DE3537920A1

DE3537920A1 - Elektronischer spannungsstabilisator mit schutz gegen uebergangs-ueberspannungen, deren polaritaet entgegengesetzt zur polaritaet des generators ist, insbesondere fuer die verwendung in kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE3537920A1
Application number: DE19853537920
Authority: DE
Inventors: Pietro Mailand/Milano Menniti
Original assignee: SGS Microelettronica SpA
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1984-10-31
Filing date: 1985-10-24
Publication date: 1986-04-30
Anticipated expiration: 2005-10-25
Also published as: GB2168507A; JPS61110218A; GB8525785D0; FR2572600B1; DE3537920C2; IT8423420A0; FR2572600A1; IT1218852B; GB2168507B; US4723191A; JPH0668709B2

Description

Beschrei bung

Die Erfindung betrifft elektronische Spannungsstabilisatoren, insbesondere für die Verwendung in Kraftfahrzeugen, mit einer Leistung'sendstufe (Durchlaßstufe), die aus einem vertikalen, bipolaren PNP-Transistor mit isoliertem Kollektor besteht.

Ein elektronischer Spannungsstabilisator wird zwischen den Generator und die Last geschaltet, die aus den anderen elektronischen Vorrichtungen des Fahrzeugs besteht, um eine Versorgungs-Gleichspannung zu erhalten, die unabhängig von dem von der Last aufgenommenen Strom ist.

Ein Stabilisator muß alle elektrischen Belastungen aufnehmen, die sich an seinem Eingang einstellen, und muß diese an seinem Ausgang unterdrücken. Insbesondere muß er zu seinem Schutz und zum Schutz der Last die gefährlichen positiven und negativen Überspannungen aufnehmen, die sich in der elektrischen Schaltung des Kraftfahrzeuges ergeben. Ein starker, negativer Spannungsimpuls wird beispielsweise beim Abklingen des zusammenbrechenden Feldes der Lichtmaschine (Feldzusammenbruch oder "field decay") erzeugt, wenn der Hauptschalter der Schaltung (Zündschlüssel) geöffnet wird, während die induktiven Lasten (Feldwicklungen der Lichtmaschine, Zündung, elektrische Motoren) mit dem Stabilisator verbunden sind. Ein elektronischer Stabilisator müßte die hohen, negativen Überspannungen aufnehmen, indem er sich wie ein geöffneter Schalter verhält.

Für die Anwendungsfälle, bei denen ein verhältnismäßig hoher Ausgangsstrom gefordert ist, wird ein elektronischer Stabilisator eingesetzt, dessen Leistungsendstufe aus einem bipolaren PNP-Leistungstransistör besteht. Dieser Stabilisator hat einen hohen Versorgungswirkungsgrad, weil der relative Minimal-Spannungsabfall vom Eingang zum Ausgang ("drop-out" oder Abfal 1 spannung) gleich der Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung

PNP-Transistors ist, was beim gegenwärtigen Stand

der Technik die minimal erreichbare Abfal1 spannung ist.

Der als Endstufe verwendete PNP-Transistör kann ein lateraler PNP-Transistor oder ein vertikaler PNP-Transistor mit isoliertem Kollektor sein. Letzterer hat eine größere Stromdichte als ersterer sowie eine höhere Stromverstärkung, so daß sein Einsatz vorteilhaft ist, weil er eine kleinere Siliziumfläche einnimmt und am Ausgang des Stabilisators einen höheren Strom abgibt. Allerdings hat ein vertikaler PNP-Transistor mit isoliertem Kollektor eine Sperrichtungsdurchbruchspannung des Basis-Emitter-Überganges (VrnJ, die erheblich geringer ist als diejenige eines lateralen PNP-Transistors, weshalb er nicht in der Lage ist, hohe negative Überspannungen aufzunehmen, da er sich als offener Schalter verhält. Diese Überspannungen verursachen nämlich den Durchbruch seines Basis-Emitter-Übergangs.

