DE4301551A1 - Schutzschaltungsanordnung - Google Patents
SchutzschaltungsanordnungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltungsanordnung nach
dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Eine derartige bekannte Schutzschaltungsanordnung mit ei
nem Längswiderstand und je einer Diode in zwei Querzweigen
am Ausgang ist zum Schutz von nachgeschalteten Einrichtun
gen gegen elektrostatische Entladungen gebräuchlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutz
schaltungsanordnung anzugeben, welche sowohl gegen elek
trostatische Entladungen als auch gegen energiereiche
Störimpulse aus niederohmigen Störquellen wirkungsvoll
schützt.
Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Un
teransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Schutzschaltungsanordnung ist insbe
sondere zum Schutz analoger und digitaler integrierter
Schaltungen gegen hochenergetische Störimpulse und gegen
elektrostatische Entladungen, wie sie typischerweise beim
Einsatz in Kraftfahrzeugen auftreten, geeignet. Sie können
z. B. als Interfaces zwischen einem elektrischen System und
daran angeschlossenen Sensoren oder zwischen räumlich ge
trennten Systemen, die über störanfällige Leitungen mit
einander verbunden sind, verwendet werden.
Die Schutzschaltungsanordnung kann günstigerweise einzeln,
als Baugruppe aus mehreren gleichartigen Anordnungen oder
zusammen mit den zu schützenden nachgeschalteten Einrich
tungen monolithisch integriert werden.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Beispielen unter
Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschau
licht. Dabei zeigt.
Fig. 1 eine bekannte Schutzschaltungsanordnung.
Fig. 2 eine Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 3 eine Erweiterung der Anordnung nach Fig. 2.
Fig. 4 eine Baugruppe mit mehreren Schutzschaltungsanord
nungen.
Die bekannte Anordnung nach Fig. 1 weist einen zwischen
Eingangsanschluß E und Ausgangsanschluß A der Anordnung
liegenden Längswiderstand R0 auf. Der Ausgangsanschluß A
ist zur Verbindung mit dem Eingang einer nachgeschalteten
Einrichtung, die gegen Störimpulse geschützt werden soll,
vorgesehen. Der Ausgang A ist über je eine von zwei Dioden
D1 und D2 mit den beiden Ableitpunkten P1 und P2 verbun
den, die beispielsweise auf den Versorgungspotentialen GND
und VDD der nachgeschalteten Einrichtung liegen. Die Di
oden sind bezüglich einer im störungsfreien Zustand zwi
schen P2 und P1 liegenden Spannung in Sperrichtung gepolt.
Am Eingang E auftretende Störimpulse, die größer als die
Versorgungsspannung zwischen P2 und P1 sind, werden durch
die Diode D1 auf die positive Versorgungsleitung an P2 ab
geleitet. Der Widerstand R1 dient als Strombegrenzung und
bestimmt den Innenwiderstand der Schutzschaltung im Stör
fall. Negative Störimpulse werden durch die Diode D2 auf
die Versorgungsleitung an P1, die als Masseleitung ange
nommen sei und auch als Bezugspotential für die Störim
pulse im vorstehenden Sinne gelte, abgeleitet. Zum Schutz
gegen elektrostatische Entladungen, die als Hochspannungs
pulse aus einer hochohmigen Störquelle behandelt werden
können, wird R0 niederohmig, beispielsweise < 100 Ohm di
mensioniert, so daß nur eine geringe Verlustleistung an R0
anfällt.
Die in Fig. 2 skizzierte erfindungsgemäße Schutz-Schal
tungsanordnung zeigt demgegenüber zwei in Serie zwischen
dem Eingang E und dem Ausgang A liegende Längswiderstände
R1 und R2, deren Verbindungspunkt über je eine Zweiglei
tung mit einer Reihenschaltung eines Widerstands R3 bzw.
R4 und einer Diode D3 bzw. D4 mit den Ableitpunkten P1, P2
verbunden ist.
