DE2407333A1

DE2407333A1 - Ueberspannungsschutzschaltung

Info

Publication number: DE2407333A1
Application number: DE19742407333
Authority: DE
Inventors: William Folsom Davis
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1973-02-15
Filing date: 1974-02-15
Publication date: 1974-09-05
Also published as: JPS5041037A; FR2217841A1; US3911296A; FR2217812A1; DE2407333C3; JPS5231679A; GB1434332A; GB1435401A; FR2217841B1; DE2407376A1; FR2217812B1; JPS5437799B2; FR2217900B1; DE2407291A1; GB1427468A; DE2407333B2; JPS49113153A; FR2217900A1

Description

PATENTANWÄLTE
DIPL.-ING. LEO FLEUCHAUS

DR.-ING. HANS LEYH

Dipl. -Ing. !'JrriKt Itathmann

M0nch.n7l, 12. Febr. 1D74 Melchloretr. 42

Unser Zeichen: M012&P-1117

Motorola, Inc. 9401 West Grand Avenue Franklin Park, Illinois V. St. A,

überspannungsschutzschaltung

Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzschaltung, vorzugsweise als integrierte Schaltung, mit einem zwischen der Versorgunsspannung und einem Bezugspotential liegenden Schutztransistor.

Halbleiteranordnungen und insbesondere integrierte Schaltkreise finden immer größere Anwendung in der modernen Autoelektrik. Dabei können diese Halbleiteranordnungen sowohl für Zündsysteme, als auch für Steuer- und Überwachungseinrichtungen Verwendung finden, wobei sich durch die Verwendung von derartigen Halbleiteranordnungen auch erhebliche Kostenersparungen erzielen lassen. Die Verwendung von Halbleiteranordnungen und integrierten Schaltkreisen im Rahmen der Autoelektrik ist jedoch nicht ohne Problematik, da diese Teile ungünstigen elektrischen Bedingungen ausgesetzt sind, was

Fs/ku insbesondere

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insbesondei'e für integrierte Schaltkreise gilt. Die ungünstigen Bedingungen können durch TemperaturbelaGtungen in einem großen Temperaturbereich ausgelöst sein, aber auch durch Stör- und Rauschsignale, die beim Betrieb des elektrischen Systems in einem Kraftfahrzeug nicht zu vermeiden sind. Diese Störsignale können z. ü. aus verhältnismäßig energiearmen positiven oder negativen Impulsen bestehen, mit sehr großer Amplitude, die mehrere 100 Volt annehmen kann. Derartige Signale werden nachfolgend als Kauschaignale bezeichnet und treten typiseluirwei se in Leitungen auf, die zur Signalübertragung z. B. Fühlelemente und Schalteinrichtungen mit der integrierten Schaltung verbinden. Diese Rauschsignale können eine Fehlfunktion bei bisher verwendeten integrierten Schaltkreisen auslösen oder sogar zerstörend wirken. Es wurde auch festgestellt, daß selbst relativ robuste und widerstandsfähige diskrete Halbleiteranordnungen, wie z. B. Leistungstransistoren, die über¹ die integrierten Schaltungen gesteuert werden, durch derartige Rauschsignaleinflüsse beschädigt wurden. Außerdem ist es bekannt, daß in den Hauptversorgungsleitungen des elektrischen Systems der Autoelektrik durch Abschalten von Verbrauchern von der Batterie, die üblicherweise eine 12 Volt-Batterie ist, sehr hochenergetische Ausgleichsspannungen auftreten können, die bis zu 100 Volt Spannungsspitze erreichen. Derartige Ausgleichsspannungen zerstören die bisher bekannten integrierten Schaltkreise, wenn keine besonderen Schutzschaltungen verwendet werden.

Bekannte Uberspannungsschutzschaltungen für integrierte Schaltkreise enthalten Zenerdioden, die zwischen die Anschlußklemme für die Versorgungsspannung und dem Bezugspotential geschaltet sind, wobei die Anschlußklemme selbst über einen Widerstand an der Versorgungsspannung liegt. Bei

- 2 - positiven

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positiven Oberspannungen wird die Zenerdiode leitend, wobei der über sie fließende Strom durch den Widerstand begrenzt wird. Bei der Anwendung von integrierten Schaltkreisen in der Autoelektrik sind die Werte der externen Widerstände notwendigerweise sehr klein, um große Spannungsabfälle zu verhindern, die das Betriebsverhalten der angeschlossenen integrierten Schaltung beeinträchtigen. Ls fließen nämlich infolge der geringen Widerstände sehr große Ströme über die Zenerdiode, unter den Bedingungen des Zener— Durchbiuichs, so daß Zenerdioden verwendet werden müssen, die hohe Verlustleistungen aufnehmen. Es ist jedoch wünschenswert,vorzugsweise für integrierte Schaltungen eine Überspannungsschutzschaltung zu haben mit der Fähigkeit, von integrierten Schaltungen von hohen Spannungen nicht beeinträchtigt zu werden, wenn solche auftreten.

