DE2638177C2 - Schutzvorrichtung gegen Spannungsumpolung und Überspannungen für eine Halbleiterschaltung - Google Patents

Description

integrierbar sein sollen.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Merkmale gelöst.

Um zu verhindern, daß beim Abschalten des induktiven Verbrauchers die interne Betriebsspannung des integrierten Schaltkreises auf einen zu hohen Betrag ansteigt, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung ein EntkopplungSRleichrichterelement vorgesehen, mit dem die Betriebsspannung für den integrierten Schaltkreis gegenüber der an der Spannungsbegrenzungsvorrichtung für den Endstufentransistor herrschenden Spannung abkoppelbar ist

Zur Integration sind in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Gleichrichterelemente als Transistoren in Diodenschaltung ausgebildet und als Spannungsbegrenzungsvorrichtung ist wenigstens eine Zenerdiode vorgesehen.

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß die nicht integrierbare Diode gegen Masse entfällt und ein bis auf einen äußerer Widerstand integrierbares System entsteht Es ergeben sich daraus eine einfachere und billigere Herstellung sowie ein geringerer Platzbedarf durch den Wegfall des diskreten Bauelementes. Es wird ein Schutz gegen Spannungsumpolung und Überspannungen geschaffen. Mit Hilfe des internen Oberspannungsschutzes kann zugleich der Abschaltstrom des induktiven Verbrauchers abgefangen werden. Durch die in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehene Entkoppeldiode wird die Übertragung der Begrenzungsspannung auf die interne Betriebsspannung des integrierten Schaltkreises verhindert

Vier Ausführungsbeispieie der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Schutzvorrichtung gemäß dem Stand der Technik,

F i g. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer integrierbaren Schutzvorrichtung,

Fig.3 r'n zweites Ausführungsbeispiel einer integrierbaren Schutzvorrichtung,

Fig.4 die Verwendung einer weiteren Alternative einer Spannungsbegrenzungsvorrichtung als drittes Ausführungsbeispiel, und

F i g. 5 die Verwendung einer vierten Alternative einer Spanirungsbegrenzungsvorrich'ung als viertes Ausführungsbeispiel.

Die in F i g. 1 dargestellte Schutzvorrichtung, die den Stand der Technik darstellt, zeigt einen integrierten Schaltkreis, der aus einer Vorstufe 10 und einer Endstufe 11 besteht. Die Vorstufe 10 kann eine beliebige Vorstufe sein und ist nicht näher beschrieben. Als Endstufe 11 ist ein NPN-Transistor vorgesehen, dessen Basis mit der Vorstufe 10 verbunden ist Die Vorstufe 10 und der Emitter des Endstufen-Transistors 11 sind über eine extern angeordnete, in diskreter Bauweise ausgeführte Schutzdiode 12 an Masse angeschlossen. Der Kollektor des Endstufen-Transistors 11 ist über die Parallelschaltung der Magnetwicklung 13 eines Relais mit einer Freilaufdiode 14 mit dem positiven Pol 15 einer Spannungsquclle verbunden. Der positive Pol 15 ist weiterhin über einen Strombegrenzungswiderstand 16 mit dem IC 10 bzw. 11 verbunden. Dieser Begrenzungswiderstand 16 ist gewöhnlich nicht in integrierter Form im IC enthalten.

Um die Wirkungsweise der Anordnung zu verdeutlichen, muß von der Tafsache ausgegangen werden, daß bei integrierten Schaltungen alle Bauelemente zum Substrat hin eine Diode bilden. Dies ist durch die beiden Dioden 110,111 versinnbildlicht, die jeweils die Vorstufe 10 bzw. die Endstufe 11 überbrücken. Überspannungen, die beim Abschalten des Relais 13 auftreten, werden durch die Freilaufdiode 14 kurzgeschlossen. Zum Schutz des IC gegen versehentliches oder durch Abschaltvorgänge bedingtes Umpolen der Polarität der Spannungsquelle ist die Schutzdiode 12 vorgesehen. Ohne die Schutzdiode 12 wird bei falscher Polung ein direkter Kurzschluß über die Diode 111 und die Freilaufdiode 14 entstehen. Die Vorstufe 10, die ebenfalls eine Diode 110 zum Substrat enthält, ist bei Polaritätsumkehr durch den Begrenzungswiderstand 16 geschützt

