DE2504648A1

DE2504648A1 - Einrichtung zum verhindern von ueberstrom oder ueberspannung

Info

Publication number: DE2504648A1
Application number: DE19752504648
Authority: DE
Inventors: Hitoo Iwasa; Gota Kano
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1974-02-04
Filing date: 1975-02-04
Publication date: 1975-08-07
Also published as: DE2504648C2; GB1498527A; JPS579291B2; FR2260209A1; US3992650A; CA1025947A; FR2260209B1; JPS50108539A

Description

Matsushita Electric Industrial Co.,Ltd. Kadoma City, Osaka Pref., Japan

Einrichtung zum Verhirde:i von überstrom oder überspannung

Priorität: 4.Februar 1974 Japan Nr. Sho 49-148o7

(148o7/1974)

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Verhindern von Überstrom oder überspannung eines Verbrauchers und dessen

Trennung von einer Stromquelle bei Auftreten eines Überstroms oder einer überspannung.

Im speziellen betrifft die Erfindung eine Einrichtung zum Verhindern von überstrom zum Verbraucher hin oder von überspannung der Stromquelle, bei der eine Halbleitereinrichtung mit negativer Widerstandscharakteristik mit einer komplementären Anordnung eines Paars von Feldeffekttransistoren verwendet wird.

Bei elektrischen Geräten hat man, um diese vor überstrom zu bewahren, grundsätzlich eine Sicherung bzw. Schmelzsicherung

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ORIGINAL INSPECTED

verwendet. In diesen Fall wird die Sicherung unterbrochen und trennt den Verbraucher von der Spannungsquelle, wenn eine gelegentliche Störung ,wie beispielsweise eine Überspannung der
Stromquelle oder ein Kurzschluß im Verbraucher,einen überstrom im Verbraucher verursacht. Wenngleich eine Schmelz-Sicherung überaus

auch

weit verbreitet und/billig ist, benötigt sie doch, um unterbrochen zu werden, einen beträchtlichen Stromanstieg, und sie ist daher nicht empfindlich genug, um auf einen nur mäßigen
überstrom anzusprechen. Überdies ist es immer notwendig, wenn eine Schmelzsicherung von einem überstrom unterbrochen wurde, diese durch eine neue andere Sicherung zu ersetzen, um den Betrieb des Gerätes wieder aufnehmen zu können, und dieses Austauschen ist eine aufwendige, lästige und mühsame Arbeit. Obwohl auch
andere Einrichtungen zum Verhindern von überstrom verwendet
wurden, wie beispielsweise elektromagnetisch oder thermisch
wirkende Systeme, sind diese aufwendig, teuer und benötigen viel Raum.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zum Verhindern von überstrom oder Überspannung bei einem Verbraucher zu schaffen, die eine hohe Empfindlichkeit beim Ansprechen auf einen Überstrom oder eine Überspannung und hohe Zuverlässigkeit hat und trotzdem klein und gedrängt ~sowie stoßsicher aufgebaut
werden kann und sehr billig ist.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an einer Gleichstromspannungsquelle ein Verbraucher, ein Schaltelement wie beispielsweise ein Transistor mit einer Steuerelektrode (Basis) sowie eine Einrichtung, zum Abgreifen einer Spannung wie beispielsweise ein Widerstand in Reihe geschaltet angelegt sind, und daß eine an sich bekannte Einrichtung mit negativer Widerstandscharakteristik mit ihren zwei Anschlüssen mit der Steuerelektrode der Schalteinrichtung bzw. mit dem Ende des in Reihe geschalteten Widerstands verbunden ist, das nicht mit dem Schaltelement verbunden ist, wobei die Einrichtung mit negativer Widerstandscharakteristik in Komplementärschaltung einen Sperrschichtfeldeffekttransistor mit sperrend wirkendem η-Kanal sowie einen

aufweist, Sperrschichtfeldeffekttransistor mit sperrend wirkendem p-Kanal /

miteinander die beide mit ihrer Senke bzw. Source /verbunden sind, und bei denen jeweils ein Gate mit dem Drain des anderen Feldeffekttransistors verbunden ist, so daß, wenn ein überstrom zum Verbraucher fließt oder wenn bei einer Überspannung an der Spannungsquelle der Spannungsabfall am Widerstand einen bestimmten Wert überschreitet, die Einrichtung mit negativer Widerstandscharakteristik ihren Ausschaltzustand einnimmt, wobei sie das Schaltelement ausschaltet.

