DE10048433B4

DE10048433B4 - Lastbetätigungsschaltkreis

Info

Publication number: DE10048433B4
Application number: DE10048433A
Authority: DE
Inventors: Hirokazu Kariya Itakura; Junichi Kariya Nagata
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 2000-09-29
Publication date: 2011-02-24
Anticipated expiration: 2020-09-30
Also published as: ITMI20002106A1; DE10048433A1; JP2001168697A; JP3637848B2; IT1318942B1; US6396249B1; ITMI20002106A0

Abstract

Ein Lastbetätigungsschaltkreis mit:
einem Ausgangstransistor (To) zur Zufuhr eines Laststromes an eine Last (2);
einem Erkennungstransistor (Ts) zum Erkennen des durch den Ausgangstransistor (To) fließenden Laststromes;
einem ersten Transistor (T1), der in Serie mit dem Erkennungstransistor (Ts) geschaltet ist und zusammen mit dem Erkennungstransistor (Ts) parallel zu dem Ausgangstransistor (To) geschaltet ist, so dass ein Strom proportional zum Laststrom durch den Ausgangstransistor (To) fließt; und
einem zweiten Transistor (T2) zum Bilden eines Stromspiegelschaltkreises in Verbindung mit dem ersten Transistor (T1), wobei
Steueranschlüsse des Ausgangstransistors (To) und des Erkennungstransistors (Ts) elektrisch miteinander so verbunden sind, dass der Ausgangstransistor (To) und der Erkennungstransistor (Ts) ungefähr gleichzeitig in Antwort auf ein Steuersignal zur Betätigung der Last (2) betrieben werden, wobei ein Spannungspegel am Steueranschluss des Ausgangstransistors (To) durch einen Strom geändert wird, der durch den zweiten Transistor (T2) fließt, um den Laststrom auf einen bestimmten Wert zu begrenzen,...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Lastbetätigungsschaltkreis zum Betreiben oder Antreiben einer Last; insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Lastbetätigungsschaltkreis, der eine Funktion dahingehend hat, einen Grenzwert eines Laststromes unterhalb eines bestimmten Stromwertes festzulegen.
Ein Lastbetätigungsschaltkreis, der dafür ausgelegt ist, einen Laststrom zu begrenzen, wenn der Laststrom in einen überhohen Stromzustand verfällt, ist bislang beispielsweise aus der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung (HEI) 2-226808 bekannt, bei der ein Stromerkennungstransistor vorgesehen ist (der nachfolgend als ”Erkennungstransistor” bezeichnet wird), mit einem MOS-Transistor, dessen Drain bzw. Gate mit Drain bzw. Gate eines MOS-Transistors in Form von ”common lines” verbunden ist und der einen Ausgangstransistor bildet, wobei die Gates und ein Transistor (der nachfolgend als ”erster Transistor” bezeichnet ist) einen Stromspiegelschaltkreis bilden, der auf der Source-Seite dieses Erkennungstransistors angeordnet ist, so daß ein durch den Ausgangstransistor in eine Last fließender Laststrom unterhalb eines bestimmten Wertes begrenzt wird, in dem eine Gatespannung des Ausgangstransistors abhängig von einem Strom gesteuert bzw. geregelt wird, der durch den anderen Transistor fließt, der den gleichen Stromspiegelschaltkreis mit betreibt (und der nacholgend als ”zweiter Transistor” bezeichnet wird).
Es ergibt sich ein Problem immer dann bei dem Lastbetätigungsschaltkreis gemäß dieser Veröffentlichung, insofern, als, da das Gate des Ausgangstransistors und das Gate des Erkennungstransistors über einen Widerstand verbunden sind oder direkt miteinander verbunden sind, eine Schwierigkeit beim Einstellen der Übereinstimmung zwischen der Gate/Source-Spannung des Ausgangstransistors und der Gate/Source-Spannung des Erkennungstransistors vorhanden ist, was keine Übereinstimmung in den Betriebspunkten zwischen diesen Transistoren bewirken kann.
Mit anderen Worten, der erste Transistor, der den Stromspiegelschaltkreis bildet, ist mit der Source-Seite des Erkennungstransistors verbunden, wohingegen kein Transistor mit der Source-Seite des Ausgangstransistors verbunden ist; daher tritt ein Spannungsabfall (in einem Fall, in welchem der erste Transistor ein bipolarer Transistor ist, beträgt die Vorwärtsspannung Vf am P/N-Übergang annähernd 0,7 V), der sich aufgrund eines Stroms aufbaut, der durch den ersten Transistor fließt, zwischen den elektrischen Source-Potentialen dieser Transistoren auf, wodurch eine Differenz im Betriebspunkt zwischen dem Ausgangstransistor und dem Erkennungstransistor bewirkt wird.
Das Auftreten eines Betriebspunkt-Unterschiedes macht es schwierig, einen Laststrom präzise zu erfassen, der von dem Erkennungstransistor zum Ausgangstransistor fließt, so daß eine hochgenaue Strombegrenzung nicht möglich ist.
Als Lastbetätigungsschaltkreis, der in der Lage ist, ein derartiges Problem zu beseitigen, hat die Anmelderin der vorliegenden Anmeldung bereits eine Schaltkreisanordnung vorgeschlagen, bei der eine Spannungsabfallvorrichtung zwischen einem Gate eines Ausgangstransistors und einem Gate eines Erkennungstransistors angeordnet ist, um einen Spannungsabfall gleich demjenigen in einem ersten Transistor zu erzeugen ( japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung (HEI) 10-32475 ).
Bezugnehmend auf 15 der beigefügten Zeichnung erfolgt nachfolgend eine Beschreibung eines Beispiels dieses bereits vorgeschlagenen Lastbetätigungsschaltkreises.
15 zeigt einen Lastbetätigungsschaltkreis, in welchem ein N-Kanal-MOS-Transistor sowohl als Ausgangstransistor To und als Erkennungstransistor Ts verwendet wird und die Drain des Ausgangstransistors To ist über einen Ausgangsanschluß 4 mit einem Anschluß einer Last 2 in Verbindung, deren anderer Anschluß zur Aufnahme einer positiven Energieversorgungsspannung von dem positiven Anschluß (Elektrode) einer Direktstom-Energieversorgungsquelle zur Lastbetätigung dient, wohingegen die Source des Ausgangstransistors To über einen Ausgangsanschluß 6 mit Masse verbunden ist, d. h. im elektrischen Potential gleich dem negativen Anschluß (Elektrode) der DC-(Gleichspannungs-)Energieversorgung, so daß der Ausgangstransistor To als sogenannter niedrigseitiger Schalter (low-side switch) arbeitet.
Zusätzlich ist, wie 15 zeigt, bei dem erwähnten und bereits vorgeschlagenen Lastbetätigungsschaltkreis die Drain des Erkennungstransistors Ts mit der Drain des Ausgangstransistors To verbunden und die Source des Erkennungstransistors Ts ist mit der Source des Ausgangstransistors To über einen Transistor (ersten Transistor) Ta verbunden, der einen Stromspiegelschaltkreis 10 bildet, wobei der andere Transistor (zweiter Transistor) Tb des gleichen Stromspiegelschaltkreises 10 zwischen das Gate und die Source des Ausgangstransistors To geschaltet ist und eine Spannungsabfallvorrichtung 20, welche einen Spannungsabfall im ersten Transistor Ta aufgrund eines Stroms proportional zu einem Laststrom erzeugt, der durch den Erkennungstransistor To fließt und den ersten Transistor Ta erreicht, ist zwischen die Gates des Ausgangstransistors To und des Erkennungstransistors Ts geschaltet.
Wenn bei dem vorgeschlagenen Lastbetätigungsschaltkreis gemäß obiger Beschreibung ein Laststrom durch den Ausgangstransistor To fließt, stimmt die Drain/Source-Spannung des Ausgangstransistors To mit der Drain/Source-Spannung des Erkennungstransistors Ts überein, um einen Strom proportional zu dem Laststrom zu bewirken, der mit Gewissheit in den Erkennungstransistor Ts fließt; im Vergleich zu dem Fall, in welchem die Drains des Ausgangstransistors To und des Erkennungstransistors Ts direkt miteinander verbunden sind, oder miteinander in einem Zustand verbunden sind, in welchem ein Widerstand zwischengeschaltet ist, ist der durch den Ausgangstransistor To fließende Laststrom mit höherer Genauigkeit beschränkbar.
Im Falle des voranstehenden bereits vorgeschlagenen Lastbetätigungsschaltkreises gemäß 15 ist jedoch ein Konstantspannungsschaltkreis 50 vorgesehen, um eine Konstantspannung aus einer Energieversorgungsspannung zu erzeugen, welche von außen über einen Energieversorgungsanschluß 8 zugeführt wird, so daß die von dem Konstantspannungsschaltkreis 50 erzeugte Konstantspannung 50 über einen Widerstand Ra einem Steueranschluß (konkret: Gate) des Erkennungstransistors Ts angelegt wird, so daß der Ausgangstransistor To und der Erkennungstransistor Ts mit der Konstantspannung betätigt werden; aufgrund der Nichtgleichförmigkeit des Ausgangstransistors To oder des Widerstandes Ra (Temperaturabhängigkeit etc.), besteht die Wahrscheinlichkeit, daß Schwierigkeiten bei der Steuerung des Laststromes zu erwarten sind, der durch den Ausgangstransistor To fließt, wenn dieser auf einen fest- oder ausgelegten Wert gesteuert werden soll.
Genauer gesagt, wie aus der VGS-ID-Charakteristikkurve gemäß 16 zu erkennen ist (Gate/Source-Spannung gegenüber Drain-Strom), steigt ein Laststrom (genauer gesagt ein Drain-Strom) ID, der durch den Ausgangstransistor To fließt, mit einem Anstieg der Gate/Source-Spannung VGS rapide an.
In dem Lastbetätigungsschaltkreis gemäß 15 hängt ein von dem Konstantspannungsschaltkreis 50 über den Widerstand Ra zur Gate-Seite des Erkennungstransistors Ts gelieferter Strom von einem Widerstandswert des Widerstandes Ra und einer Spannung über dem Widerstand Ra ab, so daß er absinkt, wenn die Gate/Source-Spannung VGS des Ausgangstransistors To zunimmt. Aus diesem Grund nimmt ein Speisestrom (im Detail: ein Umwandlungswert dieses Stromes in einen Drain-Strom ID) von dem Konstantspannungsschaltkreis 50 zu dem zweiten Transistor Tb des Stromspiegelschaltkreises 10 ebenfalls ab, wenn die Gate/Source-Spannung VGS des Ausgangstransistors To anwächst, wie durch die Speisestromcharakteristik gemäß der durchgezogenen Linie in 16 dargestellt.
Zusätzlich, wenn in dem Lastbetätigungsschaltkreis gemäß 15 ein Strom (ein Strom proportional zum Laststrom), der vom Erkennungstransistor Ts zum ersten Transistor Ta des Stromspiegelschaltkreises 10 fließt, den zweiten Transistor Tb nicht versorgt, sinkt die Gate-Spannung des Ausgangstransistors To ab, um den Laststrom (Drain-Strom Id) auf den Stromwert zu diesem Zeitpunkt zu begrenzen, so daß die Grenzwerte des Laststromes Drain-Strom-Werte ID an den Schnittstellen der MOS-Transistor-VGS-ID-Charakteristik und der Speisestromcharakteristik werden (in 16 mit den schwarzen Punkten bezeichnet).
Wie durch die gestrichelten Linien in 16 dargestellt, ändert sich die MOS-Transistor-VGS-ID-Charakteristik abhängig von der Ungleichförmigkeit der Charakteristik des MOS-Transistors selbst oder seiner Temperaturvariation oder -fluktuation und die Speisestromcharakteristik von dem Konstantspannungsschaltkreis 50 zum Stromspiegelschaltkreis 10 ändert sich mit der Ungleichförmigkeit der Charakteristik des Widerstandes Ra oder der Transistoren Ta bzw. Tb, welche den Stromspiegelschaltkreis 10 bilden, oder abhängig von Temperaturänderungen.
Obgleich somit der voranstehend genannte und bereits vorgeschlagenen Lastbetätigungsschaltkreis es erlaubt, daß ein Strom proportional zu einem Laststrom durch den Ausgangstransistor To über den Erkennungstransistor Ts dem ersten Transistor Ta des Stromspiegelschaltkreises 10 zugeführt wird, ändert sich der durch den Stromspiegelschaltkreis 10 beschränkbare oder begrenzbare Laststrom aufgrund von Ungleichförmigkeiten eines jeden der genannten Schaltkreiselemente oder aufgrund von dortigen Temperaturschwankungen, was es schwierig macht, den durch den Ausgangstransistor To fließenden Laststrom auf einen gewünschten Wert einzustellen.
Infolgedessen wurde die vorliegende Erfindung gemacht, um die oben erwähnten Probleme zu beseitigen und somit ist es Aufgabe der Erfindung, einen Lastbetätigungsschaltkreis zu schaffen, der in der Lage ist, einen Laststrom auf einen Wert unterhalb eines bestimmten Wertes mit hoher Genauigkeit zu begrenzen, ohne daß Einflüsse durch Ungleichförmigkeiten in den Betriebscharakteristiken der Schaltkreiselemente und/oder aufgrund von Temperaturschwankungen zu erwarten sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale vor; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist konkret ein Lastbetätigungsschaltkreis, wie er insbesondere in 7 der beigefügten Zeichnung und zugehöriger Beschreibung dargestellt und beschrieben ist; die nachfolgende Beschreibung der Erfindung nimmt jedoch auch Bezug auf andere Ausgestaltungsformen, welche nicht unmittelbar zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung gehören, jedoch von Fall zu Fall in vorteilhafter Weise mit dem Erfindungsgegenstand kombiniert werden können und von daher als zur vorliegenden Offenbarung gehörig betrachtet werden.
Bei einem Lastbetätigungsschaltkreis gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Konstantstrom von einem Konstantstromschaltkreis einem Ausgangstransistor und einem Erkennungstransistor zugeführt werden. Somit wird sowohl der Ausgangstransistor als auch der Erkennungstransistor mit dem Konstantstrom betrieben und es besteht keine Notwendigkeit, einen Widerstand im Zuleitungspfad des Betreiberstroms anzuordnen. Dies kann verhindern, daß ein durch den Ausgangstransistor fließender Laststrom sich aufgrund von Ungleichförmigkeiten des Widerstandes oder aufgrund von Temperatur-änderungen selbst ändert. Infolge dessen kann die vorliegende Erfindung Änderungen des beschränkbaren Laststromes aufgrund von ungleichförmigen Charakteristiken der Schaltkreiselemente und/oder aufgrund von Temperaturschwankungen hiervon vermeiden, so daß der Laststrom auf einen Wert unterhalb eines bestimmten Wertes mit hoher Genauigkeit beschränkt werden kann.