Zur Erreichung dieses Zieles liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Überspannungsschutzschaltung, vorzugsweise für integrierte Schaltungen, jedoch auch für diskrete Halbleiterelement e zu schaffen, die den Einfluß hoher Ausgleichsspannungen oder Störspannungen auf die integrierte Schaltung bzw. die Halbleiteielemente weitgehendst ausschalten. Dabei soll insbesondere die Durchbruchspannung der Transistoren von ÜVppQ Volt auf BVp„_o Volt in Abhängigkeit von.dem Auftreten der Überspannungsbedingung vergrößert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen der Basis des Schutztransistors und einer Anschlußklemme für die Versorgungsspannung eine Spannungssteuerschaltung in Serie zu einem Basiswiderstand geschaltet ist, wobei die Spannungssteuerschaltung das. Einschalten des Transistors verhindert, solange die Spannung zwischen der Anschlußklemme und dem Bezugspotential kleiner als ein vorge-

- 3 - gebener

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gebener Wert ist, und daß ein zweiter Transistor an seiner Basis vom Schutztransistor ansteuerbar ist und mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke zwischen der Anschlußklemme für die Versorgungsspannung und dem Bezugspotential liegt.

Weitere Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

Die Maßnahmen der Erfindung sind besonders vorteilhaft in Verbindung mit einer integrierten Schaltung zu verwirklichen, die mit ihrer Anschlußklemme für die Versorgungsspannung über einen Widerstand an der Versorgungsspannung liegt, wobei von dieser Anschlußklemme aus eine Zenerdiode zum Bezugspotential liegt. Sowohl der Widerstand als auch die Zenerdiode können auf demselben HalbleiterplSttchen' integriert in die Schaltung mit untergebracht Bein. Dabei liegt die Kathode der Zenerdiode an der Anschlußklemme für die Versorgungsspannung, an welcher auch die Basis eines Schutztransistors über einem Basiswiderstand und eine Spannungssteuqrschaltung angeschlossen ist. Dieser Schutztransistor steuert die Basis eines zweiten Transistors an, der mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke zwischen der Anschlußklemme für die Versorgungssparmung und dem Bezugspotential liegt. Unter Oberspannungsbedingungen führt die Zenerdiode einen Zenerstrom, wobei auch ein über den Basiswiderstand fliessender Basisstrom den Schutztransistor in die Sättigung steuert, so daß für den zweiten Transistor die Durchbruchsspannung von BV_CE0 Volt auf BVp_ES Volt ansteigt.

Die Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigt

- 4 - Fig.

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Fig. 1 ein Blockschaltbild, mit welchem die elektrischen Verhältnisse in einem Kraftfahrzeug im Modell nachgebildet sind;

Fig. 2 eine graphische Darstellung eines abklingenden Laststromes sowie elektrischer Rauschsignale, wie sie in dem elektrischen System eines Kraftfahrzeuges auftreten können;

Fig. 3 eine bekannte Überspannungsschutzschaltung;

Fig. 4 das Schaltbild einer Ausführungsform einer Überspannungsschutzschaltung gemäß der Erfindung;

Fig. 5 das Schaltbild einer Ausführungsform der" Erfindung im elektrischen System eines Kraftfahrzeugs.

Die elektrischen Schaltungsverhältnisse, bei denen sich die Problematik ergibt, für welche die vorliegende Erfindung eine Lösung gibt, wird anhand der Fig. 1 beschrieben. Dieses Blockschaltbild gibt das elektrische System 100 in einem Kraftfahrzeug wieder, das an einer 12 Volt-Batterie 102 über die negative Klemme 104 und die positive Klemme 106 angeschlossen ist. Die negative Klemme 104 steht mit der Masseleitung 105 in Verbindung, die bei einem Kraftfahrzeug in der Regel aus dem Chassis und an verschiedenen Stellen an dieses angeschlossenen Drahtleitungen besteht. Der Chassis-Widerstand ist gemäß Fig. 1 in mehrere diskrete Widerstände 108, 110, 112, 114, 116 und 118 aufgeteilt. Es ist bekannt, daß diese Widerstände z. B. infolge von Korrosion oder dem sich mechanischen Lösen von Anschlußverbindungen an das Chassis im Laufe des Kraftfahrzeugalters in ihrem Wert ansteigen können. Die positive Klemme 106 der Batterie 102

- 5 - ist

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ist mit der Feldwicklung 120 und der Ausgangsseite des Wechselstromgenerators verbunden, der durch die Stromquelle