Somit werden bei der erfindungsgemäßen Einrichtung keine mecha-,

nisch oder thermisch wirkenden Teile verwendet, was diese

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Einrichtung überaus zuverlässig macht.Die erfindungsgehäße Einrichtung nimmt nur wenig Raum ein und ist sehr stoßfest, da sie nur Halbleitereinrichtungen als Grundelenente verwendet. Da keine komplizierten elektromagnetischen oder thermisch funktionierenden Teile verwendet werden, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr billig herzustellen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen im folgenden noch näher beschrieben.

Fig. 1 zeigtdas Schaltbild eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels;

Fig. 2 zeigt das Schaltbild eines Ausführunnsbeispiels einer Einrichtung mit negativer Widerstandscharakteristik, wie sie in der erfindungsgemäßen Einrichtung verwendet wird.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm, das die Snannungs /Stromcharakteristik der Einrichtung mit negativer Widerstandscharakteristik zeigt.

Fig. 4 zeigt ein Schaltbild eines anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels.

Vor der Beschreibung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zunächst eine Einrichtung mit negativer Widerstandscharakteristik anhand von Fig. 2 beschrieben, wie sie in der erfindungsgemäßen

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Vorrichtung verwendet v/ird. j-

Das in Fig. 2 dargestellte Schaltbild ist bereits veröffentlicht, beispielsweise in den IEEE Transactions on Circuit Theory, März 1963, Seiten 25 - 35 sowie Proceedings of the IEEE, April 1965, Seite 4o4.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Schaltbild ist die Gate-Elektrode G1 eines Sperrschicht-Feldeffekttransistors 21 mit gesperrtem η-Kanal mit der Drain-Elektrode D2 eines Snerrschicht-Feldeffekttransistors 22 mit gesperrtem η-Kanal verbunden, und die Gate-Elektrode G2 des p-Kanal-Feldeffekttransistors 22 ist mit der Drain-Elektrode D1 des n-Kanal-Feldeffekttransistors 21 verbunden. Die beiden Source-Elektroden bzw. Kathoden S1 und S2 der beiden Feldeffekttransistoren 21 und 22 sind hintereinander geschaltet.

Wenn eine Spannung V an den beiden äußeren Anschlüssen 31 und 32, also an der einen Drain-Elektrode D1 und der anderen Drain-Elektrode D2 des in Serie geschalteten Paars von Feldeffekttransistoren Fl und F2 angelegt wird, wobei die positive Spannung an der Elektrode D1 anliegt, dann wird ein bekanntes Strom/Spannungsverhalten, dessen Diagramm einem-A. ähnelt, zwischen der Spannung V und dem Speisestrom I erreicht, wie es in Fig. 3 dargestellt ist.

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Wie in Fig. 3 dargestellt, nimmt der Strom I für einige Zeit von der Ausgangsspannung 0 aus zu und zeigt positive Widerstandscharakteristik bei steigender Spannung, aber der Strom

zeigt ebenfalls zunehmend ein charakteristisches Sättigungsverhalten, und
/nachdem der Strom die dem Stromscheitelpunkt m zugeordnete Spannung, die erste Schwellenspannung Vt1 überschreitet, nimmt er im Bereich zwischen Vt1 und Vt2 bei zunehmender Spannung ab, wobei er eine sog. negative Widerstandscharakteristik zeigt. Wenn schließlich die Spannung die zweite Schwellenspannung Vt2 überschreitet, dann tritt der. Strom I in einen Ausschaltzustand ein. Dieser Zustand des ausgeschalteten bzw. unterbrochenen Stroms hält an, bis die Spannung die Kippspannung Vt3 erreicht, beider die Feldeffekttransistoren beginnen, zusammenzubrechen, durchzubrechen bzw. stromdurchlässig zu werden. * Wenn die Spannung den Vt3-Punkt überschreitet, wird ein Durchbruchstrom erzeugt. Bei einer Schaltung in einem in Fig. 2 dargestellten Zustand ist ein erster stabiler Bereich von 0<VU VtI und ein zweiter stabiler "Ausschalt-"Bereich von Vt2=V<Vt3, und ein unstabiler Zustand liegt vor, wenn sich die anliegende Spannung im Bereich von VtK V < Vt2 bewegt.