Bei einem Lastbetätigungsschaltkreis kann etwa gemäß 1 der beigefügten Zeichnung ein Serienschaltkreis bestehend aus einem Erkennungstransistor Ts und einem ersten Transistor Ta parallel mit einem Ausgangstransistor To geschaltet sein, um einen Laststrom einer Last 2 zuzuführen und eine Spannungsabfallvorrichtung 20, welche dafür ausgelegt ist, einen Spannungsabfall zu erzeugen, der im wesentlichen gleich einem Spannungsabfall im ersten Transistor ist, wenn ein Strom proportional zum Laststrom durch den Erkennungstransistor Ts fließt, ist zwischen den Steueranschlüssen des Ausgangstransistors To und des Erkennungstransistors Ts angeordnet (in 1 zwischen den Gates dieser Transistoren). Zusätzlich ist ein Konstantstromschaltkreis 30, der zur Zufuhr eines Konstantstromes IC als Steuersignal für die Lastbetätigung ausgelegt ist, mit dem Steueranschluß (in 1 dem Gate) des Erkennungstransistors Ts verbunden, wohingegen ein zweiter Transistor Tb, der einen Stromspiegelschaltkreis 10 zusammen mit dem ersten Transistor Ta bildet und einen Spannungspegel (in 1 eine Gate-Spannung) am Steueranschluß des Erkennungstransistors Ts durch die Verwendung eines Stromes proportional zum Laststrom durch den Erkennungstransistor Ts ändert, mit dem Steueranschluß (in 1 dem Gate) des Ausgangstransistors To verbunden ist.
Bei diesem Lastbetätigungsschaltkreis kann nicht nur ein Betrieb der Spannungsabfallvorrichtung 20 eine Entsprechung oder Übereinstimmung im Betriebspunkt zwischen dem Ausgangstransistor To und dem Erkennungstransistor Ts wie im Falle des bekannten Lastbetätigungsschaltkreises von 15 erzeugen, sondern auch der Konstantstrom Ic kann als Steuersignal zum Einschalten des Ausgangstransistors To vom Konstantstromschaltkreis 30 an den Steueranschluß des Erkennungstransistors Ts zugeführt werden, so daß der Laststrom konstant wird, wenn der zweite Transistor Tb den Ausgangstransistor abschaltet.
Mit anderen Worten, wie in 1 gezeigt, wird in einem Fall, in welchem sowohl der Ausgangstransistor To als auch der Erkennungstransistor Ts unter Verwendung eines N-Kanal-MOS-Transistors wie im Falle des bekannten Schlaltkreises von 15 aufgebaut ist und ein Konstantstrom Ic als Lastbetätigungs-Steuersignal von dem Konstantstromschaltkreis 30 dem Steueranschluß des Erkennungstransistors Ts zugeführt wird, wie aus der Speisestromcharakteristik gemäß der durchgezogenen Linie in 2 zu sehen, der Strom (genauer gesagt ein Umwandlungswert dieses Stromes in einen Laststrom-Drain-Strom ID), der vom Konstantstromschaltkreis 30 dem Stromspiegelschaltkreis 10 zugeführt wird, nahezu konstant, bis die Gate/Source-Spannung VGS des Ausgangstransistors To einen bestimmten Spannungswert erreicht, bei dem die Erzeugung des Konstantstromes Ic von der Energieversorgungsspannung, welche von außen über den Energieversorgungsanschluß 8 zugeführt wird, in dem Konstantstromschaltkreis 30 ungeeignet wird.
Bei diesem Lastbetätigungsschaltkreis wird, wie in 2 gezeigt, somit auch dann, wenn die VGS-IC-Charakteristik des MOS-Transistors sich aufgrund von Ungleichförmigkeiten in den Betriebseigenschaften des MOS-Transistors selbst oder aufgrund von Temperaturänderungen ändert, der Laststrom (der Drainstrom ID) der über den Stromspiegelschaltkreis 10 beschränkbar wird, nahezu konstant.
Infolge dessen kann dieser Lastbetätigungsschaltkreis verhindern, daß sich der Grenzwert des Laststromes, der über den Stromspiegelschaltkreis 10 beschränkbar oder begrenzbar ist, sich aufgrund von Ungleichförmigkeiten der Betriebseigenschaften der Schaltkreiselemente, beispielsweise des Ausgangstransistors To ändert, was im Gegensatz zum Lastbetätigungsschaltkreis von 15 nach dem Stand der Technik ist, so daß eine hochgenaue Beschränkung oder Begrenzung des Laststromes erhaltbar ist.
Obgleich in dem Lastbetätigungsschaltkreis von 1 ein N-Kanal-MOS-Transistor als Ausgangstransistor To und Erkennungstransistor Ts verwendet wird und die Drain des Ausgangstransistors To über den Augangsanschluß 4 mit einem Anschluß der Last 2 verbunden ist, deren anderer Anschluß eine positive Energieversorgungsspannung vom positiven Anschluß der Lastbetätigungs-Gleichstromenergiequelle empfängt, wohingegen die Source des Ausgangstransistors To über den Ausgangsanschluß 6 mit Masse gleich einem elektrischem Potential der negativen Anschlußseite der Gleichstrom-Energiequelle verbunden ist, so daß der Ausgangstransistor To als sogenannter niedrigseitiger Schalter (Low-Side-Switch) wirkt, ist es beispielsweise in einem Fall, in welchem der Lastbetätigungsschaltkreis als Lastbetätigungsschaltkreis des hochseitigen Typs (High-Side-Type load actuation circuit) gemäß 1 aufgebaut ist, möglich, daß der Ausgangstransistor To und der Erkennungstransistor Ts durch einen bipolaren NPN-Transistor aufgebaut werden.
Zusätzlich ist es in einem Fall, in welchem der Lastbestätigunsschaltkreis als sogenannter hochseitiger Lastbetätigungsschaltkreis aufgebaut ist, bei welchem der Ausgangstransistor To in einem Strompfad liegt, der vom positiven Anschluß der Gleichspannungsenergiequelle zur Last 2 verläuft, weiterhin akzeptabel, daß beispielsweise der Ausgangstransistor To und der Erkennungstransistor Ts durch einen P-Kanal-MOS-Transistor oder einen bipolaren PNP-Transistor aufgebaut werden.
Im Falle der Verwendung eines MOS-Transistors für den Ausgangstransistor To und den Erkennungstransistor Ts kann im Vergleich zu einem bipolaren Transistor der MOS-Transistor einen höheren Strom führen, so daß ein höherer Laststrom der Last zugeführt werden kann. In diesem Fall sind bevorzugt die Drains des Ausgangstransistors To und des Erkennungstransistors Ts miteinander verbunden, wohingegen die Gates, das heißt die Steueranschlüsse dieser Transistoren To und Ts über die Spannungsabfallvorrichtung 20 miteinander verbunden sind.
Weiterhin, was die Verwendung eines MOS-Transistors für den Ausgangstransistor To und den Erkennungstransistor Ts betrifft, da ein N-Kanal-MOS-Transistor für gewöhnlich einen höheren Strom führt, als ein P-Kanal-MOS-Transistor, ist es bevorzugt, daß der Ausgangstransistor To und der Erkennungstransistor Ts jeweils aus einem N-Kanal-MOS-Transistor aufgebaut werden. Nebenbei gesagt, in diesem Fall bringt der Konstantstromschaltkreis 30 einen Konstantstrom Ic in das Gate des Erkennungstransistors Ts ein, während der zweite Transistor Tb den Konstantstrom Ic empfängt oder aufnimmt, der von dem Konstantstromschaltkreis 30 über die Spannungsabfallvorrichtung 20 dem Gate des Ausgangstransistors To zugeführt wird.
Weiterhin ist bei der Verwendung des MOS-Transistors als Ausgangstransistor To beim Verschwinden des Ausgangs des Konstantstromes Ic von dem Konstantstromschaltkreis 30 zum Abschalten des Ausgangstransistors To die Entladung der elektrischen Ladung, welche sich in der parasitären Kapazität des MOS-Transistors gesammelt hat, der den Ausgangstransistor To bildet, zeitaufwendig und der Ausgangstransistor To kann nicht schnell abschalten. Aus diesem Grund ist es in dem voranstehenden Lastbetätigungsschaltkreis bevorzugt, daß zusätzlich eine Entladungsvorrichtung vorgesehen ist, um die elektrische Ladung vom Gate des Ausgangstransistors beim Abschalten des Ausgangstransistors To zu entladen. Dies kann den Ausgangstransistor To zum Zeitpunkt des Beendens der Stromzufuhr zur Last 2 prompt abschalten, um den Laststrom ebenfalls prompt zu unterbrechen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der erste Transistor Ta und der zweite Transistor Tb, welche den Stromspiegelschaltkreis 10 bilden, aus einem bipolaren Transistor aufgebaut sind oder daß sie mittels eines MOS-Transistors realisiert werden.
Für den Fall der Verwendung eines bipolaren Transistors für die ersten und zweiten Transistoren Ta und Tb werden bevorzugt die Basen dieser bipolaren Transistoren in einer gemeinsamen Form verbunden und die Emitter hiervon werden ebenfalls miteinander verbunden, wobei der Kollektor des bipolaren Transistors, der den ersten Transistor Ta bildet, mit den Basen verbunden ist, welche mit dem Erkennungstransistor Ts und gemeinsam zusammengefaßt sind, während des Kollektor des bipolaren Transistors, der den zweiten Transistor Tb bildet, mit dem Steueranschluß des Ausgangstransistors To verbunden ist.
Bei der Verwendung von bipolaren Transistoren für die ersten und zweiten Transistoren Ta und Tb ist die Spannungsabfallvorrichtung 20 bevorzugt mittels einer Halbleitervorrichtung aufgebaut, beispielsweise einer Diode, welche an einem PN-Übergang eine Vorwärtsspannung erzeugt. Die Verwendung einer derartigen Halbleitervorrichtung für die Spannungsabfallvorrichtung 20 kann einen Spannungsabfall ähnlich dem Spannungsabfall im zweiten Transistor Tb erzeugen, so daß eine Übereinstimmung im Betriebspunkt zwischen dem Ausganstransistor To und dem Erkennungstransistor Ts erhalten wird.
Andererseits ist es im Falle der Verwendung eines MOS-Transistors für die ersten und zweiten Transistoren Ta und Tb bevorzugt, daß die Gates des ersten und zweiten Transistors Ta und Tb gemeinsam zusammengefaßt werden und die Sources hiervon ebenfalls miteinander verbunden werden, wobei die Drain des MOS-Transistors, der den ersten Transistors Ta bildet, mit den Gates verbunden ist, welche mit dem Erkennungstransistor Ts und gemeinsam zusammengefaßt sind, während die Drain des MOS-Transistors, der den zweiten Transistor Tb realisiert, mit dem Steueranschluß des Ausgangstransistors To verbunden ist.
Bevorzugt ist bei der Verwendung eines MOS-Transistors für die ersten und zweiten Transistoren Ta und Tb die Spannungsabfallvorrichtung 20 unter Verwendung des gleichen MOS-Transistors realisiert, so daß ein Spannungsabfall aufgrund der vorliegenden Gate/Source-Spannung erfolgt. Der Aufbau der Spannungsabfallvorrichtung 20 auf diese Weise kann einen Spannungsabfall gleich dem Spannungsabfall im zweiten Transistor Tb bestehend aus einem MOS-Transistor erzeugen, so daß eine Übereinstimmung im Betriebspunkt zwischen dem Ausgangstransistor To und dem Erkennungstransistor Ts erhalten wird.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn der Konstantstromschaltkreis aus einem dritten Transistor und einem vierten Transistor gebildet wird, welche einen Stromspiegelschaltkreis bilden, wobei eine Konstantstromquelle zusammen mit dem dritten Transistor zwischen die positiven und negativen Energieversorgungsleitungen zur Zufuhr eines Konstantstromes Ic an den dritten Transistor geschaltet ist, wobei der vierte Transistor mit dem Steueranschluß des Erkennungstransistors Ts verbunden ist, so daß ein Konstantstrom Ic proportional zu einem Strom, der durch den dritten Transistor fließt, über den vierten Transistor dem Steueranschluß des Erkennungstransistors Ts zugeführt wird.
Diese Anordnung des Konstantstromschaltkreises 30 ermöglicht es, daß die Zufuhr- oder Speisespannung an die Konstantstromquelle der Energieversorgungsspannung entspricht, welche an die positiven und negativen Energieversorgungsleitungen angelegt wird, wobei dies unabhängig von Spannungsänderungen am Steueranschluß des Erkennungstransistors Ts ist, was wiederum die Zufuhr eines stabilen Konstantstromes Ic über den vierten Transistor an den Steueranschluß des Erkennungstransistors Ts erlaubt.
Bei dieser Anordnung des Konstantstromschaltkreises 30 können weiterhin die dritten und vierten Transistoren, welche den Stromspiegelschaltkreis aufbauen, durch jeweils einen bipolaren Transistor oder einen MOS-Transistor verwirklicht werden, wie im Fall der ersten und zweiten Transistoren Ta und Ts, welche den oben erwähnten laststrombegrenzenden Stromspiegelschaltkreis 10 bilden.
Im Falle der Verwendung eines bipolaren Transistors für den dritten und vierten Transistor werden die Basen dieser beiden Transistoren miteinander zusammengeführt und die Emitter hiervon werden ebenfalls in gemeinsamer Weise zusammengeführt, wobei der Kollektor des bipolaren Transistors, der den dritten Transistor bildet, mit den Basen verbunden ist, welche gemeinsam und mit der Konstantstromquelle verbunden sind, während der Kollektor des bipolaren Transistors, der den vierten Transistor bildet, mit dem Steueranschluß des Erkennungstransistors Ts verbunden ist.
Im Falle des Aufbaus der dritten und vierten Transistoren unter Verwendung der bipolaren Transistoren, kann die Kollektor/Ermitter-Spannung des vierten Transistors schwanken, so daß ein Strom, der vom Konstantstromschaltkreis 30 der Steueranschlußseite des Erkennungstransistors Ts zugeführt wird, aufgrund des Early-Effekts des vierten Transistors Schwankungen aufweist.
