DE9311361U1

DE9311361U1 - Verpolschutzschaltung

Info

Publication number: DE9311361U1
Application number: DE9311361U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1993-07-29
Filing date: 1993-07-29
Publication date: 1993-09-09
Anticipated expiration: 2003-07-30

Description

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Siemens Aktiengesellschaft

VerpoIschut&zgr;schaltung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verpolschutzschaltung für eine elektronische Schaltung, insbesondere eine Digital-Ausgabeschaltung, die über zwei Versorgungsanschlüsse mit zwei Versorgungspotentialen verbindbar ist.

Ein- und Ausgabeschaltungen werden bei speicherprogrammierbaren Steuerungen und Werkzeugmaschinen allgemein verwendet. Dabei sind in der Regel eine Vielzahl von Anschlüssen für Ein- bzw. Ausgangssignale, typisch 8, 16, oder 32, zu einer Baugruppe zusammengefaßt. Weiterhin weisen derartige Baugruppen in der Regel zwei Anschlüsse zum Anschließen der Stromversorgung, z. B. Masse und + 24 V, auf.

Bei derartigen Baugruppen, an die von außen Versorgungsleitungen angeschlossen werden, kann es geschehen, daß Leitungen falsch angeschlossen werden, also nicht mit den korrespondierenden Anschlüssen verbunden werden. Besonders kritisch ist hierbei der Fall, daß die Versorgungsleitungen falsch angeschlossen werden, daß also z. B. die Masseleitung an den 24-Volt-Anschluß angeschlossen wird und umgekehrt die 24 Volt-Leitung an den Masseanschluß. Durch eine derartige Fehlverdrahtung kann, wenn nicht Schutzmaßnahmen vorgesehen sind, die gesamte Baugruppe zerstört werden.

0 Zum Schutz der Baugruppe ist es bekannt, zwischen den Versorgungsanschlüssen und der elektronischen Schaltung Verpolschutzdioden anzuordnen. Mittels dieser Dioden wird zwar eine thermische Zerstörung der Baugruppe bei einer Fehlverdrahtung vermieden, aufgrund der relativ hohen Ströme

(z. B. 32 Kanäle zu je 0,5 A) ergeben sich jedoch im Normalbetrieb unerwünscht hohe Verlustleistungen in der Diode und auch auf der Baugruppe selbst. Auch der Einsatz von

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Dioden mit niedriger Durchlaßspannung schafft keine hinreichende Abhilfe.

In der Praxis werden daher die Versorgungsanschlüsse mittels einer Diode verbunden, die bei korrektem Anschluß der Versorgungsleitungen in Sperrichtung betrieben wird, so daß umgekehrt bei einer Vertauschung der Versorgungsanschlüsse ein Kurzschlußstrompfad geschaffen wird. Aufgrund des Kurzschlusses fließt dann ein sehr hoher Strom, aufgrund dessen eine Schmelzsicherung anspricht, die zwischen die elektronische Schaltung und einen der Versorgungsanschlüsse geschaltet ist. Auch diese Lösung ist aber noch nicht befriedigend. Die Nachteile der Sicherung sind u.a.:

- ungenaues, von der Umgebungstemperatur abhängiges Ansprechen,

- Alterung von Sicherung und Diode,

- thermischer Wettlauf zwischen der Sicherung und der mit dem Kurzschlußstrom beaufschlagten Diode,

- Kosten von Sicherung und/oder Diode sind nicht vernachlässigbar,

- die Verlustleistung an der Sicherung ist nicht vernachlässigbar .

Darüber hinaus ist zur Vermeidung von Kontaktwiderständen die Sicherung im Regelfall fest eingelötet, so daß nach einem Ansprechen der Sicherung aufgrund eines Fehlanschlusses die Baugruppe zur Reparatur eingeschickt werden muß.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht folglich darin, eine Verpolschutzschaltung zu schaffen, die im Normalbetrieb nur eine geringe Verlustleistung aufweist, bei einem Fehlanschluß zuverlässig anspricht und dennoch kostengünstig ist.

5 Die Aufgabe wird dadurch gelöst,

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- daß die Verpolschutzschaltung aus einem elektronischen Hauptschaltelement mit einem Steuereingang besteht, der mit einer Steuerschaltung verbunden ist,

- daß das Hauptschaltelement zwischen der elektronischen

Schaltung und einem der Versorgungsanschlüsse angeordnet ist und bei Ansteuerung die elektronische Schaltung mit dem Versorgungsanschluß nahezu potentialgleich verbindet und

- daß die Steuerschaltung mit den Versorgungsanschlüssen verbunden ist und den Steuereingang nur dann ansteuert, wenn die vorzeichenbehaftete Differenz der an die Versorgungsanschlüsse angeschlossenen Versorgungspotentiale größer als eine Minimalpotentialdifferenz ist.

