WO2015067767A1 - Arrangement and method for protecting an electronic circuit - Google Patents

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WO2015067767A1
WO2015067767A1 PCT/EP2014/074065 EP2014074065W WO2015067767A1 WO 2015067767 A1 WO2015067767 A1 WO 2015067767A1 EP 2014074065 W EP2014074065 W EP 2014074065W WO 2015067767 A1 WO2015067767 A1 WO 2015067767A1
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voltage
mos transistor
terminal
arrangement
branch
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PCT/EP2014/074065
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Inventor
Gerd Thierfelder
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Zentrum Mikroelektronik Dresden Ag
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/082Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
    • H03K17/0822Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit in field-effect transistor switches
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/0063High side switches, i.e. the higher potential [DC] or life wire [AC] being directly connected to the switch and not via the load
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/0072Low side switches, i.e. the lower potential [DC] or neutral wire [AC] being directly connected to the switch and not via the load

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for protecting an electronic circuit, in which a MOS transistor in a positive and / or negative branch of a
  • a gate terminal of the MOS transistor with a first terminal of a means for generating a high impedance gate voltage (U G s) is connected, the second terminal at least indirectly with the negative or positive branch of
  • the invention also relates to a method for protecting an electronic circuit in which a semiconductor switching element is provided in a positive and / or negative branch of a power supply of the device, and wherein the semiconductor switching element by means of a
  • Sensors and / or actuators with a central control unit, such as a microcontroller to connect.
  • a central control unit such as a microcontroller to connect.
  • the IO-Link communication system is used to connect so-called intelligent sensors and actuators.
  • the associated standard describes the electronic
  • IO-Link master Communication protocol via which the sensors and / or actuators communicate with the central control unit, which is referred to as IO-Link master.
  • Sensors in this system are also called IO-Link device or Called IO-Link device.
  • the architecture provides that an IO-Link master has several so-called ports, to each of which an IO-Link device is connected. Between an IO-Link device and the IO-Link master, a point-to-point communication is provided.
  • the IO-Link master forms an interface to a higher-level controller, such as a
  • PLC programmable logic controller
  • these devices may have, for example, a serial number or parameter data.
  • parameters for example, a
  • connection between a port of the IO-Link master and an IO-Link device is made via a maximum 20 m long, unshielded, 3-core cable.
  • a variant with a 4-wire cable routing is made via a maximum 20 m long, unshielded, 3-core cable.
  • the line of the IO-Link devices is equipped with a plug connection. But since this is not required, IO-Link devices are also without a
  • Plug connection supplied only with its connecting cable.
  • the wires of the line must be clamped or soldered in compliance with their proper affiliation. This can lead to the exchange of wires, which can lead not only to the inoperability of the system but also in particular by the system voltage U used by 24 volts in a reverse polarity of the connections to damage the connected electronic modules.
  • a protection arrangement also referred to as a line interface, between the IO-Link master and the transmission line as well as between this line and the connected IO-Link device.
  • This protection arrangement provides protection
  • Verpolschut zscrien Another disadvantage of this Verpolschut zscrien is that a distortion of the transmitted digital signal is possible by connected to the signal line protection diodes.
  • the invention is therefore based on the object, a
  • Rectifier effect can be avoided in normal operation.
  • the object is achieved in an arrangement for protecting an electronic circuit of the type mentioned above in that a voltage sensor for monitoring a drain-source voltage of a MOS transistor is arranged, which with the drain and source terminal of the MOS - Transistor for voltage monitoring and with the gate terminal of the MOS transistor to output a
  • a voltage sensor is arranged parallel to the drain-source path of a MOS transistor used as an electronic switch in a branch of the voltage supply of the arrangement.
  • the voltage monitoring unit generates a turn-off control signal for the electronic switch.
  • the threshold may be, for example, 0.6 volts.
  • the voltage monitoring unit is connected to the gate terminal or source terminal of the MOS transistor.
  • Base resistor is arranged such that a
  • the voltage sensor can be realized by means of a bipolar transistor with an associated base resistor. It is intended to connect the base resistor to the drain terminal of the MOS transistor.
  • Emitter terminal of the bipolar transistor is connected to the source Connection of the MOS transistor connected. Such is the drain-source path of the MOS transistor for
  • Voltage monitoring interconnected with the voltage sensor.
  • the collector terminal of the bipolar transistor is connected to the gate terminal of the MOS transistor.
  • the gate-source voltage of the MOS transistor is reduced and thus the MOS transistor is turned off.
  • the invention prevents a current flow that direction which is opposite to the current direction that occurs in the operating case and thus possible destruction of components of the device to be protected.
  • the described voltage sensor can alternatively or simultaneously be arranged in the negative branch of the voltage supply
  • the bipolar transistor in the positive branch of the power supply is a PNP transistor and in the negative branch of the power supply is an NPN transistor.
  • a bipolar transistor of the type PNP (layer sequence of the transistor) is used in the voltage sensor, which is arranged in the positive branch of the voltage supply.
  • a bipolar transistor of the type PNP layer sequence of the transistor
  • the object is achieved in a method for Protection of an electronic circuit of the type mentioned in that a monitoring of a voltage applied across the semiconductor switching element voltage U D s by means of a voltage monitoring means that at an increase or decrease in the voltage U D s above or below a threshold, the semiconductor Switching element is blocked by a control voltage generated by the voltage monitoring means.
  • the voltage U D s is monitored across the drain and source terminals of the MOS transistor.
  • Method performs a comparison between the detected voltage U DS and a specified threshold voltage. In the event that the absolute value of the voltage U D s is less than the threshold, the operation of the MOS transistor is not affected. In the event that in
  • the MOS transistor Blocking the absolute value of the voltage U DS is equal to or greater than the absolute value of the threshold value, the MOS transistor is influenced by a corresponding control voltage such that it is disabled. Thus, erroneous unacceptably large currents are avoided, which can lead to the destruction of components of the system.
  • the magnitude of the threshold may be, for example, 0.6 volts. Alternative values are possible and have no influence on the overall function of the
  • FIG. 1 shows an illustration of an IO-Link device or 10-link master with an associated line and a protection circuit from the prior art
  • FIG. 2 shows an exemplary coupling of an IO-Link master with an IO-Link device with associated protection circuits and IO-Link connection line according to the prior art, another prior art representation of any proprietary network solution with multiple devices which are connected to the network cable via protective devices, an exemplary embodiment of the protection circuit
  • a schematic diagram of the use of protection diodes in a two-wire system according to the prior art a schematic diagram of the use of MOSFET devices in a two-wire system according to the prior art, a representation of the operation in limiting a beyond the operating voltage limits Voltage (overshoot voltage) with clamping diodes according to the prior art, a schematic diagram of a
  • Fig. 11 is a representation of the signal waveform
  • Protection circuit arranged in both branches with indicated voltages and a parasitic diode between drain and source terminal, 21a, b an embodiment for the use of the protection circuit according to the invention with further components,
  • Fig. 22 is an illustration of signal waveforms
  • Fig. 24a, b is a representation of a prior art
  • Fig. 25 is an illustration of signal waveforms
  • Fig. 26a, b is a representation of a prior art
  • Fig. 27 is an illustration of signal waveforms
  • FIGS. 21, 24 and 26 For the sake of representability of the figures, several drawing figures have been split into two sheets. This relates, for example, to FIGS. 21, 24 and 26.
  • FIG. 1 shows an IO-Link master 1, which can alternatively also be an IO-Link device 2, as a central one
  • the line 3 consists in the example of the wires Line L + and Line L- for the transmission of an operating voltage and the signal lines Line COM and Line AUX.
  • this line 3 is in one place
  • the protection circuit 4 can be arranged directly to the port of the IO-Link master 1 without the part of the line 3 shown on the left.
  • FIG. 2 shows a connection of an IO-Link master 1 with an IO-Link device 2 via the connecting line 3 as well as respectively associated protective circuits 4.
  • a power supply 5 is shown, which can also be arranged in another location of the connection of the IO-Link modules 1 and 2. Shown is also the disturbing influence of electrical and / or electromagnetic interference, which on the
  • Line 4 can act.
  • ESD electrostatic discharges
  • RF / EMI for electrostatic discharges
  • FIG. 3 shows an interconnection, known from the prior art, of a proprietary data bus system with a master 1 and with a plurality of devices 2, which may be embodied as actuators or as sensors via which
  • Line 3 and in each case for the protection of the arrangements 1 and 2 arranged protective circuits 4.
  • a unit for power supply 5 is shown at possible positions in the system.
  • the protection circuit 4 includes a sub-assembly for protection against electrostatic discharges ESD protection 6, an arrangement for protection against reverse polarity of Operating voltage 7 and an arrangement for limiting the input voltage. 8
  • Operating voltage is connected via the cable, either in the positive or negative branch between a voltage source 9 and a load resistor 11 to be arranged as consumer diodes 10, as shown in Figure 5. In this way it can be ensured that the load resistor 11 can be connected with reverse polarity protection.
  • a major disadvantage of this protection system is an undesirable voltage drop across the diodes 10 due to the forward voltage V F of the diode 10 itself
  • voltage drops are between 0.6 and 0.8 volts for silicon diodes and between 0.1 and 0.3 volts for metal-semiconductor diodes (Schottky diodes).
  • MOSFETs which compared to diodes a lower
  • This enhancement P-channel transistors in the positive branch (MOSFET is inversely operated) or enhancement N-channel transistors in the negative branch (MOSFET is operated inverse) are used. As shown in the figure 6, is in a
  • the gate of the MOSFETs usually from ESD Schut z terminaten connected via a resistor 13 and the gate-source voltage is limited by a Zener diode 14.
  • the Zener diode 14 and the resistor 13 can also be replaced by a means 26 for generating a high impedance gate voltage U G s, for example, the implementation in integrated circuit solutions.
  • Another problem with the transmission of (digital) signals is the occurrence of so-called overshoots, ie
  • Supply voltage range of, for example, zero volts to the supply voltage U s are usually clamping diodes
  • Designated circuit part shown in the interface IC available, or integrated into the interface IC, and thus in the same manner in the Verpolschut zharito observe.
  • a disadvantage of this solution lies in an undesirable voltage drop across two diodes and thus twice the forward voltage (2x U F ).
  • the figure 7 is shown in a small voltage-time curve, the case of the occurrence of an overvoltage 15 and the case of the occurrence of an undervoltage 16.
  • the current flow in the case of the undervoltage 16 is represented by the arrows, which are a dash-and-dash line exhibit .
  • Verpolschut zdioden 18 used.
  • FIG. 9 A realization of this protection concept according to FIG. 8 by means of MOS transistors is shown in FIG. 9 in two
  • the right-hand circuit of FIG. 9 represents a simplification of the circuit design.
  • the gate of the MOSFET 12 is usually connected (for protection reasons) via a resistor 13, or the gate-source voltage is limited by a Zener diode 14.
  • the disadvantage of this solution is that a secure operation only with a 3-wire connection
  • the MOSFETs 12 can not be opened (lock) until the voltage at
  • Test voltage source are shown in FIG.
  • the diode circuit already shown in FIG. 7 can in principle be extended to two or more signal lines. For each additional signal 2 more clamping diodes 17 are required.
  • a corresponding diode circuit is prescribed, for example, in the data sheet of the ZMDI IC ZIOL2401 (2-channel cable driver, suitable for IO-Link).
  • clamping diodes 17 (D4-D7) supply the IO-Link device 1 with it, too
  • the fault case shown in FIG. 13 shows that, on the one hand, a residual voltage remains above the load resistor 11 and the load capacitor 19, which voltage is high enough to pass across the Zener diodes 14 (D5, D6) and the
  • Resistor 13 R4 (circuit for gate voltage generation) to cause a current flow.
  • the result is that the current flowing back into the voltage source 11 via the clamping diodes 17 can become very large and in turn can thus destroy the clamping diodes 17.
  • the circuit shown in FIG. 13 has another one
  • FIG. 14 shows a circuit arrangement on which the following simulation is based.
  • the Verpolschut switching circuit 7 uses enhancement MOS transistors (MOSFETs) as a semiconductor switching element, which are connected in the current flow in the positive branch and / or in the negative branch of the connection between the supply voltage 9 and load 11, and which in undesirable operating states, hereinafter called blocking case , the MOSFETs
  • MOSFETs Semiconductor switching element should be as small as possible.
  • the regular operation of MOSFETs will be explained with reference to two simple basic circuits to better illustrate the inverse state of operation of the MOSFETs used in the protection circuit.
  • FIG. 17 illustrates two common or simplest applications of semiconductor switching elements in which, in both cases, the MOSFETs 12 operate in normal operation.
  • the two transistors 12 parallel to the channel
  • Plotted diodes represent parasitic or intentionally integrated into the device diodes, which always work in the reverse direction in the basic circuits shown here.
  • Function block "control" 26 generates a gate-source voltage U G s, which is greater than the threshold voltage U tn of
  • MOSFETs 12 is.
  • U tn is a positive voltage and may be, for example, 2... 3V. 17 below shows a so-called "high-side switch" by means of P-channel MOSFET 12.
  • the drain-source voltage U DS of the P-channel MOSFET 12 is always less than zero or the MOSFET 12 is switched through if the
  • Function block "control" 26 a gate-source voltage U G s generated, which is smaller than the threshold voltage U tp of
  • MOSFETs 12 is.
  • U tp is a negative voltage and may be, for example, -3 ... -2V.
  • the gate-source voltage illustrated in FIG. 17 in the upper as well as in the lower part of the figure controls the MOSFET 12 and is called generalized control voltage U s .
  • the control voltage U s .
  • Characteristic of the normal operating mode of the MOSFET 12 is 12 U DS > 0 for the N-channel MOSFET and 12 U DS ⁇ 0 for the P-channel MOSFET.
  • drain or source in a standard MOSFET 12 given by the polarity of the voltage between these terminals. Ie. In reverse operation, the control voltage between the gate and drain acts as the drain port has physically taken over the source function.
  • MOSFETs 12 are shown.
  • the figure 19 is the invention
  • the left illustration shows an arrangement of Verpolschut zscnies 20 in the positive branch of the power supply.
  • the right-hand illustration of Figure 19 shows the arrangement of Verpolschut zscnies 20 in the negative branch of the power supply.
  • the invention is a Verpolschut circuit, which the Low-drop characteristics of a reverse polarity reversal with
  • Valve effect prevention of backflow
  • a voltage sensor 21 is introduced which controls the drain-source voltage of the respective MOSFET 12
  • the drain-source voltage U DS has opposite polarity to the normal operating case. This case is called in the following case.
  • the MOSFET 12 operates regularly, ie, not in inverse operation.
