DE3537920C2 - Stabilisator mit Schutz gegen Übergangs-Überspannungen, deren Polarität entgegengesetzt zur Polarität des Generators ist, insbesondere für die Verwendung in Kraftfahrzeugen - Google Patents

Description

Ein Stabilisator wird zwischen den Gene­ rator und die Last geschaltet, die aus den anderen elektroni­ schen Vorrichtungen des Fahrzeugs besteht, um eine Versor­ gungs-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 Schal­ tung des Kraftfahrzeuges ergeben. Ein starker, negativer Span­ nungsimpuls wird beispielsweise beim Abklingen des zusammenbre­ chenden 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 elektroni­ scher 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 Stabilisa­ tor eingesetzt, dessen Leistungsendstufe aus einem bipolaren PNP-Leistungstransistor besteht. Dieser Stabilisator hat einen hohen Versorgungswirkungsgrad, weil der relative Minimal-Span­ nungsabfall vom Eingang zum Ausgang ("drop-out" oder Abfallspannung) gleich der Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (V_CESAT) des PNP-Transistors ist, was beim gegenwärtigen Stand der Technik die minimal erreichbare Abfallspannung ist.

Der als Endstufe verwendete PNP-Transistor kann ein lateraler PNP-Transistor oder ein vertikaler PNP-Transistor mit isolier­ tem Kollektor sein. Letzterer hat eine größere Stromdichte als ersterer sowie eine höhere Stromverstärkung, so daß sein Ein­ satz vorteilhaft ist, weil er eine kleinere Siliziumfläche ein­ nimmt und am Ausgang des Stabilisators einen höheren Strom ab­ gibt. Allerdings hat ein vertikaler PNP-Transistor mit isolier­ tem Kollektor eine Sperrichtungsdurchbruchspannung des Ba­ sis-Emitter-Überganges (V_EBO), 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 verursa­ chen nämlich den Durchbruch seines Basis-Emitter-Übergangs.

Bei elektronischen Stabilisatoren, deren Leistungsstufe aus ei­ nem 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 er­ läutert wird und die die genannten Überspannungen begrenzt. Die­ se Schutzeinrichtung nimmt jedoch eine sehr große Fläche ein, die mit der Fläche vergleichbar ist, welche der PNP-Leistungs­ transistor benötigt, so daß ihre Kosten verhältnismäßig groß sind und es wirtschaftlich ungünstig ist, in einer einzigen in­ tegrierten Schaltung sowohl die Leistungskomponenten, d. h. den PNP-Transistor und seine Schutzeinrichtung, als auch die übri­ gen Komponenten des Stabilisators einzubauen.

Aus der Druckschrift DE 27 15 330 A1 ist eine Schutzschaltung für einen Spannungsregler bekannt, bei dem in der Masseanschlußleitung des Reglers ein Widerstand vorgesehen ist. Zwischen dem reglerseitigen Ende des Widerstandes und dem Reglereingang ist eine Diode, vorzugsweise eine Zenerdiode angeordnet. Bei einer auftretenden Überspannung wird diese über die Zenerdiode und den Widerstand abgeleitet.

Aus der Druckschrift US-PS 35 71 608 ist eine Schutzschaltung bekannt, die in der Masseanschlußleitung des Reglers einen PNP-Transistor aufweist, der mit seinem Emitter an Masse und mit seinem Kollektor an den Eingang des Reglers angeschlossen ist. Die Basis dieses Transistors ist über eine Zenerdiode und einen Widerstand an den Eingangsanschluß der Schaltung geschaltet.

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

Diese Aufgabe wird durch das im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannte Merkmal gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprü­ che.

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

Es zeigen:

Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltschema eines Spannungsstabili­ sators mit einem bekannten Schutz gegen negative Über­ spannungen und

Fig. 2 ein vereinfachtes Schaltschema eines Spannungsstabili­ sators mit einem Schutz gegen negative Überspannungen gemäß der Erfindung.

In den beiden Figuren werden für übereinstimmende Teile diesel­ ben Bezugszeichen verwendet.