Ein zu frühes Ansprechen des Hauptschaltelements läßt sich einfach dadurch vermeiden, daß der Steuereingang des Hauptschalt elements über ein elektronisches Zusatzschaltelement, das einen Steuereingang besitzt, mit dem einen Versorgungsanschluß verbunden ist, wobei das Zusatzschaltelement bei 0 Nichtansteuerung den Steuereingang des Hauptschaltelemente mit dem einen Versorgungsanschluß verbindet und bei Ansteuerung den Steuereingang des Hauptschaltelements freigibt.

Die Minimalpotentialdifferenz läßt sich leicht dadurch festlegen, daß der Steuereingang des Zusatzschaltelements über einen (geeignet dimensionierten) Spannungsteiler mit den Versorgungsanschlüssen verbunden ist.

0 Ein besonders einfacher Aufbau der Steuerschaltung ergibt sich, wenn die Steuerschaltung einen Oszillator mit nachgeschalteter Ladungspumpe aufweist und die Ladungspumpe mit dem Steuereingang des Hauptschaltelements verbunden ist.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, an-

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hand der Zeichnungen sowie in Verbindung mit den weiteren Unteransprüchen. Dabei zeigen:

FIG 1 ein Prinzipschaltbild einer Digital-Ausgabeschaltung und

FIG 2 ein Blockschaltbild der Steuerschaltung.

Gemäß FIG 1 weist die Digital-Ausgabeschaltung eine Vielzahl, z. B. 32, von Treibern 1 auf, denen über Leitungen 2 auszugebende Signale zugeführt werden. In Abhängigkeit von den auszugebenden Signalen geben die Treiber 1 über die Leitungen 3 ein Signal von 24 Volt aus, das pro Leitung 3 eine Stromstärke von typisch 0,5 A bis 2 A aufweisen kann. Die über die Leitungen 3 ausgegebenen Signale werden über die Signalanschlüsse 4 nicht dargestellten Stellgliedern zugeführt.

Der interne Aufbau der Treiber 1 ist allgemein bekannt und nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Je nach Anzahl der angesteuerten Treiber 1 und je nach benötigter Stromstärke pro Treiber 1 kann die Stromaufnahme der Schaltung bis zu 16 A betragen. Um diese hohe Stromstärke nicht intern über ein - der Übersichtlichkeit halber nicht dargestelltes - Stromverteilungssystem den Treibern zuführen zu müssen, werden die Treiber 1 über zwei Versorgungsanschlüsse 5, 6 mit Strom versorgt. Der Anschluß 5 ist der Masseanschluß, an den Anschluß 6 wird die Versorgungsspannung Uq von z. B. + 24 Volt angeschlossen.

Wie aus FIG 1 ersichtlich ist, ist zwischen den Treibern 1 und dem Anschluß 6 eine Schutzschaltung 7 angeordnet. Die Schutzschaltung 7 besteht aus einem selbstsperrenden MOSFET 8, der über eine Steuerschaltung 9 angesteuert wird. Der MOSFET 8 besteht dabei außer dem eigentlichen MOSFET 8' noch aus der Substratdiode 8". Aufbau und Wirkungsweise der

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Steuerschaltung 9 werden im folgenden anhand von FIG 2 näher erläutert.

Der Einfachheit halber wird dabei zunächst der Fall erläutert, bei dem die Versorgungsanschlüsse 5, 6 falsch bedrahtet sind, also der Versorgungsanschluß 6 mit Masse und der Versorgungsanschluß 5 mit dem Potential Uq verbunden ist. In diesem Fall sperrt der MOSFET 8, wobei auch die Substratdiode 8" in Sperrichtung gepolt ist. Aufgrund der Zenerdiode 10 liegt am Oszillator 11 nur eine sehr geringe (negative) Spannung an, so daß der Oszillator 11 nicht zerstört wird. Gleichzeitig wird der Strom durch die Zenerdiode 10 durch den Widerstand 12 begrenzt, so daß auch die Zenerdiode 10 nicht zerstört wird. Dadurch, daß der MOSFET 8 sperrt, werden die Treiber 1 (vgl. FIG 1) nicht durch unzulässige Spannungen belastet und damit vor einer Zerstörung geschützt.

Wenn dagegen der Versorgungsanschluß 5 ordnungsgemäß mit Masse M und der Versorgungsanschluß 6 an die Versorgungsspannung Uq angeschlossen ist, reagiert die Schutzschaltung 7 wie folgt:

Durch die Zenerdiode 10 werden der Oszillator 11 mit La-5 dungspumpe 13 und die Widerstände 14, die einen Spannungsteiler bilden, mit der Zenerspannung Uz beaufschlagt. Dadurch wird der Oszillator 11 ordnungsgemäß betrieben, d.h., daß er die Verbindungsleitung 15 abwechselnd auf das Potential Uq und das Potential Uq - Uz legt. Dadurch wird der 0 Kondensator 16 über die Dioden 17, 18, laufend umgeladen.

Ferner wird der selbstleitende N-Kanal-MOSFET 19 aufgrund der Dimensionierung der Widerstände 14 gesperrt. Durch das Zusammenwirken dieser beiden Maßnahmen, nämlich das Sperren des selbstleitenden MOSFET 19 und das Umladen des Kondensators 16 wird das Gate des MOSFET 8' positiv gegenüber Source. Der MOSFET 8' wird dadurch durchgesteuert.