121 representiert wird. Die andere Seite des Wechselstromgenerator liegt an Masse. Die positive Versorgungsleitung

122 liegt ebenfalls an der positiven Klemme 106. Die Versorgungsleitung 122 verläuft durch das elektrische Leitungsbündel 124, wobei die verteilte Induktivität dieser Versorgungsleitung 122 in mehrere Einzelinduktivitäten 126, 128 und 130 in der Darstellung gemäß Fig. 1 unterteilt ist. Eine integrierte Schaltung 132 ist über die positive Versorgungsklenane 134 im Punkt 139 mit der Versorgungsleitung 122 verbunden, wogegen die negative Versorgungsklemme 136 im Punkt 140 an der Masseleitung 105 liegt. Eine Eingangsklemme dieser integrierten Schaltung ist über eine Leitung 142 an einen Schalter 143 angeschlossen, wobei diese Leitung 142 durch das Leitungsbündel 124 in der Nähe der Versorgungsleitung 122 verläuft. Wenn der Schalter geschlossen wird, ist die Leitung 142 im Punkt 144 an den Masseleiter 105 angeschlossen. Die verteilte Induktivität der Leitung 142 ist in mehrere diskrete Induktivitäten 145, 14G und 147 unterteilt. Die zwischen der Versorgungsleitung 122 und der Signalleitung 142 vorhandenen Koppelkapazitäten werden durch die diskreten Kondensatoren 12 3, 12 5 und 12 7 verwirklicht. Ein erstes elektrisches Zubehörgerät 150 liegt zwischen dem Punkt 151 der Versorgungsleitung 12 2 und dem Punkt 152 der Masseleitung 105. Ein zweites Zubehörgerät 154, das z. B. der Motor einer Klimaanlage sein kann, liegt zwischen dem Punkt 155 der Versorgungsleitung 122 und dem Punkt 156 der Masseleitung 105. Ein drittes Zubehör gerät 158, das z. B. ein Antriebsmotor für die elektrische Scheibenbetätigung sein kann, ist zwischen den Punkt 159 dev Versorgungsleitung 122 und den Punkt 160 der Masseleitung 105 geschaltet. Die verschiedenen Induktivitäten und Kapazitäten, wie sie sich

- 6 - aus

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Λ*

aus der Darstellung gemäß Fig. 1 ergeben, sowie die zwischen diesen Elementen bestehende Kopplung führt dazu, daß auf der Signalleitung 142 und der Versorgungsleitung 122 Rauschsignale in einem bemerkenswerten Umfang auftreten, wenn die verschiedenen Zubehörgeräte an- und abgeschaltet werden. Wenn z. B. das Zubehörgerät 12 8 in Betrieb ist, fließt ein verhältnismäßig großer Strom von der positiven Klemme 106 über die Versorgungsleitung 122, die Induktivitäten 126 und 128 sowie die Widerstände 114, 112 und 108 zur negativen Klemme 104. Die Widerstände in der Masseleitung 105 sind üblicherweise ausreichend groß, um einen wesentlichen Spannungsabfall zwischen dem Punkt 16 6 und der negativen Klemme 104 entstehen zu lassen. Wenn das Zubehörgerät 158 ausgeschaltet wird, entsteht aufgrund des Stromes durch die Induktivitäten 126 und 128 eine verhältnismäßig große positive Ausgleichsspannung, die sowohl am Punkt 159, als auch am Punkt 139 in Erscheinung tritt; Folglich wirkt auch zwischen den Versorgungsklemmen 134 und 136 der integrierten Schaltung 132 eine große positive Spannung. Ferner kann durch eine gegenseitige Verkopplung der Induktivitäten 12 6 und 145 sowie der Induktivitäten 128 und 146 ein großer positiver Ausgleichsimpuls auf der Signalleitung 142 entstehen und damit an der Eingangsklemme 138 der integrierten Schaltung 132 wirksam werden, insbesondere wenn der Schalter 143 nicht geschlossen ist. Das gleiche gilt für das An- und Abschalten der weiteren Zubehörgeräte 150 und 154, wodurch sowohl positive als auch negative impulsförmige Ausgleichsspannungen auf der Versorgungsleitung 122 und damit an der Versorgungsklemme 134 und ebenfalls auf der Signalleitung 142 und damit an der Eingangsklemme 138 auftreten können. Im allgemeinen kann davon ausgegangen werden, daß jegliche integrierte Schaltung in einem elektrischen System, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, welche in einer gewissen Entfernung