Der Early-Effekt des bipolaren Transistors bedeutet, daß bei einem Anwachsen der Kollektor/Ermitter-Spannung die Verarmungsschicht am Kollektor-Basis-Übergang sich in Richtung der Basisbereichseite erweitert, um die wirksame Basisbreite zu verringern, wodurch der Kollektorstrom erhöht wird. Wenn somit die Steueranschlußspannung des Erkennungstransistors Ts (des Ausgangstransistors To) abnimmt, wird der zum Steueranschluß des Erkennungstransistors Ts geförderte Strom größer. Wenn somit der Early-Effekt im vierten Transistor auftritt, zeigt die Charakteristik des Zufuhr- oder Speisesstromes eine leichte Neigung, wie durch die strichpunktierte Linie in 2 gezeigt und wenn die Gate/Source-Spannungs VGS anwächst, nimmt der begrenzbare Laststrom (Drainstrom ID) ab.
Um dieses Problem zu vermeiden, ist es bevorzugt, daß ein fünfter Transistor und ein sechster Transistor jeweils mit einem bipolaren Transistor identisch zum vierten Transistor und mit einer Funktion zur Aufhebung des Early-Effekts für den vierten Transistor vorgesehen sind.
Genauer gesagt, bei diesem Aufbau ist somit in dem Konstantstromschaltkreis 30, der in dem Lastbetätigungsschaltkreis 30 enthalten ist, ein fünfter Transistor vorhanden, dessen Basis mit dem Kollektor des vierten Transistors vebunden ist, dessen Emitter mit dem Emitter des vierten Transistors verbunden ist und dessen Kollektor mit der Energieversorgungsleitung zu der Konstantstromquelle auf der gegenüberliegenden Seite des dritten Transistors verbunden ist, sowie ein sechster Transistor vorhanden, dessen Emitter mit dem Kollektor des vierten Transistors verbunden ist, dessen Basis mit dem Kollektor des fünften Transistors verbunden ist, und dessen Kollektor mit dem Steueranschluß des oben erwähnten Erkennungstransistors verbunden ist, so daß ein Konstantstrom Ic proportional zu einem Strom, der durch einen dritten Transistor fließt, durch den sechsten Transistor dem Steueranschluß des Erkennungstransistors Ts zugeführt wird.
Bei dem Lastbetätigungsschaltkreis mit diesem Aufbau ist es auch bei der Verwendung von bipolaren Transistoren für den dritten und vierten Transistor, welche den Stromspiegelschaltkreis bilden, möglich, daß die Kollektor/Emitter-Spannung des vierten Transistors auf die Basis/Emitter-Vorwärtsspannung Vf (annähernd 0,7 V) des fünften Transistors festgelegt wird, um den Early-Effekt des vierten Transistors aufzuheben. Somit kann dieser Lastbetätigungsschaltkreis den Konstantstrom Ic, der proportional zu dem Strom ist, der durch den dritten Transistor fließt, vom vierten Transistor zum sechsten Transistor leiten, um ihn vom sechsten Transistor zur Steueranschlußseite des Erkennungstransistors Ts zu liefern.
Somit ist dieser Lastbetätigungsschaltkreis in der Lage, den Konstantstrom Ic stabil an die Steueranschlußseite des Erkennungstransistors Ts ohne Einflüsse durch den Early-Effekt des vierten Transistors zu liefern, so daß der Laststrom auf einen Wert unterhalt eines bestimmten Wertes mit hoher Genauigkeit beschränkt werden kann.
Weiterhin liefert der Konstantstromschaltkreis 30 einen Konstantstrom Ic an den Steueranschluß des Erkennungstransistors Ts zur direkten Betätigung des Erkennungstransistors Ts und zum Betreiben des Ausgangstransistors To über die Spannungsabfallvorrichtung 20 und liefert weiterhin einen Strom entsprechend einem durch den Erkennungstransistor Ts fließenden Strom an den zweiten Transistor Tb, der den strombegrenzenden Spiegelschaltkreis bildet und in diesem Fall ist eine minimale Ausgangsspannung von Konstantstromschaltkreis 30, welche für die Betätigung des Ausgangstransistors To notwendig ist, eine Steueranschlußspannung, die zum Einschalten des Ausgangstransistors To (im Falle, daß der Ausgangstransistor To einen N-Kanal-MOS-Tansistors gemäß 1 aufweist) eine Schwellenspannung des MOS-Transistors plus eines Spannungsabfalls aufgrund der Spannungsabfallvorrichtung 20 ist.
Infolgedessen ist die Energieversorgungsspannung (die Energieversorgungsspannung, welche an die erwähnten positiven und negativen Energieversorgungsleitungen anzulegen ist), welche an den Konstantstromschaltkreis 30 zu liefern ist, auch notwendigerweise so zu setzen, daß die Ausgangsspannung vom Konstantstromschaltkreis 30 oberhalb dieser Spannung liegt. Wenn beispielsweise die Energieversorgungsspannung sich um einen Wert niedriger als diese Spannung ändert, wird die Betätigung (Einschaltung) des Ausgangstransistors To nicht möglich.
Um somit die Lastbetätigung fortzuführen, auch wenn die Energieversorgungsspannung schwankt (sich absenkt) ist aus diesem Grund beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung in dem erwähnten Konstantstromschaltkreis 30 ein bipolarer Transistor (der vierte oder sechste Transistor) vorgesehen, dessen Kollektor mit dem Steueranschluß des Erkennungstransistors Ts verbunden ist, so daß ein zweiter Kollektor in einem Zustand vorgesehen ist, in welchem er mit dem Steueranschluß des Ausgangstransistors To verbunden ist, um weiterhin einen Konstantstrom Ic direkt über den zweiten Kollektor dem Steueranschluß des Ausgangstransistors To zuzuführen.
Auf diese Weise kann nicht nur der Erkennungstransistor Ts, sondern auch der Ausgangstransistor To direkt durch die Zufuhr des Konstantstromes Ic vom Konstantstromschaltkreis 30 betrieben werden, was die Minimalspannung absenken kann, so daß die Betätigung (Einschaltung) des Ausgangstransistors To sicherstellt, auch wenn die Energieversorgungsspannung schwankt (absinkt), was durch den Spannungsabfall und der Spannungsabfalleinrichtung 20 erfolgt, so daß eine noch stabilere Lastbetätigung erhalten werden kann.
Weiterhin erhöht sich in dem oben erwähnten Lastbetätigungsschaltkreis, da der Ausgangstransistor To und der Erkennungstransistor Ts durch die Zufuhr des Konstantstromes Ic vom Konstantstromschaltkreis 30 betrieben werden, die Steueranschlußspannung jedes dieser Transistoren To und Ts (mit anderen Worten die Ausgangsspannung von Konstantstromschaltkreis 30) bis in die Nähe der Energieversorgungsspannung im Konstantstromschaltkreis 30. Somit können diese Transistoren To und Ts zerstört werden, wenn der Konstantstromschaltkreis 30 eine hohe Energieversorgungsspannung hat.
Aus diesem Grund ist bei dem Lastbetätigungsschaltkreis der Erfindung bevorzugt, daß eine Klemm- oder Kappvorrichtung vorgesehen ist, um die Steueranschlußspannung des Ausgangstransistors To auf einem Wert unterhalb eines bestimmten Spannungswertes zu halten. Dies kann verhindern, daß die Steueranschlußspannung des Augangstransistors To (die Steueranschlußspannung des Erkennungstransistors Ts) so hoch wird, daß die Transistoren To und Ts zerstört werden.
In diesem Fall ist es auch vorteilhaft, daß diese Kapp- oder Klemmvorrichtung so ausgelegt wird, daß sie direkt die Steueranschlußspannung des Ausgangstransistors To auf einem Wert unterhalb der bestimmten Spannung hält oder daß sie die Energieversorgungsspannung, welche dem Konstantstromschaltkreis 30 zugeführt wird, auf einen Wert unterhalb eines bestimmten Wertes hält, um somit indirekt die Steueranschlußspannung des Ausgangstransistors To auf einem Wert unterhalb der bestimmten Spannung zu halten.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn der erfindungsgemäße Laststeuerschaltkreis einen siebten Transistor aufweist, der mit dem ersten Transistor Ta und dem zweiten Transistor Tb einen Stromspiegelschaltkreis bildet, sowie einen unterbrechenden oder intermittierend arbeitenden Steuerschaltkreis zum Abschalten des Ausgangstransistors To und des Erkennungstransistors Ts, wenn auf der Grundlage eines durch den siebten Transistor fließenden Stromes erkannt wird, daß der Laststrom einen überhohen Strom über einem bestimmten Wert erreicht und zum Einschalten des Ausgangstransistors To und des Erkennungstransistors Ts, wenn danach die Tatsache erkannt wird, daß der Laststrom keinen überhohen Stromwert annimmt. Mit anderere Worten, bei dieser Ausgestaltung des Lastbetätigungsschaltkreises erfolgt eine Verlustverringerung im Ausgangstransistor To während des überhohen Stromes durch Abschalten des Ausgangstransistors To, wenn der Laststrom in einem Überstrom-Zustand ist.
Hierbei ist es in dem Fall, in welchem der unterbrechend arbeitende Steuerschaltkreis den Ausgangstransistor To und den Erkennungstransistor Ts ein- oder ausschaltet, bevorzugt, daß in dem unterbrechend arbeitenden oder Unterbrechungssteuerschaltkreis eine Verzögerungsvorrichtung vorgesehen ist, um den Ausgangstransistor To und den Erkennungstransistor Ts nach Verstreichen einer bestimmten Zeitdauer ab dem Erkennen des Überstroms abzuschalten. Dies kann vermeiden oder verhindern, daß der Ausgangstransistor To fälschlicherweise abgeschaltet wird, da zu Beginn der Energieversorgung oder Erregung der Last 2 ein Stoßstrom als Überstrom erkannt und behandelt wird.
In diesem Fall ist es weiterhin notwendig, daß der als überhoher Strom durch den Unterbrechungssteuerschaltkreis zu erkennende Laststrom auf einem Wert niedriger als ein Laststrom-Begrenzungswert gesetzt wird, was von einem Speisestrom von dem Konstantstromschaltkreis 30 und einem Stromwert abhängt, der durch den zweiten Transistor Tb fließt. Dies bedeutet, daß, wenn ein Überstrom-Entscheidungswert in dem Unterbrechungssteuerschaltkreis den Laststrom-Begrenzungswert überschreitet, dann der Laststrom dem Begrenzungsvorgang auf der Grundlage des Stromes unterzogen wird, der durch den zweiten Transistor Tb vor der Erkennung des Überstroms durch den Unterbrechungssteuerschaltkreis fließt, so daß die Funktion des Unterbrechungssteuerschaltkreises zerstört wird.
In einem Fall, in welchem ein Lastbetätigungsschaltkreis gemäß der Erfindung unter Bedingungen betrieben wird, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, wo die Energieversorgungsspannung dazu neigt, zu schwanken, ist es bevorzugt, daß eine Vorspannvorrichtung vorgesehen ist, um einen Strompfad zu bilden, der den zweiten Transistor Tb umgeht oder überbrückt und der zwischen dem Steueranschluß und dem Ausgangsanschluß des Ausgangstransistors To verläuft, so daß der Betrieb des Ausgangstransistors To stabilisiert wird.
Selbst wenn somit die Energieversorgungsspannung abfällt, stellt die Vorspannvorrichtung sicher, daß ein Strom in die Spannungsabfallvorrichtung eingebracht wird, so daß diese Spannungsabfallvorrichtung den gewünschten Spannungsabfall erzeugt. Selbst wenn somit bei dem Lastbetätigungsschaltkreis gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung die Energieversorgungsspannung absinkt, erfolgt eine Übereinstimmung im Betriebspunkt zwischen dem Ausgangstransistor To und dem Erkennungstransistor Ts, so daß eine stabile Laststrombegrenzung erfolgen kann.
Der zweite Transistor Tb dient zur Einbringung eines Konstantstromes, der durch die Spannungsabfallvorrichtung 20 fließt in die Steueranschlußseite des Ausgangstransistors To und zur Energieversorgungsseite (in 1 die Masseleitung, welche die negative Energieversorgungsleitung bildet), was abhängig von einem Strom erfolgt, der durch den Erkennungstransistor Ts fließt, um einen Grenzwert in dem Laststrom zu erzeugen und wenn beispielsweise das elektrische Potential auf der Energieversorgungsleitung, welche mit dem Ausgangsanschluß des zweiten Transistors Tb verbunden ist, mit einem Anwachsen des Laststromes oder dergleichen schwankt, wird der Betrieb des zweiten Transistors Tb (d. h. des Stromspiegelschaltkreises 10) unstabil, was sich auf den Strombegrenzungsvorgang im zweiten Transistor Tb bei normalem Laststrom auswirken kann. Um dieses Problem zu beseitigen, ist es somit bevorzugt, daß eine Vorspannungsvorrichtung vorgesehen wird, um einen Strompfad zwischen dem Steueranschluß des zweiten Transistors Tb und der Energieversorgungsleitung zu bilden, mit der der Ausgangsanschluß des zweiten Transistors Tb in Verbindung ist, was den Betrieb des zweiten Transistors Tb (d. h. des Stromspiegelschaltkreises 10) stabilisiert werden kann.
Auf diese Weise kann, selbst wenn das elektrische Potential auf der Energieversorgungsleitung, mit der der Ausgangsanschluß verbunden ist, welcher einer der beiden Ausgangsanschlüsse des zweiten Transistors Tb (Drain und Source oder Kollektor und Emitter) ist, auf der gegenüberliegenden Seite des Ausgangsanschlusses (des anderen Ausgangsanschlusses), der mit dem Steueranschluß des Ausgangstransistors Tu verbunden ist, schwankt, die Vorspannungsvorrichtung die Differenz im elektrischen Potential am Steueranschluß des zweiten Transistors Tb bezüglich der Energieversorgungsleitung unter praktisch allen Umständen aufrecht erhalten, so daß die Arbeit des zweiten Transistors Tb, d. h. des Stromspiegelschaltkreises 10 daran gehindert wird, aufgrund einer elektrischen Potentialschwankung auf der Energieversorgungsleitung instabil zu werden.
Da in diesem Fall eine Notwendigkeit nur dahingehend besteht, daß die Vorspannungsvorrichtung einen sehr kleinen Strom führt, so daß kein Einfluß auf den Betrieb ausgeübt wird, wenn die Energieversorgungsspannung oder die Energieversorgungsleitung bzw. die dortigen Potentiale in einem stabilen Zustand ist, kann konkret ein Widerstand mit einem relativ hohen Widerstandswert oder ein Konstantstromschaltkreis zur Erzwingung eines sehr kleinen Stromflusses als Vorspannungsvorrichtung verwendet werden.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich besser aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Zusammenschau mit der beigefügten Zeichnung.
