FI118024B - MOSFETn avulla toteutettu polariteettisuoja - Google Patents

Description

118024

MOSFETn avulla toteutettu polariteettisuoja - Ett polaritetskydd uppfyllt med MOSFET

Keksintö koskee metallioksidipuolijohdekanavatransistorin (MOSFET, Metal Oxide 5 Semiconductor Field Effect Transistor) käyttämistä polariteettisuojauksessa ja erityisesti transistorin ohjauspiirin toteuttamista mahdollisimman yksinkertaisesti ja edullisesti.

Elektroniset virtapiirit suojataan usein virheellisen polariteetin varalta. Polariteet-tisuojan tarkoituksena on sallia virran kulku vain tiettyyn suuntaan. Vastakkaissuun-10 täisen virran voi aiheuttaa esimerkiksi asennusvaiheessa väärinpäin kytketty akku tai kaapeli. Tällöin polariteettisuoja estää akun oikosulkeutumisen ja komponenttien rikkoutumisen. Polariteettisuoja varmentaa laitteiston toimintaa myös akun syöttö-linjassa tapahtuvan hetkellisen oikosulun aikana. Jos akun ja kuorman välisissä syöttölinjoissa tapahtuu hetkellinen oikosulku tai jännitteen alenema, kuorman rin-15 nalle kytketyt kondensaattorit ylläpitävät kuormalle syötettävää jännitettä ja toimiva polariteettisuoja estää vastakkaissuuntaisen virran purkamasta näitä kondensaattoreita syöttölinjojen kautta.

Polariteettisuojausta tarvitaan etenkin tietoliikennelaitteissa, joissa hetkellinenkin ,, katko voi aiheuttaa kiusallisia toimintahäiriöitä. Yleisin ja eniten polariteettisuojana • * :t ;* 20 käytetty komponentti on diodi. Lisäksi on tunnettua käyttää virtapiireissä polariteet- :.v tisuojana elektronisia komponentteja, jotka on mahdollista kytkeä päälle ja pois.

Tällaisia komponentteja ovat esimerkiksi transistorit.

• · it· • · ·

Julkaisussa DE 4 031 288 Cl on kanavatransistorin (FET, Field Effect Transistor) .···. hilan ja vastakkaisen syöttöjännitelinjan välillä diodi, jonka kautta kanavatransisto- # * 25 rin hilakapasitanssi pääsee purkautumaan väärän syöttöjännitepolariteetin esiintyes-. sä. Mainitussa julkaisussa on siis käytetty kanavatransistoria (FET) suojaavana komponenttina ja diodia sen ohjauskytkentänä. On myös mahdollista käyttää diodia • · ···* suoraan polariteettisuojauksessa. Diodin tehohäviö on kuitenkin huomattava, eten- kin suurilla virroilla.

• · 30 Transistoreilla on se hyvä puoli, että sen toimintaa voidaan kontrolloida yhdellä • · : *·· sähkösignaalilla. Jos hilajännitettä ei ole, transistori on passiivisessa, johtamatto- *:·*: massa tilassa. Riittävän suuri positiivinen hilajännite saa transistorin johtavaan ti laan, jossa erityisesti FETin kanavaresistanssi aiheuttaa vain pienen tehohäviön. Po- 2 118024 lariteettisuojauksessa ohjauspiiri kytkee transistorin johtavaksi, kun polariteetti on oikea ja johtamattomaksi, kun polariteetti on väärä.