- 7 - von

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von der Batterie 102 zwischen die Versorgungsleitung 122 und die Masseleitung 105 geschaltet ist, mit AuogleichsGpannungen beaufschlagt werden kann, die zwischen den Versoi'gungsklemmen beim Schalten der Zubehörgeräte auftreten. Man kann auch aus der vorausstehenden Betrachtung entnehmen, daß die Massebezugsspannung nicht genau festliegt, aufgrund des über die verteilten Widerstände 108, 110 usw. fließenden Stromes. Ferner werden in Signalleitungen,die durch das Leitungsbündel 124 verlaufen, durch die induktive und kapazitive Verkopplung der Versorgungsleitung 122 Rauschsignale einge- ' koppelt. Weitere Rauschsignale, die von den beschriebenen abweichen, können auftreten, wenn die Batterie von der positiven Anschlußklemme 106 abgeschaltet wird und noch ein Strom in der Feldspule 120 fließt. In diesem Fall tritt eine positive Ausgleichsspannung mit großem Energieinhalt auf der Versorgungsleitung 122 auf, die auch als abklingende Lastspannung bezeichnet wird.

Sowohl die abklingende Lastspannung, als auch die Rauschsignale sind in Fig. 2 dargestellt. Dabei ist die abklingende Lastspannung auf der linken Seite der Abszisse zwischen den Punkten A und B dargestellt. Aus der Darstellung kann man entnehme.n, daß die Amplitude dieser abklingenden Lastspannung 100 V übersteigen kann, wobei zwischen den beiden Punkten A und B eine Zeitdauer von typischerweise einer halben Sekunde liegt. Diese Ausgleichsspannung auf der Versorgungsleitung 122 hat eine ausreichend große Amplitude und einen ausreichend großen Energieinhalt, um bisher verwendete integrierte Schaltkreise und auch diskrete Halbleiterkomponenten, ζ. B. Leistungstransistoren, zu zerstören, wenn nicht spezielle Verfahren verwendet werden, um die integrierten Schaltkreise zu schützen. Die Schwingungsform C auf der rechten Seite der Abszisse in Fig. 2 stellt ein

- 8 - Rauschen

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Rausehen mit hoher Spannung und hohen Frequenzen dar, das sowohl auf der Versorgungsleitung 122, als auch auf der Signalleitung 142 auftreten kann. Die Amplitude solcher Rauschsignale kann 300 Volt übersteigen, wobei die Signale typischerweise für eine Zeitdauer von etwa einer¹ Mikrosekunde bis etwa fünfzig Mikrosekunden v/irksam sein können. Auch diese Rauschimpulse haben einen ausreichend hohen Energieinhalt, um gelegentlich integrierte Schaltkreise zu zerstören. Eine Spektralanalyse der in Fig. 2 dargestellten Rauschsignale zeigt, daß sehr hochfrequente Komponenten mit Amplituden von mehreren Volt und Frequenzen bis etwa 100 Megahertz auftreten können. Da bipolare integrierte Schaltungen in der Regel HF-Schaltkreise umfassen, reagieren diese auf hohe Rauschfrequenzen sehr empfindlich, so daß Vorkehrungen beim Entwurf derartiger Schaltkreise getroffen v/erden müssen, wenn diese im Rahmen der Autoelektrik Verwendung finden sollen. Aufgrund der hohen, über die Chassis-Widerstände fliessenden Ströme, die viele Ampere große sein können, entstehen wesentliche Spannungsabfälle auf der Masseleitung, so daß sich die Situation ergeben kann, daß Schalter oder Fühlelemente auf einem anderen Massepotential liegen als die integrierte Schaltung, die über eine lange Signalleitung mit einem solchen Schalter oder Fühlelement verbunden ist.

Eine konventionelle Schutzschaltung zum Schutz von integrierten Schaltkreisen vor der Zerstörung durch Rauschsignale, wie sie in einem elektrischen System eines Kraftfahrzeuges auftreten, zu schützen, ist in Fig. 3 dargestellt. Die integrierte Schaltung 300 liegt zwischen dem Bezugspotential Masse und einer Anschlußklemme 302 für die positive Versorgungsspannung. An dieser Anschlußklemme 302 liegt auch die Kathode einer Zenerdiode 30H sowie ein Widerstand •306, der mit seinem anderen Ende an der Versorgungsleitung