Es zeigt:
1 in einem Blockdiagramm ein Beispiel des Grundaufbaus eines Lastbetätigungsschaltkreises;
2 eine grafische Darstellung zur Erläuterung eines Laststrombegrenzungsvorganges im Lastbetätigungsschaltkreis von 1;
3 den Schaltkreisaufbau eines Lastbetätigungsschaltkreises gemäß einer Ausführungsform, welche nicht unmittelbar Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;
4 den Schaltkreisaufbau eines Lastbetätigungsschaltkreises gemäß einer Ausführungsform, welche nicht unmittelbar Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;
5 den Schaltkreisaufbau eines Lastbetätigungsschaltkreises gemäß einer Ausführungsform, welche nicht unmittelbar Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;
6 den Schaltkreisaufbau eines Lastbetätigungsschaltkreises gemäß einer Ausführungsform, welche nicht unmittelbar Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;
7 den Schaltkreisaufbau eines Lastbetätigungsschaltkreises gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 den Schaltkreisaufbau eines Lastbetätigungsschaltkreises gemäß einer Ausführungsform, welche nicht unmittelbar Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;
9 den Schaltkreisaufbau eines Lastbetätigungsschaltkreises gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 den Schaltkreisaufbau eines Lastbetätigungsschaltkreises gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11 den Schaltkreisaufbau eines Lastbetätigungsschaltkreises gemäß einer Ausführungsform, welche nicht unmittelbar Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;
12 den Schaltkreisaufbau eines Lastbetätigungsschaltkreises gemäß einer Ausführungsform, welche nicht unmittelbar Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;
13 den Schaltkreisaufbau eines Lastbetätigungsschaltkreises gemäß einer Ausführungsform, welche nicht unmittelbar Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;
14 den Schaltkreisaufbau eines Lastbetätigungsschaltkreises gemäß einer Aufführungsform, welche nicht unmittelbar Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;
15 den elektrischen Schaltkreisaufbau eines Lastbetätigungsschaltkreises nach dem Stand der Technik; und
16 eine Darstellung zur Beschreibung des Laststrombegrenzungsvorganges in einem Lastbetätigungsschaltkreis nach dem Stand der Technik.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die einzelnen Figuren der Zeichnung beschrieben, wobei 7, 9 und 10 unmittelbare Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigen; die verbleibenden „Ausführungsformen” sind vom Gegenstand der vorliegenden Erfindung nicht umfasst, dienen jedoch zur umfassenden und vollständigen Darstellung des technischen Gebiets bzw. zeigen Ausgestaltungsformen, mit denen der Gegenstand der Erfindung unter Umständen kombinierbar ist.
<Erste Ausführungsform>
3 zeigt den elektrischen Schaltkreisaufbau eines Lastbetätigungsschaltkreises gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Der Lastbetätigungsschaltkreis gemäß der ersten Ausführungsform ist gemäß dem Schaltkreisaufbau von 1 vom sogenannten niederseitigen Typ (low-side-type), bei dem ein N-Kanal-MOS-Transistor sowohl als Ausgangstransistor To als auch Erkennungstransistor Ts verwendet wird, wobei die Drain des Ausgangstransistors To über einen Ausgangsanschluß 4 mit einem Anschluß (Ende) einer Last 2 verbunden ist, deren anderer Anschluß wiederum in Verbindung mit der positiven Anschlußseite einer Gleichstromenergiequelle zur Lastbetätigung ist, wohingegen die Source des Ausgangstransistors To über einen Ausgangsanschluß 6 mit Masse gleich einem elektrischen Potential der negativen Anschlußseite der die Last betätigenden Gleichstromenergiequelle verbunden ist.
Zusätzlich ist bei dem Lastbetätigungsschaltkreis gemäß dieser Ausführungsform die Drain des Erkennungstransistors Ts mit der Drain des Ausgangstransistors To verbunden, wohingegen die Source des Erkennungstransistors Ts über einen NPN-Transistor T1, der als erster Transistor zur Bildung eines Stromspiegelschaltkreises 10 mit der Source des Ausgangstransistors To verbunden ist, und eine Diode D, welche eine Spannungsabfallvorrichtung 20 in einem Zustand bildet, in welchen die Gateseite des Erkennungstransistors Ts als Anode und die Gateseite des Ausgangstransistors To als Kathode wirkt, ist zwischen die Gates des Erkennungstransistors Ts und des Ausgangstransistors To geschaltet. Es sei festzuhalten, daß der Stromspiegelschaltkreis 10 der anspruchsgemäßen Laststrombegrenzungseinrichtung entspricht.
In dem Stromspiegelschaltkreis 10 ist der Kollektor des NPN-Transistors T1, der als erster Transistor wirkt, mit der Source des Erkennungstransistors Ts verbunden und der Emitter hiervon ist mit der Source des Ausgangstransistors To verbunden und die Basis hiervon ist mit dem eigenen Kollektor verbunden oder rückgekoppelt, wobei die Basis weiterhin mit der Basis eines NPN-Transistors T2 verbunden ist, der als zweiter Transistor wirkt, was über eine gemeinsame Leitung erfolgt. Der Emitter des NPN-Transistors T2, der den zweiten Transistor bildet, ist mit dem Emitter des NPN-Transistors T1 in gemeinsamer Weise zusammengefaßt, wohingegen der Kollektor hiervon mit dem Gate des Ausgangstransistors To verbunden ist.
Im Lastbetätigungsschaltkreis gemäß dieser Ausführungsform ist mit dem Gate des Erkennungstransistors Ts ein Konstantstromschaltkreis 30 verbunden, der eine Energieversorgung von außen her über einen Energieversorgungsanschluß 8 erhält, um einen Konstantstrom zu erzeugen. Dieser Konstantstromschaltkreis 30 liefert einen Konstantstrom Ic an die Gateseite des Erkennungstransistors Ts.
Im Lastbetätigungsschaltkreis mit dem Aufbau gemäß dieser Ausführungsform wird zur Betätigung der Last 2 eine Energieversorgungsspannung über den Energieversorgungsanschluß 8 dem Konstantstromschaltkreis 30 zugeführt, um den Konstantstromschaltkreis 30 in Betrieb zu versetzen. Somit gibt der Konstantstromschaltkreis 30 den Konstantstrom Ic an die Gateseite des Erkennungstransistors Ts aus, so daß ein Strom in das Gate des Erkennungstransistors Ts eingebracht wird und weiterhin ein Strom über die Diode D an das Gate des Ausgangstransistors To geliefert wird. Das Ergebnis ist, daß die Gate/Source-Spannung VGS des Erkennungstransistors Ts und des Ausgangstransistors To Schwellenwerte dieser Transistoren Ts bzw. To überschreiten, so daß diese Transistoren Ts und To in ihre durchgeschalteten oder eingeschalteten Zustände versetzt werden. Zu diesem Zeitpunkt findet die Zufuhr eines Laststromes an die Last 2 über den Ausgangstransistor To statt.
Weiterhin überschreitet zu diesem Zeitpunkt, wenn die Last 2 aus irgendeinem Grund, beispielsweise einem Kurzschluß, eine niedrige Impedanz hat, der Laststrom den normalen Betriebsstrom und die Spannung am Ausgangsanschluß 4 wächst an. Wenn weiterhin diese Spannung am Ausgangsanschluß 4 eine Spannung überschreitet, bei der eine Basisspannung den NPN-Transistor T1 zugeführt werden kann, der den ersten Transistor bildet, d. h. die Basis/Emitter-Vorwärtsspannung, fließt ein Teil des Laststromes (d. h. ein Strom proportional zum Laststrom) durch den Erkennungstransistor Ts.
Dieser Strom nimmt um einen Faktor n in dem Stromspiegelschaltkreis 10 bestehend aus den NPN-Transistoren T1 und T2 ab und der NPN-Transistor T2, der den zweiten Transistor bildet, entnimmt oder zieht einen Strom entsprechend einem Strom 1/n von der Gateseite des Ausgangstransistors To.
Wenn weiterhin zu diesem Zeitpunkt der vom NPN-Transistor T2 gezogene Strom kleiner als der Konstantstrom Ic ist, der von dem Konstantstromschaltkreis 30 geliefert wird, verbleiben der Ausgangstransistor To und der Erkennungstransistor Ts in ihren eingeschalteten Zuständen. Wenn weiterhin der Laststrom anwächst, so daß der von dem NPN Transistor T2 gezogene Strom den Konstantstrom Ic von dem Konstantstromschaltkreis 30 überschreitet, wird der Konstantstrom von dem Konstantstromschaltkreis 30 auf Seiten des NPN-Transistors T2 absorbiert, so daß die Gatespannungen des Ausgangstransistors To und des Erkennungstransistors Ts abfallen, um den Laststrom zu verringern. Infolge dessen wird der Laststrom auf einen Wert unterhalb eines bestimmten Wertes beschränkt.
Der Grenzwert Imax des Laststromes im Stromspiegelschaltkreis 10 kann gemäß der nachfolgenden Gleichung (1) ausgedrückt werden, wenn das Verhältnis des durch den Ausgangstransistor To fließenden Stromes und des durch den Erkennungstransistor Ts fließenden Stromes (d. h. NPN-Transistor T1 fließenden Stromes) als m:1 genommen wird, wohingegen das Verhältnis des durch den NPN-Transistor T1 fließenden Stromes und des durch den NPN-Transistors T2 fließenden Stromes als n:1 genommen wird: Imax = Ic × m × n (1)
Mit anderen Worten, im Lastbetätigungsschaltkreis gemäß dieser Ausführungsform hängt der Laststrombeschränkungswert Imax nur vom Konstantstrom Ic, der von dem Konstantstromschaltkreis 30 geliefert wird, sowie von den Rückkopplungskonstanten (m, n) des Laststromes von dem Erkennungstransistor Ts und dem Stromspiegelschaltkreis 10 ab, wie oben unter Bezugnahme auf 2 erwähnt und es erfolgt keine Abhängigkeit von den elektrischen Eigenschaften anderer Schaltkreiselemente, beispielsweise einer Ungleichförmigkeit in der VGS-ID-Charakteristik des Ausgangstransistors To.
Im Betrieb des Stromspiegelschaltkreises 10 steigt das elektrische Potential an der Source des Erkennungstransistors Ts um einen Wert entsprechend (oder gemäß) der Basis/Emitter-Spannung des NPN-Transistors T1 gegenüber dem elektrischen Potential der Source des Ausgangstransistors To an. Da die Diode D zwischen die Gates dieser Transistoren Ts und To gesetzt ist, wird die Gatespannung des Ausgangstransistors To um einen Wert entsprechend der Vorwärtsspannung der Diode D höher, als die Gatespannung des Erkennungstransistors Ts. Somit werden die Gate/Source-Spannungen des Ausgangstransistors To und des Erkennungstransistors Ts einander gleich, um eine Übereinstimmung im Betriebspunkt zwischen den Transistoren To und Ts zu erhalten.
Somit kann der Lastbetätigungsschaltkreis gemäß dieser Ausführungsform den Laststrom auf einen Wert unterhalt eines gewünschten Strombegrenzungswertes mit hoher Genauigkeit festsetzen.
Obgleich in dieser Ausführungsform die Diode D als Spannungsabfallvorrichtung 20 verwendet wird, ist es, da die Spannungsabfallvorrichtung 20 dafür vorgesehen ist, eine Spannung gleich der Basis/Emitter-Spannung des NPN-Transistors T1 im Stromspiegelschaltkreis 10 zu erzeugen, möglich, eine andere Vorrichtung als PN-Übergang zur Erzeugung einer Vorwärtsspannung zu verwenden; beispielsweise kann ein bipolarer Transitor verwendet werden, dessen Basis und Emitter miteinander verbunden sind oder einen bipolaren Transistor, dessen Basis und Kollektor in gemeinsamer Form ausgebildet sind. Weiterhin ist es möglich, eine andere Vorrichtung zu verwenden, welche einen Spannungsabfall äquivalent im wesentlichen zu der Basis/Emitter-Spannung des NPN-Transistors T1 erzeugt.
<Zweite Ausführungsform>
4 zeigt ein elektrisches Schaltkreisdiagramm einer Anordnung eines Lastbetätigungsschaltkreises gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Der Lastbetätigungsschaltkreis gemäß der zweiten Ausführungsform ist ein sogenannter hochseitiger Typ (high-side-type) in dem ein P-Kanal-MOS-Transistor als Ausgangstransistor To und Erkennungstransistor Ts verwendet wird, wobei die Source des Ausgangstransistors To über einen Ausgangsanschluß 4 mit dem positiven Anschluß einer eine Last betreibenden Gleichstromenergieversorgung verbunden ist, wohingegen die Drain des Ausgangstransistors To über einen Ausgangsanschluß 6 mit einem Anschluß einer Last 2 in Verbindung ist, wobei der andere Anschluß hiervon mit Masse verbunden ist, welche im elektrischen Potential äquivalent zur negativen Seite der Gleichstromversorgungsquelle ist.
Weiterhin ist in dem Lastbetätigungsschaltkreis gemäß dieser Ausführungsform die Drain des Erkennungstransistors Ts mit der Drain des Ausgangstransistors To verbunden, während die Source des Erkennungstransistors Ts über einen PNP-Transistor T3 (der als erster Transistor wirkt, welcher einen Stromspiegelschaltkreis 10 bildet), mit der Source des Ausgangstransistors To verbunden ist, wobei weiterhin eine Diode D, welche die Spannungsabfallvorrichtung 20 bildet, zwischen die Gates des Erkennungstransistors Ts und des Ausgangstransistors To geschaltet ist, wobei die Gateseite des Ausgangstransistors To als Anode und die Gateseite des Erkennungstransistors Ts als Kathode dient.
In dem Stromspiegelschaltkreis 10 ist der Kollektor des PNP-Transistors T3, der den ersten Transistor bildet, mit der Source des Erkennungstransistors Ts verbunden und der Emitter hiervon ist mit der Source des Ausgangstransistors To verbunden und weiterhin ist die Basis hiervon auf den eigenen Kollektor zurückgeführt, wobei die Basis weiterhin mit der Basis eines PNP-Transistors T4 verbunden ist, der als zweiter Transistor wirkt. Der Emitter des PNP-Transistors T4, welcher den zweiten Transistor bildet, ist mit dem Emitter des PNP-Transistors T3 in Form einer gemeinsamen Leitung verbunden, wohingegen der Kollektor hiervon mit dem Gate des Ausgangstransistors To verbunden ist.