Julkaisussa US 5 764 465 on esitetty piiri, jossa polariteettisuojauksessa on käytetty p-kanava MOSFETia. MOSFETin osista voidaan käyttää suomeksi nimityksiä nielu 5 (engl. drain), lähde (engl. source) ja hila (engl. gate). Tarkastellaan esitettyä kytkentää kuvan 1 avulla. MOSFET 13 on kytketty yhteen transistorien 12 ja 15 kanssa. Transistorin 12 emitteri on kytketty syöttöjännitteen positiiviseen napaan 11 ja kol-lektori vastuksen 17 kautta syöttöjännitteen negatiiviseen napaan 16 (maa). Nämä syöttöjännitteet 11, 16 kytketään sitten polariteettisuojaa vaativan laitteen jännite-10 lähteeseen. Transistorin 12 kanta on kytketty sen omaan kollektoriin. MOSFETin 13 nielu (D, drain) on kytketty jännitelähteen positiiviseen napaan 11, jännite hilalle (G, gate) tulee vastuksen 18 kautta jännitelähteen negatiivisesta navasta 16. MOSFETin 13 lähde (S, source) on kytketty virtapiirin ulostuloon 22, joka puolestaan on kytketty maahan 16 vastuksen 20 kautta. Kondensaattori 21 on kytketty rinnan vas-15 tuksen 20 kanssa. Vastus 19 on kytketty transistorien 12 ja 15 kantoihin. Transistorin 15 kollektori on kytketty MOSFETin 13 hilaan (G, gate). Transistorin 15 emitteri on kytketty MOSFETin 13 lähteeseen (S, source). MOSFETin 13 lähteen (S, source) ja transistorin 15 kollektorin väliin on kytketty zenerdiodi 14. Tässä kytkentäkaaviossa transistorit 12 ja 15 muodostavat vertailukytkennän. Ne kuuluvat MOS-20 FETin ohjauspiiriin ja niiden avulla MOSFETin 13 läpivirtaus estetään, jos virran- . . suunta muuttuu. Jos MOSFETin 13 nielu-lähde (DS, drain-source) -jännite muuttuu • · ·* negatiiviseksi, transistori 15 aktivoituu. Tämä puolestaan kytkee MOSFETin 13 * * * ·ι ♦ pois päältä. Näin kondensaattorin 21 varaus oleellisesti säilyy.

* • · ♦ * * * *

Tunnettujen, MOSFETin avulla toteutettujen polariteettisuojien ongelmina ovat • · ....: 25 monimutkainen ohjauspiiri, kallis rakenne ja/tai toiminnan hitaus. Esimerkiksi tieto- ,···, liikennelaitteiden syöttöyksiköissä käytetään akkulinjassa usein suuria kondensaat- • * toreita, ja oikosulku akun ja syöttöyksikön välillä purkaa kondensaattorit, ellei jär-. jestelmässä ole toimivaa polariteettisuojaa. Polariteettisuojan transistorin ohjauspii- rin on kyettävä ohjaamaan transistori johtamattomaksi riittävän nopeasti, etteivät ..·* 30 kondensaattorit ehdi purkautua oikosulun kautta, vaan ylläpitävät laitteelle syötettä- vää jännitettä.

• · *

Keksinnön tavoitteena on toteuttaa polariteettisuojaus MOSFETin avulla. Lisäksi j *·* keksinnön tavoitteena on yksinkertaistaa MOSFETin ohjauspiirin rakennetta ja taata ·:··: sen riittävän nopea toiminta.

: 3 .

1 1 8024

Tavoite toteutetaan siten, että virheellisen polariteetin esiintyessä, MOSFETin hila-jännite puretaan nopeasti toisen puolijohdinkytkimen avulla.

Keksinnölle on tunnusomaista se, mitä sanotaan itsenäisen patenttivaatimuksen tun-nusmerkkiosassa. Keksinnön muita edullisia suoritusmuotoja on esitetty epäitsenäi-5 sissä patenttivaatimuksissa.

Keksinnön mukaisesti polariteettisuojajärjestelyssä käytetään n-kanava MÖSFETia, jonka kanavaresistanssi on pieni, mikä takaa sen, että transistoriin jäävä hukkateho on minimaalinen ja oleellisesti pienempi kuin esimerkiksi diodilla.

Negatiiviseen akkulinjaan kytkettyä n-kanava MÖSFETia ohjataan siten, että sen 10 hilaan (G, gate) otetaan ohjausjännite vastuksen kautta positiivisesta syöttöjännite-linjasta. Lisäksi hilan (G, gate) ja lähteen (S, source) välille kytketään nopea puoli-johdekytkin, joka saa ohjausjännitteensä niinikään positiivisesta syöttöjännitelinjas-ta.

Ohjauspiiri toimii siten, että mikäli tulopuolella tapahtuu oikosulku, purkaa mainittu 15 nopea puolijohdekytkin MOSFETin hilajännitteen nopeasti. Näin kondensaattorit eivät ehdi juurikaan purkautua oikosulun kautta. Normaalin toiminnan aikana puolijohdekytkin pidetään johtamattomana.

Keksinnön mukaisen ratkaisun tehohäviö on pieni. Lisäksi ohjauspiiri on yksinker- : V täinen. MOSFET saadaan ohjattua johtamattomaksi nopeasti akkujännitteen oi- • · V.* 20 kosulkutilassa. Kun MOSFET on johtamattomassa tilassa, virta ei pääse kulkemaan /]' väärään suuntaan, eikä rikkomaan komponentteja.