  • the effectively acting control voltage of the MOSFET 12 (gate-source voltage) is significantly reduced, ie significantly below the threshold voltage U T of
  • the voltage sensor 21 is formed for example by a base-emitter diode of an inserted bipolar transistor 22, which, for example, in the case of a blocking at an amount of the drain-source voltage
  • Bipolar transistor 22 learns.
  • the base resistor 23 is used, which may be omitted under some circumstances, i. the basis of
  • Bipolar transistor is connected directly to the drain of the MOSFET.
  • Collector current of the bipolar transistor 22 reduces the gate-source voltage of the MOSFET 12.
  • the circuit for generating the gate-source voltage of the MOSFETs 12 is designed with high impedance. In this way, relatively small collector currents of the bipolar transistor 22 can efficiently contribute to reducing the gate-source voltage of the MOSFET 12. In integrated solutions is used to generate the gate-source voltage of the MOSFETs 12th
  • a high-impedance voltage source 26th used.
  • Verpolschut zscrien 20 in a variant of the arrangement in both branches
  • the protection circuit 20 operates either in normal operation (normal case) in which the voltage drops across the
  • MOSFETs Semiconductor switching elements 12
  • FIG. 20 shows a protective circuit 20 with the addition according to the invention of a voltage sensor 21.
  • Normal case and blocking case differed with respect to the operating case of the MOSFETs 12 used.
  • - Normal case (operating case) o
  • the MOSFETs 12 operate in inverse operation, ie their drain-source voltage U DS has opposite to regular operating case REVERSED polarity o Physically, the physical
  • MOSFETs 12 existing diodes work in
  • Transistors 12 is characterized by the between gate and Drain occurring control voltage U s _invers effected. Disconnect (error) o
  • the polarity U DS of the MOSFETs 12 is reversed at the transition to the blocking case, so that the
  • MOSFETS 12 now in regular operation
  • Verpolschut circuit 7 in addition to the low-drop property has no rectifier effect. There are no operating voltage peaks due to permanent overshoots on the communication signals, because the signal energy concerned immediately on the
  • Supply voltage of the connected device within a very small differential voltage range (low-drop property) equal to the supply voltage provided in the system.
  • Supply voltage has leads with the voltage sensor according to the invention to no inadmissibly high currents through the clamping diodes 17 and other components.
  • MOSFET + Bipolartransitor can be used in the positive and / or negative branch of the supply voltage.
  • IO-Link device 2 is called (sensor / actuator).
  • the driver ICs used require an overshoot protection by means of (Schottky) diodes and can establish bidirectional digital communication between IO-Link master 1 and IO-Link device 2, ie. H. either via a 3-wire cable (with a communication signal) or via a 4-wire cable (with two communication signals)
  • the embodiment relates to a 4-wire line.
  • the standard reverse polarity switching with diodes 17 is shown in FIG.
  • either D4 / D5 or D6 / D7 can be omitted.
  • test controller used.
  • the test controller contains a 24V DC power source. Furthermore, the test controller contains an internal circuit node
  • Each cycle of the line 3 is connected per clock cycle via appropriate switches either o to the voltage source - positive pole or o to the voltage source - negative pole or o to the short-circuit point or o is not connected.
  • the clock signal 27 is applied to this.
  • Test state chosen arbitrarily for the sake of the simulation technique, has been set to 10 ms.
  • connection conditions are too high, a permanent, impermissibly high current would be tiled and damage to the application circuit of the IO-Link master 1 or IO-Link device 2 would result.
  • Peak currents in the ps range are normal and are in practice by using appropriate electronic components of the
  • Simulation results in Figure 22 include: o the currents through the clamping diodes 17 Dl to D4
  • Supply voltage terminals correspond to the drain-to-source currents of the MOSFETs 12 and thus allow detection of destructive high currents through the
  • test_clock The clock signal V (test_clock) of the test controller.
  • Zener diodes 14 resistor 13 and MOS transistors 12 as shown in FIGS. 13 and 20.
  • FIG. 21b also shows that consisting of the bipolar transistor 22 (Q1 and Q2) and the basic series resistor 23
  • Power supply are arranged.
  • the occurring current peaks can, assuming adequate dimensioning of the circuit, be tolerated.
  • the current peaks result
  • Line contains all test states in which the device is fed correctly, d. H. there is no signal feed.
  • Actuator module for an IO-Link master 1 or a 10-link device 2 working protection circuit 4 is in the
  • FIGS. 21a, 21b and 22 show that described in FIGS. 21a, 21b and 22.
  • bipolar transistor 22 Ql and Q2
  • resistors 23 R5 and R6
  • FIG. 25 shows the occurrence of impermissibly high levels
  • the circuit arrangement according to the variant 2 is in the
  • FIG. 23a and 23b show the associated voltage and current waveforms with the sizes already described for Figure 22.
  • FIG. 23a and 23b show the associated voltage and current waveforms with the sizes already described for Figure 22.
  • FIG. 23a and 23b show the associated voltage and current waveforms with the sizes already described for Figure 22.
  • FIG. 23b There are inadmissibly high continuous currents, as in the
  • FIG. 27 was again characterized by way of example by means of two arrows each. Also in this figure 27 is the regular work area again with a box with
  • the present invention thus provides a
  • Polarity reversal ready which has the following advantages: relatively small voltage drop across the Verpolschut z- components, suitable for use as (cable) interface of Control devices such as controllers, actuators,
  • Polarity reversal of the connection lines and any short circuits between the conductors, with a protection of the arrangement means that no destruction may occur in the event of a fault, and where no
  • Signal lines can supply a low impedance signal, these may also be considered as a voltage source (e.g., 24V) in the event of a fault.
  • a voltage source e.g., 24V

Abstract

The invention relates to an arrangement and a method for protecting an electronic circuit. The aim of the invention is to provide a solution which provides a reduced voltage drop over the protection circuit itself, whereby a destruction of the electronic circuits is prevented upon omitting and/or exchanging connection lines on an IO link device and/or an IO link master. The aim of the invention is achieved by the arrangement in that a voltage sensor is provided for monitoring a drain-source voltage of an MOS transistor, said voltage sensor being connected to the drain and source connection of the MOS transistor in order to monitor the voltage and to the gate connection of the MOS transistor in order to output a control signal. The aim of the invention is achieved by the method in that a voltage (UDS) applied via the semiconductor switching element is monitored by means of a voltage monitoring means such that in the event of a fault, the semiconductor switching element is blocked by a control voltage generated by the voltage monitoring means when the absolute value of the voltage (UDS) exceeds a threshold.

Description

Anordnung und Verfahren zum Schutz einer elektronischen  Arrangement and method for protecting an electronic
Schaltung Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Schutz einer elektronischen Schaltung, bei welcher ein MOS-Transistor in einem positiven und/oder negativen Zweig einer  The invention relates to an arrangement for protecting an electronic circuit, in which a MOS transistor in a positive and / or negative branch of a
Spannungsversorgung der Anordnung mit einer Drain-Source- Strecke, zur Unterbrechung eines Stromflusses in dem Voltage supply of the arrangement with a drain-source path, for interrupting a current flow in the
betreffenden Zweig, angeordnet ist, wobei ein Gate-Anschluss des MOS-Transistors mit einem ersten Anschluss eines Mittels zur Erzeugung einer hochimpedanten Gatespannung (UGs) verbunden ist, dessen zweiter Anschluss zumindest mittelbar mit dem negativen oder positiven Zweig der is concerned, wherein a gate terminal of the MOS transistor with a first terminal of a means for generating a high impedance gate voltage (U G s) is connected, the second terminal at least indirectly with the negative or positive branch of
Spannungsversorgung der Anordnung verbunden ist. Voltage supply of the arrangement is connected.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Schutz einer elektronischen Schaltung, bei welchem ein Halbleiter- Schaltelement in einem positiven und/oder negativen Zweig einer Spannungsversorgung der Anordnung bereitgestellt wird und wobei das Halbleiter-Schaltelement mittels einer The invention also relates to a method for protecting an electronic circuit in which a semiconductor switching element is provided in a positive and / or negative branch of a power supply of the device, and wherein the semiconductor switching element by means of a
Steuerspannung im Betriebsfall durchgeschaltet und im Control voltage switched through during operation and in
Fehlerfall gesperrt wird. Error is blocked.
In vielen Bereichen der Elektronik ist es notwendig, In many areas of electronics it is necessary
Sensoren und/oder Aktoren mit einer zentralen Steuereinheit, wie beispielsweise einem Mikrokontroller , zu verbinden. Sensors and / or actuators with a central control unit, such as a microcontroller to connect.
Beispielsweise im Bereich der Fertigungsautomatisierung wird hierfür das IO-Link-Kommunikationssystem zur Anbindung sogenannter intelligenter Sensoren und Aktoren eingesetzt. Der zugehörige Standard beschreibt die elektronischen For example, in the area of factory automation, the IO-Link communication system is used to connect so-called intelligent sensors and actuators. The associated standard describes the electronic
Anschlussdaten der Komponenten sowie das digitale Connection data of the components as well as the digital
Kommunikationsprotokoll, über welches die Sensoren und/oder Aktoren mit der zentralen Steuereinheit, welche als IO-Link- Master bezeichnet wird, kommunizieren. Die Aktoren und  Communication protocol via which the sensors and / or actuators communicate with the central control unit, which is referred to as IO-Link master. The actors and
Sensoren werden in diesem System auch als IO-Link-Gerät oder IO-Link-Device bezeichnet. Sensors in this system are also called IO-Link device or Called IO-Link device.
Die Architektur sieht vor, dass ein IO-Link-Master über mehrere sogenannte Ports verfügt, an die jeweils ein IO- Link-Device angeschlossen ist. Zwischen einem IO-Link-Gerät und dem IO-Link-Master ist also eine Punkt-zu-Punkt- Kommunikation vorgesehen. The architecture provides that an IO-Link master has several so-called ports, to each of which an IO-Link device is connected. Between an IO-Link device and the IO-Link master, a point-to-point communication is provided.
Der IO-Link-Master bildet eine Schnittstelle zu einer übergeordneten Steuerung, wie beispielsweise einer The IO-Link master forms an interface to a higher-level controller, such as a
speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS), und steuert die Kommunikation mit den angeschlossenen IO-Link-Geräten gemäß dem zugrunde liegenden Kommunikationsprotokoll. programmable logic controller (PLC), and controls the communication with the connected IO-Link devices according to the underlying communication protocol.
Als intelligente Sensoren und Aktoren werden in dieser As smart sensors and actuators will be in this
Beschreibung Geräte verstanden, welche auf Anforderung des Masters Mess- und/oder Steuerdaten mit dem Master Description Devices understood, which at the request of the master measuring and / or control data with the master
austauschen. Weiterhin können diese Geräte beispielsweise eine Seriennummer oder Parameterdaten besitzen. Hierbei können derartige Parameter beispielsweise eine change. Furthermore, these devices may have, for example, a serial number or parameter data. In this case, such parameters, for example, a
Empfindlichkeit, eine Schaltverzögerung oder ein Sensitivity, a switching delay or a
Kennlinienverlauf sein, welche über das Be characteristic curve, which over the
Kommunikationsprotokoll sowohl ausgelesen wie auch im laufenden Betreib verändert werden können. Communication protocol both read as well as in the ongoing operation can be changed.
Die Verbindung zwischen einem Port des IO-Link Masters und einem IO-Link-Gerät erfolgt über eine maximal 20 m lange, ungeschirmte , 3-adrige Leitung. In dieser Beschreibung ist in den Ausführungsbeispielen auch eine Variante mit einer 4-adrigen Leitungsführung The connection between a port of the IO-Link master and an IO-Link device is made via a maximum 20 m long, unshielded, 3-core cable. In this description, in the embodiments, a variant with a 4-wire cable routing
dargestellt. In diesen Fällen ist eine Erweiterung derart vorgenommen worden, dass neben der üblichen IO-Link- Kommunikationsader „Line COM" eine weitere Hilfsader, beispielsweise mit „Line AUX" bezeichnet, zum Einsatz kommt. Über diese Hilfsader ist eine Übertragung von Informationen beispielsweise eines angeschlossenen IO-Link-Geräts , wie einem Sensor oder einem Aktor möglich. Alternativ können über die Hilfsader auch Steuersignale an IO-Link-Geräte übertragen werden. Eine weitere Alternative stellt der shown. In these cases, an extension has been made such that in addition to the usual IO-Link communication wire "Line COM" another auxiliary wire, for example, called "Line AUX" is used. About this auxiliary wire is a transfer of information, for example, a connected IO-Link device, such as a sensor or an actuator possible. Alternatively, control signals can also be transmitted to IO-Link devices via the auxiliary core. Another alternative is the
Anschluss eines Sensors mit binären und möglicherweise zueinander logisch negierten Ausgangssignalen zwischen den Leitungen „Line COM" und „Line AUX" dar. Connection of a sensor with binary and possibly mutually logically negated output signals between the lines "Line COM" and "Line AUX".
In vielen Fällen ist die Leitung der IO-Link-Geräte mit einer Steckverbindung ausgestattet. Da dies aber nicht gefordert ist, werden IO-Link-Geräte auch ohne eine In many cases, the line of the IO-Link devices is equipped with a plug connection. But since this is not required, IO-Link devices are also without a
Steckverbindung nur mit ihrer Anschlussleitung geliefert. In diesen Fällen müssen die Adern der Leitung unter Beachtung ihrer ordnungsgemäßen Zugehörigkeit angeklemmt oder verlötet werden. Hierbei kann es zum Vertauschen von Adern kommen, was nicht nur zur Funktionsuntüchtigkeit des Systems sondern auch insbesondere durch die verwendete Systemspannung U von 24 Volt bei einer Verpolung der Anschlüsse zu Schäden an den angeschlossenen elektronischen Baugruppen führen kann. Plug connection supplied only with its connecting cable. In these cases, the wires of the line must be clamped or soldered in compliance with their proper affiliation. This can lead to the exchange of wires, which can lead not only to the inoperability of the system but also in particular by the system voltage U used by 24 volts in a reverse polarity of the connections to damage the connected electronic modules.
Da bei einem Einsatz des IO-Link-Kommunikationssystems unter Betriebsbedingungen mit einem Einfluss von Störungen, beispielsweise eingekoppelt über die Leitung, gerechnet werden muss, sind zur Gewährleistung einer fehlerfreien Funktionsweise Schutzmaßnahmen erforderlich. Since the use of the IO-Link communication system under operating conditions with an influence of interference, for example, coupled via the line, must be expected, to ensure a faultless operation protective measures are required.
Hierfür ist es bekannt, zwischen dem IO-Link-Master und der Übertragungsleitung wie auch zwischen dieser Leitung und dem angeschlossenem IO-Link-Gerät eine Schutzanordnung, auch als Line-Interface bezeichnet, vorzusehen. For this purpose, it is known to provide a protection arrangement, also referred to as a line interface, between the IO-Link master and the transmission line as well as between this line and the connected IO-Link device.