Fig. 1 zeigt das Schaltbild eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels. Dort ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 3 zum Verhüten von Überstrom oder Überspannung mit einem Stromabnehmer und einer Gleichstromquelle 1 in Serie geschaltet, derart, daß der Verbraucherstrom durch die Vorrichtung 3 fließt. Die Vor-. richtung 3 v/eist einen Transistor 4 als Schalteinrichtung auf,

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dessen Emitter oder Kollektor mit dem Verbraucher 2 verbunden ist, einen Widerstand 5 als Einrichtung zum Abgreifen bzw.' Ermitteln und

überwachen der Spannung, der
/mit seinem einen Ende mit dem Kollektor bzw. Emitter des Transistors 4 und mit seinem anderen Ende.mit dem einen Anschluß der Spannungsquelle 1 verbunden ist, sowie eine Einrichtung mit negativer Widerstandscharakteristik 6 mit komplementären Feldeffekttransistoren, deren Art bereits oben beschrieben wurde, und deren eines Ende 32 mit der Basis des Transistors 4 oder der Steuerelektrode ζ der Schalteinrichtung und deren anderes Ende mit dem Anschluß des Widerstandes 5 verbunden ist, an dem nicht der Kollektor des Transistors 4 angeschlossen ist.

Im folgenden wird die Wirkungsweise der in Fig. 1 beschriebenen Schaltung beschrieben:

Im Normalzustand (Betriebszustand), wenn der Verbraucher 2 normal arbeitet und der Verbraucherstrom sich unterhalb eines vorher festgesetzten Wertes bzw. innerhalb eines vorher festgesetzten Bereichs bewegt, dann ist der Spannungsabfall am Widerstand 5 proportional zum Verbraucherstrom und liegt unterhalb einer vorher festgesetzten Spannung. Dieser Spannungsabfall über den Widerstand 5 hinweg legt zusammen mit der Basis-Emitterspannung des Transistors 4 die Spannung fest, die an beiden Enden der Einrichtung mit negativer Widerstandscharakteristik 6 anliegt. Wenn man die resultierende, einge-• prägte Spannung, die an der Einrichtung mit negativer Wider-

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Standscharakteristik 6 anliegt, derart auswählt, daß sie zwischen O Volt und der Spannung Vt2 (Fig.3) liegt, dann wird die Einrichtung mit negativer Widerstandscharakteristik 6 leitfähig und läßt hierbei einen Basisstrom in die Basis des Transistors strömen, wodurch der Transistor 4 "durchgeschaltet" wird. Der Ver braucherstrom fließt daher in normaler Weise zum Verbraucher

•Verhalten bei überstrom: wenn der Verbraucherstrom'zunimmt, dann nimmt auch die eingeprägte Spannung zu, die an Jcr Einrichtung mit negativer Widerstandscharakteristik 6 anliegt. Wenn die eingeprägte Spannung einen Wert zwischen den Spannungen Vt2 und Vt3 erreicht, dann wird die Einrichtung mit negativer Widerstandscharakteristik nichtleitend. Dementsprechend wird der Transistor 4 "ausgeschaltet", wobei er den Ladestrom unterbricht.

Verhalten bei Überspannung der Stromquelle: wenn zufällig bzw. durch einen Zwischenfall die Sneisespannung zunimmt, dann nimmt im Verhältnis hierzu auch der Snannungsabfall am Widerstand zu und somit überschreitet die eingenrägte Snannung, die an der Einrichtung mit negativer Widerstandscharakteristik 6 anliegt, die Spannung Vt2, deshalb wird die Einrichtung mit negativer Widerstandscharakteristik 6 nichtleitend und somit "schaltet" sie den Transistor 4 aus und unterbricht den Verbraucherstrom.

