwicklung ist derart gewählt, daß beide Spannungspfeile U1 und U2 an den Induktivitäten LH und LM zum gemeinsamen Verbindungspunkt weisen. Bezüglich der Wechselspannungstransformation weisen Hauptwicklung HW und Meßwicklung MW gleiche Windungszahlen auf, d. h. die Windungszahlen bezüglich der den Drosselkern umschlingenden Wicklungen sind gleich, obwohl die ohmschen Wicklungswiderstände RH und RM um mehrere Größenordnungen voneinander abweichen können. Mit gleichem Wicklungsmaterial für Haupt- und Meßwicklung kompensiert der Wicklungswiderstand der Meßwicklung MW den Temperaturgang des Wicklungswiderstandes der Hauptwicklung HW. Die Schaltungsanordnung verhält sich also wie ein rein ohmscher Shuntwiderstand. Der Widerstand RH entspricht dem Widerstand Rm und der Widerstand RM dem Widerstand Re. Die weitere Beschaltung und die Stromauswertung entspricht der Beschaltung von Fig. 1.Another embodiment of the invention is shown in FIG. 4. In this exemplary embodiment, the ohmic winding resistance of the inductance L, which is provided anyway, is used to detect the current IO. The inductance L, here designed as a choke, with a main winding HW is provided with an additional measuring winding MW. The equivalent circuit diagram of FIG. 4 shows the pure inductances L and H L M of the main and sense winding as well as the purely ohmic resistors R H and R M. The winding direction of the main winding and measuring winding is chosen such that both voltage arrows U 1 and U 2 on the inductors L H and L M point to the common connection point. With regard to the AC voltage transformation, the main winding HW and measuring winding MW have the same number of turns, ie the number of turns with respect to the windings wrapping around the choke core are the same, although the ohmic winding resistances R H and R M can differ from one another by several orders of magnitude. With the same winding material for the main and measuring winding, the winding resistance of the measuring winding MW compensates for the temperature response of the winding resistance of the main winding HW. The circuit arrangement thus behaves like a purely ohmic shunt resistor. The resistance R H corresponds to the resistance Rm and the resistance R M to the resistance Re. The further wiring and the current evaluation corresponds to the wiring of FIG. 1.

Claims (8)

1. Anordnung zur Strombegrenzung bestehend aus:
  • a) einem elektronischen Schalter (S1),
  • b) einer Induktivität (L) in Serie zu diesem elektronischen Schalter (S1),
  • c) einer Einrichtung (E1) zum Erfassen des Hauptstromes (IO) über den elektronischen Schalter,
  • d) einem Komparator (K1) zwischen der Einrichtung (E1) zum Erfassen des Hauptstromes und der Steuerelektrode des elektronischen Schalters (S1), welcher derart beschaltet ist, daß seine Ausgangsspannung (Ua) bei einem niedrigen Strom (IO) über den elektronischen Schalter (S1) konstant ist und bei Erreichen eines vorgebbaren Maximalstromes steil abfällt,
  • e) einem Strombegrenzungselement (ZD1) zwischen der Steuerelektrode des elektronischen Schalters (S1) und einem Anschlußpunkt im Hauptstromkreis des elektronischen Schalters (S1), welcher mit dem schalterabgewandten Ende der Serienschaltung, bestehend aus der Induktivität (L) und dem elektronischen Schalter (S1), in Wirkverbindung steht.
1. Arrangement for current limitation consisting of:
  • a) an electronic switch (S 1 ),
  • b) an inductance (L) in series with this electronic switch (S 1 ),
  • c) a device (E 1 ) for detecting the main current (IO) via the electronic switch,
  • d) a comparator (K 1 ) between the device (E 1 ) for detecting the main current and the control electrode of the electronic switch (S 1 ), which is connected such that its output voltage (Ua) at a low current (IO) over the electronic switch (S 1 ) is constant and drops steeply when a predetermined maximum current is reached,
  • e) a current limiting element (ZD 1 ) between the control electrode of the electronic switch (S 1 ) and a connection point in the main circuit of the electronic switch (S 1 ), which with the end of the series circuit facing away from the switch, consisting of the inductor (L) and the electronic switch (S 1 ) is in operative connection.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (K1) so beschaltet ist, daß er im nicht begrenzenden Betrieb als Verstärker mit P-Verhalten arbeitet.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the comparator (K 1 ) is connected so that it works in the non-limiting operation as an amplifier with P behavior. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (K1) einen Gegenkopplungswiderstand (Rg) aufweist, dem mindestens ein weiteres Strombegrenzungselement (ZD2, ZD3) parallel geschaltet ist. 3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the comparator (K 1 ) has a negative feedback resistor (Rg), the at least one further current limiting element (ZD 2 , ZD 3 ) is connected in parallel. 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (E1) einen Strommeßwiderstand (Rm) im Hauptstromkreis des elektronischen Schalters (S1) sowie einen weiteren Widerstand (Re) aufweist, der zwischen dem Strommeßwiderstand (Rm) und dem nichtinvertierenden Eingang des Komparators (K1) angeordnet ist.4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the device (E 1 ) has a current measuring resistor (Rm) in the main circuit of the electronic switch (S 1 ) and a further resistor (Re) which between the current measuring resistor (Rm ) and the non-inverting input of the comparator (K 1 ) is arranged. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strommeßwiderstand (Rm) und der weitere Widerstand (Re) thermisch gekoppelt sind und daß diese Widerstände gleiche Materialeigenschaften zumindest bezüglich ihrem spezifischen Widerstand und ihrem Temperaturverhalten aufweisen.5. Arrangement according to claim 4, characterized in that the Current measuring resistor (Rm) and the further resistor (Re) are thermally coupled and that these resistors are the same Material properties at least with regard to their specific Resistance and their temperature behavior. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der ohmsche Widerstand der Induktivität (L) als Strommeßwiderstand (Rm) verwendet ist.6. Arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized characterized in that the ohmic resistance of the inductance (L) is used as the current measuring resistor (Rm). 7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (L) eine Meßwicklung (MW) trägt, die bezüglich der Hauptwicklung (HW) so beschaltet ist, daß der Wicklungswiderstand der Meßwicklung (MW) den Temperaturgang des Wicklungswiderstandes der Hauptwicklung (HW) kompensiert.7. Arrangement according to claim 6, characterized in that the Inductance (L) carries a measuring winding (MW), which regards the main winding (HW) is wired so that the Winding resistance of the measuring winding (MW) the temperature response of the winding resistance of the main winding (HW) compensated. 8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtinvertierende Eingang des Komparators (K1) mit einer einstellbaren Referenzspannungsquelle (Uref) beschaltet ist.8. Arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized in that the non-inverting input of the comparator (K 1 ) is connected to an adjustable reference voltage source (Uref).
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