DD260152A1 - INTEGRATABLE CIRCUIT ARRANGEMENT FOR THE PROTECTION OF ELECTRONIC EQUIPMENT FROM OVERVOLTAGE AND OVERCURRENT - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum kombinierten Schutz elektronischer Einrichtungen vor Ueberspannung und Ueberstrom. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass sie den nachfolgenden Schaltungen einen zuverlaessigen Schutz vor Ueberspannung und Ueberstrom bietet. Das wird durch die serielle Kombination eines bidirektionalen Stromfuehlers mit einem bidirektionalen Schalter und durch je eine Graetzgleichrichterschaltung am Eingang und Ausgang der Schaltung, deren Diagonalzweige verbunden einen Ueberspannungsschutz steuern, erreicht. Durchgriffimpulse werden durch Differenzieren mit einer Varistorkapazitaet und Steuerung eines Leistungstransistors durch einen Querstrom verhindert. Die Schaltung kann als Feinschutz fuer alle empfindlichen elektronischen Einrichtungen verwendet werden. Fig. 1The invention relates to a circuit arrangement for the combined protection of electronic devices against overvoltage and overcurrent. The invention is characterized in that it provides the subsequent circuits reliable protection against overvoltage and overcurrent. This is achieved by the serial combination of a bidirectional Stromfuehlers with a bidirectional switch and by a respective Graeltgleichrichterschaltung at the input and output of the circuit whose diagonal branches connected control overvoltage protection. Penetration pulses are prevented by differentiating with varistor capacitance and controlling a power transistor by a cross current. The circuit can be used as fine protection for all sensitive electronic devices. Fig. 1

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum kombinierten Schutz elektronischer Einrichtungen vor Überspannung und Überstrom. Eine solche Schaltungsanordnung wird allgemein als Sekundär- oder Feinschutz bezeichnet, da sie bei Betrieb mit Freileitungen einem Primär- oder Grobschutz nachgeschaltet ist. Als Anwendungsgebiet sind alle die elektronischen Anlagen zu nennen, die an Freileitungen oderTeiifreileitungen betrieben werden, z.B. Fernmeldevermittlungsanlagen, Signalanlagen, Computeranlagen uswThe invention relates to a circuit arrangement for the combined protection of electronic devices against overvoltage and overcurrent. Such a circuit arrangement is generally referred to as secondary or fine protection, since it is followed by a primary or coarse protection during operation with overhead lines. Areas of application are all the electronic systems which are operated on overhead lines or semi-conductors, e.g. Telecommunication exchanges, signal systems, computer systems, etc

Die Schaltungsanordnung läßt sich besonders gut mit dem Leitungstrennschalter des SLIC integrieren. The circuit arrangement can be integrated particularly well with the line disconnector of the SLIC.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Für den sogenannten Grobschutz oder Primärschutz werden Überspannungsableiter auf Glimmstreckenbasis oder Funkenstrecken verwendet. Für den Feinschutz sind drei Grundanordnungen und deren Kombinationen bekannt:For the so-called coarse protection or primary protection surge arresters are used on Glimmstreckenbasis or spark gaps. For fine protection three basic arrangements and their combinations are known:

1. Varistoren in Parallelschaltung zur Spannungsbegrenzung1. varistors connected in parallel to the voltage limitation

2. Einsatz von temperaturabhängigen Widerständen in Reihen- und Parallelschaltung zur Strom- und Spannungsbegrenzung2. Use of temperature-dependent resistors in series and parallel connection for current and voltage limitation

3. Einsatz von Halbleitern wie Transistoren, Thyristoren, Triacs und Dioden in Reihen- und Parallelschaltung zur Strom- und Spannungsbegrenzung.3. Use of semiconductors such as transistors, thyristors, triacs and diodes in series and parallel connection for current and voltage limitation.

Während temperaturabhängige Widerstände eine zu große Zeitkonstante aufweisen um einen idealen Schutz zu bieten, sind Varistoren auf nur einen Spannungswert — die Nennspannung — fixiert. Diese Nennspannung kann im unterschiedlichen Betriebsfall bei kleinen Widerständen schon zu Zerstörungen bestimmter Anlagenteile führen. Ein wirklich ausreichender Schutz empfindlicher elektronischer Geräte ist nur durch kombinierte strom- und spannungsbewertende Halbleiterschaltungen zu erreichen.While temperature-dependent resistors have too large a time constant to provide ideal protection, varistors are fixed to only one voltage value - the rated voltage. This rated voltage can already lead to destruction of certain system components in different operating conditions with small resistances. Really sufficient protection of sensitive electronic devices can only be achieved by combined current and voltage-rated semiconductor circuits.