Bei elektronischen Stabilisatoren, deren Leistungsstufe aus einem vertikalen PNP-Transistor mit isoliertem Kollektor besteht, wird zur Vermeidung der Zerstörung des Transistors bei starken negativen Überspannungen für gewöhnlich eine Schutzeinrichtung eingebaut, von der nachfolgend noch ein Ausführungsbeispiel erläutert wird und die die genannten Überspannungen begrenzt. Diese Schutzeinrichtung nimmt jedoch eine sehr große Fläche ein, die mit der Fläche vergleichbar ist, welche der PNP-Leistungstransistor benötigt, so daß ihre Kosten verhältnismäßig groß sind und es wirtschaftlich ungünstig ist, in einer einzigen integrierten Schaltung sowohl die Leistungskomponenten, d.h. den PNP-Transistor und seine Schutzeinrichtung, als auch die übrigen Komponenten des Stabilisators einzubauen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektronischen Spannungsstabilisator, dessen Leistungsendstufe aus einem vertikalen PNP-Transistor mit isoliertem Kollektor besteht, zu schaffen, der eine Schutzeinrichtung gegen negative Überspannungen hat, welche eine wesentlich kleinere Fläche beansprucht als die üblichen Schutzeinrichtungen, so daß sie wirtschaftlich vorteil-

hafter ist.

Diese Aufgabe wird bei einem elektronischen Spannungsstabilisator der angegebenen Gattung durch das im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 genannte Merkmal gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche .

Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist.

Es zeigen:

Figur 1 ein vereinfachtes Schaltschema eines Spannungsstabilisators mit einem bekannten Schutz gegen negative Überspannungen und

Figur 2 ein vereinfachtes Schaltschema eines Spannungsstabilisators mit einem Schutz gegen negative Überspannungen
gemäß der Erfindung.

In den beiden Figuren werden für übereinstimmende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet.

Die in Figur 1 gezeigte Schaltung hat einen Eingangsanschluß IN für den Anschluß an einen Generator, der eine bezüglich Masse positive Spannung liefert, einen Ausgangsanschluß OUT für den Anschluß an eine Last sowie einen dem Eingang und dem Ausgang gemeinsamen Anschluß für die Verbindung mit Masse.

Die Schaltung hat eine Leistungsendvorrichtung, die aus einem bipolaren Leistungstransistor Tl besteht, der als vertikaler PNP-Transistör mit isoliertem Kollektor ausgebildet ist und dessen Emitter an den Eingangsanschluß IN angeschlossen ist, während sein Kollektor an den Ausgangsanschluß OUT angeschlossen ist. Der Transistor Tl wird an seiner Basis von einer Regelstu-

fe R gesteuert. Diese Regelstufe ist in bekannter Weise ausgebildet und daher nicht weiter dargestellt, üblicherweise besteht sie aus einem Differenzverstärker, der einen bipolaren NPN-Transistor steuert, welcher seinerseits den bipolaren PNP-Leistungstransistör steuern kann; dies ist beispielsweise in Figur 3 auf Seite 444 des Aufsatzes von P. Menniti und S. Storti mit dem Titel "Low Drop Regulator with Overvoltage Protection and Reset Function for Automotive Environment" dargestellt, veröffentlicht in "IEEE Journal of Solid-State Circuits", Band SC-19, Nr. 3, Juni 1984.

Die Regelstufe R hat zwei Eingangsanschlüsse, von denen ein erster invertierend (-) und ein zweiter nicht invertierend (+) ist, einen Ausgangsanschluß sowie einen Anschluß für die Verbindung mit Masse. Der invertierende Anschluß ist über einen Widerstand Rl an den Ausgangsanschluß OUT und über einen Widerstand R2 an Masse angeschlossen. Der nicht invertierende Eingangsanschluß ist mit einer Bezugsspannung VR verbunden. Der Ausgangsanschluß ist an die Basis von Tl angeschlossen.

Die Schaltung gemäß Figur 1 hat außerdem eine Zener-Leistungsdiode Zl, eine erste Leistungsdiode Dl und eine zweite Leistungsdiode D2, die in Reihe miteinander verbunden sind. Dabei ist die Anode von Zl an den Eingangsanschluß IN angeschlossen, sind die Kathoden von Zl und Dl miteinander verbunden, sind die Anode von Dl und die Kathode von D2 gemeinsam an den Ausgangsanschluß OUT angeschlossen und ist die Anode von D2 mit Masse verbunden.