Die in Fig. 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 T1 besteht, der als vertikaler PNP-Transistor mit isoliertem Kollektor ausgebildet ist und des­ sen Emitter an den Eingangsanschluß IN angeschlossen ist, wäh­ rend sein Kollektor an den Ausgangsanschluß OUT angeschlossen ist. Der Transistor T1 wird an seiner Basis von einer Regelstu­ fe R gesteuert. Diese Regelstufe ist in bekannter Weise ausge­ bildet und daher nicht weiter dargestellt. Üblicherweise be­ steht sie aus einem Differenzverstärker, der einen bipolaren NPN-Transistor steuert, welcher seinerseits den bipolaren PNP-Leistungstransistor steuern kann; dies ist beispielsweise in Fig. 3 auf Seite 444 des Aufsatzes von P. Menniti und S. Storti mit dem Titel "Low Drop Regulator with Overvoltage Pro­ tection and Reset Function for Automotive Environment" darge­ stellt, veröffentlicht in "IEEE Journal of Solid-State Circu­ its", Band SC-19, Nr. 3, Juni 1984, S, 442-448.

Die Regelstufe R hat zwei Eingangsanschlüsse, von denen ein er­ ster invertierend (-) und ein zweiter nicht invertierend (+) ist, einen Ausgangsanschluß sowie einen Anschluß für die Verbin­ dung mit Masse. Der invertierende Anschluß ist über einen Wider­ stand R1 an den Ausgangsanschluß OUT und über einen Widerstand R2 an Masse angeschlossen. Der nicht invertierende Eingangsan­ schluß ist mit einer Bezugsspannung VR verbunden. Der Ausgangs­ anschluß ist an die Basis von T1 angeschlossen.

Die Schaltung gemäß Fig. 1 hat außerdem eine Zener-Leistungs­ diode Z1, eine erste Leistungsdiode D1 und eine zweite Lei­ stungsdiode D2, die in Reihe miteinander verbunden sind. Dabei ist die Anode von Z1 an den Eingangsanschluß IN angeschlossen, sind die Kathoden von Z1 und D1 miteinander verbunden, sind die Anode von D1 und die Kathode von D2 gemeinsam an den Ausgangsan­ schluß OUT angeschlossen und ist die Anode von D2 mit Masse ver­ bunden.

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 Verhält­ nis zwischen den Widerständen R1 und R2. Oberhalb dieses Schwel­ lenwertes, der die untere Grenze des Bereiches eines korrekten Betriebes (und damit auch eines möglichen Einsatzes) des Stabi­ lisators darstellt, arbeitet die Regelstufe R nämlich stabil. Sie vergleicht die Bezugsspannung VR mit einem Bruchteil der Ausgangsspannung Vu, der durch den Spannungsteiler R1, R2 erhal­ ten wird; im Fall von Abweichungen der Ausgangsspannung von dem vorbestimmten Wert VO steuert sie den Transistor T1 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 Tran­ sistor T1 eingeschaltet, während die Diode D1 in Sperrichtung vorgespannt ist, so daß die Zenerdiode Z1 nicht in den leiten­ den Zustand kommt. Bei diesen Bedingungen ist auch die Diode D2 ausgeschaltet.

Die Zenerdiode Z1 hat eine Zündspannung, die kleiner als die Sperrichtungsdurchbruchspannung des Basis-Emitter-Überganges von T1 ist, so daß sie T1 gegen negative Überspannungen schützt. Während der Übergänge, bei denen sich negative Ober­ spannungen einstellen, ist der Transistor T1 nämlich ausgeschal­ tet, und wenn die Spannung V_CE zwischen seinem Kollektor und seinem Emitter gleich der Summe aus der Zündspannung von Z1 und der Schwellenspannung von D1 wird, kommen diese Komponenten in den leitenden Zustand und entladen die mit dem Übergang ver­ bundene Energie, wodurch vermieden wird, daß die Überspannun­ gen Werte annehmen, die den Durchbruch des Basis-Emitter-Über­ ganges von T1 verursachen. Auch die Diode D2 gelangt in den lei­ tenden Zustand, so daß der Entladestrom durch die Diode D1 fließt anstatt durch die Last und den Spannungsteiler R1, R2.

Eine Schutzeinrichtung gegen negative Überspannungen mit dem be­ schriebenen 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 T1 in den in inversen leitenden Zustand steuern kann, wenn die negati­ ve Überspannung einen vorbestimmten Wert erreicht, der kleiner als der Wert ist, welcher den Durchbruch des Basis-Emitter-Über­ ganges von T1 verursacht. Die an dem Übergang auftretende Ener­ gie wird auf diese Weise über denselben Transistor T1 entladen, ohne daß zusätzliche Leistungskomponenten erforderlich sind.

Die in Fig. 2 gezeigte Schaltung gemäß der Erfindung hat eine Zündschaltung, die aus einer Zenerdiode Z2 und einem PNP-Tran­ sistor 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 T1 und der Emitter von T2 ist an die Basis von T1 angeschlossen.

Bei normalem Betrieb des Stabilisators sind Z2 und T2 ausge­ schaltet.

Bei Übergängen, in denen sich negative Spannungen einstellen, bleibt der Transistor T1 ausgeschaltet, solange die Spannung zwischen der Kathode und der Anode von Z2 kleiner als der Zünd­ wert ist. Oberhalb dieses Wertes schaltet sich die Zenerdiode Z2 ein und steuert den Transistor T2 und damit auch den Tran­ sistor T1 in den leitenden Zustand. Der Basis-Emitter-Übergang von T1 ist in Sperrichtung vorgespannt, während sein Basis-Kol­ lektor-Übergang in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, so daß der Transistor im Bereich inverser Leitung arbeitet.

Die Zündspannung von Z1 ist so bestimmt, daß der Transistor T1 eingeschaltet wird, bevor seine Basis-Emitter-Spannung den Durchbruchwert V_EBO erreicht.

Die Transistoren T2 und T1 sind miteinander so verbunden, daß sie eine Darlington-Verbindung bilden, wenn T1 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 Z1 und D1 der Fig. 1 fließt. Auch der Transistor T2 braucht nur einen kleineren Strom als die genannten Komponenten aufzuneh­ men.

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

Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform der Erfindung hat die Schutzeinrichtung gegen negative Überspannungen nur eine Ze­ nerdiode, aber sie kann mehr, in Reihe miteinander verbundene Zenerdioden aufweisen, je nach der Zündspannung, die man erhal­ ten will. Darüber hinaus sind weitere Varianten der Zündschal­ tung möglich, ohne dadurch den Erfindungsgedanken zu verlassen.

Claims (6)

1. Stabilisator mit einem Eingangsan­ schluß (IN) für die Verbindung mit einem Generator, der eine Spannung einer bezüglich eines Masseanschlusses ersten Polari­ tät liefert, mit einem Ausgangsanschluß (OUT) für die Verbin­ dung 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 (-), ei­ nem zweiten Eingangsanschluß (+) und einem Ausgangsanschluß,
Rückkopplungsmittel (R1, R2), die mit dem Ausgangsanschluß (OUT) des Stabilisators und dem ersten Eingangsanschluß (-) der Regelstufe (R) verbunden sind,
eine Leistungsendvorrichtung (T1) mit einem ersten Eingangsan­ schluß, der an den Eingangsanschluß (IN) des Stabilisators ange­ schlossen ist, mit einem zweiten Eingangsanschluß, der an den Ausgangsanschluß (OUT) des Stabilisators angeschlossen ist, und mit einem Steueranschluß, der mit dem Ausgangsanschluß der Re­ gelstufe (R) verbunden ist,
eine Schutzeinrichtung gegen Eingangs-Überspannungen mit einer zur ersten Polarität entgegengesetzten Polarität zwischen dem Eingangsanschluß und dem Steueranschluß der Leistungsendvorrichtung,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung das Leiten in der Leistungsendvorrichtung in entgegengesetzter Richtung zum normalen Betrieb veranlaßt, wenn die Eingangs-Überspannung einen vorbestimmten Wert erreicht.

2. Stabilisator nach Anspruch 1, bei dem die Leistungsendvor­ richtung einen Leistungstransistor (T1) hat, dessen Basis mit dem Steueranschluß verbunden ist und der im Inversbereich arbei­ ten 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 Ein­ gangsanschluß (IN) des Stabilisators und den Steueranschluß der Leistungsendvorrichtung geschaltet ist und die in den leitenden Zustand gelangt, wenn die Eingangs-Überspannungen den vorbe­ stimmten Wert erreichen.

3. Stabilisator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung einen Transistor (T2) aufweist, dessen Ba­ sis mit der Halbleiter-Schaltungseinrichtung verbunden ist, dessen Kollektor mit dem Emitter und dessen Emitter mit der Ba­ sis des Leistungstransistors (T1) 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 Eingangs-Über­ spannungen einstellen.

5. Stabilisator nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem der Leistungstransistor (T1) ein bipolarer PNP-Transistor ist, des­ sen Emitter den ersten und dessen Kollektor den zweiten An­ schluß der Leistungsendvorrichtung bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (T2), der in der Schutzeinrichtung enthalten ist, ein bipolarer PNP-Tran­ sistor ist.

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