Weiterhin ist in dem Lastbetätigungsschaltkreis gemäß dieser Ausführungsform das Gate des Erkennungstransistors Ts in Verbindung mit dem Konstantstromschaltkreis 30, der eine Energieversorgung von außen über einen Energieversorgungsanschluß 9 zur Erzeugung eines Konstantstromes erhält. Dieser Konstantstromschaltkreis 30 entnimmt einen Konstantstrom Ic von der Gateseite des Erkennungstransistors Ts.
Im Lastbetätigungsschaltkreis mit diesem Aufbau gemäß dieser Ausführungsform wird zum Betrieb oder zur Betätigung der Last 2 eine Energieversorgungsspannung über den Energieversorgungsanschluß 9 dem Konstantstromschaltkreis 30 zugeführt, um den Konstantstromschaltkreis 30 in Betrieb zu versetzen. Infolgedessen zieht der Konstantstromschaltkreis 30 den Konstantstrom Ic von der Gateseite des Erkennungstransistors Ts, so daß die Gatespannungen des Erkennungstransistors Ts und des Ausgangstransistors To abfallen; somit überschreiten die Gate/Source-Spannungen VGS des Erkennungstransistors Ts und des Ausgangstransistors To Schwellenwerte dieser Transistoren Ts und To, so daß diese Transistoren Ts und To durchgeschaltet werden. Zu diesem Zeitpunkt findet die Zufuhr eines Laststromes an die Last 2 über den Ausgangstransistor To statt.
Wenn weiterhin zu diesem Zeitpunkt die Last 2 aus irgendeinem Grund, beispielsweise einem Kurzschluß eine niedrige Impedanz hat, überschreitet der Laststrom den normalten Betriebsstrom und die Spannung am Ausgangsanschluß 6 sinkt. Wenn weiterhin diese Spannung am Ausgangsanschluß 6 eine Spannung übersteigt, zu der eine Basisspannung an den PNP-Transistor T3, der den ersten Transistor bildet, liefert, d. h., wenn die Basis/Emitter-Vorwärtsspannung überschritten wird, fließt ein Teil des Laststromes (mit anderen Worten, ein Strom proportional zum Laststrom) durch den Erkennungstransistor Ts.
Dieser Strom nimmt um den Faktor n in dem Stromspiegelschaltkreis 10 bestehend aus den PNP-Transistoren T3 und T4 ab und der PNP-Transistor T4, der den zweiten Transistor bildet, liefert einen Strom entsprechend einem Strom l/n zur Gateseite des Ausgangstransistors To.
Wenn weiterhin zu diesem Zeitpunkt der vom PNP-Transistor T4 eingebrachte Strom kleiner als der Konstantstrom Ic ist, der von dem Konstantstromschaltkreis 30 gezogen wird, verbleiben der Ausgangstransistor To und der Erkennungstransistor Ts in dem durchgeschalteten Zustand. Wenn weiterhin der Laststrom ansteigt, so daß der von dem PNP-Transistor T4 eingebrachte Strom den von dem Konstantstromschaltkreis 30 gezogenen Konstantstrom Ic übersteigt, kann der Konstantstromschaltkreis 30 den zur Gateseite des Ausgangstransistors To über den PNP-Transistor T4 gelieferten Strom nicht mehr aufnehmen, so daß die Gatespannungen am Ausgangstransistor To und Erkennungstransistor Ts ansteigen, was zu einer Verringerung des Laststromes führt. Infolgedessen wird der Laststrom unterhalb eines bestimmten Wertes gehalten, oder hierauf beschränkt.
Auf diese Weise wird in dem Lastbetätigungsschaltkreis dieser Ausführungsform aufgrund der Tatsache, daß ein P-Kanal-MOS-Transistor sowohl für den Ausgangstransistor To und den Erkennungstransistor Ts verwendet wird, so daß der Ausgangstransistor To als hochseitiger Schalter wirkt, die Fließrichtung des Stromes vom Konstantstromschaltkreis 30 und dem Stromspiegelschaltkreis 10 und die Spannungsabfallrichtung der Diode D, welche die Spannungsabfallrichtung bildet umgekehrt zu dem Lastbetätigungsschaltkreis gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform.
Der Laststrom-Grenzwert Imax, der von dem Stromspiegelschaltkreis 10 abhängt, kann jedoch durch die oben genannte Gleichung (1) wie im Fall des Lastbetätigungsschaltkreises gemäß der ersten Ausführungsform ausgedrückt werden und die Übereinstimmung des Betriebspunktes zwischen dem Ausgangstransistor To und dem Erkennungstransistor Ts wird durch Betrieb der Spannungsabfallvorrichtung 20 mit der Diode D erreichbar. Somit kann wie bei der ersten Ausführungsform der Lastbetätigungsschaltkreis gemäß dieser zweiten Ausführungsform einen Grenzwert des Laststromes unterhalb eines gewünschten Stromgrenzwertes mit hoher Genauigkeit festlegen.
<Dritte Ausführungsform>
5 ist ein elektrisches Schaltbild des Aufbaus eines Lastbetätigungsschaltkreises gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
Bei dem Lastbetätigungsschaltkreis gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht, was den Lastbetätigungsschaltkreis des niedrigseitigen Typs nach der ersten Ausführungsform von 3 betrifft, der Unterschied in einer Abänderung der Schaltkreiselemente, welche den Stromspiegelschaltkreis 10 und die Spannungsabfallvorrichtung 20 bilden, jedoch ist der Aufbau mit Ausnahme des Stromspiegelschaltkreises 10 und der Spannungsabfallvorrichtung 20 gleich wie in der ersten Ausführungsform. Somit betrifft die nachfolgende Beschreibung nur die Unterschiede zwischen der ersten und der vorliegenden Ausführungsform und eine Beschreibung von Elementen oder Bauteilen identisch zu der ersten Ausführungsform erfolgt nicht.
Wie in 5 gezeigt, sind bei dieser Ausführungsform ein erster Transistor und ein zweiter Transistor, welche den Stromspiegelschaltkreis 10 bilden, aus N-Kanal-MOS-Transistoren T5 bzw. T6 aufgebaut und die Spannungsabfallvorrichtung 20 ist durch einen N-Kanal-MOS-Transistor T7 realisiert.
Was den Stromspiegelschaltkreis 10 betrifft, so ist vom MOS-Transistor T5, der als erster Transistor wirkt, dessen Drain mit der Source des Erkennungstransistors Ts verbunden, die Source ist mit der Source des Ausgangstransistors To verbunden und das Gate ist auf die eigene Drain zurückgeführt und weiter mit dem Gate des MOS-Transistors T6 verbunden, der als zweiter Transistor dient. Diese Verbindung erfolgt in der ”common line”-Technik wie bereits in den obigen Ausführungssformen bzw. den nachfolgenden Ausführungsformen. Vom MOS-Transistor T6, der den zweiten Transistor bildet, ist die Source mit der Source des MOS-Transistors T5 zusammengefaßt, während die Drain mit dem Gate des Ausgangstransistors To verbunden ist. Weiterhin sind Drain und Gate des MOS-Transistors T7, der die Spannungsabfallvorrichtung 20 aufbaut, mit dem Gate des Erkennunstransistors Ts verbunden und die Source ist mit dem Gate des Ausgangstransistors To verbunden.
Obgleich somit in dieser Ausführungsform der Stromspiegelschaltkreis 10 im Gegensatz zu den bipolaren Transistoren der ersten Ausführungsform aus MOS-Transistoren aufgebaut ist, ist die Strombegrenzungswirkung im Stromspiegelschaltkreis 10 die gleiche wie in der ersten Ausführungsform.
Da weiterhin die Spannungsabfallvorrichtung 20 aus dem MOS-Transistor T7 identisch zu dem MOS-Transistor T5, der im Stromspiegelschaltkreis 10 als erster Transistor dient aufgebaut ist, erfolgt im Betrieb des Stromspiegelschaltkreises 10 der gleiche Spannungsabfall wie am ersten Transistor (MOS-Transistor T5), der den Stromspiegelschaltkreis 10 bildet, zwischen den Gates des Erkennungstransistors Ts und des Ausgangstransistors To, so daß eine Entsprechung in dem Betriebspunkt zwischen dem Erkennungstransistor Ts und dem Ausgangstransistor To erfolgt.
Der Lastbetätigungsschaltkreis gemäß dieser Ausführungsform ist somit in der Lage, die gleichen Effekte und Wirkungsweisen wie in der ersten Ausführungsform bereitzustellen, so daß der Laststrom mit hoher Präzision denkbar ist.
<Vierte Ausführungsform>
6 zeigt den elektrischen Aufbau eines Lastbetätigungsschaltkreises gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
Der Lastbetätigungsschaltkreis gemäß der vierten Ausführungsform zeigt einen detaillierter ausgeführten Konstantstromschaltkreis 30 in dem niedrigseitigen Lastbetätigungsschaltkreis gemäß der ersten Ausführungsform von 3. Die Anordnung und der Aufbau mit Ausnahme des Konstantstromschaltkreises 30 sind gleich wie in der ersten Ausführungsform, so daß in der nachfolgenden Beschreibung nur der Konstantstromschaltkreis 30 gemäß dieser Ausführungsform beschrieben wird, jedoch die verbleibenden Bauteile nicht noch einmal näher erläuter werden.
Wie in 6 gezeigt, ist in dieser Ausführungsform der Konstantstromschaltkreis 30 über Ausgangsanschlüsse 8 und 9 mit positiven und negativen Energieversorgungsleitungen (nicht gezeigt) zum Empfang einer Gleichspannungsenergieversorgung über diese Leitungen verbunden, um betrieben zu werden.
Weiterhin ist in dieser Ausführungsform ein Paar von PNP-Transistoren T11 und T12 vorgesehen, welche als dritter bzw. vierter Transistor wirken und als Stromspiegelschaltkreis im Inneren des Konstantstromkreises 30 vorgesehen sind, wobei ein Konstantstromschaltkreis 32 als Vorspannungsschaltkreis wirkt und in Serie mit dem PNP-Transistor T11 verbunden ist, der den dritten Transistor bildet, um einen Konstantstrom dem PNP-Transistor T11 zuzuführen, so daß ein Konstantstrom proportional zu diesem Konstantstrom über den PNP-Transistor T12 geführt wird, der den vierten Transistor bildet und zur Gateseite des Erkennungstransistors Ts gelangt.
In dem Konstantstromschaltkreis 30 ist somit der PNP-Transistor T11 so angeordnet, daß sein Emitter über den Energieversorgungsanschluß 8 mit der positiven Ernergieversorgungsleitung verbunden ist, daß sein Kollektor über die Konstantstromquelle 32 und den Energieversorgungsanschluß 9 mit der negativen Energieversorgungsleitung verbunden ist und daß seine Basis auf den eigenen Kollektor zurückgeführt ist, wobei diese Basis weiterhin mit der Basis des PNP-Transistors T12 zusammengefasst ist. Weiterhin ist beim PNP-Transistor T12 der Emitter mit dem Emitter des PNP-Transistors T11 auf gemeinsame Weise zusammengefasst, während der Kollektor mit dem Gate des Erkennungstransistors Ts verbunden ist.
Somit wird ein Konstantstrom proportional zu dem Strom, der durch den PNP-Transistor T11 abhängig vom Betrieb der Konstantstromquelle 32 fließt, vom PNP-Transistor T12 zur Gateseite des Erkennungstransistor Ts geführt. Aufgrund dieses Konstantstromes kann der Lastbetätigungsschaltkreis wie die erste Ausführungsform arbeiten, um auch die gleichen Effekte und Wirkungsweisen wie die erste Ausführungsform zu bieten.
Genauer gesagt, da bei dieser Ausführungsform der Schaltkreis (PNP-Transistor T11 und Konstantstromquelle 32) zur Erzeugung eines Konstantstromes und der Schaltkreis (PNP-Transistor T12) zur Erzeugung eines Konstantstromflusses zur Gateseite des Erkennungstransistors Ts separat in dem Konstantstromschaltkreis 30 angeordnet sind, d. h. im Inneren des Konstantstromschaltkreises 30, kann ein stabiler Konstantstrom an die Gateseite des Erkennungstransistors Ts geliefert werden, ohne daß dieser Konstantstrom durch externe Spannungsschwankungen (beispielsweise Spannungsschwankungen am Ausgangsanschluß 4) beinflußt wird.
<Fünfte Ausführungsform>
7 ist ein elektrisches Schaltbild des Aufbaus eines Lastbetätigungsschaltkreises gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung.
Der Lastbetätigungsschaltkreis gemäß der fünften Ausführungsform ist so aufgebaut, daß bei dem Lastbetätigungsschaltkreis gemäß der vierten Ausführungsform von 6 der Ausgangstransistor To beim Abfall der Energieversorgungsspannung, welche über die Energieversorgungsanschlüsse 8 und 9 dem Konstantstromschaltkreis 30 zugeführt wird, mit größerer Gewißheit betätigt (eingeschaltet) werden kann. Der Unterschied zwischen der vierten und der fünften Ausführungsform ist, daß der PNP-Transistor T12, der als vierter Transistor den Konstantstromschaltkreis 30 bildet, aus einem Transistor mit zwei Kollektoren mit dem Gate des Erkennungstransistors Ts bzw. dem Gate des Ausgangstransistors To verbunden sind.
Mit anderen Worten, in dem Fall, in welchem ein Konstantstrom vom PNP-Transistor T12 nur der Gateseite des Erkennungstransistors Ts wie in der vierten Ausführungsform zugeführt wird, ist beim Betrieb des Ausgangstransistors To eine Ausgangsspannung des Konstantstromschaltkreises 30 auf einer Schwellenwertspannung des Ausgangstransistors To plus der Vorwärtsspannung einer Diode D, welche die Spannungsabfallvorrichtung 20 bildet, notwendig und wenn die Energieversorgungsspannung, welche an den Konstantstromschaltkreis 30 angelegt wird, abfällt, um zu bewirken, daß die Ausgangsspannung niedriger als diese Spannung wird, ergeben sich Schwierigkeiten beim Betätigen des Ausgangstransistors To unabhängig vom Betrieb (Einschalten) des Erkennungstransistors Ts.
Infolgedessen wird bei dieser Ausführungsform ein Konstantstrom nicht nur dem Gate des Erkennungstransistors Ts sondern auch dem Gate des Ausgangstransistors To zugeführt, so daß der Ausgangstransistor To mit niedrigerer Spannung betrieben werden kann. Dies bedeutet, daß, wenn die Energieversorgungsspannung, welche über die Energieversorgungsanschlüsse 8 und 9 zugeführt wird, abfällt oder absinkt, dann diese Ausführungsform die Betriebsunfähigkeit des Ausgangstransistors To (und damit der Last 2) verhindert, was eine stabilere Betätigung der Last 2 ermöglicht.