- 9 - 308

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308 für die positive Versorgungsspannung liegt. Die Zenerdiode 304 hat notwendigerweise eine Durchbruchspannung, die kleiner als die Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung bei offener Basis (8V_CEQ) der auf dem integrierten HaIbleiterplättchen 300 vorhandenen Transistoren ist. Wenn somit der Spannung auf der Versorgungsleitung 308 eine positive Ausgleichsspannung überlagert wird, die größer als die Durchbruchspannung der Zenerdiode ist, wird kein Transistor der integrierten Schaltung 300 zerstört. Uei negativen Ausgleichsspannungen wird die Anschlußklemme 302 über die Ze-r nerdiode 304 auf einem Potential gehalten,.das etwa 0,75 Volt unterhalb des Massepotentiales liegt. Im Durchbruchszustand der Zenerdiode 304 wird der Strom durch den Widerstand 306 begrenzt. Ein' ernstzunehmender Nachteil dieser Schutzschaltung besteht darin, daß der Widerstandswert des Widerstandes 306 sehr klein sein muß, damit die integrierte Schaltung 300 auch unter den Bedingungen eines Kaltstartes arbeitet. Diese Kaltstartbedingungen können mit sich bringen, daß die Spannung auf der Versorgungsleitung 308 bis auf 4 Volt absinkt, wenn das Kraftfahrzeug bei kalter Witterung gestartet wird, so daß der Widerstand 306 sehr klein sein muß, um einen allzu großen Spannungsabfall zwischen der Versorgungsleitung 3-08 und der Anschlußklemme 302 zu verhindern. Als Folge davon fließt über den Widerstand 306 und die Zenerdiode 304 unter Durchbruchbedingungen ein sehr großer Strom, so daß die Zenerdiode 304 entsprechend hohe Verlustleistung aufnehmen muß und entsprechend teuer ist.

Aufgrund der vorliegenden Erfindung wird eine Überspannungsschutzsehaltung auf dem Halbleiterplattchen vorgesehen, mit der die zu schützenden Transistoren in der Lage sind, auch Spannungen unbeschädigt zu überstehen, die eine größere Amplitude als die abklingende Lastspannung haben. Damit kann

- 10 - eine

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. 4v

eine externe Zenerdiode Verwendung finden, deren Durchbruchsspannung größer als der maximale Amplituderiwert der abklingenden Lastspannung, jedoch kleiner als die minimale Kollektor-Emitter-Durchbruchsspannung mit kurzgeschlossenem Emitterübergang (BV_Cv;q) ^^ur die ^zu schützenden Transistoren ist. Unter diesen Umständen braucht die externe Zenerdiode nur den Strom zu verarbeiten, der durch die Rauschspannungen mit niedrigem Energieinhalt verursacht wird.

In Fig. 4 ist eine integrierte Schaltung HOO dargestellt, die mit einer Anschlußklemme 402 für die Versorgungsspannung versehen ist - und mit dieser Anschlußklemme an der Kathode einer externen Zenerdiode 404 sowie an einem Widerstand 406 liegt. Dieser Widerstand liegt mit seiner anderen Seite an der Versorgungsleitung 408 für die positive Versorgungsspannung. Die Anode der Zenerdiode 404 ist mit Masse verbunden. Der Widerstand 406 und die Zenerdiode H04 bilden die gleiche externe Schutzschaltung, wie sie anhand der Tig. 3 beschrieben wurde. Der Unterschied gegenüber der Schaltung gemäß Fig. 3 besteht jedoch darin, daß die Zenerdiode eine höher Durchbruchspannung hat und geringer Verlustleistung aufnehmen kann. Die integrierte Schaltung UOO umfaßt einen Transistor 410, dessen Emitter an Masse liegt und desen Kollektor mit der Anschlußklemme 402 verbunden ist, so daß beim Fehlen von Schutzmaßnahmen eine auf der Versorgungsleitung 408 auftretende Überspannung, die größer als die Durchbruchsspannung BVprn ist, den Transistor UlO zerstört .

Die integrierte Schaltung 400 umfaßt, ferner einen Transistor 412, eine Stromquelle 414, einen Widerstand 416 und als diodengeschaltete Transistoren 418, 420, 422 und 424. Die

- 11 - Basis

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Basic des Transistors HlO liegt an der Stromquelle 414 und am Kollektor des Transistors 412, dessen Emitter mit Masse verbunden ist. Die Stromquelle 414, welche eine stabilisierte Stromquelle ist, steuert den Transistor 410, um die Schaltung in der gewünschten Weise zu betreiben. Die Basis des Transistors 412 liegt über dem Basiswiderstand 416 in Serie zu dem als Diode geschalteten Transistor 424, der mit dem Kollektor und der Basis an den Widerstand 416 angeschlossen ist. Der Kollektor und die Basis des Transistors 422 sind mit dem Emitter des Transistors 424 verbunden, wogegen der Emitter des Transistors 422 mit dem Kollektor und der Basis des Transistors 420 verbunden ist. Der Emitter des Transistors 418 liegt an der Anschlußklemme 402, wogegen die Basis und der Kollektor mit dem Emitter des Transistors 420 verbunden sind.