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Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung ist in folgenden beispielsweise ausgelegt:
Schalteinrichtung 4 ..... ein npn-Planar-Siliziumtransistor mit

^hFE ^{= 1O}°'
Einrichtung zur Spannungsüberwachung 5 ..... Widerstand von

4oo J2 ,

Einrichtung mit negativer Widerstandscharakteristik 6 ... besteht aus einen sperrenden n-Kanal-Sperrschichtfeldeffekttransistor und einem sperrenden p-Kanal-SnerrSchichtfeldeffekttransistor, die miteinander gemäß Fig. 2 geschaltet sind, wobei

VtI	3	Volt	und
Vt2	7	Volt	ist.
Vt3	= 25	Volt

Die im Beispiel dargestellte Vorrichtung verwendet und liefert einen Verbraucherstrom, bei dessen Normalzustand die Stromquelle unter Io V , und

der scheinbare Widerstand des Verbrauchers 2 über 6oo JX. , oder die Spannung der Stromquelle unterhalb von Io V und der Verbraucherstrom unterhalb Io mA beträgt; die Vorrichtung unterbricht den Verbraucherstrom, wenn bei Überspannung die Stromquelle die oben erwähnten Io V überschreitet,oder wenn

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- Io -

bei Überstrom der Verbraucherstrom Io mA überschreitet.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 dargestellt, bei dem die Einrichtung zur überwachung der Spannung v/eggelassen ist und an deren Stelle eine Verbrauchereinrichtung 2¹ in Serie mit der Schalteinrichtung 4 vorgesehen ist. In diesem Beispiel nimmt der Spannungsabfall über den Verbraucher 2¹ selbst zu, wenn ein Überstrom durch diesen Verbraucher 2' fließt,und hierdurch überschreitet die eingeprägte Snannung, die an der Einrichtung mit negativer Widerstandscharakteristik 6 anliegt, die Spannung Vt2 und'"schaltet" hierbei den Transistor 4 aus.

Anstelle des oben erwähnten Transistors 4 kann auch eine andere Schalteinrichtung verwendet werden, wie beispielsweise ein FeIde ffekttransistor, oder mehrere miteinander verschaltete Transistoren, wie beispielsweise eine Darlingtonschaltung.

Die Einrichtung mit negativer Widerstandscharakteristik 6 wie auch die Schalteinrichtung 4 ist eine aus Halbleitern gebildete Einrichtung, und es kann auch der Widerstand 5 aus Halbleitern gebildet werden, so daß die gesamte Einrichtung 3 gemäß der Erfindung gänzlich aus Halbleitern gebildet wird und somit als eine monolithische Halbleitereinrichtung bzw. als Halbleiterblock ausgebildet werden kann.

Ansprüche

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Claims

Ansprüche

1. 1 Vorrichtung zum Verhindern von überstrom oder überspannung, gekennzeichnet durch.ein Schaltelement (4) mit einem Anschlußpaar (Emitter, Kollektor), zwischen denen ein Stromfluß hergestellt und unterbrochen werden kann, sowie mit einer Steuerelektrode (c), durch

eine Einrichtung zur Spannungsüberwachung (5; 2'),*die mit der Schalteinrichtung (4) eine Serienschaltung bilc^t, die von einem Verbraucherstrom durchflossen wird, und durch eine Einrichtung mit negativer Widerstandscharakteristik (6) mit einem Anschlußpaar (31, 32), die ausgeschaltet bzw. stromundurchlässig wird, wenn eine Spannung in einem bestimmten Bereich (Vt2 bis Vt3) an den Anschlüssen (31, 32) angelegt wird, von denen der eine (32) mit der Steuerelektrode (c) des Schaltelements (4) und die andere (31) mit dem Ende der Spannungsüberwachungseinrichtung (5; 2¹) verbunden ist, das nicht mit dem Schaltelement (4) verbunden ist, wobei die Einrichtung mit negativer Widerstandscharakteristik in Komplementärschaltung einen n-Kanal-(21) und einen p-Kanal-Snerrschichtfeldeffekttransistor (22) aufweist, bei denen Source (S1) mit Source (S2) , Drain mit Drain oder Source mit Drain miteinander verbunden sind und bei denen jedes Gate (G1) mit jedem Drain (D2) oder Source des entgegengesetzten Feldeffekttransistors (22) verbunden ist.

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wobei Drain (D2) und Source nicht miteinander verbunden sind,

2. Vorrichtung nach 'Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (4) ein Transistor ist, dessen Basis die Kontrollelektrode (c) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Serienschaltung aus dem Schaltelement (4) und aus einem Widerstand (5) besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Serienschaltung aus dem Schaltelement (4) und einem Stromverbraucher (2¹) besteht.

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