Wenn bei dieser Ausführungsform ein Fall auftritt, bei dem ein Konstantstrom nicht nur dem Gate des Erkennungstransistors Ts zugeführt wird, sondern auch dem Gate des Ausgangstransistors To, wobei die Energieversorgungsspannung zwischen den Energieversorgungsanschlüssen 8 und 9 in einem normalen Zustand ist, wobei der Laststrom anwächst, um sich dem Stromgrenzwert anzunähern, wird der direkt zum Gate des Ausgangstransistors To gelieferte Konstantstrom vom NPN-Transistor T2 im Stromspiegelschaltkreis 10 absorbiert und der über die Diode D1 auf die Gateseite des Ausgangstransistors T0 eingebrachter Konstantstrom wird danach absorbiert, was den Laststrom verringert, der durch den Ausgangstransistor To fließt. Auch in dieser Ausführungsform kann somit der Stromspiegelschaltkreis 10 auf gleiche Weise wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen arbeiten, um mit hoher Präzision dem Laststrom einen Grenzwert aufzuerlegen.
<Sechste Ausführungsform>
8 zeigt den Schaltkreisaufbau eines Lastbetätigungsschaltkreises gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung.
Der Lastbetätigungsschaltkreis gemäß der sechsten Ausführungsform ist wie der Lastbetätigungsschaltkeis der vierten Ausführungsform gemäß 6 dahingehend ausgelegt, eine Verschlechterung im Betrieb oder einen Durchbruch des Erkennungstransistors Ts und des Ausgangstransistors To aufgrund einer Ausgangsspannung vom Konstantstromschaltkreis 30 für den Fall zu verhindern, in welchem eine hohe Energieversorgungsspannung über die Energieversorgungsanschlüsse 8 und 9 dem Konstantstromschaltkreis 30 zugeführt wird. Der Unterschied zur vierten Ausführungsform ist, daß zwischen Gate und Source des Ausgangstransistors To eine Zenerdiode ZD als Abfang- oder Klemmvorrichtung vorgesehen ist.
Wenn der Konstantstromschaltkreis 30 wie in der vierten Ausführungsform aufgebaut ist, nähert sich die Ausgangsspannung vom Konstantstromschaltkreis 30 der Energieversorgungsspannung, welche über die Energieversorgungsanschlüsse 8 und 9 angelegt wird, an. Wenn somit diese Energieversorgungsspannung hoch ist, werden die Gate/Source-Spannungen vom Ausgangstransistor To und vom Erkennungstransistor Ts ebenfalls hoch, was eine Beschädigung oder einen Durchbruch dieser Transistoren To und Ts bedeuten kann.
Aus diesem Grund wird in dieser Ausführungsform die Anode der Zenerdiode ZD mit der Source des Ausgangstransistors verbunden, wohingegen die Kathode hiervon mit dem Gate des Ausgangstransistors To verbunden wird; somit wird die Gate/Source-Spannung des Ausgangstransistors To so niedrig gehalten, daß sie unterhalb der Durchbruchspannung der Zenerdiode ZD liegt; wenn die Ausgangsspannung vom Konstantstromschaltkreis 30 hoch wird, wird der Ausgangstransistor To (und damit wiederum der Erkennungstransistor Ts) vor dieser Spannung geschützt.
<Siebte Ausführungsform>
9 zeigt den Schaltkreisaufbau eines Lastbetätigungsschaltkreises gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung.
Der Lastbetätigungsschaltkreis gemäß der siebten Ausführungsform ist so aufgebaut, daß die Zenerdiode ZD, welche als Abfang- oder Klemmvorrichtung wie in der obigen sechsten Ausführungsform dient, im Inneren des Konstantstromschaltkreises 30 anstelle zwischen Gate und Source des Ausgangstransistors To angeordnet ist.
Dies bedeutet konkret, daß der Schutz des Ausgangstransistors To vor der Ausgangsspannung des Konstantstromschaltkreises 30 nicht immer das direkte Klemmen oder Abfangen der Gate/Source-Spannung am Ausgangstransistor To notwendig macht, sondern auch dadurch erhalten wird, daß die Ausgangsspannung selbst am Konstantstromschaltkreis 30 unterhalb eines bestimmten Wertes gehalten oder festgelegt wird.
Somit ist bei dieser Ausführungsform eine spannungsbegrenzende oder spannungserhaltende Zenerdiode ZD parallel zu einem Serienschaltkreis bestehend aus dem PNP-Transistor T11, der als vierter Transistor zur Erzeugung eines Konstantstromes im Konstantstromschaltkreis 30 dient und einer Konstantstromquelle 32 geschaltet, so daß, auch wenn eine Energieversorgungsspannung, welche von außen über die Energieversorgungsanschlüsse 8 und 9 kommt, anwächst, stets eine Energieversorgungsspannung unterhalb einer bestimmten Spannung dem Serienschaltkreis aus PNP-Transistor T11 und Konstantstromquelle 32 zugeführt wird, um die Ausgangsspannung des Konstantstromschaltkreises 30 und wiederum die Gate-Spannungen von Ausgangstransistor To und Erkennungstransistor Ts) auf einem Spannungswert unterhalb eines bestimmten Wertes zu halten. Der Lastbetätigungsschaltkreis gemäß dieser Ausführungsform hat im wesentlichen den gleichen Aufbau wie derjenige der fünften Ausführungsform von 7, unterscheidet sich jedoch in den nachfolgenden beiden Punkten von dem Lastbetätigungsschaltkreis gemäß der fünften Ausführungsform:
Genauer gesagt, in dieser Ausführungsform ist in dem Konstantstromschaltkreis 30 der Energieversorgungsanschluß 8 über einen Widerstand R1 mit den Emittern des PNP-Transistors T11 und T12 verbunden und eine spannungsklemmende oder spannungsbegrenzende Zenerdiode ZD ist zwischen einem Anschluß des Widerstandes R1 und einem Energieversorgungsanschluß 9 so angeordnet, daß ein Anschluß hiervon als Kathode dient, wohingegen der energieversorgungsseitige Anschluß als Anode dient. Im Ergebnis wird eine Energieversorgungsspannung zur Erzeugung eines Konstantstromes in dem Konstantstromschaltkreis 30 auf einer Spannung unterhalb einer bestimmten Spannung abhängig von der Durchbruchspannung der Zenerdiode ZD gehalten und selbst wenn die Energieversorgungsspannung, welche von außen über die Energieversorgungsanschlüsse 8 und 9 zugeführt wird, hoch ansteigt, ist es möglich, den Ausgangstransistor To und den Erkennungstransistor Ts vor fehlerhaftem Betrieb oder Beschädigungen aufgrund der Ausgangsspannung vom Konstantstromschaltkreis 30 zu schützen.
Weiterhin erfolgt in dieser Ausführungsform in dem Konstantstromschaltkreis 30 anstelle einer direkten Verbindung zwischen Basis und Kollektor des PNP-Transistors T11, der zusammen mit dem PNP-Transistor T12 einen Stromspiegelschaltkreis bildet, eine Verbindung des PNP-Transistors T13 mit dessen Emitter mit der Basis des PNP-Transistors T11, wohingegen die Basis des PNP-Transistors T13 mit dem Kollektor des PNP-Transistors T11 verbunden ist, um die Verbindung zwischen Basis/Kollektor des PNP-Transistors T11 und Emitter/Basis des PNP-Transistors T13 zu erhalten, wobei der Kollektor des PNP-Transistors T13 mit dem Energieversorgungsanschluß 9 in Verbindung steht.
Dies deshalb, als, wenn Basis und Kollektor des PNP-Transistors T11 direkt miteinander im Konstantstromschaltkreis 30 wie beim Lastbetätigungsschaltkreis gemäß der fünften Ausführungsform verbunden sind, dann die Basisströme der PNP-Transistoren T11 und T12 in die Konstantstromquelle 32 fließen und der Strom, der von dem Konstantstromschaltkreis 30 zu den Gates von Erkennungstransistor Ts und Ausgangstransistor To fließt, sich gegenüber dem Konstantstrom verschiebt, der in der Konstantstromquelle 32 fließt. Somit macht bei dieser Ausführungsform der Einbau des PNP-Transistors T13 in den Konstantstromschaltkreis 30 die Basisströme der PNP-Transistoren T11 und T12 in den PNP-Transistor T13 fließend, wodurch der Konstantstrom von dem Konstantstromschaltkreis 30 zu jedem Gate der Transistoren TS und T0 mit höherer Genauigkeit gesteuert wird.
<Achte Ausführungsform>
10 zeigt den Schaltkreisaufbau eines Lastbetätigungsschaltkreises gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung.
Der Lastbetätigungsschaltkreis gemäß der achten Ausführungsform stellt eine weitere Verbesserung des Konstantstromschaltkreises 30 aus der obigen siebten Ausführungsform dar und der Unterschied zur siebten Ausführungsform ist darin zu sehen, daß im Konstantstromschaltkreis 30 der Energieversorgungsanschluß 8 und die Emitter der PNP-Transistoren T11 und T12 über einen PNP-Transistor T14 anstelle des Widerstandes R1 miteinander verbunden sind und daß ein PNP-Transistor T15, der zusammen mit dem PNP-Transistor T14 einen Stromspiegelschaltkreis bildet und eine Konstantstromquelle 34 zur Zufuhr eines Konstantstromes an den PNP-Transistor T15 vorhanden sind.
Genauer gesagt, im Falle des Konstantstromschaltkreises 30 der siebten Ausführungsform sind der Energieversorgungsanschluß 8 und die Emitter der PNP-Transistoren T11 und T12 über den Widerstand R1 verbunden, was ein Problem schafft dahingehend, daß der Energieverbrauch im Konstantstromschaltkreis 30 anwächst oder sich der Widerstand R1 erwärmt, was aufgrund der elektrischen Energie erfolgt, welche im Widerstand R1 verbraucht wird.
Bei der aktuellen Ausführungsform ist somit anstelle des Widerstandes R1 der PNP-Transistor T14 vorgesehen, dessen Emitter mit dem Energieversorgungsanschluß 8 verbunden ist und dessen Kollektor mit den Emittern der PNP-Transistoren T11 und T12 verbunden ist. Eine Verringerung im Energieverbrauch der Konstantstromquelle 30 ist dadurch erreichbar, daß ein Strom über diesen PNP-Transistor T14 den PNP-Transistoren T11 und T12 zugeführt wird. Hierbei ist der PNP-Transistor T15, der zusammen mit dem PNP-Transistor T14 den Stromspiegelschaltkreis bildet, mit diesem mit zusammengeschalteten Emittern und Basen verbunden, wohingegen Basis und Kollektor des PNP-Transistors T15 direkt miteinander in Verbindung stehen und der Kollektor hiervon über die Konstantstromquelle 34 mit dem Energieversorgungsanschluß 9 in Verbindung steht.
<Neunte Ausführungsform>
11 ist ein Schaltkreisdiagramm eines Lastbetätigungsschaltkreises gemäß einer neunten Ausführungsform der Erfindung.
Wie im Falle der bereits beschriebenen Lastbetätigungsschaltkreise gemäß den vierten bis achten Ausführungsformen ist im Lastbetätigungsschaltkreis gemäß der neunten Ausführungsform ein Stromspiegelschaltkreis mit PNP-Transistoren T11 und T12 in einem Konstantstromschaltkreis 30 vorhanden und dafür ausgelegt, den Early-Effekt des PNP-Transistors T12 aufzuheben, der in dem Fall auftritt, in welchem ein Konstantstrom von dem einen PNP-Transistor T12 zur Gateseite des Erkennungstransistors Ts geführt wird. Grundsätzlich ist dieser Lastbetätigungsschaltkreis ähnlich zum Lastbetätigungsschaltkreis gemäß der vierten Ausführungsform von 6.
Der Unterschied zum Lastbetätigungsschaltkreis gemäß der vierten Ausführungsform ist, daß ein PNP-Transistor T16, der einen fünften Transistor darstellt und ein PNP-Transistor T17, der einen sechsten Transistor darstellt in dem Konstantstromschaltkreis 30 vorhanden sind, um den Early-Effekt des PNP-Transistors T12 aufzuheben und daß ein PNP-Transistor T13 wie in der siebten Ausführungsform von 9 vorhanden ist, um zu verhindern, daß die Basisströme der PNP-Transistoren T11 und T12 in die Konstantstromquelle 32 fließen.
Die Verdrahtung bzw. Verknüpfung und die Funktion des PNP-Transistors T13 ist wie in der siebten Ausführungsform und eine nochmalige Beschreibung hiervon erfolgt aus Gründen der Einfachheit nicht. Nachfolgend wird lediglich beschrieben, wie die PNP-Transistoren T16 und T17 den Early-Effekt aufheben.
Der PNP-Transistor T16, der den fünften Transistor darstellt, ist so angeordnet, daß sein Emitter mit dem Emitter des PNP-Transistors T12 verbunden ist, seine Basis mit dem Kollektor des PNP-Transistors T12 verbunden ist und sein Kollektor über einen Widerstand R2 mit dem Energieversorgungsanschluß 9 verbunden ist.
Weiterhin ist der PNP-Transistor T17, der den sechsten Transistor darstellt, so angeordnet, daß sein Emitter mit dem Kollektor des PNP-Transistors T12 verbunden ist, seine Basis mit dem Kollektor des PNP-Transistors T16 verbunden ist und sein Kollektor mit dem Gate des Erkennungstransistors Ts verbunden ist.
Bei dem Lastbetätigungsschaltkreis gemäß dieser Ausführungsform wird somit die Kollektor/Emitter-Spannung des PNP-Transistors T12 zur Ausgabe eines Konstantstromes auf die Basis/Emitter-Vorwärtsspannung Vf (annähernd 0,7 V) des PNP-Transistors T16 festgelegt, was wiederum den Early-Effekt des PNP-Transistors T12 aufhebt.
Somit fließt bei dem Lastbetätigungsschaltkreis gemäß dieser Ausführungsform ein Konstantstrom proportional zu dem Strom, der durch den PNP-Transistor T11 fließt, durch den PNP-Transistor T12, um den PNP-Transistor T17 auf der Gateseite des Erkennungstransistors Ts zugeführt zu werden, wodurch es möglich wird, daß der Laststrom unterhalb eines bestimmten Wertes mit hoher Genauigkeit beschränkt wird. Der Grund hierfür wurde bereits weiter oben im Zuge der Beschreibungseinleitung näher dargelegt und eine weitere Beschreibung erfolgt nicht.
<Zehnte Ausführungsform>
12 ist ein Schaltkreisaufbau eines Lastbetätigungsschaltkreises gemäß einer zehnten Ausführungsform der Erfindung.