Mittels dieser Schutzanordnung wird ein Schutz vor This protection arrangement provides protection
kurzzeitigen hohen Spannungsimpulsen, auch als short-term high voltage pulses, also as
elektrostatische Entladung bezeichnet (ESD, engl. Electrostatic discharge (ESD, engl.
electrostatic discharge) , sowie ein Schutz gegen gering über der Betriebsspannung Ucc oder Us oder gering unter dem electrostatic discharge), as well as a protection against low over the operating voltage Ucc or Us or slightly below the
Bezugspotenzial von Null Volt liegenden Spannungen erreicht. Für eine Verpolung von Anschlüssen ist darüber hinaus eine sogenannte Verpolschut zschaltung erforderlich. Bekannt sind derartige Anordnungen, in denen Dioden, d.h., Standard- Silizium-Dioden oder zur Verringerung der störenden Fluss- Spannung Schottky-Dioden, eingesetzt werden. Der Nachteil dieser Lösung liegt darin, dass der Schutz durch die Dioden mit einem zusätzlichen Spannungsverlust verbunden ist, welcher zu einer Reduzierung der Versorgungsspannung und somit mit einer Verringerung der Systemperformance verbunden ist. Außerdem führt diese Lösung zur Erzeugung von Wärme durch die unerwünschte Verlustleistung der Dioden. Reference potential of zero volts reached voltages. For a reverse polarity of connections beyond a so-called Verpolschut switching is required. Such arrangements are known in which diodes, ie, standard silicon diodes or to reduce the disturbing flux voltage Schottky diodes, are used. The disadvantage of this solution is that the protection by the diodes is associated with an additional voltage loss, which is associated with a reduction of the supply voltage and thus with a reduction of the system performance. In addition, this solution leads to the generation of heat by the unwanted power loss of the diodes.
Ein weiterer Nachteil dieser Verpolschut zschaltung liegt darin, dass durch die mit der Signalleitung verbundenen Schutzdioden eine Verfälschung des übertragenen digitalen Signals möglich ist. Another disadvantage of this Verpolschut zschaltung is that a distortion of the transmitted digital signal is possible by connected to the signal line protection diodes.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine The invention is therefore based on the object, a
Anordnung und Verfahren zum Schutz einer elektronischen Schaltung zu schaffen, welche einen verringerten Arrangement and method for protecting an electronic circuit to create, which reduced
Spannungsabfall über der Schutzschaltung selbst aufweist und womit bei einem Weglassen und/oder Vertauschen von Has voltage drop across the protection circuit itself and what if omission and / or interchange of
Anschlussleitungen an einem IO-Link-Gerät und/oder einem 10- Link-Master eine Zerstörung der elektronischen Schaltungen verhindert wird. Außerdem soll eine störende  Connecting cables to an IO-Link device and / or a 10-link master prevents destruction of the electronic circuits. In addition, a disturbing
Gleichrichterwirkung im normalen Betriebsfall vermieden werden. Rectifier effect can be avoided in normal operation.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe bei einer Anordnung zum Schutz einer elektronischen Schaltung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass ein Spannungssensor zur Überwachung einer Drain-Source-Spannung eines MOS-Transistors angeordnet ist, welcher mit dem Drain- und Source-Anschluss des MOS- Transistors zur Spannungsüberwachung und mit dem Gate- Anschluss des MOS-Transistors zur Ausgabe eines According to the invention, the object is achieved in an arrangement for protecting an electronic circuit of the type mentioned above in that a voltage sensor for monitoring a drain-source voltage of a MOS transistor is arranged, which with the drain and source terminal of the MOS - Transistor for voltage monitoring and with the gate terminal of the MOS transistor to output a
Steuersignals verbunden ist. Gemäß der Erfindung wird parallel zu der Drain-Source- Strecke eines als elektronischer Schalter in einem Zweig der Spannungsversorgung der Anordnung eingesetzten MOS- Transistors ein Spannungssensor angeordnet. Mittels dieses Spannungssensors wird die Drain-Source-Spannung des MOS- Transistors überwacht. Bei einem Anstieg bzw. Abfall dieser Drain-Source-Spannung über bzw. unter einen festgelegten Schwellwert erzeugt die Einheit zur Spannungsüberwachung ein Abschalt-Steuersignal für den elektronischer Schalter. Der Schwellwert kann beispielsweise 0,6 Volt sein. Zur Ausgabe dieses Abschalt- oder Steuersignals ist die Einheit zur Spannungsüberwachung mit dem Gate-Anschluss bzw. Source- Anschluss des MOS-Transistors verbunden. Control signal is connected. According to the invention, a voltage sensor is arranged parallel to the drain-source path of a MOS transistor used as an electronic switch in a branch of the voltage supply of the arrangement. By means of this voltage sensor, the drain-source voltage of the MOS transistor is monitored. As the drain-source voltage rises above a predetermined threshold, the voltage monitoring unit generates a turn-off control signal for the electronic switch. The threshold may be, for example, 0.6 volts. To output this shutdown or control signal, the voltage monitoring unit is connected to the gate terminal or source terminal of the MOS transistor.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass im Spannungssensor ein Bipolartransistor mit einem In one embodiment of the invention it is provided that in the voltage sensor, a bipolar transistor with a
Basisvorwiderstand derart angeordnet ist, dass ein  Base resistor is arranged such that a
Basisanschluss des Bipolartransistors über den Base terminal of the bipolar transistor via the
Basisvorwiderstand im positiven Zweig der Base resistor in positive branch of
Spannungsversorgung mit dem Drain-Anschluss eines im Power supply to the drain connection of an im
Betriebsfall invers arbeitenden P-Kanal-MOS-Transistors und im negativen Zweig der Spannungsversorgung mit dem Drain- Anschluss eines im Betriebsfall invers arbeitenden N-Kanal- MOS-Transistors verbunden ist, dass ein Emitter-Anschluss des Bipolartransistors im positiven Zweig der Operation case inversely operating P-channel MOS transistor and the negative branch of the power supply to the drain terminal of an inversely operating in case N-channel MOS transistor is connected, that an emitter terminal of the bipolar transistor in the positive branch of the
Spannungsversorgung mit dem Source-Anschluss und im Power supply to the source terminal and in the
negativen Zweig der Spannungsversorgung mit dem Source- Anschluss des MOS-Transistors verbunden ist und dass ein Kollektor-Anschluss des Bipolartransistors mit dem Gate- Anschluss des MOS-Transistors verbunden ist. Der Spannungssensor kann mittels eines Bipolartransistors mit einem zugehörigen Basisvorwiderstand realisiert werden. Vorgesehen ist, den Basisvorwiderstand mit dem Drain- Anschluss des MOS-Transistors zu verbinden. Der negative branch of the power supply is connected to the source terminal of the MOS transistor and that a collector terminal of the bipolar transistor is connected to the gate terminal of the MOS transistor. The voltage sensor can be realized by means of a bipolar transistor with an associated base resistor. It is intended to connect the base resistor to the drain terminal of the MOS transistor. Of the
Emitteranschluss des Bipolartransistors wird mit dem Source- Anschluss des MOS-Transistors verbunden. Derart ist die Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors zur Emitter terminal of the bipolar transistor is connected to the source Connection of the MOS transistor connected. Such is the drain-source path of the MOS transistor for
Spannungsüberwachung mit dem Spannungssensor verschaltet. Der Kollektor-Anschluss des Bipolartransistors ist mit dem Gate-Anschluss des MOS-Transistors verbunden. Im Fall einer Detektion einer Spannung durch den Spannungssensor, welche betragsmäßig einen festgelegten Schwellwert überschreitet, wird durch ein Durchsteuern des Bipolartransistors die Gate- Source-Spannung des MOS-Transistors verringert und somit der MOS-Transistor gesperrt. Somit verhindert die Erfindung einen Stromfluss jene Richtung, welche entgegengesetzt der Stromrichtung ist, die im Betriebsfall auftritt und derart eine mögliche Zerstörung von Komponenten der zu schützenden Anordnung . Der beschriebene Spannungssensor kann alternativ oder gleichzeitig auch im negativen Zweig der Spannungsversorgung angeordnet werden Voltage monitoring interconnected with the voltage sensor. The collector terminal of the bipolar transistor is connected to the gate terminal of the MOS transistor. In the case of detection of a voltage by the voltage sensor, which exceeds a fixed threshold in terms of magnitude, by driving through the bipolar transistor, the gate-source voltage of the MOS transistor is reduced and thus the MOS transistor is turned off. Thus, the invention prevents a current flow that direction which is opposite to the current direction that occurs in the operating case and thus possible destruction of components of the device to be protected. The described voltage sensor can alternatively or simultaneously be arranged in the negative branch of the voltage supply
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist In a further embodiment of the invention
vorgesehen, dass der Bipolartransistor im positiven Zweig der Spannungsversorgung ein PNP-Transistor und im negativen Zweig der Spannungsversorgung ein NPN-Transistor ist. provided that the bipolar transistor in the positive branch of the power supply is a PNP transistor and in the negative branch of the power supply is an NPN transistor.
Vorgesehen ist eine Kombination eines NPN-Bipolartransistors mit einem N-Kanal-MOSFET im positiven Zweig und/oder einen PNP-Bipolartransistor in Verbindung mit einem P-Kanal-MOSFET im negativen Zweig einzusetzen. It is envisaged to use a combination of an NPN bipolar transistor with an N-channel MOSFET in the positive branch and / or a PNP bipolar transistor in conjunction with a P-channel MOSFET in the negative branch.
Unter Beachtung der Polarität bzw. der Stromflussrichtungen wird im Spannungssensor, welcher im positiven Zweig der Spannungsversorgung angeordnet ist, ein Bipolartransistor vom Typ PNP (Schichtfolge des Transistors) eingesetzt. Im negativen Zweig der Spannungsversorgung wird ein Taking into account the polarity or the current flow directions, a bipolar transistor of the type PNP (layer sequence of the transistor) is used in the voltage sensor, which is arranged in the positive branch of the voltage supply. In the negative branch of the power supply is a
Bipolartransistor vom Typ NPN eingesetzt. Used bipolar transistor NPN type.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe bei einem Verfahren zum Schutz einer elektronischen Schaltung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine Überwachung einer über dem Halbleiter-Schaltelement anliegenden Spannung UDs mittels eines Spannungsüberwachungsmittels erfolgt, dass bei einem Anstieg bzw. Abfall der Spannung UDs über bzw. unter einem Schwellwert das Halbleiter-Schaltelement durch eine vom Spannungsüberwachungsmittel erzeugte Steuerspannung gesperrt wird . According to the invention, the object is achieved in a method for Protection of an electronic circuit of the type mentioned in that a monitoring of a voltage applied across the semiconductor switching element voltage U D s by means of a voltage monitoring means that at an increase or decrease in the voltage U D s above or below a threshold, the semiconductor Switching element is blocked by a control voltage generated by the voltage monitoring means.
Gemäß der Erfindung wird die Spannung UDs über dem Drain- und Source-Anschluss des MOS-Transistors überwacht. Das According to the invention, the voltage U D s is monitored across the drain and source terminals of the MOS transistor. The
Verfahren führt einen Vergleich zwischen der ermittelten Spannung UDS und einer festgelegten Schwellspannung durch. Für den Fall, dass der Absolutwert der Spannung UDs kleiner als der Schwellwert ist, wird die Funktionsweise des MOS- Transistors nicht beeinflusst. Für den Fall, dass im Method performs a comparison between the detected voltage U DS and a specified threshold voltage. In the event that the absolute value of the voltage U D s is less than the threshold, the operation of the MOS transistor is not affected. In the event that in
Sperrfall der Absolutwert der Spannung UDS gleich oder größer als der Absolutwert des Schwellwerts ist, wird der MOS- Transistor durch eine entsprechende Steuerspannung derart beeinflusst, dass dieser gesperrt wird. Derart werden fehlerhafte unzulässig große Strome vermieden, welche zur Zerstörung von Bauelementen des Systems führen können. Blocking the absolute value of the voltage U DS is equal to or greater than the absolute value of the threshold value, the MOS transistor is influenced by a corresponding control voltage such that it is disabled. Thus, erroneous unacceptably large currents are avoided, which can lead to the destruction of components of the system.
