DE2638178C2 - Schutzvorrichtung für integrierte Schaltungen gegen Überspannungen - Google Patents

Description

40

Die Erfindung geht aus von einer Schutzvorrichtung an Halbleiterschaltungen gegen Oberspannungen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs (DE-AS 1151313).

Aus der DE-AS 11 51 313 ist eine Schutzvorrichtung bekannt, die aus einer parallel zur Basis-Kollektor-Strecke des Endstufentransistors geschalteten Zenerdiode besteht welche ab einer bestimmten Spannung durchbricht und die Überspannung an der Schaltstrecke dieses Transistors dadurch begrenzt Diese Anordnung dient dem Schutz allein dieses Transistors vor Abschaltspannungsspitzen eines induktiven Verbrauchers, der von diesem Transistor angesteuert wird. Die bekannte Anordnung vermag nur einen dynamischen Schutz des Transistors zu leisten, wenn dieser seine induktive Last schaltet

Die VALVO-Veröffentlichung »Eigenschaften und Anwendungen von Silizium-Zenerdioden« vom September 1968 offenbart auf Seite 36 einen Spannungssta- 6C biiisator mit Paralleltransistor, dessen Emitter-Basis-Strecke ein Widerstand und dessen Basis-Kollektor-Strecke eine Zener-Diode parallel liegt Im Überspannungsfall wird der Transistor leitend gesteuert; als Folge führt er einen hohen Kollektorstrom, der die Span- nungsquelle im Sinne einer Spannungsverringerung belastet Der Transistor muß daher eine hohe Verlustleistung aufnehmen und so dimensioniert sein, damit diese in ausreichender Weise durch erforderliche Mittel zur Kühlung abgeführt werden kann.

Aus Siemens »Halbleiter-Schaltbeispiele«, Ausg. April 1968, ist auf Seite 91 ein Lastungsschalter für induktive Lasten gezeigt Parallel zum Endtransistor liegt ein Spannungsteiler, dessen Abgriff aber die Reihenschaltung einer Zenerdiode mit einer Silizium-Diode mit der Basis eines Treibertransistors gekoppelt <st, der emitterseitig den Endstufentransistor ansteuert Auch diese Anordnung schützt den Endstufentransistor nur gegen transiente Oberspannungen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schutzvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs so auszubilden, daß sich bei Verwendung einer integrierten Schaltung mit einem Endstufentransistor ein sicherer Schutz der integrierten Schaltung gegen Oberspannungen ergibt

Die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß einerseits bei Auftreten einer Überhöhung der Versorgungsspannung der Leistungstransistor durchgeschaltet wird und andererseits bei Auftreten transienter Spannungsspitzen im Kollektorkreis des Endstufentransistors diese durch Leitendschaltung eines Bypass-Transistors zur Ableitung eines induktiven Abschaltstromes begrenzt werden. Diese Schutzvorrichtung kann aufgrund der geringen spezifischen thermischen Belastung der einzelnen Komponenten leicht integriert werden.

Zwei AusfflhrungEbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Überspannungs-Schutzvorrichtung zur Ableitung des Abschaltstromes eines induktiven Verbrau-

CIiCIS uiiu

F i g. 2 als zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels.

Das in Fig. 1 dargestellte erste A^fOhrungsbeispiel 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 Der Emitter des Endstufen-Transistors 11 ist an Masse und sein Kollektor über einen induktiven Verbraucher 12 an dem positiven Pol 12 an die Versorgungsspannungsquclle angeschlossen. Dieser positive Pol 13 ist weiterhin Ober einen Strombegrenzungswiderstand 14 mit dem IC 10 bzw. 11 verbunden. Die Tatsache, daß bei integrierten Schaltungen alle Bauelemente zum Substrat hin eine Diode bilden, ist durch die beiden Dioden 110,111, die jeweils die Vorstufe 10 bzw. die Endstufe 11 Oberbrücken, versinnbildlicht Der positive Pol 13 ist über die Reihenschaltung des Strombegrenzungswiderstands 14 mit der Emitter-Kollektor-Strecke eines NPN-Transistors 15 und einem Strombegrenzungswiderstand 16 an die Basis des Endstufen-Transistors 11 angeschlossen. Die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 15 ist durch einen Ableitwiderstand 19 zum Schutz des Transistors 15 überbrückt Zwischen Masse und die Basis des Transistors 15 ist eine Spannungsbegrcnzungsvorrichtung 18 geschaltet die im einfachsten Fall als Zenerdiode ausgebildet ist für die aber auch weitere, beliebige Spannungsbegrenzungsvorrichtungen vorgesehen sein können. Die Bauelemente 15 bis 18 können vorteilhaft im IC mitintegriert sein.

Tritt eine Überspannung auf, d. h. steigt die an der

26 38 17«

Klemme 13 angelegte Spannung über die Ansprechschwelle der Spannungsbegrenzungsvorrichtung 18 an, so begrenzt diese die Spannung am Verbindungspunkt des äußeren Widerstandes mit dem IC auf den Wert ihrer Begrenzungsspannung. s

Da der Strom durch die Spannungsbegrenzungsschaltung ganz oder teilweise so über die Basis-Emitterstrekke des Transistors 15 fließt wird dieser bei Erreichen der Grenzspa-.inung der Spannungsbegrenzungsvorrichtung 18 stromleitend gesteuert, was zur Folge hat, to daß auch der Endstufentransistor 11 an seiner Basis angesteuert und somit leitend wird. Sinkt die Oberspannung wieder unter den Grenzwert der Spannungsbegrenzungsvorrichtung 18 ab, so sperrt der Transistor 15 wieder. Der Transistor 11 wird dadurch ebenfalls wieder gesperrt, sofern er nicht aufgrund der ihn steuernden Vorstufe stromleitend ist