Im Betrieb wird von einer Spannung auf der Versorgungsleitung 408, die die Summe der Sperrdurchbruchsspannungen der Emitter-Basis-Strecke der einzelnen Transistoren 418, 420, 422 und 424 übersteigt, ein Sperrstrom über die vier als Dioden geschalteten Transistoren ausgelöst, der über dem Basiswiderstand 416 an der Basis des Transistors 412 wirksam wird und diesen Transistor in die Sättigung steuert. Damit liegt die Basis des Transistors 410 in etwa auf Massepotential, d, h., daß die Durchbruchsspannung dieses Transistors 410 auf die Köllektor-Emitter-Durchbruchsspannung mit kurzgeschlossenem Emitterübergang angehoben wurde, die so ausgewählt werden kann, daß sie größer als die maximale, durch abklingende Lastströme auftretende, Ausgleichsspannung ist. Selbstverständlich muß der Transistor 410 nicht Teil der integrierten Schaltung sein, sondern kann auch als diekreter Leistungstransistor mit seinem Kollektor an die Anschlußklemme 402 bzw. die Versorgungsleitung 408 angeschlossen

- 12 - sein

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sein. In diesem Fall wäre der Emitter dieses Transistors an Massepotential zu legen und für die Basis ein Anschluß vorzusehen, der mit dem Kollektor des Transistors 412 in Verbindung steht. Bei der Verwendung der Schutzschaltung in Verbindung mit einem externen Leistungstransistor braucht dieser eine wesentlich geringere Verlustleistung aufzunehmen, so daß billigere und wirtschaftlichere Transistoren in Verbindung mit der Überspannungsschutzschaltung gemäß der Erfindung verwendet wex'den können. Dies ist der Fall, da weder hohe Ströme, noch hohe Spannungen am Transistor wirksam werden. Eine Voraussetzung für die Wirkungsweise der Schutzschaltung gemäß Fig. 4 ist jedoch, daß der Transistor 412 bereits im Sättigungszustand sein muß, bevor die Spannung an der Anschlußklemme 402 den Wert der Kollektor-Emitter-Durchbruchs spannung bei offener Basis des Transistors 410 erreicht. Dies ist erforderlich, da der Transistor 410 andernfalls vor dem Einreichen des Sättigungszustandes des Transistors 412 zerstört werden würde.

In Fig. 5 ist das Schaltbild einer weiteren Ausführungßform der Erfindung in Form einer integrierten Schaltung 500 dargestellt. Die integrierte Schaltung 500 hat Eingangsklemmen 503 und 529, die auch die Eingangsklemmen einer Trennschaltung 505 sind. Die an die Eingangsklernmen 503 und 529 angelegten Eingangssignale werden durch die Trennschaltung 505 weiterverarbeitet, um Steuersignale für einen Flipflop 520 zu liefern. Sowohl mit der Trennschaltung 505, als auch mit dem Flipflop 520 ist eine Schaltung 560 zur Erzeugung einer Bezugsspannung verbunden.

Der Ausgang des Flipflops 520 ist mit einer Schaltung 530 verbunden, die die im Flipflop 520 gespeicherte Information abtastet und in Signale umwandelt, mit denen die ausgangs-

- 13 - seitigen

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seiti&en Transistoren 532 und 534 ansteuerbar sind. Als beispielsweise Verwendung für die Schaltung kann vorgesehen sein, daß diese ein Teil der automatischen Blockiervorrichtung für Sicherheitsgurte in einem Kraftfahrzeug ist. Dabei wird über die Eingangsklemme 503 ein Sitzsignal angelegt, aus dem hervorgellt, ob eine Person auf dem Sitz Platz genommen hat oder nicht. Die Eingangsklemme 529 kann mit einem Gurtsignal beaufschlagt werden, aus dem hervorgeht, ob der Gurt angelegt ist oder nicht. Das System ist so ausgelegt, daß beim nichtangelegten Sicherheitsgurt sowie beim nichtbesetzten Sitz die beiden Signale ein verhältnismäßig hohes Potential haben. Wenn auf dem Sitz eine Person Platz genommen hat, wird als Sitzsignal an die Eingangsklemme 503 Massepotential angelegt. Dasselbe gilt auch für die Eingangsklemme 52S, wenn der Gurt angelegt ist. Wenn somit an beiden Eingangskieminen 503 und 529 Massepotential wirkt, wird durch die Trennschaltung 505 der Flipflop in eine Lage gesteuert, die der Speicherung einer binären "1" entspricht. Beim Ablegen des Sicherheitsgurtes sowiei beim Verlassen des Sitzes wird der Flipflop in den binären Zustand "0" umgeschaltet. Der Schaltzustand des Flipflops wird über den Emitter des Transistors 522 der Schaltung 530 abgetastet, welche über die Ausgangsklemme'531 einen Steuerstx^om zum Einschalten des ausgangsseitigen Transistors 532 liefert, wenn die Eingangsklemme 503 und die Eingangsklemme 529 richtig geerdet sind. Wenn das Sitzsignal und das Gurtsignal nicht in der richtigen Folge geerdet werden und damit auch keine binäre "0" im Flipflop 520 gespeichert wird, dann liefert die Schaltung 530 einen Basisstrom nur über die Ausgangsklemme 5 33 an den ausgangsseitigen Transistor 534. Die Wicklung 53C eines Startrelais kann .vom Transistor 532 nur dann erregt werden, wenn im Flipflop 520 eine binäre "1" gespeichert ist. Andererseits wird der ausgangsseitige Tran-

- 14 - sistor

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sistor 534 leitend und damit ζ. B. eine Warnschnaire 537
erregt, wenn im Flipflop 520 eine binäre "0" gespeichei't
ist.