• · ·*· « * · * Tutkitaan keksinnön mukaista perusratkaisua tarkemmin oheisten kuvien avulla, joissa • * • · * * * kuva 1 esittää tunnetun tekniikan mukaista jäijestelyä polariteettisuojaksi, ja ... 25 kuva 2 esittää keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaista järjestelyä polari- ·;·’ teettisuojaksi.

* * • · · • «·

Kuvassa 2 esitetyssä suoritusmuodossa polariteettisuojajärjestelyä käyttävä laite eli • · . kuorma kytketään kuvatun suojauspiirin ulostuloon, sen positiiviseen 116 ja nega- : *** tiiviseen 117 napaan. Kuorman käyttämä jännite syötetään jännitelähteen, esimer- 30 kiksi akun, positiivisesta 101 ja negatiivisesta 107 navasta. Virta kulkee jännitelähteen positiivisesta navasta 101 kuormalle 116. Kela 102 toimii osana EMC-suojaus-ta ja hidastaa virrassa tapahtuvia muutoksia. Vastus 103 valitaan niin suureksi, että 4 118024 jännitteenjakokytkentä vastuksen 106 kautta diodille 105 tai vastuksen 114 kautta transistorin 113 kannalle ei normaalioloissa juurikaan kuluta virtaa. Ennen kuormaa piirissä on vielä varaava kondensaattori 115.

Kuormalta tuleva 117 virta kulkee MOSFETin 110, kelan 109 ja kytkimen 108 5 kautta jännitelähteen negatiiviseen napaan 107, kun kytkin 108 on kiinni.

Polariteettisuojana käytettävä n-kanava MOSFET 110 on kytketty akun negatiiviseen napaan siten, että sen lähde (S, source) on kytketty kuorman negatiiviseen napaan 117, nielu (D, drain) on kytketty kelan 109 ja kytkimen 108 kautta akun negatiiviseen napaan 107 ja hila (G, gate) on kytketty vastuksen 104 kautta kuorman po-10 sitiiviseen napaan 116, ja vastuksen 104 ja kelan 102 kautta akun positiiviseen na-paan 101. Hilajännitettä rajoitetaan esimerkiksi kuvassa esitetyllä zener-diodilla 112, joka on myös kytketty vastuksen 104 kautta kuorman positiiviseen napaan 116.

Akun negatiivisen navan 107 ja MOSFETin 110 välillä on kytkin 108, jolla koko järjestelmä voidaan kytkeä päälle/pois. Kelat 102 ja 109 muodostavat osan EMC-15 suojausta ja hidastavat sähkövirran muutoksia.

Jos akun polariteetti on väärä eli asennusvaiheessa väärinpäin kytketty, jolloin virta pyrkii kulkemaan väärään suuntaan, MOSFETin 110 hilajännite pysyy negatiivisena. Tämän seurauksena MOSFET pysyy johtamattomana, eikä virta pääse kulke-. . maan sen läpi väärään suuntaan. Mikäli normaalin toiminnan aikana tapahtuu esi- *. ; 20 merkiksi oikosulku akkusyötössä, kondensaattori 115 pyrkii purkautumaan kelojen *·*;* 102, 109 ja MOSFETin 110 kautta. Jos akussa tai akun ja kondensaattorin 115 välil- ··*: lä tapahtuu hyvin nopeasti ohimenevä oikosulku tai muu häiriö, suurikapasitanssi- \**i sen kondensaattorin 115 on tarkoitus ylläpitää kuormalle syötettävää jännitettä. Jot- ***** ta varajämutelähteenä toimiva kondensaattori 115 ei purkautuisi oikosulun tai muun 25 purkavan, akkulinjassa tapahtuvan jännitteen aleneman kautta, on MOSFET 110 saatava johtamattomaksi mahdollisimman nopeasti. Tämä tapahtuu purkamalla «:··· MOSFETin 110 hilavaraus npn-transistorilla 113. Transistorin 113 kanta on kytket- .···. ty vastuksien 114 ja 103 kautta kuorman positiiviseen napaan 116 ja näiden lisäksi / # kelan 102 kautta akun positiiviseen napaan. Normaalin toiminnan aikana transistori ** " 30 113 pidetään johtamattomana kytkemällä sen kanta joko vain mainitun vastuksen 114 kautta tai, kuten kuvassa on esitetty, lisäksi vastuksen 106 kautta diodin 105 * ·*·.. anodille, ja diodin 105 katodi edelleen akun negatiivisen napaan 107 kytkimen 108 jälkeen, ennen kelaa 109.