Die Dioden D3, D4 in den Zweigleitungen werden vorzugs
weise oberhalb einer Durchbruchsspannung, die höher ist
als die Versorgungsspannung, auch in Sperrichtung leitend,
so daß die Störimpulsableitung dann über drei Dioden er
folgt. Der Innenwiderstand der skizzierten Anordnung er
gibt sich im wesentlichen aus einer Parallelschaltung der
Widerstände R2, R3, R4 in Serie mit dem eingangsseitigen
Längswiderstand R1. Der Innenwiderstand kann so dimensio
niert werden, daß die Verlustleistung in der Schutzschal
tungsanordnung für eine bestimmte Verteilung der Störim
pulse minimal wird, insbesondere kann die Dimensionierung
so erfolgen, daß die Verlustleistungsaufnahme für elektro
statische Störungen und Impulse aus niederohmigen Stör
quellen ungefähr gleich groß ist. Vorzugsweise sind die
Widerstände R2, R3, R4 bei Realisierung als monolithisch
integrierte Widerstände aus Gründen der Flächeneffizienz
gleich groß und so dimensioniert, daß sie eine gleich
große Verlustleistung aus den Störimpulsen aufnehmen wie
R1. Die Dioden D1 bis D4 sind ausreichend groß zu wählen,
um eine thermische Überlastung zu vermeiden.
Für den Fall, daß die Versorgungsspannung zwischen VDD und
GND nicht direkt aus einer sehr niederohmigen Spannungs
quelle stammen, sondern z. B. durch eine Spannungsregel
schaltung aus einer höheren Spannung abgeleitet sind, kann
die Ableitung leistungsstarker Störungen, insbesondere bei
mehreren Schutzschaltungsanordnungen, bei direkter Verbin
dung beider Ableitpunkte P1, P2 mit den beiden Versor
gungspotentialen zu einer Überlastung und evtl. auch zu
einer Zerstörung einer solchen Regelschaltung führen. Der
artige Regelschaltungen sind gebräuchlich in Kraftfahrzeu
gen, um aus der Bordnetzspannung eine stabilisierte Span
nung von z. B. 5V für den Betrieb integrierter Schaltungen
zu gewinnen.
Eine bevorzugte Ausführungsform, sieht daher vor, die
Spannung zwischen den Ableitpunkten durch eine Begren
zungsschaltung zu begrenzen und vorteilhafterweise das
Versorgungspotential am Ausgang einer solchen Reglerschal
tung (oder einer anderen durch die Ableitung der Störim
pulse gefährdeten Schaltung) von den abgeleiteten Störim
pulsen weitgehend freizuhalten und die Störimpulse jeweils
gegen die Masseleitung abzuleiten.
Ein vorteilhaftes Beispiel ist in Fig. 3 skizziert. Der
eine Ableitpunkt P1 ist direkt mit dem Massepotential GND
der nachgeschalteten Einrichtungen verbunden. Deren an
deres Versorgungspotential VDD sei beispielsweise durch
einen überlastempfindlichen Regler bereitgestellt. Der an
dere Ableitpunkt P2 ist nicht direkt mit dem anderen Ver
sorgungspotential VDD verbunden, sondern über eine Rei
henschaltung einer Diode DVDD und eines Widerstands RE.
Eine Begrenzerschaltung mit einer Zenerdiode DS, Wider
ständen R6, R7, R8, R9 und Transistoren QS, QL begrenzt
die positive Spannung zwischen P2 und P1 auf einen Wert
der vorteilhafterweise gleich oder geringfügig größer als
die Versorgungsspannung ist. Im störungsfreien Zustand
liegt der Ableitpunkt P2 dann auf Versorgungspotential VDD
und die Schutzschaltungsanordnung ist stromlos. Bei posi
tiven Störimpulsen verhindert die Diode DVDD einen Strom
fluß vom Ableitpunkt P2 zum Versorgungspotential VDD und
damit z. B. in einen Regler. Die auf P2 geleiteten Anteile
der Störimpulse führen zum Ansprechen der Begrenzungs
schaltung und werden zum Massepotential GND abgeleitet,
wobei der Ableitstrom nahezu ausschließlich durch den Lei
stungstransistor QL der durch QS und QL gebildeten Dar
lingtonschaltung fließt. Der Leistungstransistor QL ist
vorzugsweise in der Form mehrerer verteilter Einzeltransi
storen realisiert, wobei dann der ebenfalls verteilte Wi
derstand R9 als Kompensationswiderstand zu in den Emitter
leitungen des Leistungstransistors QL auftretenden unter
schiedlichen Leitungswiderständen dient, um die Strombe
lastung der Teiltransistoren annähernd gleichzuhalten.