Der Lastbetätigungsschaltkreis gemäß der zehnten Ausführungsform ist dafür ausgelegt, abhängig von einem von außen kommendem Steuersignal zwischen einer Energieversorgung oder Erregung und einem Abschalten einer Last 2 rasch umzuschalten. Genauer gesagt, zusätzlich zu der Anordnung des Lastbetätigungsschaltkreises gemäß der ersten Ausführungsform von 1 ist ein Schaltelement SW1 in einem Konstantstromversorgungspfad angeordnet, der sich von dem Konstantstromschaltkreis 30 zum Gate des Erkennungstransistors Ts erstreckt und das Gate vom Ausgangstransistor To und der Energieversorgungsanschluß 9 werden miteinander über ein Schaltelement SW2 verbindbar gemacht. In dieser Ausführungsform ist der Energieversorgungsanschluß 9 auf Masse gelegt, um im elektrischen Potential gleich der negativen Seite der die Last betäigenden oder versorgenden Gleichspannungsquelle zu sein.
Bei dem Lastbetätigungsschaltkreis gemäß dieser Ausführungsform wird somit zum Betrieb oder zur Betätigung der Last 2 das Schaltelement SW1 in den Schaltzustand EIN gebracht, so daß ein Konstantstrom vom Konstantstromschaltkreis 30 dem Gate des Erkennungstransistors Ts zugeführt wird, wohingegen zum Beendigen der Erregung oder Versorgung der Last 2 das Schaltelement SW1 in die Schaltposition AUS gebracht wird und das Schaltelement SW2 in die Schaltposition EIN gebracht wird.
Da weiterhin das Gate des Ausgangstransistors To beim Bewegen des Schaltelementes SW2 in den Zustand EIN auf Masse gelegt ist, um die Betätigung oder Erregung der Lasten 2 zu beenden, wird eine elektrische Ladung, welche sich in der parasitären Kapazität des Ausgangstransistors To angesammelt hat, rasch entladen, was zu einem sofortigen Abschalten des Ausgangstransistors To führt.
Der Lastbetätigungsschaltkreis gemäß dieser Ausführungsform kann somit die Erregung oder Energieversorgung der Last 2 zum Zeitpunkt des Unterbrechens der Erregung der Last 2 abschalten. Weiterhin wirkt das Schaltelement SW2 in dieser Ausführungsform als zusätzliche Entladevorrichtung.
<Elfte Ausführungsform>
13 ist der Schaltkreisaufbau eines Lastbetätigungsschaltkreise gemäß einer elften Ausführungsform der Erfindung.
Beim Lastbetätigungsschaltkreis gemäß der elften Ausführungsform ist zusätzlich zu dem Aufbau des Lastbetätigungsschaltkreises gemäß der zehnten Ausführungsform von 12 ein NPN-Transistor 8 vorhanden, der einen siebten Transistor darstellt und einen Stromspiegelschaltkreis 10 zusammen mit den NPN-Transistoren T1 und T2 bildet, welche die ersten bzw. zweiten Transistoren darstellen, wobei ein unterbrechender Steuerschaltkreis 40 vorgesehen ist, der auf der Grundlage eines durch diesen NPN-Transistor T8 fließenden Stromes eine Entscheidung fällt, ob der Laststrom einen Überstromwert oberhalb eines bestimmten Wertes erreicht hat oder nicht, um die Betätigung oder Erregung der Last abhängig vom Entscheidungsergebnis zu unterbrechen oder zu beginnen.
Wie in 13 gezeigt, sind im NPN-Transistor T8 dessen Basis und Emitter mit den Basen und Emittern von NPN-Transistoren T1 und T2 zusammengefaßt, während der Kollektor über eine Konstantstromquelle 42 in dem unterbrechenden Steuerschaltkreis 40 mit dem Energieversorgungsanschluß 8 in Verbindung steht.
Was den unterbrechenden Steuerschaltkreis 40 betrifft, so sind zusätzlich zu der genannten Konstantstromquelle 42 ein PNP-Transistor 21, dessen Basis mit einem Knoten zwischen der Konstantstromquelle 42 und dem NPN-Transistor 8 verbunden ist, dessen Emitter wiederum mit dem Energieversorgungsanschluß 8 und dessen Kollektor über einen Kondensator C1 mit dem Energieversorgungsanschluß 9 verbunden ist, eine Konstantstromquelle 44 parallel zum Kondensator C1 und ein Schmitt-Trigger 46 vorhanden, der eine Spannung (welche nachfolgend als ”Kondensatorspannung” bezeichnet wird) am Knoten zwischen Kondensator C1 und PNP-Transistor T21 mit einer bestimmten Referenzspannung Vth vergleicht, um, wenn die Kondensatorspannung unterhalb des Referenzspannungswertes Vth liegt, ein Steuersignal (beispielsweise ein hochpegeliges Steuersignal) auszugeben, um das Schaltelement SW1 in den Zustand EIN zu versetzen und um das Schaltelement SW2 in den Zustand AUS zu versetzen und um weiterhin, wenn die Kondensatorspannung die Referenzspannung Vth übersteigt, ein Steuersignal auszugeben (beispielsweise ein niedrigpegeliges Steuersignal) um das Schaltelement SW1 in den Zustand AUS zu bringen und um das Schaltelement SW2 in den Zustand EIN zu bringen.
Die Konstantstromquelle 42 ist zum Einbringen eines Stromes in die Kollektorseite des NPN-Transistors T8 vorhanden, wenn sie eine Energieversorgung vom Energieversorgungsanschluß 8 empfängt, wohingegen eine weitere Konstantstromquelle 44 zum Entladen der elektrischen Ladung im Kondensator C1 über den PNP-Transistor T21 vorhanden ist.
Da die Eingangsspannung-Entscheidung seitens des Schmitt-Triggers 46 in einem hysterese-artigen Zustand durchgeführt wird, um zu verhindern, daß der Ausgang des Schmitt-Triggers hin- und herspringt, wenn seine Eingangsspannung (in diesem Falle die Kondensatorspannung) sich im Nahbereich der Referenzspannung Vth ändert, macht dieser, wenn er ein hochpegeliges Kontroll- oder Steuersignal ausgibt eine Entscheidung, daß die Kondensatorspannung um einen bestimmten Wert höher als die Referenzspannung Vth ist oder nicht und bei Ausgabe eines niedrigpegligen Kontrollsignals erfolgt eine Entscheidung dahingehend, ob die Kondensatorspannung eine Spannung erreicht hat oder nicht, welche um einen bestimmten Wert niedriger als die Referenzspannung Vth ist.
Der so aufgebaute unterbrechende Steuerschaltkreis 40 zeichnet sich dadurch aus, daß im Normalzustand mit einem normalen Laststrom kein Strom durch den NPN-Transistor T8 fließt, der den Stromspiegelschaltkreis 10 bildet und an der Basis des PNP-Transistors T21 liegt die Energieversorgungsspannung, die über den Energieversorgungsanschluß hereinkommt, so daß der PNP-Transistor T21 in den voll ausgeschalteten Zustand verfällt, so daß der Kondensator C1 nicht geladen wird.
Selbst wenn sich eine solche Ladung im Kondensator C1 gesammelt hat, wird die hierin enthaltende elektrische Ladung aufgrund des Entladevorganges durch die Konstantstromquelle 44 vollständig entladen und die dem Schmitt-Trigger 46 eingegebene Kondensatorspannung wird 0 V (erreicht das elektrische Potential der Masse, mit welcher der Energieversorgungsanschluß 9 verbunden ist).
Infolgedessen gibt der Schmitt-Trigger 46 das hochpegelige Steuersignal aus, um das Schaltelement SW1 in den Zustand EIN zu bringen und um das Schaltelement SW2 in den Zusand AUS zu bringen und der Konstantstromschaltkreis 30 liefert einen Konstantstrom an das Gate des Erkennungstransistors Ts, so daß ein Laststrom über den Ausgangstransistor To der Last 2 zugeführt wird.
Wenn in diesem Zustand der Laststrom anwächst und ein Strom proportional zum Laststrom durch den Erkennungstransistor Ts und den NPN-Transistor T1 fließt, gelangt auch ein Strom proportional zum Laststrom in den NPN-Transistor T8. Zu diesem Zeitpunkt kommt der durch den NPN-Transistor T8 fließende Strom von der Konstantstromquelle 42.
Wenn der Laststrom weiter anwächst, so daß eine Stromzufuhr von der Konstantstromquelle 42 zum NPN-Transistor T8 nicht mehr möglich ist, fließt ein Vorwärtsstrom zwischen Emitter und Basis des PNP-Transistors T21 und der NPN-Transistor T8 empfängt Ströme sowohl von der Konstantstromquelle 42 als auch dem PNP-Transistor T21.
Wenn der Basisstrom auf diese Weise durch den PNP-Transistor T21 fließt, wird ein Strom, der durch Multiplizieren dieses Basisstromes mit hFE erhalten wird vom Kollektor des PNP-Transistors T21 dem Kondensators C1 zugeführt.
Da weiterhin die Konstantstromquelle 44, welche die angesammelte elektrische Ladung entlädt, mit dem Kondensator C1 in Verbindung ist, wird, wenn der Kollektorstrom des PNP-Transistors T21 kleiner als der von der Konstantstromquelle 44 ausgegebene Strom ist, keine elektrische Ladung im Kondensator C1 aufgeladen.
Wenn jedoch der Laststrom weiter anwächst und der Kollektorstrom des PNP-Transistors T21 entsprechend anwächst, um den Spannungswert zu übersteigen, welchen die Konstantstromquelle 44 liefern kann, wird der Kondensator C1 durch den Kollektorstrom gelangen, der vom PNP-Transistor T21 geliefert wird.
Im unterbrechenden Steuerschaltkreis 40 dieser Ausführungsform wird der Laststrom, der fließt, wenn der Kollektorstrom des PNP-Transistors T21 den Stromwert übersteigt, welchen die Konstantstromquelle 44 ausgeben kann und dadurch die Ladung im Kondensator C1 beginnt, als Überstrom-Entscheidungswert festgesetzt. Zusätzlich wird dieser Überstrom-Entscheidungswert auf beispielsweise 5 A gesetzt, was ein Wert niedriger als ein Stromgrenzwert (beispielsweise 8 A) ist, der vom Konstantstrom Ic der Konstantstromquelle 30 abhängt, den diesen an das Gate des Erkennungstransistors Ts ausgibt.
Wenn weiterhin die Kondensatorspannung einen Spannungswert erreicht, der um einen bestimmten Wert höher als die Referenzspannung Vth aufgrund des Ladens des Kondensators C1 ist, ändert sich das vom Schmitt-Trigger 46 ausgegebene Steuersignal vom hochpegeligen Zustand zum niedrigpegeligen Zustand, so daß das Schaltelement SW1 in den Zustand AUS verfällt, wohingegen das Schaltelement SW2 in den Zustand EIN verfällt. Dies schaltet den Ausgangstransistor To sofort ab, so daß die Zufuhr des Laststromes an die Last 2 unterbrochen wird.
Da der Zustand AUS des Ausgangstransistors To auf diese Weise den Laststrom unterbricht, fließt kein Strom durch die NPN-Transistoren T1, T2 und T8, so daß der PNP-Transistor T21 in den Zustand AUS gelangt. Das Ergebnis ist, daß die im Kondensator C1 gespeicherte elektrische Ladung über die Konstantstromquelle 44 entladen wird.
Wenn diese Entladung bewirkt, daß die Kondensatorspannung um einen bestimmten Wert niedriger als die Referenzspannung Vth wird, nimmt das vom Schmitt-Trigger 46 ausgegebene Steuersignal wieder den hohen Wert an, wodurch das Schaltelement SW1 in den Zustand EIN versetzt wird und das Schaltelement SW2 in den Zustand AUS versetzt wird, um die Stromzufuhr zur Last 2 wieder aufzunehmen.
In dem Lastbetätigungsschaltkreis gemäß dieser Ausführungsform gemäß obiger Beschreibung werden, wenn der Laststrom den Überstrom-Entscheidungswert überschreitet, die Zustände EIN/AUS der Schaltelemente SW1 und SW2 nach Verstreichen einer bestimmten Verzögerungszeit abhängig von der Zeit invertiert, welche zum Laden des Kondensators C1 zum Abschalten des Ausgangstransistors To zur Unterbrechung der Stromzufuhr zur Last 2 notwendig ist. Bei einem Unterbrechen des Stromzufuhrs zur Last 2 werden die Schaltzustände EIN/AUS der Schaltelemente SW1 und SW2 wiederum nach Verstreichen einer bestimmten Zeit abhängig von der Zeit invertiert, die zum Entladen des Kondensators C1 notwendig ist, um den Ausgangstransistor To wieder einzuschalten, so daß die Stromzufuhr zur Last 2 wieder aufgenommen wird. Somit wird beim Fließen eines Überstromes durch die Last 2 der Ausgangstransistor To wiederholt ein- und ausgeschaltet, so daß der Energieverlust verringert wird, der aufgrund eines Fließens des Überstroms durch den Ausgangstransistor To auftritt.
Da der Ausgangstransistor To so ausgelegt ist, daß er nicht abgeschaltet wird, wenn eine Entscheidung dahingehend erfolgt, daß ein Überstrom vorliegt (mit anderen Worten zu dem Zeitpunkt ab, zu dem die Ladung des Kondensators C1 beginnt) bis nicht eine bestimmte Zeitdauer zum Laden des Kondensators C1 verstrichen ist, ist es möglich, zu vermeiden, daß ein zu Betriebsbeginn durch die Last 2 fließender Stoßstrom als Überstrom in fehlerhafter Weise erkannt wird und dann der Ausgangstransistor To fehlerhafterweise abgeschaltet wird. In dieser Ausführungsform wird der Kondensator C1 dafür verwendet, eine derartig Verzögerungszeitfunktion als Verzögerungsvorrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung festzusetzen.
Da weiterhin in dieser Ausführungsform eine Verzögerungszeit zwischend der Entscheidung hinsichtlich eines Überstroms und dem Abschalten des Ausgangstransistors To festgesetzt wird, zieht beispielsweise, wenn die Last 2 aufgrund eines Kurzschlusses durchbricht, obgleich ein hoher Strom durch den Ausgangstransistor To fließt, der NPN-Transistor T2, der den Stromspiegelschaltkreis 10 bildet, einen Strom vom Gate des Ausgangstransistors To, so daß der Laststrom unter einen bestimmten Wert begrenzt wird, was eine Beschädigung oder einen Durchbruch des Ausgangstransistors To aufgrund des Laststromes vermeidet.