In der „Elektronik" 10/1985 wird ein dreipoliges Schutzelement der Fa. SGS-Ates Mailand L3100 in L-Schaltung vorgestellt. Aus zwei dieser Elemente ist der Aufbau einer Schutzschaltung möglich, deren Verhältnis möglicher Gleichspannung zu Wechselspannung durch die Teilung in zwei L-Glieder ungünstiger wird und keine galvanische Trennung der Erde erlaubt. Bei der Messung an Leitungen stören Gleichrichteranordnungen, wenn sie keine galvanische Trennung der Erdleitung zulassen.In the "Elektronik" 10/1985 a three-pole protection element of the company SGS-Ates Milan L3100 in L-circuit is presented.From two of these elements the construction of a protection circuit is possible whose ratio of possible DC voltage to AC voltage by the division into two L In the case of measurement on lines, rectifier arrangements are disturbing if they do not permit galvanic isolation of the earth conductor.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Es ist Ziel der Erfindung unter Verwendung einfacher technischer Mittel eine ökonomische Schaltungsanordnung zu schaffen, die sich besonders gut mit dem Leitungstrennschalter des SLIC kombinieren läßt und einen sicheren Schutz vor Überstrom und Überspannung bietet.It is an object of the invention using simple technical means to provide an economical circuit arrangement which can be combined particularly well with the line disconnector of the SLIC and provides reliable protection against overcurrent and overvoltage.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die sich in bestehende elektronische Schaltungen, insbesondere den Leitungstrennschalter des SLIC als Überspannungs-Überstromschutzschaltung integrieren läßt und die Bedingungen nach CCITT, K20, erfüllt. Die Schaltungsanordnung soll im Nennlastfall eine galvanischeTrennung von derThe object of the invention is to provide a circuit arrangement which can be integrated into existing electronic circuits, in particular the line disconnector of the SLIC as an overvoltage overcurrent protection circuit and the conditions according to CCITT, K20 fulfilled. The circuit should in the nominal load case galvanic separation of the