Eine weitere Abschirmung einer nachgeschalteten Einrich
tung gegen positive Störimpulse kann mittels eines zusätz
lichen Längswiderstand R5 vom Verbindungspunkt der Dioden
D1, D2 zum Ausgang A und einer Diode D5 zum Versorgungs
potential VDD erreicht werden. Wenn die positive Spannung
zwischen P2 und P1 nicht wesentlich über die Versorgungs
spannung steigt, bleibt der Spannungsabfall an R5 gering,
so daß dieser niederohmig ausgeführt werden kann und die
Übertragungsbandbreite der Schutzschaltungsanordnung nur
wenig beeinflußt wird.
Negative Störimpulse werden über die Dioden D2, D4 zum
Massepotential GND und bei Durchbruch der Diode D3 über
die parallel zur Begrenzungsschaltung liegende Diode DC
auch über den Ableitpunkt P2 zum Massepotential abgelei
tet. Die Diode DC stellt sicher, daß das Potential an P2
nicht wesentlich unter Massepotential absinkt. Der Wider
stand RE begrenzt den Strom aus dem Versorgungspotential
und damit die Belastung des Reglers.
Schutzschaltungsanordnungen der beschriebenen Art können
vorteilhafterweise zu mehreren als Baugruppe monolithisch
integriert werden, welche dann wie in Fig. 4 für eine Bau
gruppe mit acht einzelnen Schutzschaltungsanordnungen
skizziert, deren Ableitpunkte untereinander verbunden
sind, getrennte Ein-und Ausgänge E1 bis E8 bzw. A1 bis A8
aufweist und die die Begrenzungsschaltung, die Leistungs
diode DC und die Reihenschaltung zwischen Versorgungspo
tential und Begrenzungsschaltung nur einfach enthält.
Claims (8)
1. Schutzschaltungsanordnung zum Schutz einer nachge
schalteten Einrichtung mit einem ersten Längswiderstand
zwischen Eingang und Ausgang der Schutzschaltung und zwei
den Ausgang der Schutzschaltung über Ableitpunkte mit je
einem der Betriebspotentiale der Einrichtung verbindenden
und bezüglich diesen in Sperrichtung gepolten ersten Di
oden, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Längswider
stand mit dem ersten in Serie geschaltet ist und daß der
Verbindungspunkt der beiden Längswiderstände (R1, R2) über
Zweigleitungen mit je einer Reihenschaltung eines Querwi
derstandes (R3 bzw. R4) und einer weiteren Diode (D3 bzw.
D4) mit den beiden Versorgungspotentialen verbunden ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der eine Ableitpunkt (P1) unmittelbar auf einem der
Betriebspotentiale (GND) liegt.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der andere Ableitpunkt (P2) über eine weitere Reihenschal
tung einer Diode (DVDD) und eines Widerstands (RE) mit dem
anderen Betriebspotential (VDD) verbunden ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet
durch einen dritten niederohmigen Längswiderstand
(R5) zwischen dem Verbindungspunkt der ersten Dioden (D1,
D2) und dem Ausgangsanschluß (A) und eine zusätzliche Di
ode (D5), die den Ausgang direkt mit dem anderen
Versorgungspotential (VDD) verbindet.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß eine Begrenzungsschaltung die Spannung
zwischen den Ableitpunkten begrenzt.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
der Begrenzungsschaltung eine entgegen der Betriebsspan
nung gepolte Leistungsdiode (DC) parallel geschaltet ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die weiteren Dioden (D3, D4) eine
Durchbruchsspannung aufweisen, die über der Betriebsspan
nung und der Ansprechspannung der Begrenzerschaltung
liegt.
8. Baugruppe mit mehreren Schaltungsanordnungen nach ei
nem der Ansprüche 1 bis 7, deren Ein- und Ausgänge getrennt
und deren Ableitpunkte untereinander verbunden sind und
welche die ggf. vorhandene Begrenzerschaltung, Leistungs
diode (DC) und weitere Reihenschaltung (RE, DVDD) nur ein
mal aufweisen.
Priority Applications (3)
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DE (2) | DE4301551A1 (de) |
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Also Published As
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EP0607875A1 (de) | 1994-07-27 |
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