Zwischen dem Ausgangsanschluß OUT und Masse liegt in bekannter Weise eine Spannung Vu an, deren Größe von der Eingangsspannung Vi und von der mit dem Ausgangsanschluß verbundenen Last nur so lange abhängt, wie die Spannung Vi kleiner als ein bestimmter Schwellenwert ist, der für die Schaltung charakteristisch ist und über dem sich am Ausgang eine Gleichspannung VO einstellt, deren Größe sowohl von der Eingangsspannung Vi als auch von der

Last unabhängig ist und nur von der Bezugsspannung VR und der Dimensionierung der Schaltung abhängt, insbesondere vom Verhältnis zwischen den Widerständen Rl und R2. Oberhalb dieses Schwellenwertes, der die untere Grenze des Bereiches eines korrekten Betriebes (und damit auch eines möglichen Einsatzes) des Stabilisators darstellt, arbeitet die Regelstufe R nämlich stabil. Sie vergleicht die Bezugsspannung VR mit einem Bruchteil der Ausgangsspannung Vu, der durch den Spannungsteiler Rl, R2 erhalten wird; im Fall von Abweichungen der Ausgangsspannung von dem vorbestimmten Wert VO steuert sie den Transistor Tl auf einen solchen Grad des Leitens, daß an der Last eine Spannung der Größe VO wiederhergestellt wird.

Während des normalen Betriebes des Stabilisators ist der Transistor Tl eingeschaltet, während die Diode Dl in Sperrichtung vorgespannt ist, so daß die Zenerdiode Zl nicht in den leitenden Zustand kommt. Bei diesen Bedingungen ist auch die Diode D2 ausgeschaltet.

Die Zenerdiode Zl hat eine Zündspannung, die kleiner als die Sperrichtungsdurchbruchspannung des Basis-Emitter-Oberganges von Tl ist, so daß sie Tl gegen negative Überspannungen schützt. Während der Übergänge, bei denen sich negative Überspannungen einstellen, ist der Transistor Tl nämlich ausgeschaltet, und wenn die Spannung V_CE zwischen seinem Kollektor und seinem Emitter gleich der Summe aus der Zündspannung von Zl und der Schwellenspannung von Dl wird, kommen diese Komponenten in den leitenden Zustand und entladen die mit dem Übergang ververbundene Energie, wodurch vermieden wird, daß die Überspannungen Werte annehmen, die den Durchbruch des Basis-Emitter-Überganges von Tl verursachen. Auch die Diode D2 gelangt in den leitenden Zustand, so daß der Entladestrom durch die Diode Dl fließt anstatt durch die Last und den Spannungsteiler Rl, R2.

Eine Schutzeinrichtung gegen negative Überspannungen mit dem beschriebenen Aufbau muß verhältnismäßig hohe Ströme aufnehmen können, so daß sie eine sehr große Fläche einnimmt und damit wirtschaftlich unvorteilhaft ist.

Diese Probleme werden bei der Erfindung dadurch gelöst, daß in den Stabilisator eine Schutzeinrichtung eingebaut wird, die aus einer Zündschaltung besteht, welche den PNP-Transistor Tl in den in inVersen leitenden Zustand steuern kann, wenn die negative überspannung einen vorbestimmten Wert erreicht, der kleiner als der Wert ist, welcher den Durchbruch des Basis-Emitter-Überganges von Tl verursacht. Die an dem übergang auftretende Energie wird auf diese Weise über denselben Transistor Tl entladen, ohne daß zusätzliche Leistungskomponenten erforderlich sind.

Die in Figur 2 gezeigte Schaltung gemäß der Erfindung hat eine Zündschaltung, die aus einer Zenerdiode Z2 und einem PNP-Transistor T2 besteht. Die Anode von Z2 ist an den Eingangsanschluß IN des Stabilisators angeschlossen, während ihre Kathode mit der Basis von T2 verbunden ist. Der Kollektor von T2 ist an den Emitter von Tl und der Emitter von T2 ist an die Basis von Tl angeschlossen.

Bei normalem Betrieb des Stabilisators sind Z2 und T2 ausgeschaltet.

Bei übergängen, in denen sich negative Spannungen einstellen, bleibt der Transistor Tl ausgeschaltet, solange die Spannung zwischen der Kathode und der Anode von Z2 kleiner als der Zündwert ist. Oberhalb dieses Wertes schaltet sich die Zenerdiode Z2 ein und steuert den Transistor T2 und damit auch den Transistor Tl in den leitenden Zustand. Der Basis-Emitter-Übergang von Tl ist in Sperrichtung vorgespannt, während sein Basis-Kollektor-Übergang in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, so daß der Transistor im Bereich inverser Leitung arbeitet.

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Die Zündspannung von Zl ist so bestimmt, daß der Transistor Tl eingeschaltet wird, bevor seine Basis-Emitter-Spannung den Durchbruchwert V^gn erreicht.