Sowohl die Warnschnarre 537, als auch das Starterrelais mit der Wicklung 536 stellen für Transistoren 532 und 534 eine
niedere Wechselstromimpedanz dar. Wenn somit eine hohe Ausgleichsspannung auf der Versorgungsleitung 538 wirksam ist, können die Transistoren 532 und 534 zerstört werden, wenn
ihr Emitter-Basis-Übergang nicht nach Masse kurzgeschlossen ist, so daß ein Kollektor-Durchbruch bei offener Basis auftreten würde. Dem Fachmann ist bekannt, dai? die Kollektor-Emitter-Durchbruchsspannung bei offener Basis wesentlich
kleiner als die Kollektor-Lmitter-Durchbruchcspannung mit
kurzgeschlossenem Emitter-Obergang ist. So gilt z. B. für
einen gegebenen Transistor, bei dem die Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung BV_CEQ gleich 40 Volt betragt, daß die
Kollektor-Emitter-Durchbruchsspannung BV_n„_o auf 130 Volt ansteigen kann. In der Schaltung gemäß Fig. 5 können die ausgangs seit igen Transistoren 534 und 632 sowohl in die integrierte Schaltung 500 mit eingeschlossen, als auch als separate Transistoren vorgesehen sein. In jedem Fall werden sie gegen auf der Versorgungsleitung 538 auftretende Überspannungen teilweise durch den Widerstand 540 und die Zenerdiode 541 geschützt, die ebenfalls als Überspannungsschutzschaltung an die Versorgungsleitung 538 angeschlossen sind, wobei der Widerstand 540 und die Zenerdiode 541 in Serie zwischen der Versorgungsleitung und Massepotential liegen. Der Verbindungspunkt der Zenerdiode 541 mit dem Widerstand 540 stellt die Anschlußklemme 542 für die Versorgungsspannung der integrierten Schaltung 500 dar. Die ausgangsseitigen Transistoren 532 und 5 34 werden überdies gegen positive Überspannungen auf der Versorgungsleitung 5 38 durch die Zenerdiode 545

- 15 - geschützt

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geschützt, die aus vier in Diodenschaltung betriebenen NPN-Transistoren besteht, die untereinander sowie mit dem Widerstand 546 in Serie geschaltet sind, wobei die andere Seite des Widerstandes 546 mit den Widerständen 547 und 548 verbunden ist. Die Zenerdiode 545 der Ausführungsfonn gemäß Fig. 5 entspricht den in Serie geschalteten und als Diodentetriebenen Transistoren 418, 420, 422 und 424 der Schaltung gemäß Fig. 4. Die Versorgungsleitung 538 entspricht der Versorgungsleitung 122 des in Fig. 1 dargestellten elektrischen Systems in einem Kraftfahrzeug. Die Schaltung 5 30 gemäß Fig. 5 entspricht der stabilisierten Stromquelle 414 gemäß Fig. 4, wogegen der Widerstand 54 6 gemäß Fig. 5 dem Widerstand 416 gemäß Fig. 4 entspricht.

Die Durchbruchspannung der Zenerdiode 541 übersteigt die Durchbruchspannung BVp_EQ der Transistoren 532 und 534 und schützt sie nur gegen die Rauschsignale, die wie vorausstehend erwähnt, sehr hohe Spannungswerte bei verhältnismäßig niederem Energieinhalt annehmen können. Die Zenerdiode 545 hat eine Durchbruchspannung von ungefähr 28 Volt und wirkt in Verbindung mit den Widerständen 546, 647 und 548 sowie den Transistoren 549 und 550 im Sinne einer Vergrößerung der Durchbruchspannung der Transistoren 532 und 534 auf den Wert der Durchbruchspannung BV_Cp_S, wenn die Oberspannung auf der Versorgungsleitung 538 die Durchbruchspannung der Zenerdiode 545 übersteigt. Dies erreicht man durch einen Strom, der über den Widerstand 546 zu den Transistoren 549 und 550 fließt und dabei diese Transistoren leitend macht, um die Basis der Transistoren 534 und 532 im wesentlichen auf Massepotential festzuhalten. In entsprechender Weise wirkt der Widerstand 552 und der Transistor 563 um die Basis eines Transistors in der Schaltung 560 auf Hasse festzuhalten und damit gegen Ausgleichsspannungen zu schützen, die kleiner