Zwei Verpolschutzdioden 20, 21, von denen die eine parallel zur Vorstufe 10 und die andere parallel zur Schaltstrecke des Endstufentransistors 11 geschaltet ist dienen zum Schutz des IC gegen Verpoiung. Der Verbraucher 12 ist als induktiver Verbraucher, üudesondere als Relais, ausgebildet Da bei induktiven Verbrauchern beim Abschaltvorgang ein Abschaltstrom auftritt ist parallel zur Schaltstrecke des Endstufentransistors 11 die Reihenschaltung der Emitter-Kollektor-Strecke eines PN P-Freilauftransistors 22 mit einem Widerstand 23 geschaltet Die Basis des Freilauftransistors 22 ist über eine Zenerdiode 24, weiche auch wegfallen oder durch andere geeignete Elemente ersetzt werden kann (Diode, Widerstand), mit dem Emitter des Transistors 15 verbunden.

Sperrt der Transistor 11, so steigt die Emitter-Spannung des Transistors 22 in positiver Richtung an. Im Zeitpunkt wo sie so weit angestiegen ist daß Strom in die Basis-Eiüitterstrcckc des Transistors 22 zu fließen beginnt öffnet dieser und der Abschaltstrom kann über die Schaltstrecke des Transistors 22 und den Widerstand 23 abfließen.

Die Zenerdiode 24 dient dabei zur Kompensation des Spannungsabfalls am Widerstand 14. Sie soll gewährleisten, daß der Transistor 22 erst stromleitend wird, wenn die Spannung an seinem Emitter mindestens die Spannung am Anschluß 13 erreicht hat

Der Kollektor des Transistors 22 könnte über den Widerstand 23 statt mit Masse auch mit der Basis des Transistors 11 verbunden sein. In diesem Falle würde der Abschaltstrom nicht über den Transistor 22 abfließen, sondern durch den Transistor 22 würde der Transistor 11 in den stromleitenoen Zustand gesteuert werden, und der Abschaltstrom würde über den Transistor 11 abfließen.

Das in F i g. 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel entspricht in Aufbau und Funktion dem bereits beschriebenen Ausführungsbeispiel. Entsprechende Bau- ss teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Da im zweiten Ausführungsbeispiel der Endstufentransistor 11 und der Verbraucher 12 gegenüber Fig. 1 vertauscht sind, ist für den Endstufentransistor 11 statt eines NPN-Transistprs nun ein PNP-Transistor vorgesehen. Ent- eo sprechend sind die beiden Transistoren 15,22, die bisher als PNP-Transistoren ausgebildet waren, nun als NPN-Transistoren ausgebildet Die Bauteile 18,19 sind ebenfalls vertauscht Die Diode 111 entfällt bzw. ist mit der Diode 110 identisch Der Widerstand 14 ist an Masse ss angeschlossen. Die Basis des Transistors 23 ist über eine aus zwei Dioden 25, 26 bestehende Diodenstrecke mit der Basis des Transistors 15 verbunden.

Die in Fig.2 dargestellte Schaltungsanordnung unterscheide* sich dadurch von der in F i g. i dargestellten Schaltungsanordnung, daß der Steueranschluß der Abfangschaltung für den Abschaltstrom der Induktivität nämlich die Basis des Transistors 22, direkt mit der Spannungsbegrenzungsschaitung 18,19 verbunden ist

Dies hat den Vorteil, daß der Widerstand 19 neben seiner Funktion als Ableitwiderstand für den Transistor 15 zur Kompensation des Spannungsabfalls am Widerstand 14 im Falle des Ableitens des Abschaltstrcmes der Induktivität benutzt wird. Die beiden Dioden 25 und 26 dienen ebenso der Kompensation bzw. Oberkompensation des Spannungsabfalls am Widerstand 14.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schutzvorrichtung an Halbleiterschaltungen gegen Oberspannungen, die einen in Reihe mit einem induktiven Verbraucher geschalteten Endstufentransistor steuert, wobei die Oberspannungsfestigkeit des Verbrauchers größer ist als die des gesperrten Endstufentransistors, mit einer Spannungsbegrenzungsvorrichtung, die den Endstufentransistor derart steuert, daß bei Oberschreiten der Grenzspannung der Spannungsbegrenzungsvorrichtung der Endstufentransistor in den leitenden Zustand versetzt wird, dadurch gekennzeichnet, «laß der Endstufentransistor (11) und die Spannungs- is begrenzungsvorrichtung (18) Teile einer integrierten Schaltung sind, die Ober einen Vorwiderstand (14) von einer Batterie gespeist ist und eine die Basis des Endstufentransistors (11) steuernde Vorstufe (10) enthalt 4ie durch die Spannungsbegrenzungsvorrichtung (18) gegen Überspannungen geschützt ist, daß ein Schalttransistor (15) vorgesehen ist, der abhangig vom Ansprechen der Spannungsbegrenzungsvorrichtung (18) den Endstufentransistor (11) leitend steuert, und daß ferner ein Freilauf transistor (22) vorgesehen ist, der mit seir, jr Schaltstrecke parallel zur Schaltstrecke des Endstufentransistors (11) liegt und von einer am induktiven Verbraucher (12) auftretenden Oberspannung in den leitenden Zustand versetzt wird.

2. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß cf;r Bas!' des Freilauftransistors (22) eine Diodenanordnung (24; 25,26) vorgeschaltet ist

3. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Basis des Frcuauftransistors (22) ein Widerstand vorgeschaltet ist