Die Transistoren T2 und Tl sind miteinander so verbunden, daß sie eine Darlington-Verbindung bilden, wenn Tl in Sperrichtung leitet. Bekanntlich erhält man mit einer solchen Verbindung eine hohe Stromverstärkung, so daß zum Steuern der Basis von T2 ein verhältnismäßig kleiner Strom dient. Durch die Zenerdiode Z2 fließt daher ein Strom, dessen Stärke bezüglich der Stärke des Stromes vernachlässigbar ist, der durch die Komponenten Zl und Dl der Figur 1 fließt. Auch der Transistor T2 braucht nur einen kleineren Strom als die genannten Komponenten aufzunehmen .

Die in Figur 2 gezeigte Schutzeinrichtung ist von einfachem Aufbau und benötigt, da sie weniger Leistung aufnehmen muß, eine kleinere Fläche als die in Figur 1 gezeigte Schutzeinrichtung, so daß sie billiger ist und mit den übrigen Komponenten des Stabilisators integriert werden kann.

Bei der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform der Erfindung hat die Schutzeinrichtung gegen negative Überspannungen nur eine Zenerdiode, aber sie kann mehr, in Reihe miteinander verbundene Zenerdioden aufweisen, je nach der Zündspannung, die man erhalten will. Darüber hinaus sind weitere Varianten der Zündschaltung möglich, ohne dadurch den Erfindungsgedanken zu verlassen.

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Claims

Patentansprüche

1. Elektronischer Spannungsstabilisator mit einem Eingangsanschluß (IN) für die Verbindung mit einem Generator, der eine Spannung einer bezüglich eines Masseanschlusses ersten Polarität liefert, mit einem Ausgangsanschluß (OUT) für die Verbindung mit einer Last und mit einem dem Eingang und dem Ausgang gemeinsamen Anschluß für die Verbindung mit dem Masseanschluß, umfassend:

eine Regelstufe (R) mit einem ersten Eingangsanschluß (-),
nem zweiten Eingangsanschluß (+) und einem Ausgangsanschluß

ei -

Rückkopplungsmittel (Rl, R2), die mit dem Ausgangsanschluß (OUT) des Stabilisators und dem ersten Eingangsanschluß (-) der Regelstufe (R) verbunden sind,

eine Leistungsendvorrichtung (Tl) mit einem ersten Eingangsanschluß, der an den Eingangsanschluß (IN) des Stabilisators angeschlossen ist, mit einem zweiten Eigangsanschluß, der an den Ausgangsanschluß (OUT) des Stabilisators angeschlossen ist, und mit einem Steueranschluß, der mit dem Ausgangsanschluß der Regelstufe (R) verbunden ist,

eine Schutzeinrichtung (Z2, T2) gegen Übergangs-überspannungen mit einer zur ersten Polarität entgegengesetzten Polarität,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung (Z2, T2) mit dem Steueranschluß der Leistungsendvorrichtung (Tl) verbunden ist und in dieser das Leiten in bezüglich normalem Betrieb entgegengesetzter Richtung zündet, wenn die Übergangs-Überspannungen einen vorbestimmten Wert erreichen.

* 2. Stabilisator nach Anspruch 1, bei dem die Leistungsendvorrichtung einen Leistungstransistor (Tl) hat, dessen Basis mit dem Steueranschluß verbunden ist und der im Inversbereich arbeiten kann, wenn das Leiten der Vorrichtung entgegengesetzt zur Leitungsrichtung bei normalem Betrieb erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung eine Halbleiter-Schaltungseinrichtung aufweist, die zwischen den Eingangsanschluß (IN) des Stabilisators und den Steueranschluß der Leistungsendvorrichtung geschaltet ist und die in den leitenden Zustand gelangt, wenn die Übergangs-Überspannungen den vorbestimmten Wert erreichen.

3. Stabilisator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung einen Transistor (T2) aufweist, dessen Basis mit der Halbleiter-Schaltungseinrichtung verbunden ist, dessen Kollektor mit dem Emitter und dessen Emitter mit der Basis des Leistungstransistors (Tl) verbunden sind.

4. Stabilisator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-Schaltungseinrichtung eine Zenerdiode (Z2) oder in Reihe miteinander verbundene Zenerdioden aufweist, die in Sperrichtung vorgespannt sind, wenn sich die Übergangs-Überspannungen einstellen.

5. Stabilisator nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem der Leistungstransistor (Tl) ein bipolarer PNP-Transistör ist, dessen Emitter den ersten und dessen Kollektor den zweiten Anschluß der Leistungsendvorrichtung bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (T2), der in der Schutzeinrichtung enthalten ist, ein bipolarer PNP-Transi stör ist.

6. Stabilisator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er monolithisch integrierbar ist.