- 16 - als

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als die Durch bruch spannung BV_CEC, ist. Damit werden die Transistoren gegen eine abklingende Lastspannung geschützt, wie sie anhand der Fig. 2 beschrieben wurde. Die Werte der Widerstände 517, 548 und 552 sind klein im Vergleich mit dem Wert des Widerstandes 546 und sind vorgesehen, um zu verhindern, daß einer der Transistoren 549, 550 oder 553 den fließenden Strom im wesentlichen an eich zieht. Der Widerstand 552 und der Transistor 553 gem<^l]ß Fig. 5 dienen dem Schutz eines Transistors innerhalb der integrierten Schaltung 500.

Die vorausstehend beschriebene Schutzschaltung ist besonders vorteilhaft, da sie einen sicheren Schutz für die Transistoren einer Schaltung gewährleistet, die extremen Auügleichsspannungen oder Störsignalen ausgesetzt ist, welche unter normalen Verhältnissen zur Zerstörung aktiver Teile der zu schützenden Schaltung führen könnten. Die Schutzschaltung ist insbesondere für die Verwendung im Bereich der Autoelektrik von großem Vorteil, in der Halbleiteranordnungen und insbesondere integrierte Schaltungen bisher nur verwendbar sind, wenn sie entweder besonders große Verlustleistung aufnehmen können oder durch sehr aufwendige Schutzschaltungen vor Überspannungen geschützt werden. Die Erfindung bietet somit die Möglichkeit, in einer so ungünstigen Umgebung, wie im Kraftfahrzeug, auch Halbiert elemente zu verwenden, die nur eineverhältnismäßig geringe Verlustleistung aufnehmen können.

- 17 - Patentansprüche

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Claims

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Patentansprüche

Überspannungsschutzschaltung, vorzugsweise für¹ integrierte Schaltungen mit einem zwischen der Versorgungsspannung und einem Bezugspotential liegenden Schutztransistor, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Basis des Schutztransistors und einer Anschlußklemme für die Versorgungsspannung eine Spannungssteuerschaltung in Serie zu einem Basiswiderstand geschaltet ist, wobei die Spannungssteuerschaltung das Einschalten des Schutztransistors verhindert , solange die Spannung zwischen der Anschlußklemme und dem Bezugspotential kleiner als ein vorgegebener Wert ist, und daß ein zweiter Transistor an seiner Basis vom Schutztransistor ansteuerbar ist und mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke zwischen der Anschlußklemme· und dem Bezugspotential liegt.
2. Überspannungsschutzschaltung nach AnSpX¹UCh 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Schutzschaltung als integrierte Schaltung ausgebildet ist.
3. Überspannungsschutzschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Transistor Teil der integrierten Schaltung ist.
4. Überspannungsschutzschaltung nach einem der Ansprüche

- 18 - bis

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bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Kollektor des Schutztransistors mit der Basic des zweiten Transistors über eine Anschlußklemme verbunden ist und daß der zweite Transistor außerhalb der integrierten Schaltung angeordnet ist.
5. ■ Überspannungsschutzschaltung nach einem der Ansprüche

1 bis H, dadurch gekennzeichnet , daß die Spannungssteuerschaltung über einen Vorwiderstand an die Basiswiderstände mehrerer Schutztransistoren angeschlossen ist, die parallel zueinander betrieben werden und jeweils mit ihrem Kollektor an Massepotential liegen, und daß die Kollektoren der Schutztransistoren jeweils mit einem separaten, vor einer Oberspannung zu schützenden Transistor verbunden sind.
6. Überspannungsschutzschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungssteuerschaltung aus einer Vielzahl als Diode geschalteter Transistoren besteht, die untereinander in Serie geschaltet sind, und daß der Schutztransistor in den leitenden Zustand steuerbar ist, wenn die an die Spannungssteuerschaltung angelegte Spannung die Summe der Emitter-Basis-Durchbruchspannungen aller in Serie geschalteter Dioden übersteigt .
7. Überspannungsschutzschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren NPN-Transistoren sind.
8. Überspannungsschutzschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich·

- 19 - net

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net, daß vor der Schutzschaltung zwischen der Versorgungsspannung und Massepotential eine Zenerdiode und ein Widerstand in Serie geschaltet ist, daß der Verbindungspunkt dieser Zenerdiode mit dem Widerstand die Anschlußklemme für die Versorgungsspannung der Überspannungsschutzschaltung ist, und daß die Durchbruchspannung der Zenerdiode größer als die Kollektor-Durchbruchspannung mit kurzgeschlossenem Emitterübergang des zweiten Transistors ist.

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