Das in F i g. 2 dargestellte, erste Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ähnlich wie das den Stand der Technik darstellende Ausführungsbeispial gemäß Fig. 1. Gleiche Bauelemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Schutzdiode 12 und die Freilaufdiode 14 entfallen. Parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke des Endstufentransistors 11 ist die Reihenschaltung einer Diode 17 mit einer Zenerdiode 18 vorgesehen. Der Verknüpfungspunkt der Diode 17 mit der Zenerdiode 18 ist über eine Entkoppeldiode 19 mit dem Verknüpfungspunkt zwischen dem Strombegrenzungswiderstand 16 und dt: Vorstufe 10 verbunden. Die Kathoden der drei Dioden 17 bis 19 sind dabei miteinander verbunden.

Die Wirkungsweise des in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels besteht darin, daß der Schutz bei Umkehr der Polarität der Spannungsqueüe durch den Begrenzungswiderstand 16 und den Widerstand der Magnetwicklung 13 gegeben ist Durch den Wegfall der Freilaufdiode 14 ist dies bei dieser Anordnung gewährleistet Steigt die Spannung durch den Abschaltvorgang an der Magnetwicklung 13 an, so wird diese Spannung über die Diode 17 an die Zenerdiode 13 gelegt. Steigt diese Spannung über die Durchbruchspannung der Zenerdiode 18 an, (häufiger Wert ca. 8 Volt), so bricht die Zenerdiode 18 durch und die Spannung wird über die Diode 17 durch die Zenerdiode 18 begrenzt. Durch die Eptkopplungsdiode 19 wird ein Spannungsanstieg der internen Betriebsspannung des IC auf die Höhe der Begrenzungsspannung verhindert. Da die Dioden 17 bis 19 voll integrierbar sind, ist die integrierte Schaltung von außen nur noch an den Widerstand 18 -ind die Magnetwicklung 13 des Relais angeschlossen.

Das in Fig.3 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht in Aufbau und Wirkung dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel. Die Dioden 17,19 sind als Transistoren 170,190 in Diodenschaltung ausgeführt, da Dioden in integrierten Schaltungen gewöhnlich als Transistoren ausgeführt sind. Dazu tritt anstelle der Anoden-Kathodenstrecke der Dioden die Emitter-Kollek- :or-otrecke der hier eingesetzten pnp-Transistoren, wobei jeweils die Basis und der Kollektor des jeweiligen Transistors miteinander verbunden sind. Als Spannungsbegrenzungsvorrichtung tritt an Stelle der Zenerdiode 18 die Anordnung 20. In dieser Anordnung 20 ist eine Zenerdioda *8 durch die Reihenschaltung der Zenerdiode 18 mit einem Widerstand 21 und der parallel dazu geschaltaten Kollektor-Emitter-Strecke eines NPN-Transistors 22 ersetzt, wobei die Basir des Transistors 22 mit dem Verknüpfungspunkt zwischen dem Wi · derstand 21 und der Zenerdiode 18 verbunden ist. Wird die Durchbruchspi^nung der Zenerdiode 18 erreicht so wird über die Basis der Transistor 22 stromleitend gemacht. Eine zweite, identische Anordnung, bestehend aus der Zenerdiode 23. dem Widerstand 24 und dem Transistor 25. ist in Reihe zur ersten Anordnung ge-

schaltet. Durch die zweite Anordnung wird die Durchbruchsspannung der Spannungsbegrenzungsvorrichtung 20 verdoppelt. Werden weitere solche Dreierkombinationen in Reihe geschaltet, so kann die Durchbruchsspannung weiter erhöht werden. Analog dazu können auch in F i g. 2 mehrere Zenerdioden in Reihe geschaltet werden. Eine zusätzliche Verpolschutzdiode 26 ist parallel zur Schaltstrecke des Endstufen-Transistors 11 zur Entlastung der Substratdiode des Endstufen-Transistors vorgesehen, da Substratdioden keine guten Dioden sind. Diese Verpolschutzdiode 26 kann vorteilhaft auch in den anderen Ausführungsbeispielen vorgesehen sein. Gleiches gilt für die zusätzliche Verpolschutzdiode 27.