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Der MOSFET 8' ist vorzugsweise ein N-Kanal-Leistungs-MOSFET, der z. B. bis zu 20 A bei einem Spannungsabfall von nur 10 bis 2 0 mV führen kann. Grundsätzlich sind aber auch Lösungen unter Verwendung eines P-Kanal-FET realisierbar. Der niedrige Spannungsabfall im MOSFET 8' kann durch eine entsprechende Dimensionierung der Chipfläche des MOSFET 8' erreicht werden. Dadurch entsteht im MOSFET 8¹ nur eine Verlustleistung von maximal 0,4 Watt.

Sinkt die Versorgungsspannung Uq unter eine Minimalpotentialdifferenz U_mi_n so wird der MOSFET 19 leitend. Dadurch wird das Gate des MOSFET 8' auf das gleiche Potential wie Source gelegt, so daß der MOSFET 8' sperrt. In diesem Fall fließt Strom durch die Substratdiode 8", wo er einen Spannungsabfall von ca. IV verursacht. Die Minimalpotentialdifferenz U_m-j__n ist durch die Zenerspannung U^ und die Widerstände 14 bestimmt. Sie wird typisch in den Bereich kleiner als die halbe Versorgungsspannung Uq gelegt. Ein typischer Wert für die Minimalpotentialdifferenz U_mj__n ist 0 z. B. 10 Volt, wenn die normale Versorgungsspannung Uq 24 Volt ist.

Bei diesem Spannungswert U_m-j__n wird der Kondensator 16 über den Oszillator 11 noch umgeladen. Dadurch ist gewährleistet, daß der MOSFET 8 in einem sehr geringen Spannungsbereich durchgeschaltet wird. Dieser Spannungsbereich kann auf Null reduziert werden, wenn die Steuerschaltung 9 eine Schalt-Hysterese aufweist, z. B. als Schmitt-Trigger ausgebildet ist.

Obenstehend beschriebene Verpolschutzschaltung 7 kann selbstverständlich sowohl diskret aufgebaut sein als auch in einen integrierten Schaltkreis integriert sein. Die Schaltung wird besonders vorteilhaft in Ein- und/oder Aus-5 gabebaugruppen für speicherprogrammierbare Steuerungen oder Werkzeugmaschinensteuerungen verwendet.

Claims

93G 33970E Schutzansprüche

1. Verpolschutzschaltung für eine elektronische Schaltung (1), insbesondere für eine Digital-Ausgabeschaltung (1), die über zwei Versorgungsanschlüsse (5,6) mit zwei Versorgungspotentialen (Uq/M) verbindbar ist,

- wobei die Verpolschutzschaltung (7) aus einem elektronischen Hauptschaltelement (8¹) mit einem Steuereingang besteht, der mit einer Steuerschaltung (9) verbunden ist,

- wobei das Hauptschaltelement (8¹) zwischen der elektronischen Schaltung (1) und einem (6) der Versorgungsanschlüsse (5,6) angeordnet ist und bei Ansteuerung die elektronische Schaltung (1) mit dem Versorgungsanschluß

(6) nahezu potentialgleich verbindet und

- wobei die Steuerschaltung (9) mit den Versorgungsanschlüssen (5,6) verbunden ist und den Steuereingang nur dann ansteuert, wenn die vorzeichenbehaftete Differenz der an die Versorgungsanschlüsse (6,5) angeschlossenen Versorgungspotentiale (Uq,M) größer als eine Minimalpotentialdifferenz (U_mi_n) ist.

2. Verpolschutzschaltung nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet , daß das Hauptschaltelement

(8¹) als selbstsperrender MOSFET ausgebildet ist.

3. Verpolschutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuereingang des Hauptschaltelements (8¹) über ein elek-

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4. Verpolschutzschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzschaltelement (19) als selbstleitender MOSFET ausgebildet ist.

5. Verpolschutzschaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuereingang des Zusatzschaltelements (19) über einen Spannungsteiler (12,14) mit den Versorgungsanschlüssen (5,6) verbunden ist.

6. Verpolschutzschaltung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (9) einen Oszillator (11) mit nachgeschalteter Ladungspumpe (13) aufweist und daß die Ladungspumpe (13) mit dem Steuereingang des Hauptschaltelements (8') verbunden ist.

7. Verpolschutzschaltung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (9) als eine Steuerschaltung mit Schalt-Hysterese ausgebildet ist.

8. Verpolschutzschaltung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest das elektronische Hauptschaltelement (8) und die Steuerschaltung (9) in einen integrierten Schaltkreis integriert sind.

9. Ein- bzw. Ausgabeschaltung, dadurch gekennzeichnet , daß sie eine Schutzschaltung (7) nach einem der obigen Ansprüche aufweist.

10. Ein- bzw. Ausgabeschaltung nach Anspruch 9, d a durch gekennzeichnet, daß sie bei einem Industrieautomatisierungssystem, z.B. einer spei-

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cherprograitimierbaren Steuerung oder einer Werkzeugmaschinensteuerung, verwendet wird.