Der Betrag des Schwellwerts kann beispielsweise eine Größe von 0,6 Volt aufweisen. Alternative Werte sind möglich und haben keinen Einfluss auf die Gesamtfunktionsweise der The magnitude of the threshold may be, for example, 0.6 volts. Alternative values are possible and have no influence on the overall function of the
Erfindung. Invention.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungs¬ beispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment ¬ example. In the associated
Zeichnungen zeigt Drawings shows
Fig. 1 eine Darstellung eines IO-Link-Geräts oder 10- Link-Masters mit einer zugehörigen Leitung sowie einer Schutzschaltung aus dem Stand der Technik, 1 shows an illustration of an IO-Link device or 10-link master with an associated line and a protection circuit from the prior art,
Fig. 2 eine beispielhafte Kopplung eines IO-Link-Masters mit einem IO-Link-Gerät mit zugehörigen Schutzschaltungen und IO-Link-Verbindungsleitung nach dem Stand der Technik, eine weitere Stand der Technik Darstellung einer beliebigen proprietären Netzwerklösung mit mehreren Geräten, welche gegenüber dem Netzwerkkabel über Schutzeinrichtungen angeschlossen sind, eine beispielhafte Ausführung der Schutzschaltung nach dem Stand der Technik, eine Prinzipdarstellung des Einsatzes von Schutzdioden in einem Zweileitersystem nach dem Stand der Technik, eine Prinzipdarstellung des Einsatzes von MOSFET- Bauelementen in einem Zweileitersystem nach dem Stand der Technik, eine Darstellung der Wirkungsweise bei der Begrenzung einer über die Betriebsspannungsgrenzen hinausgehenden Spannung (Overshoot-Spannung) mit Klemmdioden nach dem Stand der Technik, eine Prinzipdarstellung eines 2 shows an exemplary coupling of an IO-Link master with an IO-Link device with associated protection circuits and IO-Link connection line according to the prior art, another prior art representation of any proprietary network solution with multiple devices which are connected to the network cable via protective devices, an exemplary embodiment of the protection circuit According to the prior art, a schematic diagram of the use of protection diodes in a two-wire system according to the prior art, a schematic diagram of the use of MOSFET devices in a two-wire system according to the prior art, a representation of the operation in limiting a beyond the operating voltage limits Voltage (overshoot voltage) with clamping diodes according to the prior art, a schematic diagram of a
Dreileiterschutzsystems mit eingesetzten Klemmdioden nach dem Stand der Technik, eine Prinzipdarstellung eines  Three-wire protection system with used clamping diodes according to the prior art, a schematic diagram of a
Dreileiterschutzsystems mit MOSFET-Bauelementen, eine Darstellung eines Simulationsmodells einer Schutzschaltung nach Fig. 9 (rechts) mit zusätzlich vorhandener Entkopplungskapazität „CLOAD" nach dem Stand der Technik,  Three-wire protection system with MOSFET components, a representation of a simulation model of a protection circuit according to FIG. 9 (right) with additionally existing decoupling capacity "CLOAD" according to the prior art,
Fig. 11 eine Darstellung des Signalverlaufs an Fig. 11 is a representation of the signal waveform
ausgewählten Punkten der Figur 10, eine Ausführung eines beispielhaften selected points of Figure 10, an embodiment of an exemplary
Vierleiterschutzsystems nach dem Stand der Technik mit Klemmdioden, eine Darstellung des unzureichenden Schutzes durch MOS-Transistoren in einem Vierleiterschutzsystem mit Klemmdioden, eine Darstellung eines Simulationsmodells der mangelhaft arbeitenden Schutzschaltung nach dem Stand der Technik in einer ersten Variante, eine Darstellung von Signalverläufen an Four-conductor protection system according to the prior art with clamping diodes, a representation of insufficient protection by MOS transistors in a four-wire protection system with clamping diodes, a representation of a simulation model of poorly working protection circuit according to the prior art in a first variant, a representation of signal waveforms
ausgewählten Punkten der Figur 14, eine Darstellung eines Simulationsmodells der mangelhaft arbeitenden Schutzschaltung nach dem Stand der Technik in einer zweiten Variante, eine Darstellung einer bekannten Form der 14 shows a representation of a simulation model of the defective protective circuit according to the prior art in a second variant, a representation of a known form of the
Ansteuerung von MOS-Transistoren in zwei Control of MOS transistors in two
Beispielen, eine tabellarische Zusammenfassung der Examples, a tabular summary of
Unterschiede zwischen regulärem und inversen Differences between regular and inverse
Betriebsfall eines N-Kanal- und eines P-Kanal- Transistors , eine Darstellung der erfindungsgemäßen Operating case of an N-channel and a P-channel transistor, a representation of the invention
Schut z Schaltung in einer Ausführungsvariante im positiven Zweig (links) und einer  Schut z circuit in a variant in the positive branch (left) and a
Ausführungsvariante im negativen Zweig (rechts) der SpannungsVersorgung, eine Darstellung der erfindungsgemäßen  Variant in the negative branch (right) of the power supply, a representation of the invention
Schutzschaltung angeordnet in beiden Zweigen mit eingezeichneten Spannungen sowie einer parasitären Diode zwischen Drain und Source-Anschluss , Fig. 21a, b eine Ausführungsbeispiel zum Einsatz der erfindungsgemäßen Schutzschaltung mit weiteren Komponenten, Protection circuit arranged in both branches with indicated voltages and a parasitic diode between drain and source terminal, 21a, b an embodiment for the use of the protection circuit according to the invention with further components,
Fig. 22 eine Darstellung von Signalverläufen an Fig. 22 is an illustration of signal waveforms
ausgewählten Punkten der Figuren 21a und 21b,  selected points of FIGS. 21a and 21b,
Fig. 23 eine beispielhafte Darstellung der erfindungsgemäß modifizierten Schutzschaltung, 23 shows an exemplary representation of the protective circuit modified according to the invention,
Fig. 24a, b eine Darstellung einer Stand der Technik Fig. 24a, b is a representation of a prior art
Schutzschaltung in einer ersten Variante zur  Protection circuit in a first variant of
Untersuchung der Schutzwirkung,  Investigation of the protective effect,
Fig. 25 eine Darstellung von Signalverläufen an Fig. 25 is an illustration of signal waveforms
ausgewählten Punkten der Figuren 24a und 24b,  selected points of FIGS. 24a and 24b,
Fig. 26a, b eine Darstellung einer Stand der Technik Fig. 26a, b is a representation of a prior art
Schut z Schaltung in einer zweiten Variante zur Untersuchung der Schutzwirkung und  Schut z circuit in a second variant to investigate the protective effect and
Fig. 27 eine Darstellung von Signalverläufen an Fig. 27 is an illustration of signal waveforms
ausgewählten Punkten der Figuren 26a und 26b.  selected points of Figures 26a and 26b.
Aus Gründen der Darstellbarkeit der Figuren wurden mehrere Zeichnungsfiguren auf zwei Blätter aufgeteilt. Die betrifft beispielsweise die Figuren 21, 24 und 26. For the sake of representability of the figures, several drawing figures have been split into two sheets. This relates, for example, to FIGS. 21, 24 and 26.
Die Figur 1 zeigt einen IO-Link-Master 1, welcher alternativ auch ein IO-Link-Gerät 2 sein kann, als ein zentrales FIG. 1 shows an IO-Link master 1, which can alternatively also be an IO-Link device 2, as a central one
Steuergerät eines IO-Link-Systems , welcher über einen nicht dargestellten Port mit der Leitung 3 (IO-Link- Verbindungsleitung) verbunden ist. Die Leitung 3 besteht im Beispiel aus den Adern Line L+ und Line L- zur Übertragung einer Betriebsspannung sowie den Signalleitungen Line COM und Line AUX. Control unit of an IO-Link system, which is connected via a port, not shown, to the line 3 (IO-Link connection line). The line 3 consists in the example of the wires Line L + and Line L- for the transmission of an operating voltage and the signal lines Line COM and Line AUX.
In der Figur 1 ist diese Leitung 3 an einer Stelle In the figure 1, this line 3 is in one place
unterbrochen dargestellt, an welcher eine Schutzschaltung 4 eingefügt wird. Die Schutzschaltung 4 kann auch ohne den links dargestellten Teil der Leitung 3 direkt mit dem Port des IO-Link-Masters 1 angeordnet sein. shown interrupted, on which a protection circuit. 4 is inserted. The protection circuit 4 can be arranged directly to the port of the IO-Link master 1 without the part of the line 3 shown on the left.
In der Figur 2 ist eine Verbindung eines IO-Link-Masters 1 mit einem IO-Link-Gerat 2 über die Verbindungsleitung 3 sowie jeweils zugehörige Schutzschaltungen 4 dargestellt. Optional ist eine Spannungsversorgung 5 dargestellt, welche auch in einer anderen Stelle der Verbindung der IO-Link- Baugruppen 1 und 2 angeordnet sein kann. Dargestellt ist auch der störende Einfluss elektrischer und/oder elektromagnetischer Störungen, welche auf die FIG. 2 shows a connection of an IO-Link master 1 with an IO-Link device 2 via the connecting line 3 as well as respectively associated protective circuits 4. Optionally, a power supply 5 is shown, which can also be arranged in another location of the connection of the IO-Link modules 1 and 2. Shown is also the disturbing influence of electrical and / or electromagnetic interference, which on the
Leitung 4 einwirken können. Im Beispiel steht ESD für elektrostatische Entladungen und RF/EMI für Line 4 can act. In the example ESD stands for electrostatic discharges and RF / EMI for
elektromagnetische Interferenzen, welche die Übertragung der Signale über die Leitung 4 beeinflussen können. Außerdem können sich derartige Störungen auch auf die Versorgungs¬ oder Betriebsspannung auswirken. electromagnetic interference, which may affect the transmission of the signals via the line 4. In addition, such problems can also affect the supply ¬ or operating voltage.
Die Figur 3 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Verschaltung eines proprietären Daten-Bus-Systems mit einem Masters 1 und mit mehreren Geräten 2, welche als Aktoren oder als Sensoren ausgeführt sein können, über die FIG. 3 shows an interconnection, known from the prior art, of a proprietary data bus system with a master 1 and with a plurality of devices 2, which may be embodied as actuators or as sensors via which
Leitung 3, sowie jeweils zum Schutz der Anordnungen 1 und 2 angeordnete Schutzschaltungen 4. Optional ist wiederum eine Einheit zur Spannungsversorgung 5 an möglichen Positionen im System gezeigt. Die Darstellung der Leitung 3 als Strich- Strich-Leitung soll die Möglichkeit der Anordnung weiterer Geräte 2 verdeutlichen. Line 3, and in each case for the protection of the arrangements 1 and 2 arranged protective circuits 4. Optionally, in turn, a unit for power supply 5 is shown at possible positions in the system. The representation of the line 3 as dash-line line to illustrate the possibility of arranging other devices 2.
In der Figur 4 ist die Schutzschaltung 4 in Verbindung mit einem IO-Link-Master 1 oder IO-Link-Gerät 2 sowie der In Figure 4, the protection circuit 4 in conjunction with an IO-Link Master 1 or IO-Link device 2 and the
Leitung 3 dargestellt. Zur Erzielung einer Schutzwirkung beinhaltet die Schutzschaltung 4 eine Teilanordnung für einen Schutz gegen elektrostatische Entladungen ESD- Schutz 6, eine Anordnung zum Schutz gegen eine Verpolung der Betriebsspannung 7 sowie eine Anordnung zur Begrenzung der Eingangsspannung 8. Line 3 shown. For protection, the protection circuit 4 includes a sub-assembly for protection against electrostatic discharges ESD protection 6, an arrangement for protection against reverse polarity of Operating voltage 7 and an arrangement for limiting the input voltage. 8
Nach dem Stand der Technik ist beispielsweise ein The prior art is for example a
Zweileitersystem bekannt, bei welchem nur die Two-conductor system known in which only the
Betriebsspannung über das Kabel angeschlossen wird, entweder im Plus- oder Minus- Zweig zwischen einer Spannungsquelle 9 und einem Lastwiderstand 11 als Verbraucher Dioden 10 anzuordnen, wie in der Figur 5 gezeigt ist. Derart kann gewährleitet werden, dass der Lastwiderstand 11 verpolsicher angeschlossen werden kann. Operating voltage is connected via the cable, either in the positive or negative branch between a voltage source 9 and a load resistor 11 to be arranged as consumer diodes 10, as shown in Figure 5. In this way it can be ensured that the load resistor 11 can be connected with reverse polarity protection.
Ein wesentlicher Nachteil dieses Schutzsystems liegt in einem unerwünschten Spannungsabfall an den Dioden 10 bedingt durch die Flussspannung VF der Diode 10 selbst. Dieser A major disadvantage of this protection system is an undesirable voltage drop across the diodes 10 due to the forward voltage V F of the diode 10 itself
Spannungsabfall liegt beispielsweise bei Siliziumdioden zwischen 0,6 und 0,8 Volt und bei Metall-Halbleiter-Dioden (Schottky-Dioden) im Bereich zwischen 0,1 und 0,3 Volt. For example, voltage drops are between 0.6 and 0.8 volts for silicon diodes and between 0.1 and 0.3 volts for metal-semiconductor diodes (Schottky diodes).
Eine weitere aus dem Stand der Technik bekannte Another known from the prior art
Schutzmaßnahme ist der Einsatz von MOS-Transistoren Protective measure is the use of MOS transistors
(MOSFETs), welche gegenüber Dioden einen geringeren (MOSFETs), which compared to diodes a lower
Spannungsabfall, beispielsweise von einigen 10 mV je nachVoltage drop, for example, from a few 10 mV depending on
Transistortyp, erreichen können. Hierbei werden Enhancement P-Kanal-Transitoren im Plus-Zweig (MOSFET wird invers betrieben) oder Enhancement N-Kanal-Transitoren im Minus- Zweig (MOSFET wird invers betrieben) eingesetzt. Wie in der Figur 6 dargestellt, wird in einer Transistor type, can reach. This enhancement P-channel transistors in the positive branch (MOSFET is inversely operated) or enhancement N-channel transistors in the negative branch (MOSFET is operated inverse) are used. As shown in the figure 6, is in a
Ausführungsform das Gate des MOSFETs in der Regel aus ESD- Schut zgründen über einen Widerstand 13 angeschlossen bzw. die Gate-Source-Spannung wird mit einer Z-Diode 14 begrenzt.  Embodiment, the gate of the MOSFETs usually from ESD Schut zgründen connected via a resistor 13 and the gate-source voltage is limited by a Zener diode 14.
Die Z-Diode 14 sowie der Widerstand 13 können auch durch ein Mittel 26 zur Erzeugung einer hochimpedanten Gatespannung UGs ersetzt werden, beispielsweise der Umsetzung in integrierten Schaltkreis-Lösungen . Ein weiteres Problem bei der Übertragung (digitaler) Signale ist das Auftreten sogenannter Overshoots, also The Zener diode 14 and the resistor 13 can also be replaced by a means 26 for generating a high impedance gate voltage U G s, for example, the implementation in integrated circuit solutions. Another problem with the transmission of (digital) signals is the occurrence of so-called overshoots, ie
Spannungsspitzen, welche außerhalb des zulässigen Voltage peaks, which are outside the permissible
Versorgungsspannungsbereichs von beispielsweise Null Volt bis zur Versorgungsspannung Us liegen. Zur Begrenzung dieser Overshoot-Spannung werden in der Regel Klemmdioden Supply voltage range of, for example, zero volts to the supply voltage U s are. To limit this Overshoot voltage are usually clamping diodes
verwendet. Diese Klemmdioden sind in der Figur 7 mit den Bezeichnungen Dp2 und Dp3 gezeigt und müssen im used. These clamping diodes are shown in the figure 7 with the designations Dp2 and Dp3 and must in
Verpolschut zkonzept berücksichtigt werden. Für den Fall, dass keine Klemmdioden explizit in die Be considered. In the event that no clamping diodes explicitly in the
Schaltung eingefügten werden, sind diese aber in Circuit are inserted, but these are in
gleicherweise wirksamen parasitären Dioden, beispielsweise als Di2 und Di3 in der Figur 7 in dem mit ZIOL24xx equally effective parasitic diodes, for example as Di2 and Di3 in Figure 7 in the ZIOL24xx with
bezeichneten Schaltungsteil dargestellt, im Interface-IC vorhanden, oder in den Interface-IC integriert worden, und somit in gleicher Weise im Verpolschut zkonzept zu beachten. Designated circuit part shown in the interface IC available, or integrated into the interface IC, and thus in the same manner in the Verpolschut zkonzept to observe.
Bei Vorhandensein von Klemmdioden 17 ist Stand der Technik jeweils eine Diode 18 im Plus- und eine Diode 18 im Minus- Zweig zwischen Spannungsquelle und Verbraucher zu schalten, wie in der Figur 8 schematisch dargestellt ist, um den In the presence of clamping diodes 17 state of the art is in each case a diode 18 in the plus and a diode 18 in the minus branch between voltage source and load to switch, as shown schematically in Figure 8 to the
Verpolschutz zu realisieren. To realize reverse polarity protection.