F i g. 4 zeigt eine Alternative einer Spannungsbegren-Zungsvorrichtung 20. Anstelle des Transistors 25 der Anordnung 20 tritt eine Vierschichttriode 28. Der Wirterstand 24 ist dabei so dimensioniert, daß bei normaler Betriebsspannung während eines Abschaltvorganges der Magnetwicklung die Vierschichttriode 28 nicht getriggert wird. Wird dagegen von außen eine entsprechend hohe Überspannung eingeprägt, so wird bei Erreichen eines bestimmten Stromes durch den Widerstand 24 die Vierschichttriode 28 gezündet und die Spannung an der Vierschichttriode bricht auf deren Flußspannung zusammen. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß bei hohen äußeren Oberspannungen die Verlustleistung im IC erheblich reduziert wird gegenüber der Anordnung mit einem Transistor.

Das in F i g. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel einer Spannungsbegrenzungsvorrichtung 20 hat den prinzipiellen Aufbau einer Schaltkombination 23, 24, 25 in Fig.3, jedoch ist der Transistor 25 durch die Vierschichttriode 28 ersetzt. In Reihe zu dieser Anordnung ist dir weitere Zenerdiode 18 geschaltet. Diese Schaltung hat die vorteilhafte Eigenschaft, daß bei Überschreiten eines bestimmten Wertes der äußeren Betriebsspannung die Durchbruchspannung der gesamten Anordnung auf die Vierschichttriode bei Absinken der Spannung unter die doppelte Zenerspannung zunächst stromleitend bleibt. Für die Auslegung des Widerstandes 24 gilt das zu F i g. 4 Gesagte.

Äquivalent zu den beschriebenen Ausführungsbeispielen sind auch Anordnungen, bei denen die induktive Last mit dem negativen Pol der Versorgungsspannung verbunden ist. In diesem Fall muß der Schutzwiderstand 16 in die negative Versorgungsspannungsleitung des IC geschaltet werden. Der Schalttransistor wird als pnp-Transistor ausgebildet Ferner ist die Überspannungsschutzschaltung 2P mit der Diode 19 zu vertauschen und die Polarität der Diode 17 umzupolen. Die drei Dioden 17,18,19 sind jetzt mit ihren Anoden verbunden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (12)

1 2 gration die Dioden (17, 19) als Transistoren (170, Patentansprüche: 190) in Diodenschaltung ausgebildet sind.

1. Schutzvorrichtung gegen Spannungsumpolung

und Überspannungen für eine Halbleiterschaltung, 5

in deren Ausgang ein Verbraucher, insbesondere ein

Relais (13), in Reihe zur Schaltstrecke eines Endstu- Die Erfindung geht aus von einer Schutzvorrichtung

fentransistors (11) angeordnet und parallel zur gegen Spannungsumpolung und Oberspannuigen für

Schaltstrecke des Endstufentransistors (11) die Rei- eine Halbleiterschaltung nach dem Oberbegriff des

henschaltung eines Gleichrichterelementes (17) mii 10 Hauptanspruches (DE-OS 24 01 701).

einer Spannungsbegrenzungsvorrichtung (18, 20) Bekannte Schutzvorrichtungen gegen Überspannun-

vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, gen, die z. B. durch das Abschalten eines induktiven Ver-

daß der Verbindungspunkt des Gleichrichterele- brauchers hervorgerufen werden, bestehen aus einer

mentes (17) mit der Spannungsbegrenzungsvor- Freilaufdiode, die parallel zum induktiven Verbraucher

richtung (18, 20) über wenigstens einen Begren- 15 am Ausgang einer integrierten Halbleiterschaltung ge-

zungswiderstand (16) mit einer Versorgungsspan- schaltet ist und deren Kathode dem positiven Pol der

nung des Verbrauchers in Verbindung steht, und daß Versorgungsspannung zugewandt ist. Eine solche

über den Begrenzungswiderstand (16) eine Varsor- Schutzvorrichtung ist etwa aus der DE-OS 24 01 701

gungsspaääung der Halbleiterschaltung abgeleitet bekannt.

wird. 20 Diese Anordnung hat aber folgenden Nachteil: In

2. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch Reihe zu diesem Verbraucher ist üblicherweise die gekennzeichnet, daß als Gleichrichterelement (17) .Schaltstrecke eines Ausgangstransistors geschaltet Da eine Diode vorgesehen ist bei integrierten Schaltkreisen die Bauteile zum Substrat

3. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 hin immer eine Diode bilden, wirkt dieser Ausgangsoder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Spannungs- 25 transistor bei Spannungsumkehr wie eine Diode, deren begrenzungsvorrichtung (18, 20) wenigstens eine Kathode dem eheir.als positiven Pol zugewandt ist Es Zenerdiode vorgesehen ist entsteht somit bei Spannungsumkehr ein direkter Kurz-

4. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 schluß über den als Diode wirkenden Ausgangstransioder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Spannungs- stör und die Freilaufdiode, der zur Zerstörung des intebegrenzun^vorrichtung (20) wenigstens eine Vier- 30 grierten Schaltkreises führen muß. Um dies zu verhinschichttriode (28) vorgesehen ist dem, ist es bekannt, zwischen dem zur negativen Ver-

5. Schutzvorrichtung nacii Anspruch 3, dadurch sorgungsspannung führenden Ausgang der integrierten gekennzeichnet, daß ah» Spannungsbegrenzungsvor- Schaltung und der negativen Versorgungsspannung zurichtung (20) wenigstens ein ί .albleiterschalter (22, sätzlich eine externe, nicht integrierbare Schutzdiode zu 25.28) vorgesehen ist dessen Steuerelektrode durch 35 schalten, die umgekehrt gepolt ist wie die Substratdiode eine Zenerdiode (18,23) steuerbar ist des Schalttransistors und so bei Spannungsumkehr ei-

6. Schutzvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch nen Kurzschluß vermeidet

gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung der Zener- Diese Anordnung hat die Nachteile, daß erstens diese diode (18, 23) mit einem Widerstand (21, 24) die Schutzdiode nicht integrierbar ist und somit ein zusätzli-Schaltstrecke des Halbleiterschalters (22, 23, 28) 40 ches, diskretes Bauteil zur äußeren Beschattung des inüberbrückt und daß der Verknüpfungspunkt der Ze- tegrierten Schaltkreises benötigt wird und daß zweitens nerdiode (18,23) mit dem Widerstand (21,24) an die die Anordnung nicht überspannungsfest ist, wenn die Steuerelektrode des Halbleiterschalters (22, 25, 28) Überspannung von der Versorgungsspannungsseite angeschlossen ist. aufgeprägt wird und die Durchbruchsspannung des

7. Schutzvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, da- 45 Schalttransistors übersteigt

durch gekennzeichnet, daß der Halbleiterschalter Aus der DE-AS 12 21 291 ist eine Überlastschutzein-

ein Transistor (22,25) ist. richtung für mehrstufige transistorisierte Verstärker be-

8. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 kannt, bei der die Schaltstrecke und der Emiiterwiderbis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter- stand eines Endstufentransistors einmal von einer Diode schalter eine Vierschichttriode (28) ist. 50 und zum anderen von der Reihenschaltung einer Diode

9. Schutzvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch und einer Zenerdiode überbrückt sind. Die eine Diode gekennzeichnet, daß in Reihe zur Vierschichttriode stellt dabei einen Schutz gegen Spannungsumpolung (28) wenigstens eine weitere Spannungsbegren- dar und die Reihenschaltung der anderen Diode mit der zungsvorrichtung (18) geschaltet ist. Zenerdiode einen Schutz gegen Überspannung. Damit

10. Schutzvorrichtung nach einem der vorherge- 55 ist jedoch lediglich eine Überlastschutzeinrichtung für henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den jeweiligen Endstufentransistor gewährleistet, nicht der zweite Anschluß des an die Versorgungsspan- jedoch für die übrigen Teile der Schaltungsanordnung,
nung angeschlossenen Begrenzungswiderstandes Es ist weiter aus der DE-PS 10 80 215 bekannt, zum (16) über ein zweites Entkopplungsgleichrichter- Schutz von Transistoren deren Schaltstrecke mit einer element (19) mit dem Verknüpfungspunkt zwi- 60 Zenerdiode oder der Zusammenschaltung eines Transischen dem ersten Gleichrichterelement und der stors und einer Zenerdiode zu überbrücken.
Spannungsbegrenzungsvorrichtung (18) verbunden Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zuist, gründe, für Halbleiterschaltungen, insbesondere bei in-

11. Schutzvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch tegrierten Schaltungen, die den Endstufentransistor entgekennzeichnet daß das Entkopplungsgleichrichter- 65 halten, gleichzeitig eine Schutzvorrichtung für den Endelement (19) als Diode ausgebildet ist. Stufentransistor und unter Verwendung derselben EIe-

12. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprü- mente eine Schutzvorrichtung für die übrigen Schalche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Inte- tungsteile herzustellen, wobei die Elemente weitgehend