<Zwölfte Ausführungsform>
14 ist ein elektrisches Schaltbild, welches einen Lastbetätigungsschaltkreis gemäß einer zwölften Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Der Lastbetätigungsschaltkreis gemäß der zwölften Auführungsform weist zusätzlich zu dem Lastbetätigungsschaltkreis gemäß der elften Ausführungform von 13 einen Widerstand A auf, der zwischen die miteinander verbundenen Steueranschlüsse (Basen) der NPN-Transistoren T1, T2 und T8, welche den Stromspiegelschaltkreis 10 bilden und die negative Energieversorgungsleitung geschaltet ist, sowie weiterhin einen Widerstand B, der zwischen den Steueranschluß (Gate) des Ausgangstransistors To und die negative Energieversorgungsleitung geschaltet ist, (mit anderen Worten parallel zum NPN-Transistor T2 des Stromspiegelschaltkreises 10).
Der Widerstand A wirkt als Vorspannvorrichtung und dient zum Herstellen eines sehr kleinen Stromflusses von den Basen der NPN-Transistoren T1, T2 und T8, welche den Stromspiegelschaltkreis 10 bilden zu der negativen Energieversorgungsleitung, so daß die Basisspannung eines jeden der Transistoren T1, T2 und T8 beibehalten wird um eine bestimmte elektrische Potentialdifferenz bezüglich der negativen Energieversorgungsleitung auch dann aufrecht zu erhalten, wenn das elektrische Potential auf der negativen Energieversorgungsleitung schwankt.
Der Widerstand B wirkt auch als Vorspannungsvorrichtung und bewirkt den Fluß eines Stromes durch die Diode D, welche als Spannungsabfallvorrichtung 20 dient, zur Gateseite des Ausgangstransistors To bzw. zur negativen Energieversorgungsleitung über einen Strompfad, der den Stromspiegelschaltkreis 10 umgeht, wodurch sichergestellt wird, daß ein Strom zu der Diode D bei einem Abfall der Energieversorgungsspannung fließt, so daß wiederum das elektrische Potential am Gate des Ausgangstransistors To auf einen konstanten Wert entsprechend dem elektrischen Gate-Potential des Erkennungstransistors Ts beibehalten wird.
Bei dem Lastbetätigungsschaltkreis gemäß der zwölften Ausführungsform ist es somit möglich, zu verhindern, daß die Laststrom-Beschränkungsarbeitsweise des NPN-Transistors T2 unkorrekt durchgeführt wird, da die Arbeitsweise des Stromspiegelschaltkreises 10 unstabil wird (beispielsweise), oder wenn das elektrische Potential an der negativen Energieversorgungsseite schwankt, wenn der Laststrom ansteigt oder dergleichen. Zusätzlich ist es möglich, zu verhindern, daß der Laststrom-Begrenzungsvorgang unkorrekt durchgeführt wird, wenn kein Strom durch die Diode D beim Abfall der Energieversorgungsspannung fließt, wodurch eine unstabile Gatespannung am Ausgangstransistor To bewirkt werden würde. Im Ergebnis kann der Lastbetätigungsschaltkreis dieser Ausführungsform im Vergleich zum Lastbetätigungsschaltkreis gemäß der elften Ausführungsform den Laststrom noch stabiler einschränken oder begrenzen.
Die Widerstände A und B wirken als eine Vorspannvorrichtung; sie sind jedoch nicht auf den Lastbetätigungsschaltkreis gemäß der elften Ausführungsform von 13 beschränkt, sondern auch bei den oben beschriebenen Lastbetätigungsschaltkreisen gemäß den ersten bis neunten Ausführungsformen anwendbar und zeigen dort gleiche oder ähnliche Wirkungsweisen. Zusätzlich ist es möglich, nur einen der Widerstände A und/oder B zu verwenden. Weiterhin ist es auch vorteilhaft, da diese Widerstände A und B dazu dienen, einen sehr kleinen Stromfluß zur Stabilisierung des elektrischen Basispotentiales des NPN-Transistors T2 oder des elektrischen Gate-Potentials des Ausgangstransistors To zu erzielen, anstelle eines jeden der Widerstände A und B einen Konstantstromschaltkreis zu verwenden.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden exemplarisch in der voranstehenden Beschreibung erläutert; es versteht sich jedoch, daß die vorliegende Erfindung nicht auf diese beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern daß es vielmehr beabsichtigt ist, sämtliche Änderungen, Modifikationen und Abwandlungen mit abzudecken, welche sich aus dem Umfang der Erfindung gemäß obiger Beschreibung, der beigefügten Zeichnung und der noch folgenden Ansprüche ergeben.
Beispielsweise wurde in der obigen Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen ein MOS-Transistor sowohl für den Ausgangtransistor To als auch den Erkennungstransistor Ts verwendet; jeder dieser Transistoren To bzw. Ts kann auch als bipolarer Transistor ausgelegt werden. Genauer gesagt, wenn beispielsweise der Lastbetätigungsschaltkreis vom niedrigseitigen Typ gemäß 3 ist, können der Ausgangstransistor To und der Erkennungstransistor Ts auch in Form eines NPN-Bipolartransistors anstelle eines N-Kanal MOS-Transistors ausgelegt sein. Wenn darüber hinaus der Lastbetätigungsschaltkreis vom hochseitigen Typ gemäß 4 ist, können der Ausgangstransistor To und der Erkennungstransistor Ts auch als PNP-Bipolartransistor anstelle eines P-Kanal MOS-Transistors ausgelegt sein.
In der voranstehenden Beschreibung befaßte sich jede der vierten bis zwölften Ausführungsformen mit einem Beispiel eines niedrigseitigen Lastbetätigungsschaltkreises, in welchem der Lastbetätigungsschaltkreis gemäß der ersten Ausführungsform von 3 als Basisschaltkreis verwendet wird; der Konstantstromschaltkreis 30, der Spannungsbegrenzungsschaltkreis, der die Energieversorgung unterbrechende Steuerschaltkreis 40 und andere Schaltkreiselemente oder -teile, welche unter Bezug auf die vierten bis zwölften Ausführungsformen beschrieben wurden, sind ebenfalls auf Lastbetätigungsschaltkreise abweichend von der ersten Ausführungsform anwendbar, beispielsweise für hochseitige Lastbetätigungsschaltkreise.
Beschrieben wurde ein Lastbetätigungsschaltkreis, der in der Lage ist, den Laststrom für eine Last unterhalb eines bestimmten Wertes mit hoher Genauigkeit festzusetzen oder einzuregeln. In dem Lastbetätigungsschaltkreis ist ein Serienschaltkreis bestehend aus einem Erkennungstransistor und einem NPN-Transistor parallel mit einem Ausgangstransistor zur Zufuhr des Laststromes an die Last verbunden, wobei eine Diode zwischen die Gates des Ausgangstransistors und des Erkennungstransistors gesetzt ist, so daß ein Spannungsabfall gleich einem Spannungsabfall im NPN-Transistor erzeugt wird. Zusätzlich ist ein Konstantstromschaltkreis zur Zufuhr eines Konstantstromes mit dem Gate des Erkennungstransistors verbunden und ein weiterer Transistor zur Bildung eines Stromspiegelschaltkreises zusammen mit dem NPN-Transistor ist mit dem Gate des Ausgangstransistors verbunden. Dieser Schaltkreisaufbau verhindert, daß ein Grenzwert des Laststromes auf Grund von Ungleichförmigkeiten von Schaltkreiselementen oder dergleichen schwankt, so daß eine hochgenaue Laststrombegrenzung oder -beschränkung möglich wird.

Claims

Ein Lastbetätigungsschaltkreis mit: einem Ausgangstransistor (To) zur Zufuhr eines Laststromes an eine Last (2); einem Erkennungstransistor (Ts) zum Erkennen des durch den Ausgangstransistor (To) fließenden Laststromes; einem ersten Transistor (T1), der in Serie mit dem Erkennungstransistor (Ts) geschaltet ist und zusammen mit dem Erkennungstransistor (Ts) parallel zu dem Ausgangstransistor (To) geschaltet ist, so dass ein Strom proportional zum Laststrom durch den Ausgangstransistor (To) fließt; und einem zweiten Transistor (T2) zum Bilden eines Stromspiegelschaltkreises in Verbindung mit dem ersten Transistor (T1), wobei Steueranschlüsse des Ausgangstransistors (To) und des Erkennungstransistors (Ts) elektrisch miteinander so verbunden sind, dass der Ausgangstransistor (To) und der Erkennungstransistor (Ts) ungefähr gleichzeitig in Antwort auf ein Steuersignal zur Betätigung der Last (2) betrieben werden, wobei ein Spannungspegel am Steueranschluss des Ausgangstransistors (To) durch einen Strom geändert wird, der durch den zweiten Transistor (T2) fließt, um den Laststrom auf einen bestimmten Wert zu begrenzen, wobei der Schaltkreis aufweist: eine Spannungsabfallvorrichtung (20), welche zwischen die Steueranschlüsse des Ausgangstransistors (To) und des Erkennungstransistors (Ts) geschaltet ist, um einen Spannungsabfall zu erzeugen, der im wesentlichen gleich einem Spannungsabfall ist, der sich in dem ersten Transistor (T1) ergibt, wenn ein Strom proportional zum Laststrom durch den Erkennungstransistor (Ts) fließt, so dass eine im wesentlichen vollständige Übereinstimmung der Betriebspunkte von Ausgangstransistor (To) und Erkennungstransistor (Ts) hergestellt wird; und einen Konstantstromschaltkreis (30) zum Liefern eines Konstantstromes als besagtes Steuersignal an den Steueranschluss des Erkennungstransistors (Ts), wobei weiterhin der Konstantstromschaltkreis (30) einen dritten Transistor (T11) und einen vierten Transistor (T12) zur Bildung eines Stromspiegelschaltkreises und eine Konstantstromquelle (32) zusammen mit dem dritten Transistor (T11) aufweist, geschaltet zwischen positive und negative Energieversorgungsleitungen zur Herstellung eines Konstantstromflusses durch den dritten Transistor (T11), wobei der vierte Transistor (T12) mit dem Steueranschluss des Erkennungstransistors (Ts) verbunden ist, um einen Konstantstrom zu liefern, der proportional zu dem Stromfluss durch den dritten Transistor (T11) ist, wobei der Konstantstrom durch den vierten Transistor (T12) zu dem Steueranschluss des Erkennungstransistors (Ts) fließt; und in dem Konstantstromschaltkreis (30) der vierte Transistor (T12), dessen Kollektor mit dem Steueranschluss des Erkennungstransistors (Ts) verbunden ist, einen zweiten Kollektor aufweist, der mit dem Steueranschluss des Ausgangstransistors (To) verbunden ist, wobei weiterhin ein Konstantstrom direkt durch den zweiten Kollektor dem Steueranschluss des Ausgangstransistors (To) zugeführt wird.
Lastbetätigungsschaltkreis nach Anspruch 1, wobei der Ausgangstransistor (To) und der Erkennungstransistor (Ts) aus MOS-Transistoren gebildet sind, deren Drains miteinander verbunden sind und deren Gates die Steueranschlüsse bilden, welche miteinander in einem Zustand verbunden sind, in welchem die Spannungsabfallvorrichtung (20) zwischengeschaltet ist.
Lastbetätigungsschaltkreis nach Anspruch 2, wobei der MOS-Transistor, der sowohl den Ausgangstransistor (To) als auch den Erkennungstransistor (Ts) bildet, vom N-Kanal-Typ ist, wobei der Konstantstromschaltkreis (30) den Konstantstrom zu der Gateseite des Erkennungstransistors (Ts) liefert, welche den Steueranschluss hiervon bildet und wobei der zweite Transistor (T2) den Konstantstrom aufnimmt, der von dem Konstantstromschaltkreis (30) über die Spannungsabfallvorrichtung (20) an das Gate des Ausgangstransistors (To) geliefert wird, welches den Steueranschluss hiervon bildet.
Lastbetätigungsschaltkreis nach Anspruch 1, wobei der erste Transistor (T1) und der zweite Transistor (T2) aus bipolaren Transistoren gebildet sind, deren Basen gemeinsam zusammengefasst sind und deren Emitter gemeinsam zusammengefasst sind, wobei ein Kollektor des bipolaren Transistors, der den ersten Transistor (T1) bildet, mit dem Erkennungstransistor (Ts) verbunden ist und weiterhin mit den gemeinsam verbundenen Basen verbunden ist, wohingegen ein Kollektor des bipolaren Transistors, der den zweiten Transistor (T2) bildet, mit dem Steueranschluss des Ausgangstransistors (To) verbunden ist.
Lastbetätigungsschaltkreis nach Anspruch 4, wobei die Spann ungsabfallvorrichtung (20) ein Halbleiterelement ist, welches eine Vorwärtsspannung mittels eines PN-Überganges erzeugt.
Lastbetätigungsschaltkreis nach Anspruch 1, wobei der erste Transistor (T1) Lind der zweite Transistor (T2) mit MOS-Transistoren gebildet sind, deren Gates gemeinsam verbunden sind und deren Sources gemeinsam verbunden sind, wobei eine Drain des MOS-Transistors, der den ersten Transistor (T1) bildet, mit dem Erkennungstransistor (Ts) und weiterhin mit den gemeinsam verbundenen Gates verbunden ist, während eine Drain des MOS-Transistors, der den zweiten Transistor (T2) bildet, mit dem Steueranschluss des Ausgangstransistors (To) verbunden ist.
Lastbetätigungsschaltkreis nach Anspruch 6, wobei die Spannungsabfallvorrichtung (20) aus einem MOS-Transistor gebildet ist, der dafür ausgelegt ist, einen Spannungsabfall über eine Gate/Source-Spannung hiervon zu erzeugen.
Lastbetätigungsschaltkreis nach Anspruch 1, wobei der dritte Transistor (T11) und der vierte Transistor (T12) aus bipolaren Transistoren gebildet sind, deren Basen gemeinsam zusammengefasst sind und deren Emitter gemeinsam zusammengefasst sind, wobei ein Kollektor des bipolaren Transistors, der den dritten Transistor (T11) bildet, mit der Konstantstromquelle (32) verbunden ist und weiterhin mit den gemeinsam zusammengefassten Basen verbunden ist, wohingegen ein Kollektor des bipolaren Transistors, der den vierten Transistor (T12) bildet, mit dem Steueranschluss des Erkennungstransistors (Ts) verbunden ist.
Lastbetätigungsschaltkreis nach Anspruch 1, weiterhin mit einer Begrenzungsvorrichtung (ZD) zum Halten einer Spannung am Steueranschluss des Ausgangstransistors (To) auf einem Spannungswert unterhalb eines bestimmten Wertes.