Ein Nachteil dieser Lösung liegt in einem unerwünschten Spannungsabfall über zwei Dioden und somit der doppelten Flussspannung (2x UF) . In der Figur 7 ist in einem kleinen Spannungs-Zeit-Verlauf der Fall des Auftretens einer Überspannung 15 und der Fall des Auftretens einer Unterspannung 16 dargestellt. A disadvantage of this solution lies in an undesirable voltage drop across two diodes and thus twice the forward voltage (2x U F ). In the figure 7 is shown in a small voltage-time curve, the case of the occurrence of an overvoltage 15 and the case of the occurrence of an undervoltage 16.
Der infolge der Überspannung 15 auftretende störende The disturbing occurring as a result of the overvoltage 15
Stromfluss ist mit den Pfeilen, welche eine durchgehende Linie aufweisen, dargestellt. Current flow is shown with the arrows, which have a continuous line.
Der Stromfluss für den Fall der Unterspannung 16 ist mittels der Pfeile dargestellt, welche eine Strich-Strich-Linie aufweisen . The current flow in the case of the undervoltage 16 is represented by the arrows, which are a dash-and-dash line exhibit .
Im Fall eines Overshoots durch Überspannung 15 oder durch Unterspannung 16 erfolgt eine Ableitung der Signalenergie auf die Versorgungsspannung des Devices. Das Vorhandensein von in die Schaltung eingefügten Klemmdioden oder das In the case of an overshoot by overvoltage 15 or by undervoltage 16, a derivation of the signal energy to the supply voltage of the device takes place. The presence of inserted into the circuit clamping diodes or
Vorhandensein von gleichermaßen wirksamen Dioden-Anordungen innerhalb des Interface-ICs führen zur Anwendung jeweils einer Diode im Plus- und einer Diode im Minus- Zweig  Presence of equally effective diode arrangements within the interface IC lead to the application of one diode in the plus and one diode in the minus branch
zwischen Spannungsquelle und Verbraucher, wie in der Figur 8 schematisch dargestellt ist. between the voltage source and the load, as shown schematically in FIG.
Der in einem Fehlerfall auftretende Stromfluss kann, wie in Figur 8 rechts dargestellt zur Zerstörung elektronischer Bauteile führen, falls nur eine Verpolschut zdiode angewandt werden würde. Zur Verhinderung dieses Stromflusses werden, wie in der Figur 8 rechts gezeigt ist, zwei The current flow occurring in the event of a fault, as shown in Figure 8 right lead to the destruction of electronic components, if only a Verpolschut zdiode would be applied. To prevent this flow of current, as shown in Figure 8 right, two
Verpolschut zdioden 18 eingesetzt. Verpolschut zdioden 18 used.
Eine Realisierung dieses Schutzkonzepts nach Figur 8 mittels MOS-Transistoren zeigt die Figur 9 in zwei A realization of this protection concept according to FIG. 8 by means of MOS transistors is shown in FIG. 9 in two
Ausführungsvarianten. Die rechte Schaltung der Figur 9 stellt eine Vereinfachung der Schaltungsausführung dar. Versions. The right-hand circuit of FIG. 9 represents a simplification of the circuit design.
Wie in der Figur 9 gezeigt, wird das Gate des MOSFETs 12 in der Regel (aus Schutzgründen) über einen Widerstand 13 angeschlossen bzw. die Gate-Source-Spannung wird mit einer Z-Diode 14 begrenzt. Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass eine sichere Funktionsweise nur mit einem 3-Leiter Anschluss As shown in FIG. 9, the gate of the MOSFET 12 is usually connected (for protection reasons) via a resistor 13, or the gate-source voltage is limited by a Zener diode 14. The disadvantage of this solution is that a secure operation only with a 3-wire connection
gewährleistet ist, welcher keine nennenswerte kapazitive Last aufweist. Andernfalls können die MOSFETs 12 solange nicht geöffnet werden (sperren), bis die Spannung am is guaranteed, which has no significant capacitive load. Otherwise, the MOSFETs 12 can not be opened (lock) until the voltage at
Lastkondensator hinreichend abgebaut ist. Load capacitor is sufficiently degraded.
Bei einer Simulation dieses Verpolschut zes mit einer In a simulation of this Verpolschut zes with a
Spannung wechselnden Polarität an Signal und Ground angeschlossen, zeigt sich bei CLOAD=10nF ein akzeptables Schutzverhalten. Bei einer Kapazität von CLOAD=10pF treten erhebliche zerstörerische Ströme auf, welche hier durch die Klemmdiode 17 D4 und den MOS-Transistor 12 M2 fließen. Die der Simulation zugrunde liegende Schaltungsanordnung ist in der Figur 10 gezeigt. In dieser Schaltung sind zur Voltage changing polarity at signal and ground connected, shows an acceptable protection behavior at CLOAD = 10nF. At a capacity of CLOAD = 10pF significant destructive currents occur, which here through the clamping diode 17 D4 and the MOS transistor 12 M2 flow. The simulation of the underlying circuit arrangement is shown in FIG. In this circuit are for
Simulation von TestSpannungen verschiedener Polarität zwei Spannungsquellen 5 eingesetzt. Der Strom durch die Diode 17 D4, die Ausgangsspannung sowie die Spannung der Simulation of test voltages of different polarity two voltage sources 5 used. The current through the diode 17 D4, the output voltage and the voltage of the
Testspannungsquelle sind in der Figur 11 gezeigt. Test voltage source are shown in FIG.
Der Verlauf mit CLOAD=10nF ist mittels eine Strich-Strich- Linie und der Verlauf für CLOAD=10pF mittels einer The course with CLOAD = 10nF is indicated by a dash-line and the curve for CLOAD = 10pF by means of a
durchgehenden Linie dargestellt. Zu erkennen ist, dass im Fall CLOAD=10pF ein hoher und zeitlich andauernder represented by a solid line. It can be seen that in the case CLOAD = 10pF a high and time-lasting
Stromfluss bis in einen Bereich von mehr als 100 Ampere auftritt, welcher zur Zerstörung der genannten Bauelemente führt . Current flow occurs in a range of more than 100 amps, which leads to the destruction of said components.
Aus diesem Simulationsergebnis kann abgeleitet werden, dass für 3-Leiter-Schut zschaltungen, bei welchen zur Last 11 ein Pufferkondensator 19 Cload parallel geschaltet ist, wie in der Figur 7 gezeigt wurde (das betrifft fast alle From this simulation result it can be deduced that for 3-wire protection circuits in which a buffer capacitor 19 Cload is connected in parallel with the load 11, as shown in FIG. 7 (this concerns almost all
elektronischen Schaltungslösungen für Aktuatoren, Sensoren, ....), die herkömmlich bekannte Verpolschut zschaltung mit MOSFETs nicht anwendbar ist. Die bereits in der Figur 7 gezeigte Diodenschaltung lässt sich prinzipiell auf 2 oder mehr Signalleitungen erweitern. Pro zusätzlichem Signal werden 2 weitere Klemmdioden 17 benötigt . electronic circuit solutions for actuators, sensors, ....), the conventionally known Verpolschut switching with MOSFETs is not applicable. The diode circuit already shown in FIG. 7 can in principle be extended to two or more signal lines. For each additional signal 2 more clamping diodes 17 are required.
Eine entsprechende Diodenschaltung wird beispielsweise im Datenblatt des ZMDI IC ZIOL2401 ( 2-Kanal-Kabeltreiber, geeignet für IO-Link) vorgeschrieben. A corresponding diode circuit is prescribed, for example, in the data sheet of the ZMDI IC ZIOL2401 (2-channel cable driver, suitable for IO-Link).
Die in der Figur 12 vorgeschriebenen Klemmdioden 17 (D4-D7) versorgen das IO-Link-Gerät 1 auch dann mit The prescribed in the figure 12 clamping diodes 17 (D4-D7) supply the IO-Link device 1 with it, too
Betriebsspannung, wenn fehlerhaft eine Spannung beliebiger Polarität an den Signalen C/Q (COM) und AUX anliegt, obwohl das IO-Link-Gerät 1 nicht regulär über die  Operating voltage, if there is a faulty voltage of any polarity on the signals C / Q (COM) and AUX, although the IO-Link device 1 is not regular on the
Versorgungsanschlüsse L+ und L- angeschlossen ist (im folgenden „Signalspeisung" genannt). Dabei arbeiten die Dioden 17 (D4-D7) als Brückengleichrichter. Supply terminals L + and L- (hereinafter referred to as "signal supply"), whereby the diodes 17 (D4-D7) function as bridge rectifiers.
Der oben beschriebene Fehlerfall hat zur Folge, dass die Schaltung nach Figur 9 nicht, wie in Figur 13 gezeigt wird, verwendet werden kann, d. h. keine dem technischen Stand entsprechende Lösung direkt oder durch Modifikation zur Verfügung steht . The result of the error described above has the consequence that the circuit according to FIG. 9 can not be used, as shown in FIG. H. no technical solution is available directly or by modification.
Der in der Figur 13 demonstrierte Fehlerfall zeigt, dass einerseits über dem Lastwiderstand 11 und dem Load- Kondensator 19 eine Restspannung stehen bleibt, welche groß genug ist, um über die Z-Dioden 14 (D5, D6) und den The fault case shown in FIG. 13 shows that, on the one hand, a residual voltage remains above the load resistor 11 and the load capacitor 19, which voltage is high enough to pass across the Zener diodes 14 (D5, D6) and the
Widerstand 13 R4 (Schaltung zur Gatespannungserzeugung) einen Stromfluss zu bewirken. Resistor 13 R4 (circuit for gate voltage generation) to cause a current flow.
Damit bekommen die MOSFETS 12 eine genügend große This gives the MOSFETs 12 a sufficiently large one
Steuerspannung und können demzufolge nicht Öffnen, d. h. den Stromfluss unterbrechen. Die Folge ist, dass der über die Klemmdioden 17 in die Spannungsquelle 11 zurück fließende Strom sehr groß werden kann und wiederum die Klemmdioden 17 somit zerstören kann. Die in Figur 13 gezeigte Schaltung hat einen weiteren Control voltage and therefore can not open, d. H. interrupt the flow of electricity. The result is that the current flowing back into the voltage source 11 via the clamping diodes 17 can become very large and in turn can thus destroy the clamping diodes 17. The circuit shown in FIG. 13 has another one
Nachteil, der in folgender Situation auftreten kann. Beim Betrieb des angeschlossenen Gerätes kann ein Kurzschluss im Anschlusskabel zwischen den Versorgungsspannungen auftreten. Die im IO-Link-Gerät 2 noch zur Verfügung stehende  Disadvantage that can occur in the following situation. When operating the connected device, a short circuit in the connecting cable between the supply voltages may occur. The ones still available in the IO-Link device 2
Versorgungsspannung hält die MOSFETs 12 geschlossen, d. h. der Kondensator 19 wird über den Kurzschluss entladen, wobei wiederum ein relativ großer Strom fließen kann. Dieser Supply voltage keeps the MOSFETs 12 closed, i. H. the capacitor 19 is discharged via the short circuit, in turn, a relatively large current can flow. This
Nachteil ist auch bei der 3-Leiter-Schut zschaltung auf Basis von MOSFETs 12, wie in der Figur 9 dargestellt, vorhanden. Disadvantage is also based on the 3-wire protection Schut of MOSFETs 12 as shown in FIG.
In der Figur 14 ist eine der nachfolgenden Simulation zugrunde liegende Schaltungsanordnung gezeigt. Für den FIG. 14 shows a circuit arrangement on which the following simulation is based. For the
Testfall wurde eine Spannung mit einer wechselnden Polarität an den Versorgungsspannungs-Klemmen angelegt. Die positive Versorgungsspannungs-Klemme ist mit Signal 1 und die negative mit Signal 2 kurzgeschlossen. Bei beiden Varianten von CLOAD (CLOAD=10nF und CLOAD=10pF) ist kein akzeptables Verhalten vorhanden, d. h. es treten erhebliche In the test case, a voltage of alternating polarity was applied to the supply voltage terminals. The positive supply voltage terminal is shorted to signal 1 and the negative to signal 2. For both variants of CLOAD (CLOAD = 10nF and CLOAD = 10pF), no acceptable behavior exists; H. there are significant
zerstörerische Ströme auf, welche durch die Klemmdioden 17 D4/D5 und MOS-Transistoren 12 M1/M2 fließen. destructive currents flowing through the clamping diodes 17 D4 / D5 and MOS transistors 12 M1 / M2.
Der Verlauf der Ströme durch die Klemmdioden 17 D4 und D5 mit CLOAD=10nF ist mittels einer Strich-Strich-Linie und der Verlauf für CLOAD=10pF mittels einer durchgehenden Linie in der Figur 15 dargestellt. Zu erkennen ist, dass in beidenThe course of the currents through the clamping diodes 17 D4 and D5 with CLOAD = 10nF is shown by a dash-and-dash line and the curve for CLOAD = 10pF by means of a solid line in FIG. It can be seen that in both
Fällen ein hoher und zeitlich andauernder Stromfluss bis in einen Bereich von mehr als 40 Ampere auftritt, welcher zur Zerstörung der genannten Bauelemente führt. If a high and temporally lasting current flow up to a range of more than 40 amps occurs, which leads to the destruction of said components.
Da bei einem Leitersystem 3 mit zwei oder mehreren As in a ladder system 3 with two or more
Signalleitungen immer der Fall einer Signalspeisung Signal lines always the case of a signal feed
auftreten kann, ist mit den herkömmlich bekannten can occur with the conventionally known
Grundschaltungen, welche MOSFETs 12 für den Verpolschutz verwenden, keine zuverlässige Lösung gegeben. Basic circuits using MOSFETs 12 for reverse polarity protection are not given a reliable solution.