» · 118024 5

Jos virta akun ja kuorman välillä pyrkii vaihtamaan suuntaa, kelat 102 ja 109 hidastavat muutoksia, jolloin kelan 109 yli muodostuu jännite. Tällöin myös akun negatiiviseen napaan ennen kelaa 109 kytketyn diodin 105 katodilla jännite kasvaa ver- f rattuna pisteeseen 117. Kun diodi 105 lakkaa johtamasta, transistori 113 saa kanta-5 virtaa. Tällöin transistori 113 aktivoituu ja purkaa MOSFETin 110 hilavarauksen.

Diodin 105 katodi voidaan kytkeä myös suoraan MOSFETin 110 nieluun (D, drain), mutta tässä pisteessä jännite nousee oikosulun tapahduttua huomattavasti hitaammin ja virta ehtii kulkea hetken väärään suuntaan. Kelan 109 ansiosta polari-teettisuojaus on riittävän nopea, jolloin väärään suuntaan kulkeva virta voidaan ko-10 konaan välttää.

Keksinnön mukaisessa MOSFETia käyttävässä polariteettisuojausjärjestelyssä ja * sen ohjauspiirissä on minimaalisesti elektronisia komponentteja, joten piirin rakenne on hyvin yksinkertainen. MOSFETin ansiosta tehohäviöt piirissä saadaan minimoitua. Lisäksi akkujännitteen oikosulkutilanteessa tai jännitteen laskiessa MOS-15 FET ohjautuu johtamattomaksi erittäin nopeasti.

* * • · • · • * • · • · · • · * * * » · · * · · · ·· *·· ...

• · • «•M • · ··· ♦ · ♦ · · ·«·*· • · ··· ♦ » ♦ ·· « • · ♦ · · • · · • · • · · · · » · ·· • · . · · • · * ···· • #

Claims (5)

118024 :

1. Polariteettisuojauspiiri käytettäväksi tehonsyöttöjärjestelyssä, jossa jännitelähde (101, 107) on kytketty syöttöjännitelinjojen välityksellä kuormaan (116, 117), jossa polariteettisuojauspiirissä on ensimmäinen suojaava puolijohdekytkin ja toi- 5 nen puolijohdekytkin, tunnettu siitä, että ensimmäinen suojaava puolijohdekytkin on metallioksidipuolijohdekanava-transistori (110), jonka ohjausjännite otetaan tietyn kytkennän kautta mainituista syöttöjännitelinjoista ja toinen puolijohdekytkin on transistori (113), joka saa ohjausjännitteensä syöt- 1 10 töjännitelinjan pisteestä, jonka erottaa ensimmäisestä puolijohdekytkimestä (110) induktanssi (109), jolloin transistori (113) on järjestetty purkamaan sähkövaraus ensimmäisestä puolijohdekytkimestä (110) vasteena muutokseen syöttöjännitelinjojen välisen jännitteen polariteetissa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen polariteettisuojauspiiri, tunnettu siitä, että 15 toinen puolijohdekytkin (113) saa ohjausjännitteensä syöttöjännitelinjan pisteestä, jossa polariteetin muutoksesta aiheutuvan sähkövarauksen indikoima potentiaalin muutos on nopein.

... 3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen polariteettisuojauspiiri, tunnettu siitä, että • · · :t ;* ensimmäisellä puolijohdekytkimellä (110) on lähde (S, source), nielu (D, drain) ja *·’·* 20 hila (G, gate), jotka on kytketty siten, että * • · · • · · * •\i - lähde (S, source) on kytketty kuorman negatiiviseen napaan (117), ! • · ! • · · · · [ ^ - nielun (D, drain) ja jännitelähteen negatiivisen navan (107) väliin on kytketty kela (109), ja - hilan (G, gate) ja positiivisen syöttöjännitelinjan (101, 116) väliin on kytketty 25 vastus (104). • · ··· ..1.-

: 4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen polariteettisuojauspiiri, tunnettu siitä, että • · · .***. toisella puolijohdekytkimellä (113) on kanta, kollektori ja emitteri, jotka on kytketty • · · • siten, että ··· • · · · - kanta on kytketty diodiin (105), joka on kytketty kelan (109) ja jännitelähteen 30 negatiivisen navan (107) väliseen pisteeseen, 118024 - kollektori on kytketty syöttöjännitelinjaan (107, 117), joka kytkee jännitelähteen negatiivisen navan (107) kuorman negatiiviseen napaan (117), ja emitteri on kytketty ensimmäisen puolijohdekytkimen (110) hilaan (G, gate).

5 Patentkrav