Erde aufweisen, die an den Eingangsklemmen und gegen Erde möglichen Spannungen und Ströme gleich bewerten und ohne Versorgungsspannung auskommen.Earth have the same value at the input terminals and against ground voltages and currents and get along without supply voltage.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in jeder Ader nach einem Sicherungswiderstand ein bidirektionaler Schalter und ein bidirektionaler Stromfühler in Reihe geschaltet sind. Die Stromfühler bestehen jeweils aus zwei npn-Transistoren und einem Stromfühlerwiderstand, der eingangsseitig und ausgangsseitig je mit dem Basisanschluß des einen und mit dem Emitteranschluß des anderen Stromfühlertransistors sowie den Sourceanschiüssen des bidirektionalen Schalters verbunden ist. Zur Verhinderung von inversen Betrieb sind über den Source-Drainanschlüssen Schutzdioden angeordnet. Weiterhin führen die Gateanschlüsse des bidirektionalen Schalters und die Kollektoranschlüsse der Stromfühlertransistoren einerseits und andererseits die Basisanschlüsse der Stromfühlerwiderstände über zwei symmetrische Widerstände zu einer Ansteuerschaltung. Die Kombination aus bidirektionalem Schalter und bidirektionalem Stromfühler gewährleistet, daß der Stromfühlerwiderstand von dem Gesamtstrom in beiden Richtungen durchflossen wird und dabei den bidirektionalen Schalter so weit öffnet, daß sich ein definierter Strom einstellt und auch bei Erhöhung der Spannung konstant gehalten wird. Alle Transistoren lassen sich dabei in einer Dotierungsrichtung ausführen, wobei die Anwendung verschiedener Technologien möglich ist. Die D-MOS-Technik ist besonders vorteilhaft, dabei können die Stromfühlertransistoren als parasitäre Bipolartransistoren ausgeführt werden. Weiterhin ermöglicht die direkte Steuerung, die ohne Verzögerung durch Schaltlogik und zusätzliche Entkopplungsglieder sowie ohne zusätzliche Leistung erfolgt, sinnvolle Schaltzeiten. Am Eingang der Schaltung, nach den Sicherungswiderständen, und am Ausgang der Schaltung ist zwischen den beiden Adern jeweils eine Grätzgleichrichterschaltung angeordnet, deren Diagonalzweige verbunden einen Überspannungsschutz steuern. Der Überspannungsschutz besteht aus einem Leistungstransistor, der mit seiner Kollektor-Emitterstrecke im Diagonalzweig der Grätzgleichrichterschaltung angeordnet ist, parallel dazu befindet sich eine aus zwei Dioden bestehende Reihenschaltung, deren Flußrichtung entgegengesetzt zu der des Leistungstransistors ist und deren mittlere miteinander verbundene Elektroden zu einer Erdbezugsklemme führen. Parallel zur Basis-Kollektorstrecke des Leistungstransistors ist ein Varistor und parallel zur Basis-Emitterstrecke des Leistungstransistors ist eine Schutzdiode mit dazu parallelem Widerstand angeordnet. Durchgriffimpulse, die durch die Eigen- und Millerkapazität der bidirektionalen Schalter (Schalttransistoren) entstehen können, werden dabei durch differenzieren mit der Varistorkapazität und Steuerung des Leistungstransistors durch einen Querstrom verhindert. Die Steuerung erfolgt selbständig und mit geeigneter Zeitkonstante. In gleicher Weise fließt bei Überspannung ein Strom durch den Varistor und löst einen begrenzenden Querstrom aus. Wird der Nennstrom des Transistors überschritten, schützt eine Diode die gefährdete Basisstrecke.According to the invention the object is achieved in that in each vein after a fuse resistor, a bidirectional switch and a bidirectional current sensor are connected in series. The current sensors each consist of two npn transistors and a current sensor resistor, which is connected on the input side and output side respectively to the base terminal of one and to the emitter terminal of the other current sensor transistor and the source terminals of the bidirectional switch. To prevent inverse operation, protective diodes are arranged above the source-drain terminals. Furthermore, the gate terminals of the bidirectional switch and the collector terminals of the current sensor transistors on the one hand and on the other hand, the base terminals of the current sensor resistors via two balanced resistors lead to a drive circuit. The combination of bidirectional switch and bidirectional current sensor ensures that the current sensor resistance is traversed by the total current in both directions, thereby opening the bidirectional switch so far that a defined current is established and maintained constant even when the voltage is increased. All transistors can be carried out in a doping direction, whereby the use of different technologies is possible. The D-MOS technique is particularly advantageous, while the current sensing transistors can be designed as parasitic bipolar transistors. Furthermore, the direct control, which takes place without delay by switching logic and additional decoupling elements and without additional power, allows meaningful switching times. At the input of the circuit, after the fuse resistors, and at the output of the circuit is arranged in each case a Grätzrichtrichterschaltung between the two wires whose diagonal branches connected control overvoltage protection. The overvoltage protection consists of a power transistor, which is arranged with its collector-emitter path in the diagonal branch of the Grätzrichtrichterschaltung, parallel to it is a two-diodes series, whose flow direction is opposite to that of the power transistor and their middle interconnected electrodes lead to a ground terminal. Parallel to the base-collector path of the power transistor is a varistor and parallel to the base-emitter path of the power transistor, a protective diode is arranged with a parallel resistor. Penetration pulses, which can arise due to the intrinsic and miller capacitance of the bidirectional switches (switching transistors), are thereby prevented by differentiating with the varistor capacitance and controlling the power transistor by means of a cross current. The control is independent and with a suitable time constant. In the same way, a current flows through the varistor at overvoltage and triggers a limiting cross-flow. If the rated current of the transistor is exceeded, a diode protects the endangered base line.

Ausführungsbeispielembodiment

Die erfindungsgemäße Schaltung und ihre Wirkungsweise sollen an einem Ausführungsbeispiel in Verbindung mit der Zeichnung Fig. 1 näher erläutert werden.The circuit according to the invention and its mode of action will be explained in more detail on an embodiment in conjunction with the drawing FIG. 1.