Auch eine Platzierung der Gatespannungserzeugung (Dl, Rl, D2) am Kabeleingang, d. h. einer Alternativvariante nach Figur 16, welche aus ESD-Schut zgründen normalerweise so nicht implementiert werden würde, stellt auch keine Lösung dar. Bei verpolt anliegender Versorgungsspannung und der infolge einer vorher (! ) stattgefundenen Signalspeisung, d. h. nunmehr nicht in Invers-Betrieb arbeitenden Also a placement of the gate voltage generation (Dl, Rl, D2) at the cable entrance, d. H. An alternative variant according to FIG. 16, which would normally not be implemented in this way for reasons of ESD protection, does not provide a solution either. In the case of reverse polarity of the supply voltage and the signal supply that has occurred due to a previously (!) occurring, d. H. now not working in inverse operation
MOSFETs 12, ist eine genügend hohe Steuerspannung UGS für die MOSFETs 12 vorhanden, so dass diese voll geschlossen bleiben (d. h. leitfähig bleiben) . Die Verpolschut zschaltung 7 verwendet Enhancement-MOS- Transistoren (MOSFETs) als Halbleiterschaltelement, welche in den Stromfluss im positiven Zweig und/oder im negativen Zweig der Verbindung zwischen Versorgungsspannung 9 und Verbraucher 11 geschaltet sind, und welche in unerwünschten Betriebszuständen, im folgenden Sperrfall genannt, den MOSFETs 12, a sufficiently high control voltage UGS for the MOSFETs 12 is present so that they remain fully closed (ie remain conductive). The Verpolschut switching circuit 7 uses enhancement MOS transistors (MOSFETs) as a semiconductor switching element, which are connected in the current flow in the positive branch and / or in the negative branch of the connection between the supply voltage 9 and load 11, and which in undesirable operating states, hereinafter called blocking case , the
Stromfluss unterbrechen können. Im Normalfall (normaler Betriebszustand) soll der Spannungsabfall über dem Can interrupt current flow. Normally (normal operating state) the voltage drop should exceed the
Halbleiterschaltelement möglichst klein sein. Zur Erklärung der Schutzschaltung wird zunächst der reguläre Betriebsfall von MOSFETs anhand von zwei einfachen Grundschaltungen erläutert, um später den in der Schutzschaltung angewandten inversen Betriebszustand der MOSFETs besser zu illustrieren. Semiconductor switching element should be as small as possible. To explain the protection circuit, first, the regular operation of MOSFETs will be explained with reference to two simple basic circuits to better illustrate the inverse state of operation of the MOSFETs used in the protection circuit.
Die Figur 17 stellt zwei übliche bzw. einfachste Anwendungen von Halbleiterschaltelementen dar, bei welchen in beiden Fällen die MOSFETs 12 im regulären Betriebsfall arbeiten. Die bei beiden Transistoren 12 parallel zum Kanal FIG. 17 illustrates two common or simplest applications of semiconductor switching elements in which, in both cases, the MOSFETs 12 operate in normal operation. The two transistors 12 parallel to the channel
eingezeichneten Dioden stellen parasitäre oder absichtlich in das Bauelement integrierte Dioden dar, welche in den hier dargestellten Grundschaltungen immer in Sperrrichtung arbeiten . Plotted diodes represent parasitic or intentionally integrated into the device diodes, which always work in the reverse direction in the basic circuits shown here.
In der Figur 17 oben ist ein sogenannter „Low-Side-Switch" mittels N-Kanal-MOSFET 12 dargestellt. Die Drain-Source- Spannung UDS des N-Kanal-MOSFETs 12 ist stets größer Null bzw. der MOSFET wird durchgeschaltet, wenn der 17 shows a so-called "low-side switch" by means of N-channel MOSFET 12. The drain-source voltage U DS of the N-channel MOSFET 12 is always greater than zero or the MOSFET is switched through, if the
Funktionsblock „Steuerung" 26 eine Gate-Source-Spannung UGs erzeugt, die größer als die Schwellspannung Utn des Function block "control" 26 generates a gate-source voltage U G s, which is greater than the threshold voltage U tn of
MOSFETS 12 ist. Dabei ist Utn eine positive Spannung und kann zum Beispiel 2 ... 3V betragen. In der Figur 17 unten ist ein sogenannter „High-Side-Switch" mittels P-Kanal-MOSFET 12 dargestellt. Die Drain-Source- Spannung UDS des P-Kanal-MOSFETs 12 ist stets kleiner Null bzw. der MOSFET 12 wird durchgeschaltet, wenn der MOSFETs 12 is. In this case, U tn is a positive voltage and may be, for example, 2... 3V. 17 below shows a so-called "high-side switch" by means of P-channel MOSFET 12. The drain-source voltage U DS of the P-channel MOSFET 12 is always less than zero or the MOSFET 12 is switched through if the
Funktionsblock „Steuerung" 26 eine Gate-Source-Spannung UGs erzeugt, die kleiner als die Schwellspannung Utp des Function block "control" 26 a gate-source voltage U G s generated, which is smaller than the threshold voltage U tp of
MOSFETs 12 ist. Dabei ist Utp eine negative Spannung und kann zum Beispiel -3 ... -2V betragen. MOSFETs 12 is. Here, U tp is a negative voltage and may be, for example, -3 ... -2V.
Die in der Figur 17 im oberen wie im unteren Teil der Figur dargestellte Gate-Source-Spannung steuert den MOSFET 12 und wird verallgemeinert Steuerspannung Us genannt. Im regulären Betriebsfall des Transistors 12 wird die SteuerspannungThe gate-source voltage illustrated in FIG. 17 in the upper as well as in the lower part of the figure controls the MOSFET 12 and is called generalized control voltage U s . In the regular operation of the transistor 12, the control voltage
Us_regular bezeichnet, d.h. es gilt: Us = Us_reguiar = UGs · Us_regular, ie: U s = U s _ r eguiar = U G s ·
Kennzeichen des regulären Betriebsfalls des MOSFETs 12 ist, das für den N-Kanal-MOSFET 12 UDS > 0 und für den P-Kanal- MOSFET 12 UDS < 0 gilt. Characteristic of the normal operating mode of the MOSFET 12 is 12 U DS > 0 for the N-channel MOSFET and 12 U DS <0 for the P-channel MOSFET.
Im Fall einer umgekehrten Polarität der Drain-Source- Spannung spricht man vom inversen Betriebsfall (inverser Betrieb) . Im inversen Betrieb wird die Steuerspannung Us im folgenden Us_invers genannt. Physikalisch gesehen ist die In the case of a reverse polarity of the drain-source voltage one speaks of the inverse operation (inverse operation). In inverse operation, the control voltage U s in the following U s _invers is called. Physically speaking, that is
Definition von Drain bzw. Source bei einem Standard- MOSFET 12 durch die Polarität der Spannung zwischen diesen Anschlüssen gegeben. D. h. im inversen Betriebsfall wirkt die Steuerspannung zwischen Gate und Drain, da der Drain- Anschluss physikalisch die Source-Funktion übernommen hat. Definition of drain or source in a standard MOSFET 12 given by the polarity of the voltage between these terminals. Ie. In reverse operation, the control voltage between the gate and drain acts as the drain port has physically taken over the source function.
Zusammenfassend sind für den N-Kanal- bzw. P-Kanal- Transitortyp in der Tabelle der Figur 18 die Unterschiede zwischen regulären und inversen Betriebsfall eines In summary, for the N-channel and P-channel type transitors in the table of Fig. 18, the differences between regular and inverse operation cases are one
MOSFETs 12 dargestellt. In der Figur 19 ist die erfindungsgemäße MOSFETs 12 are shown. In the figure 19 is the invention
Verpolschut zschaltung 20 in zwei verschiedenen  Verpolschut zschaltung 20 in two different
Ausführungsvarianten gezeigt. Die linke Darstellung zeigt eine Anordnung der Verpolschut zschaltung 20 im positiven Zweig der Spannungsversorgung. Die rechte Darstellung der Figur 19 zeigt die Anordnung der Verpolschut zschaltung 20 im negativen Zweig der Spannungsversorgung. Embodiments shown. The left illustration shows an arrangement of Verpolschut zschaltung 20 in the positive branch of the power supply. The right-hand illustration of Figure 19 shows the arrangement of Verpolschut zschaltung 20 in the negative branch of the power supply.
Die Erfindung ist eine Verpolschut zschaltung, welche die Low-Drop-Eigenschaften einer Verpolschut zschaltung mit The invention is a Verpolschut circuit, which the Low-drop characteristics of a reverse polarity reversal with
MOSFETs mit einer normalerweise über Dioden erreichten MOSFETs with a diode usually reached
Ventilwirkung (Vermeidung von Rückströmen) verbindet. Valve effect (prevention of backflow) connects.
Zu diesem Zweck wird ein Spannungssensor 21 eingeführt, der die Drain-Source-Spannung des jeweiligen MOSFETs 12 For this purpose, a voltage sensor 21 is introduced which controls the drain-source voltage of the respective MOSFET 12
überwacht. Die Drain-Source-Spannung UDS hat gegenüber dem normalen Betriebsfall umgekehrte Polarität. Dieser Fall wird im folgenden Sperrfall genannt. Im Sperrfall arbeitet der MOSFET 12 regulär, d. h., nicht im Invers-Betrieb . Im Sperrfall wird die effektiv wirkende Steuerspannung des MOSFETs 12 (Gate-Source-Spannung) signifikant verringert, d. h. signifikant unter die Schwellspannung UT des supervised. The drain-source voltage U DS has opposite polarity to the normal operating case. This case is called in the following case. In the blocking case, the MOSFET 12 operates regularly, ie, not in inverse operation. In the blocking case, the effectively acting control voltage of the MOSFET 12 (gate-source voltage) is significantly reduced, ie significantly below the threshold voltage U T of
MOSFETs 12. Somit wird ein Sperren, d. h. ein Öffnen der MOSFETs erreicht. Der Spannungssensor 21 wird beispielsweise durch eine Basis- Emitter-Diode eines eingesetzten Bipolartransistors 22 gebildet, welcher beispielsweise im Sperrfall bei einem Betrag der Drain-Source-Spannung | UDS I > 0.6V einen MOSFETs 12. Thus, a lock, ie an opening of the MOSFETs is achieved. The voltage sensor 21 is formed for example by a base-emitter diode of an inserted bipolar transistor 22, which, for example, in the case of a blocking at an amount of the drain-source voltage | U DS I> 0.6V one
signifikanten Anstieg des Basisstroms des Significant increase in base current of
Bipolartransistors 22 erfährt. Zur Basisstrombegrenzung wird der Basisvorwiderstand 23 eingesetzt, der unter Umständen weggelassen werden kann, d.h. die Basis des Bipolar transistor 22 learns. For base current limiting, the base resistor 23 is used, which may be omitted under some circumstances, i. the basis of
Bipolartransistors wird direkt mit dem Drain des MOSFETs verbunden. Der in diesem Zusammenhang einsetzende Bipolar transistor is connected directly to the drain of the MOSFET. The onset in this context
Kollektorstrom des Bipolartransistors 22 vermindert die Gate-Source-Spannung des MOSFETs 12. Collector current of the bipolar transistor 22 reduces the gate-source voltage of the MOSFET 12.
Die Schaltung zur Erzeugung der Gate-Source-Spannung der MOSFETs 12 wird mit hoher Impedanz ausgelegt. Derart können relativ kleine Kollektorströme des Bipolartransistors 22 effizient zur Verringerung der Gate-Source-Spannung des MOSFETs 12 beitragen. In integrierten Lösungen wird zur Erzeugung der Gate-Source-Spannung der MOSFETs 12 The circuit for generating the gate-source voltage of the MOSFETs 12 is designed with high impedance. In this way, relatively small collector currents of the bipolar transistor 22 can efficiently contribute to reducing the gate-source voltage of the MOSFET 12. In integrated solutions is used to generate the gate-source voltage of the MOSFETs 12th
beispielsweise eine hochimpedante Spannungsquelle 26 eingesetzt . For example, a high-impedance voltage source 26th used.
In der Figur 20 ist der Einsatz der Verpolschut zschaltung 20 in einer Variante der Anordnung in beiden Zweigen In the figure 20 is the use of Verpolschut zschaltung 20 in a variant of the arrangement in both branches
dargestellt . Die Schutzschaltung 20 arbeitet entweder im Normalbetrieb (Normalfall) bei welchen die Spannungsabfälle über den shown. The protection circuit 20 operates either in normal operation (normal case) in which the voltage drops across the
Halbleiterschaltelementen 12 (MOSFETs) so klein wie möglich gehalten werden oder im Sperrfall in welchem die Semiconductor switching elements 12 (MOSFETs) are kept as small as possible or in the case of blocking in which the
Halbleiterschaltelemente sperren und somit einen Lock semiconductor switching elements and thus a
unerwünschten Stromfluss verhindern. Die Figur 20 zeigt eine Schutzschaltung 20 mit dem erfindungsgemäßen Zusatz eines Spannungssensors 21. prevent unwanted current flow. FIG. 20 shows a protective circuit 20 with the addition according to the invention of a voltage sensor 21.
Normalfall und Sperrfall unterschieden sich bezüglich des Betriebsfalls der verwendeten MOSFETs 12. - Normalfall (Betriebsfall) o Die MOSFETs 12 arbeiten im Inversbetrieb, d.h. ihre Drain-Source-Spannung UDS hat gegenüber regulären Betriebsfall UMGEKEHRTE Polarität o Physikalisch gesehen werden damit die physischenNormal case and blocking case differed with respect to the operating case of the MOSFETs 12 used. - Normal case (operating case) o The MOSFETs 12 operate in inverse operation, ie their drain-source voltage U DS has opposite to regular operating case REVERSED polarity o Physically, the physical
(äußern) Anschüsse Drain (D) und Source (S) vertauscht. Damit ist die Steuerspannung zwischen den formalen Anschlüssen Gate und Drain (UGD ) wirksam . o Die elektrisch parallel zum jeweiligen Kanal der(express) connections Drain (D) and Source (S) interchanged. Thus, the control voltage between the formal terminals gate and drain (U G D) is effective. o The electrical parallel to the respective channel of
MOSFETs 12 vorhandenen Dioden arbeiten inMOSFETs 12 existing diodes work in
Durchlassrichtung, d. h. der MOSFET 12 als Forward direction, d. H. the MOSFET 12 as
Gesamtbauelement kann somit nicht vollständig sperren, was im Betriebsfall ohnehin nicht  Entire component can thus not completely lock, which in the case of operation anyway
vorgesehen ist, da in diesen Fall die Kanäle der MOSFETs 12 leitfähig sind. Die Leitfähigkeit der is provided, since in this case the channels of the MOSFETs 12 are conductive. The conductivity of the
Transistoren 12 wird durch die zwischen Gate und Drain auftretende Steuerspannung Us_invers bewirkt. Sperrfall (Fehlerfall) o Die Polarität UDS der MOSFETs 12 kehrt sich beim Übergang in den Sperrfall um, so dass die Transistors 12 is characterized by the between gate and Drain occurring control voltage U s _invers effected. Disconnect (error) o The polarity U DS of the MOSFETs 12 is reversed at the transition to the blocking case, so that the
MOSFETS 12 jetzt im regulären Betriebsfall  MOSFETS 12 now in regular operation
arbeiten (physikalisch gesehen ist Drain am Drain- Anschluss und Source am Source-Anschluss ) . o Die vor dem Umschaltfall anliegende Steuerspannung Us_invers = UGD wird jetzt die Steuerspannung Us_reguiar = UGs · D. h. die Transistoren 12 bleiben solange leitfähig, solange die Steuerspannung unverändert bleibt (= Stand der Technik) . o Erfindungsgemäß bewirkt der UDS-Sensor 21 ein work (physically, drain is at the drain and source is at the source). o The applied before the switchover of control voltage U S = U _invers DG is now the control voltage U S _ r eguiar = U G s · D. h. the transistors 12 remain conductive as long as the control voltage remains unchanged (= prior art). o According to the invention causes the U DS sensor 21 a
verringern und damit sperren der MOSFETs 12, sobald der Absolutwert (Betrag) der Drain-Source- Spannung UDs einen Schwellwert überschreitet. o Unter der Annahme, das der Spannungssensor 21 ein Bipolartransitor 22 ist und bei einem Absolutwert der Basis-Emitter-Spannung UBE von beispielsweise 0,6V ein signifikanter Anstieg des Kollektorstroms erfolgt, ergeben sich folgende Beziehungen: reduce and thus lock the MOSFETs 12 as soon as the absolute value (magnitude) of the drain-source voltage U D s exceeds a threshold value. o Assuming that the voltage sensor 21 is a bipolar transistor 22 and there is a significant increase in the collector current at an absolute value of the base-emitter voltage U BE of, for example, 0.6 V, the following relationships result:
N-Kanal-Transistor 22: Schwellwert des Spannungssensors 21 ist gleich 0.6V = UBE des NPN-Bipolartransistors 22, d. h., Sperren des MOSFETs 12 wenn UDS > 0,6V N-channel transistor 22: Threshold of the voltage sensor 21 is equal to 0.6V = U BE of the NPN bipolar transistor 22, ie, blocking the MOSFET 12 when U DS > 0.6V
P-Kanal-Transistor 22: Schwellwert des Spannungssensors 21 ist gleich -0.6V = UBE des PNP-Bipolartransistors 22, d. h., Sperren wenn UDS < -0,6V rfindung nutzt vorteilhaft die Schaltungseigenschaften der MOS-Schaltungstechnik (Low-Drop, bidirektionaler P-channel transistor 22: Threshold of the voltage sensor 21 is equal to -0.6V = U BE of the PNP bipolar transistor 22, ie, blocking when U DS <-0.6V invention advantageously takes advantage of the circuit characteristics MOS circuit technology (low-drop, bidirectional
Stromfluss im Normal-Betriebsfall) mit der Ventilwirkung einer Dioden-Schaltungstechnik im Fehlerfall. Current flow in normal operation) with the valve effect of a diode circuit in case of error.
Im normalen Betriebsfall hat die Verpolschut zschaltung 7 neben der Low-Drop-Eigenschaft keine Gleichrichterwirkung. Es kommt zu keinen Betriebsspannungsüberhöhungen durch permanente Overshoots auf den Kommunikationssignalen, weil die betreffende Signalenergie sofort auf die In normal operation, the Verpolschut circuit 7 in addition to the low-drop property has no rectifier effect. There are no operating voltage peaks due to permanent overshoots on the communication signals, because the signal energy concerned immediately on the
Versorgungsleitung zurück geführt wird, und somit keine zusätzlichen elektronischen Bauelemente zur Supply line is guided back, and thus no additional electronic components for
Betriebsspannungsbegrenzung nötig sind. Innerhalb eines Toleranzbereiches zur regulären Versorgungsspannung, die zum Beispiel 18V - 30V betragen kann, ist die  Operating voltage limitation are necessary. Within a tolerance range to the regular supply voltage, which can be for example 18V - 30V, is the
Versorgungsspannung des angeschlossenen Geräts innerhalb eines sehr geringen Differenzspannungsbereichs (Low-Drop- Eigenschaft) gleich der im System zur Verfügung gestellten Versorgungsspannung .  Supply voltage of the connected device within a very small differential voltage range (low-drop property) equal to the supply voltage provided in the system.
Im Fehlerfall, also im sogenannten Sperrfall, tritt bei relativ kleinen Spannungen eine Ventilwirkung ein. Die bei vielen IO-Link-Geräten 2 zur Versorgungsspannung parallel liegende Lastkapazität, welche entweder vor dem Fehlerfall aufgeladen wurde, oder durch Signalspeisung eine weiterhin bestehende oder gerade sich aufbauende In the event of a fault, ie in the so-called blocking case, a valve action occurs at relatively low voltages. The load capacitance lying parallel to the supply voltage in many IO-Link devices 2, which was charged either before the fault, or by signal feeding a still existing or just building up
Versorgungsspannung hat, führt mit dem erfindungsgemäßen Spannungssensor zu keinen unzulässig hohen Strömen durch die Klemmdioden 17 bzw. durch andere Komponenten. Supply voltage has leads with the voltage sensor according to the invention to no inadmissibly high currents through the clamping diodes 17 and other components.
Das Prinzip der erfindungsgemäßen Verpolschut zschaltung 7 mit dem Einsatz des Spannungssensors 21 The principle of the invention Verpolschut circuit 7 with the use of the voltage sensor 21st
(MOSFET+Bipolartransitor ) kann im positiven und/oder negativen Zweig der Versorgungsspannung eingesetzt werden. (MOSFET + Bipolartransitor) can be used in the positive and / or negative branch of the supply voltage.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel einer digitalen IO-Link-Kommunikation zwischen einem 10- Link-Master 1 und einem IO-Link-Gerät 2 beschrieben. The invention will be described below with reference to an embodiment of a digital IO-Link communication between a Link master 1 and an IO-Link device 2 described.
Der Bezug auf den IO-Link-Standard ist in Bezug mit dieser Beschreibung nur als eine spezielle Ausführungsform der Implementierung zu sehen. Ein Einsatz der Erfindung in anderen Standards und Anordnungen ist selbstverständlich ebenfalls möglich. The reference to the IO-Link standard is to be considered in reference to this description only as a specific embodiment of the implementation. A use of the invention in other standards and arrangements is of course also possible.
Bei IO-Link wird das Gerät, welches auf der With IO-Link the device, which is on the
Anforderungen/Anfragen stellenden Seite (Steuerung) ist, 10- Link-Master 1 genannt. Das Device, welches Anfragen  Requirements / requesting page (control) is called, 10 Link-Master 1. The device, which requests
beantwortet, wird IO-Link-Gerät 2 genannt ( Sensor/Aktuator ) . answered, IO-Link device 2 is called (sensor / actuator).
Die verwendeten Treiber-ICs verlangen einen Overshoot-Schut z mittels ( Schottky- ) Dioden und können eine bidirektionale digitale Kommunikation zwischen IO-Link-Master 1 und IO- Link-Gerät 2 aufbauen, d. h. entweder über eine 3- Drahtleitung (mit einem Kommunikationssignal) oder über eine 4-Drahtleitung (mit zwei Kommunikationssignalen) The driver ICs used require an overshoot protection by means of (Schottky) diodes and can establish bidirectional digital communication between IO-Link master 1 and IO-Link device 2, ie. H. either via a 3-wire cable (with a communication signal) or via a 4-wire cable (with two communication signals)
kommuni z ieren . communicate.
Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine 4- Drahtleitung . Die Standard-Verpolschut zschaltung mit Dioden 17 ist in der Figur 12 dargestellt. Im Falle einer 3-Draht-Kommunikation, können entweder D4/D5 oder D6/D7 weggelassen werden. The embodiment relates to a 4-wire line. The standard reverse polarity switching with diodes 17 is shown in FIG. In case of 3-wire communication, either D4 / D5 or D6 / D7 can be omitted.
Zum Test der Schutzschaltung werden praktisch interessante Varianten eines fehlerhaften Anschlusses eines IO-Link- Masters 1 oder IO-Link-Gerät 2 getestet. Dazu wird im Rahmen einer Netzwerksimulation ein Signal-Stimulator als To test the protection circuit, practically interesting variants of a faulty connection of an IO-Link master 1 or IO-Link device 2 are tested. For this purpose, as part of a network simulation, a signal stimulator as
sogenannter Test-Controller verwendet. Der Test-Controller enthält eine 24V DC-Spannungsquelle . Weiterhin enthält der Test-Controller einen internen Schaltungsknoten so-called test controller used. The test controller contains a 24V DC power source. Furthermore, the test controller contains an internal circuit node
(Kurzschlussknoten) , mit welchem die einzelnen Adern der Leitung 3 je nach Testphase (Test-Clock/Taktzyklus) (Short-circuit node), with which the individual cores of the line 3 depending on the test phase (test clock / clock cycle)
verbunden werden können. Pro Taktzyklus wird jede Ader der Leitung 3 über entsprechende Schalter entweder o an die Spannungsquelle - positiver Pol oder o an die Spannungsquelle - negativer Pol oder o an den Kurzschlusspunkt angeschlossen oder o nicht angeschlossen. can be connected. Each cycle of the line 3 is connected per clock cycle via appropriate switches either o to the voltage source - positive pole or o to the voltage source - negative pole or o to the short-circuit point or o is not connected.
Pro Ader hat demzufolge der Test-Controller 25 vier mögliche Arbeitszustände . Dies ergibt bei vier Adern in der Leitung 3 insgesamt 4x4x4x4=256 Test zustände, welche in der Testbench nacheinander, jeweils für einen Taktzyklus andauern, As a result, the test controller 25 has four possible working states per wire. This results in four wires in the line 3 total 4x4x4x4 = 256 test states, which in the test bench in succession, each lasting for one clock cycle,
simuliert werden. Zur Steuerung der zeitlichen Abfolgen im Test-Controller 25 ist an diesem das Taktsignal 27 angelegt. be simulated. To control the time sequences in the test controller 25, the clock signal 27 is applied to this.
Hierbei ist ein Taktzyklus und somit die Dauer eines Here is a clock cycle and thus the duration of a
Testzustands, aus Gründen der Simulationstechnik willkürlich gewählt, auf 10 ms festgelegt worden. Tritt in der Test state, chosen arbitrarily for the sake of the simulation technique, has been set to 10 ms. Kick in the
Simulation ein unzulässig hoher Strom (z.B. durch eine  Simulation an inadmissibly high current (for example by a
Klemmdiode) auf, welcher ca. 10 ms dauert, dann ist davon auszugehen, dass unter den in diesem Testzustand Clamping diode), which lasts about 10 ms, then it can be assumed that under the in this test condition
vorliegenden Anschlussbedingungen auch ein dauerhafter unzulässig hoher Strom fliesen würde und zu Schäden in der Applikationsschaltung des IO-Link-Masters 1 oder IO-Link- Geräts 2 führen würde. Stromspitzen im ps-Bereich sind hingegen normal und werden in der Praxis durch Einsatz entsprechender Elektronik-Komponenten von der If the connection conditions are too high, a permanent, impermissibly high current would be tiled and damage to the application circuit of the IO-Link master 1 or IO-Link device 2 would result. Peak currents in the ps range, however, are normal and are in practice by using appropriate electronic components of the
Applikationsschaltung ohne Schäden toleriert. Application circuit tolerated without damage.
Die Diagramme der im Folgenden dargestellten The diagrams of the following
Simulationsergebnisse in der Figur 22 enthalten: o die Ströme durch die Klemmdioden 17 Dl bis D4 Simulation results in Figure 22 include: o the currents through the clamping diodes 17 Dl to D4
(allgemein gefährdete Komponenten) , dargestellt durch I(D1) bis I(D4) o die Ströme durch die Klemmen des Devices, hier als(Generally hazardous components) represented by I (D1) to I (D4) o the currents through the terminals of the device, here as
Strom durch das in Reihe zur Klemme geschaltete Current through the series connected to the terminal
Ferrite-Bead 24 (EMV-Drossel ) dargestellt Ix(ul:10) bis Ferrite Bead 24 (EMC Throttle) presented Ix (ul: 10) to
Ix(u4:10) . Die Ströme durch die Ix (u4: 10). The currents through the
Versorgungsspannungsklemmen entsprechen den Drain- Source-Strömen der MOSFETs 12 und gestatten somit eine Feststellung von zerstörerisch hohen Strömen durch die Supply voltage terminals correspond to the drain-to-source currents of the MOSFETs 12 and thus allow detection of destructive high currents through the
MOSFETs 12. o Das Clock-Signal V (test_clock) des Test-Controllers. MOSFETs 12. o The clock signal V (test_clock) of the test controller.
Mit jeder Low-High-Transition wird ein neuer  With each low-high transition becomes a new one
Test zustand eingenommen. o Die Versorgungsspannung Udd des IO-Link-Geräts 2  Test condition taken. o The supply voltage Udd of the IO-Link device 2
( Sensor )  (Sensor)
Der Simulation zugrunde liegt die in den Figuren 21a und 21b gezeigte Schaltungsanordnung mit der erfindungsgemäßen The simulation is based on the circuit arrangement shown in Figures 21a and 21b with the invention
Verpolschut zschaltung 20. Diese beinhaltet die bereits beschriebenen Komponenten Z-Dioden 14, Widerstand 13 und MOS-Transistoren 12 wie in der Figur 13 und 20 dargestellt. This includes the already described components Zener diodes 14, resistor 13 and MOS transistors 12 as shown in FIGS. 13 and 20.
Die Figur 21b zeigt auch den aus dem Bipolartransistor 22 (Ql und Q2) und dem Basisvorwiderstand 23 bestehenden FIG. 21b also shows that consisting of the bipolar transistor 22 (Q1 and Q2) and the basic series resistor 23
Spannungssensor 21, welche in beiden Zweigen der Voltage sensor 21, which in both branches of
Spannungsversorgung angeordnet sind. Power supply are arranged.
Die in den Figuren 21a und 21b gezeigten Baugruppen mit den Bezeichnungen I bis V sind nachfolgend erläutert. (I) Modellierung eines Devices (hier Sensor) inklusive detaillierten Modell des Interface-ICs The assemblies shown in Figures 21a and 21b with the designations I to V are explained below. (I) Modeling of a device (here sensor) including a detailed model of the interface IC
(II) Klemmdioden und Widerstandsnetzwerk zur Erzeugung eines definierten High-Z-Signalpegels (II) clamping diodes and resistor network for generating a defined high-Z signal level
(III) Erfindungsgemäße Verpolschut zschaltung (IV) ESD/EMV-Schutzbeschaltung und „Kabel- Versorgungsspannungstest" zur Feststellung von Signalspeisungen (ZIOL2401 Feature). (III) reverse-circuit protection according to the invention (IV) ESD / EMC protective circuit and "cable Supply voltage test "for detection of signal feeds (ZIOL2401 feature).
(V) Kabelmodell (Modell einer 20m langen (V) cable model (model of a 20m long
Vierdrahtleitung) und Test-Controller Wie in der Figur 22 gezeigt wird, treten keine  Four-wire line) and test controller As shown in Figure 22, none occur
zerstörerischen Dauerströme an den Device-Klemmen bzw. den Klemmdioden 17 auf. Die auftretenden Stromspitzen können, eine adäquate Dimensionierung der Schaltung vorausgesetzt, toleriert werden. Die Stromspitzen resultieren aus destructive continuous currents to the device terminals or the clamping diodes 17. The occurring current peaks can, assuming adequate dimensioning of the circuit, be tolerated. The current peaks result
Umschaltvorgängen, welche real vorkommen können, wenn zwischen verschiedenen fehlerhaften und der korrekten Switching operations, which can be real, if between different faulty and the correct ones
Anschaltung gewechselt wird. Connection is changed.
Der gekennzeichnete Zeitbereich (Box mit gestrichelter The marked time range (box with dashed
Linie) beinhaltet alle Test zustände, in welchen das Device korrekt gespeist wird, d. h. keine Signalspeisung vorliegt. Line) contains all test states in which the device is fed correctly, d. H. there is no signal feed.
Ein real aufgebautes Ausführungsbeispiel einer als A real constructed embodiment of a
Vorsatzbaugruppe für einen IO-Link-Master 1 oder ein 10- Link-Gerät 2 arbeitenden Schutzschaltung 4 ist in der Actuator module for an IO-Link master 1 or a 10-link device 2 working protection circuit 4 is in the
Figur 23 dargestellt. Zur Untersuchung der Wirkungsweise der Erfindung wurden der zu den Figuren 21a, 21b und 22 beschriebenen Figure 23 shown. To investigate the operation of the invention, those described in FIGS. 21a, 21b and 22 have been described
Testdurchführung zwei Stand der Technik Varianten Test procedure two prior art variants
gegenübergestellt . faced.
In einer ersten Variante wurden gegenüber der in der In a first variant were opposite to in the
Figur 21 a und b gezeigten Schaltungsanordnung die Figure 21 a and b shown the circuit arrangement
Komponenten Bipolartransistor 22 (Ql und Q2) sowie die zugehörigen Widerstände 23 (R5 und R6 ) weggelassen.  Components bipolar transistor 22 (Ql and Q2) and the associated resistors 23 (R5 and R6) omitted.
In der zweiten Variante wurde zusätzlich zur ersten Variante eine Verschiebung der Komponenten zur Gatespannungserzeugung der MOS-Transistoren 12, umfassend die Dioden 14 (D5 und D6) sowie den Widerstand 13, vorgenommen. Die Schaltungsanordnung nach der Variante 1 ist in den In the second variant, in addition to the first variant, a shift of the components for gate voltage generation of the MOS transistors 12, comprising the diodes 14 (D5 and D6) and the resistor 13, made. The circuit arrangement according to variant 1 is in the
Figuren 24a und 24b gezeigt. Die zugehörigen Spannungs- und Stromverläufe mit den bereits zur Figur 22 beschriebenen dargestellten Größen sind in der Figur 25 gezeigt. Die Figur 25 zeigt, das Auftreten unzulässig hoher Figures 24a and 24b shown. The associated voltage and current waveforms with the illustrated sizes already described for Figure 22 are shown in FIG. FIG. 25 shows the occurrence of impermissibly high levels
Dauerströme, welche in der Figur 25 beispielhaft mittels je zweier Pfeile gegenzeichnet sind. Der reguläre  Continuous currents which are countersigned by way of example in FIG. 25 by means of two respective arrows. The regular one
Arbeitsbereich ist wie in der Figur 22 mit einer Box mit gestrichelter Linie gekennzeichnet. In diesem Bereich treten keine kritischen Ströme auf. Work area is marked as shown in Figure 22 with a box with a dashed line. There are no critical currents in this area.
Die Schaltungsanordnung nach der Variante 2 ist in den The circuit arrangement according to the variant 2 is in the
Figuren 23a und 23b gezeigt. Die zugehörigen Spannungs- und Stromverläufe mit den bereits zur Figur 22 beschriebenen dargestellten Größen sind in der Figur 27 dargestellt. Es treten unzulässig hohe Dauerströme auf, wie in der Figures 23a and 23b shown. The associated voltage and current waveforms with the sizes already described for Figure 22 are shown in FIG. There are inadmissibly high continuous currents, as in the
Figur 27 wiederum beispielhaft mittels je zweier Pfeile gekennzeichnet wurde. Auch in dieser Figur 27 ist der reguläre Arbeitsbereich wieder mit einer Box mit  FIG. 27 was again characterized by way of example by means of two arrows each. Also in this figure 27 is the regular work area again with a box with
gestrichelter Line gekennzeichnet, und weist im Vergleich keine Stromspitzen auf. Dashed line marked, and has no power peaks in comparison.
In Auswertung beider Varianten ist festzustellen, dass jeweils unzulässig hohe Dauerströme auftreten, welche potenziell zur Zerstörung der MOS-Transistoren 12 (Ml, M2 ) , der Klemmdioden 17 (Dl, D2, D3, D4) bzw. der Ferrite-Beads (Ul, U2, U3 und U4) führen können. In evaluating both variants, it can be stated that in each case impermissibly high continuous currents occur which potentially lead to the destruction of the MOS transistors 12 (M1, M2), the clamping diodes 17 (D1, D2, D3, D4) or the ferrite beads (Ul, U2, U3 and U4).
Die vorliegende Erfindung stellt somit eine The present invention thus provides a
Verpolschut zschaltung bereit, welche nachfolgende Vorteile aufweist : relativ kleiner Spannungsabfall über den Verpolschut z- Bauelementen, geeignet zum Einsatz als (Kabel-) Interface von Steuereinrichtungen wie Controller, Aktuatoren, Polarity reversal ready, which has the following advantages: relatively small voltage drop across the Verpolschut z- components, suitable for use as (cable) interface of Control devices such as controllers, actuators,
Sensoren etc. - im folgenden allgemein „Device" genannt - in Verbindung mit einem mehrpoligen (hier Sensors etc. - hereinafter generally called "Device" - in conjunction with a multipole (here
beispielsweise vierpoligen) Anschluss zum Schutz der entsprechenden Anordnung, bei einem beliebigen For example, four-pin) connection to protect the appropriate arrangement, at any
Weglassungen von Verbindungen, einem beliebigen Omissions of connections, any
Verpolen der Anschlussleitungen sowie bei beliebigen Kurzschlüssen zwischen den Leitern, wobei ein Schutz der Anordnung bedeutet, dass keine Zerstörungen im Fehlerfall auftreten dürfen, und wobei keine Polarity reversal of the connection lines and any short circuits between the conductors, with a protection of the arrangement means that no destruction may occur in the event of a fault, and where no
Beeinträchtigung der Anordnung im normalen Betriebsfall auftreten . eine störende Gleichrichterwirkung im normalen Impairment of the arrangement in normal operation occur. a disturbing rectifier effect in the normal
Betriebsfall wird verhindert. Operating case is prevented.
Unterstützung von Anschlussleitungen, bestehend aus 2 DC-Versorgungsspannungsleitungen (in der Regel, in der Industrieautomatisierung 24V) und aus ein, zwei oder mehreren Signalleitungen. Da im Anschlussfall die Support for connecting cables, consisting of 2 DC supply voltage lines (usually, in industrial automation 24V) and one, two or more signal lines. As a result, the
Signalleitungen ein niederimpedantes Signal liefern können, können diese ebenfalls wie eine Spannungsquelle (z.B. 24V) im Fehlerfall betrachtet werden. Signal lines can supply a low impedance signal, these may also be considered as a voltage source (e.g., 24V) in the event of a fault.
Schutz der Komponenten des IO-Link-Master oder IO-Link- Geräts vor Überstrom, welcher im Falle eines Protection of the components of the IO-Link master or IO-Link device against overcurrent, which in the case of a
Leitungskurzschlusses auftritt. Line short occurs.
Bezugszeichenliste IO-Link-Master List of Reference Numerals IO-Link Master
IO-Link-Gerät IO-Link device
Leitung (drei- oder vieradrig) Line (three- or four-wire)
Schutzschaltung protection circuit
Spannungsversorgung power supply
ESD-Schut zschaltung ESD protection circuit
Verpolschut zschaltung Reverse connection
Spannungsbegrenzung voltage limitation
Spannungsquelle voltage source
Diode diode
Lastwiderstand load resistance
MOS-Transistor MOS transistor
Widerstand resistance
Z-Diode Zener diode
Überspannung Overload
Unterspannung undervoltage
Klemmdiode clamping diode
Zusatzdiode additional diode
Load-Kondensator Load capacitor
erfindungsgemäße Verpolschut zschaltung Spannungssensor reverse polarity switch according to the invention voltage sensor
Bipolartransistor bipolar transistor
Basisvorwiderstand base series
Ferrite-Bead Ferrite Bead
Test-Kontroller Test controller
Mittel zur Erzeugung einer hochimpedanten Gatespannung UGs Means for generating a high impedance gate voltage U G s
Taktsignal clock signal

Claims

Anordnung zum Schutz einer elektronischen Arrangement for protecting an electronic
Schaltung (1, 2), bei welcher ein MOS-Transistor (12) in einem positiven und/oder negativen Zweig einer Circuit (1, 2), wherein a MOS transistor (12) in a positive and / or negative branch of a
Spannungsversorgung der Anordnung mit einer Drain- Source-Strecke, zur Unterbrechung eines Stromflusses in dem betreffenden Zweig, angeordnet ist, wobei ein Gate- Anschluss des MOS-Transistors (12) mit einem ersten Anschluss eines Mittels zur Erzeugung einer Voltage supply of the arrangement with a drain-source path, for interrupting a current flow in the respective branch, is arranged, wherein a gate terminal of the MOS transistor (12) with a first terminal of a means for generating a
hochimpedanten Gatespannung (26) (UGs) verbunden ist, dessen zweiter Anschluss zumindest mittelbar mit dem negativen oder positiven Zweig der Spannungsversorgung der Anordnung verbunden ist, dadurch high-impedance gate voltage (26) (U G s) is connected, the second terminal is at least indirectly connected to the negative or positive branch of the power supply of the arrangement, characterized
gekennzeichnet, dass ein Spannungssensor (21) zur Überwachung einer Drain-Source-Spannung eines MOS- Transistors (12) angeordnet ist, welcher mit dem Drain- und Source-Anschluss des MOS-Transistors (12) zur characterized in that a voltage sensor (21) for monitoring a drain-source voltage of a MOS transistor (12) is arranged, which with the drain and source terminal of the MOS transistor (12) for
Spannungsüberwachung und mit dem Gate-Anschluss des MOS-Transistors (12) zur Ausgabe eines Steuersignals verbunden ist. Voltage monitoring and connected to the gate terminal of the MOS transistor (12) for outputting a control signal.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch Arrangement according to claim 1, characterized
gekennzeichnet, dass im Spannungssensor (21) ein Bipolartransistor (22) mit einem Basisvorwiderstand (23) derart angeordnet ist, dass ein Basisanschluss des Bipolartransistors (22) über den Basisvorwiderstand (23) mit dem Drain-Anschluss des im positiven und/oder im negativen Zweig der characterized in that a bipolar transistor (22) with a base resistor (23) is arranged in the voltage sensor (21) such that a base terminal of the bipolar transistor (22) via the base resistor (23) to the drain terminal of the positive and / or negative Branch of
Versorgungsspannung eingefügten MOS-Transistors (12) verbunden ist, dass ein Emitter-Anschluss des Supply voltage inserted MOS transistor (12) is connected to an emitter terminal of the
Bipolartransistors (22) mit dem Source-Anschluss des im positiven und/oder im negativen Zweig der Bipolar transistor (22) to the source terminal of the positive and / or negative branch of the
Versorgungsspannung eingefügten MOS-Transistors (12) verbunden ist und dass ein Kollektor-Anschluss des Bipolartransistors (22) mit dem Gate-Anschluss des im positiven und/oder im negativen Zweig der Supply voltage inserted MOS transistor (12) is connected and that a collector terminal of the Bipolar transistor (22) with the gate terminal of the positive and / or negative branch of the
Versorgungsspannung eingefügten MOS-Transistors (12) verbunden ist. Supply voltage inserted MOS transistor (12) is connected.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch Arrangement according to claim 2, characterized
gekennzeichnet, dass der Bipolartransistor (22) im positiven Zweig der Spannungsversorgung ein PNP- Transistor und im negativen Zweig der characterized in that the bipolar transistor (22) in the positive branch of the power supply, a PNP transistor and in the negative branch of the
Spannungsversorgung ein NPN-Transistor ist. Power supply is an NPN transistor.
Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch Arrangement according to claim 2 or 3, characterized
gekennzeichnet, dass der MOS-Transistor (12) im positiven Zweig der Spannungsversorgung ein P-Kanal- MOS-Transistor und im negativen Zweig der characterized in that the MOS transistor (12) in the positive branch of the power supply, a P-channel MOS transistor and in the negative branch of the
Spannungsversorgung ein N-Kanal-MOS-Transistor ist. Power supply is an N-channel MOS transistor.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Erzeugung einer hochimpedanten Gatespannung (26) (UGs) eine Z- Diode (14) mit einem Widerstands (13) angeordnet ist. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that as a means for generating a high-impedance gate voltage (26) (U G s), a Zener diode (14) with a resistor (13) is arranged.
Verfahren zum Schutz einer elektronischen Schaltung, bei welchem ein Halbleiter-Schaltelement in einem positiven und/oder negativen Zweig einer A method of protecting an electronic circuit, wherein a semiconductor switching element in a positive and / or negative branch of a
Spannungsversorgung der Anordnung bereitgestellt wird und wobei das Halbleiter-Schaltelement mittels einer Steuerspannung im Betriebsfall durchgeschaltet und im Fehlerfall gesperrt wird, dadurch Voltage supply of the arrangement is provided and wherein the semiconductor switching element is turned on by means of a control voltage in the case of operation and locked in the event of an error, characterized
gekennzeichnet, dass eine Überwachung einer über dem Halbleiter-Schaltelement anliegenden Spannung UDs mittels eines Spannungsüberwachungsmittels (21) erfolgt, dass im Fehlerfall bei einem Anstieg des Absolutwertes der Spannung UDS über einem Schwellwert das Halbleiter-Schaltelement durch eine vom in that a monitoring of a voltage U D s applied across the semiconductor switching element takes place by means of a voltage monitoring means (21), that in the event of a fault, if the absolute value of the voltage U DS rises above a threshold value, the semiconductor switching element is replaced by one of
Spannungsüberwachungsmittel (21) erzeugte Voltage monitoring means (21) generated
SteuerSpannung gesperrt wird. Control voltage is disabled.
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