In jeder Ader ist nach einem Sicherungswiderstand R1, R 2 ein bidirektionaler Stromfühler und ein bidirektionaler Schalter so kombiniert, daß der Stromfühlerwiderstand R4, R5 von dem Gesamtstrom durchflossen wird. Die als Schaltelemente des bidirektionalen Schalters dienenden Transistoren T2, T3 bzw. T6, T7 sind dabei gegeneinander in Reihenschaltung so angeordnet, daß beide Sourceanschlüsse nicht direkt, sondern über den kleinen Stromfühlerwiderstand R4, R 5 verbunden sind. Die Gateanschlüsse, direkt verbunden, dienen wie üblich zur Steuerung des Schaltzustandes. Da inverser Betrieb der Schalttransistoren nicht möglich sein soll, sind jeweils Schutzdioden D11, D12 bzw. D13, D14 mit den Drain-Sourceanschlüssen so verbunden, daß sie den Gesamtstrom übernehmen können. Erreicht der Spannungsabfall an den Stromfühlerwiderständen R4 bzw. R5 die Schwellenspannung der bipolaren Stromfühlertranistoren T4, T5 bzw. T8, T9, wird unabhängig von der Stromrichtung ein genannter Transistor angesteuert, da Basis und Emitter der Stromfühlertransistoren T4, T5 bzw. T8, T9 mit dem Stromfühlerwiderstand R4 bzw. R 5 verbunden sind. Durch die Verbindung der Gateanschlüsse der Schaltertransistoren T2, T3 bzw. T6, T7 mit den Kollektoranschlüssen der bipolaren Stromfühlertransistoren T4, T5 bzw. T8, T9, werden die Gate-Sourceanschlüsse der Schalttransistoren leitend miteinander verbunden. Die Transistoren erhöhen ihren Widerstand so lange, bis der Strom im Stromfühlerwiderstand auf einen definierten Wert gehalten wird.In each wire, after a fuse resistor R1, R2, a bi-directional current sensor and a bidirectional switch are combined so that the current sensor resistor R4, R5 is traversed by the total current. The serving as switching elements of the bidirectional switch transistors T2, T3 and T6, T7 are arranged against each other in series so that both sources are not directly, but via the small current sensor resistor R4, R 5 are connected. The gate connections, directly connected, are used as usual to control the switching state. Since inverse operation of the switching transistors should not be possible, respective protective diodes D11, D12 and D13, D14 are connected to the drain sources so that they can take over the total current. If the voltage drop across the current sensor resistors R4 and R5 reaches the threshold voltage of the bipolar Stromfühlertranistoren T4, T5 and T8, T9, regardless of the current direction a transistor called, since the base and emitter of the current sensor transistors T4, T5 and T8, T9 with the Current sensor resistor R4 or R 5 are connected. By connecting the gate terminals of the switching transistors T2, T3 and T6, T7 to the collector terminals of the bipolar current sensing transistors T4, T5 and T8, T9, the gate sources of the switching transistors are conductively connected to each other. The transistors increase their resistance until the current in the current sensing resistor is kept at a defined value.

Der kleine Widerstandswert der Stromfühlerwiderstände R 4, R 5 und die Bipolartransistoren T4, T5 bzw. T8, T9 garantieren eine sehr kleine Ausräumzeit der Gates der Schaltertransistoren T2, T3 bzw. T6, T7 und damit eine kleine Zeitkonstante der Schaltung. Die Zuführung der Steuerspannung erfolgt über die symmetrischen Widerstände R6 und R7 bzw. R8 und R9. Die Eingangsschaltung besteht aus einer Grätzgleichrichterschaltung mit den Dioden D1, D2, D3 und D4, mit einem Leistungstransistor T1 als Schaltelement im Diagonalzweig, einem Varistor Va am Kollektor und Basis des Transistors T1 und einer Schutzdiode D15 von Basis nach Emitter desselben.The small resistance of the current sensor resistors R 4, R 5 and the bipolar transistors T4, T5 and T8, T9 guarantee a very small evacuation time of the gates of the switch transistors T2, T3 and T6, T7 and thus a small time constant of the circuit. The supply of the control voltage via the symmetrical resistors R6 and R7 or R8 and R9. The input circuit consists of a Grätzrichtrichterschaltung with the diodes D1, D2, D3 and D4, with a power transistor T1 as a switching element in the diagonal branch, a varistor Va at the collector and base of the transistor T1 and a protective diode D15 of the same emitter.

Die Spannungszuführung zu den Speisepunkten der Gleichrichterschaltung erfolgt über die Sicherungswiderstände R1 und R2. Zur Bildung einer galvanisch getrennten Erdbezugsklemme E sind Dioden D5 und D6 in Reihenschaltung so angeordnet, daß bei hochohmigen Transistor kein Strom über diese Dioden fließen kann. Steigt die Spannung zwischen den Adern und Erde über die Varistorspannung — dabei sind die genannten Punkte gleichberechtigt — wird der Varistor leitend und es fließt ein Basisstrom in den Transistor TI. Der ausgelöste Kollektorstrom begrenzt die Spannung auf einen definierten Wert. Bei Überlastung der Basis des Transistors T1 übernimmt die Schutzdiode D15 den Grenzstrom. Die Kapazität des Varistors Va ist so bemessen, daß die Zeitkonstante des entstehenden Differenziergliedes Varistor Va — Basiswiderstand R3 so groß ist, daß der Transistor die unvermeidbare Durchgriffspannung, die wegen der Drain-Source- und Millerkapazität an den Ausgang der Schalter gelangt, ableitet. Stewird mit der am Ausgang befindlichen Grätzgleichrichterschaltung D7, D8, D9und D10 gleichgerichtet dem Schaltglied der Eingangsbrückenschaltung D1, D2, D3 und D4 zugeführt.The voltage supply to the feed points of the rectifier circuit via the fuse resistors R1 and R2. To form a galvanically isolated earth terminal E diodes D5 and D6 are arranged in series so that when high resistance transistor no current can flow through these diodes. If the voltage between the wires and ground rises above the varistor voltage - the points mentioned are equal - the varistor becomes conductive and a base current flows into the transistor TI. The triggered collector current limits the voltage to a defined value. When overloading the base of the transistor T1, the protective diode D15 takes over the limiting current. The capacitance of the varistor Va is such that the time constant of the resulting differentiating element varistor Va - base resistor R3 is so large that the transistor, the unavoidable forward voltage, which arrives at the output of the switch due to the drain-source and Miller capacitance, derives. Stewird rectified is supplied to the switching element of the input bridge circuit D1, D2, D3 and D4 with the located at the output of the base rectifier circuit D7, D8, D9 and D10.

Claims (1)

Integrierbare Schaltungsanordnung zum Schutz elektronischer Einrichtungen vor Überspannung und Überstrom, dadurch gekennzeichnet, daß in beiden Adern jeweils ein bidirektionaler Stromfühler und ein bidirektionaler Schalter in Reihe geschaltet sind, daß am Eingang, nach jeweils einem Sicherungswiderstand, und am Ausgang der Schaltung je eine Grätzgleichrichterschaltung angeordnet sind, deren Diagonalzweige miteinander verbunden sind, wobei im Diagonalzweig der eingangsseitigen Grätzgleichrichterschaltung mit seiner Kollektor-Emitterstrecke ein Leistungstransistor und eine aus zwei Dioden bestehende Reihenschaltung, deren Flußrichtung entgegengesetzt zu der des Leistungstransistors ist und deren miteinander verbundene Elektroden zu einer Erdbezugsklemme führen, angeordnet sind, wobei parallel zur Basis-Kollektorstrecke des Leistungstransistors ein Varistor und parallel zur Basis-Emitterstrecke des Leistungstransistors eine Schutzdiode und ein Widerstand geschaltet sind, daß die Stromfühler aus jeweils zwei npn-Transistoren und einem Stromfühlerwiderstand bestehen, der eingangsseitig und ausgangsseitig je mit dem Basisanschluß des einen und mit dem Emitteranschluß des anderen Transistors sowie den Sourceelektroden des bidirektionalen Schalters verbunden ist, wobei über den Source-Drainelektroden Schutzdioden angeordnet sind und wo weiterhin einerseits die Gateanschlüsse des bidirektionalen Schalters und die Kollektoranschlüsse der Stromfühlertransistoren und andererseits die Basisanschlüsse der Stromfühlertransistoren über zwei symmetrische Widerstände zu einer Ansteuerschaltung führen.Integrated circuit arrangement for the protection of electronic devices against overvoltage and overcurrent, characterized in that in each of the two wires a bidirectional current sensor and a bidirectional switch are connected in series, that at the input, after each a fuse resistor, and at the output of the circuit are each arranged a Grätzgleichrichterschaltung whose diagonal branches are connected to each other, wherein in the diagonal branch of the input-side Grätzrichtrichterschaltung with its collector-emitter path, a power transistor and a two-diodes series circuit whose flow direction is opposite to that of the power transistor and their interconnected electrodes lead to a ground terminal, are arranged a varistor and parallel to the base-emitter path of the power transistor, a protective diode and a resistor are connected in parallel to the base-collector path of the power transistor, that the Current sensors each consist of two npn transistors and a current sensor resistor which is connected on the input side and output side respectively to the base terminal of one and to the emitter terminal of the other transistor and the source electrodes of the bidirectional switch, wherein protective diodes are arranged above the source-drain electrodes and where further on the one hand lead the gate terminals of the bidirectional switch and the collector terminals of the current sensor transistors and on the other hand, the base terminals of the current sensor transistors via two balanced resistors to a drive circuit. Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing