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Dokumentenidentifikation DE4326423B4 13.05.2004
Titel Anordnung zur Entkopplung eines Verbrauchers von einer Gleichspannungs-Versorgungsquelle
Anmelder Marconi Communications GmbH, 71522 Backnang, DE
Erfinder Reustle, Hans, Dipl.-Ing. (FH), 71546 Aspach, DE
Vertreter Manitz, Finsterwald & Partner GbR, 80336 München
DE-Anmeldedatum 06.08.1993
DE-Aktenzeichen 4326423
Offenlegungstag 09.02.1995
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.05.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.05.2004
IPC-Hauptklasse H02H 3/18

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Entkopplung eines Verbrauchers von einer Gleichspannungs-Versorgungsquelle.

Aus der DE 40 31 288 C1 ist eine Schaltungsanordnung zum Schutz gegen Falschpolung bekannt. Zwischen einer Gleichspannungs-Versorgungsquelle und einem Verbraucher ist ein Feldeffekttransistor vorgesehen, der bei Falschpolung unverzögert abgeschaltet wird. Es ist dort eine Diode zwischen Gate des Feldeffekttransistors und der vom Feldeffekttransistor abgewandten Verbraucherzuleitung vorgesehen. Im Falle einer Falschpolung ist diese Diode leitend. Es fließt dann ein Ausräumstrom der den Feldeffekttransistor abschaltet.

Aus der FR 26 34 601 A1 ist eine Schutzschaltung zwischen einer Gleichspannungsversorgungsquelle und einem Verbraucher bekannt. Sie besteht aus einem Serientransistor, der bei Falschpolung der Versorgungsquelle dadurch hochohmig geschaltet wird, daß seine Basis über einen Widerstand Sperrpotential erhält. Eine Spannungsüberwachungsschaltung schaltet den Serientransistor außerdem hochohmig, wenn die Versorgungsquelle eine zu hohe Spannung aufweist.

Die DE 40 00 637 A1 zeigt ebenfalls einen Serientransistor zwischen Versorgungsquelle und Verbraucher, der bei Falschpolung der Versorgungsquelle hochohmig wird. Der Serientransistor ist als invers betriebener Feldeffekttransistor ausgestaltet, dessen Gate-Elektrode an den von der Sourceelektrode abgewandten Verbraucheranschluß angeschlossen ist.

AUS IBM-Technical Disclosure Bulletin, Juli 1986, Seiten 567 bis 569 ist eine Anordnung mit einem Feldeffekttransistor zur Ruftrennung eines Verbraucherstromkreises bekannt. Über einen Stromrichtungssensor wird der Strom durch den Feldeffekttransistor erfasst. Wenn ein Strom über die fetinterne Rückwärtsdiode einen Schwellwert erreicht, wird der Feldeffekttransistor abgeschaltet.

Bei Änderung der Belastung von Stromversorgungseinrichtungen, z.B. beim Zuschalten weiterer Verbraucher, kann es zu Spannungseinbrüchen auf der Versorgungsspannung kommen, die zu unzulässigen Betriebszuständen führen. Insbesondere beim Vorhandensein von Energiespeichern, z.B. Kondensatoren, zwischen Versorgungsquelle und Verbraucher kann es zur Stromumkehr und eventuellen Schädigung von Verbrauchern kommen, ohne daß eine eigentliche Falschpolung vorliegt.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, eine Anordnung zur Entkoppelung eines Verbrauchers von einer Gleichspannungs-Versorgungsquelle anzugeben, welche unzulässige Betriebszustände insbesondere eine Stromumkehr bei Spannungseinbrüchen der Versorgungsspannung verhindert. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die übrigen Ansprüche zeigen Weiterbildungen auf.

Die Erfindung weist insbesondere folgende Vorteile auf:

Die Versorgungsquelle ist von einem angeschlossenen Verbraucher nicht nur bei einer Falschpolung ausreichend entkoppelt, sondern auch bei Spannungseinbrüchen der Versorgungsspannung, z.B. beim Stecken weiterer Verbrauchereinschübe. Insbesondere wenn Energiespeicher wie Glättungskondensatoren zwischen Versorgungsquelle und Verbraucher oder in Paralleinheiten, die von der gleichen Versorgungsquelle gespeist werden, vorgesehen sind, können unzulässige Betriebszustände wie z.B. Stromumkehr nicht auftreten.

Wird der Feldeffekttransistor zur Entkopplung gemäß den Ansprüchen 2 oder 4 im Normalzustand invers betrieben, sind die Verluste sehr gering.

Wird der Feldeffekttransistor erst dann hochohmig geschaltet, wenn der gegenüber dem Normalbetrieb in anderer Richtung fließende Strom einen vorgegebenen Schwellwert erreicht hat, läßt sich die Verfügbarkeit erhöhen, ohne daß nachteilige Folgen infolge der geänderten Stromrichtung eintreten.

Durch einfache Zusatzeinrichtungen läßt sich erreichen, daß der Feldeffekttransistor schnell entkoppelt (Anspruch 12), bei Falschpolung, z.B. der Versorgungsquelle, sofort abschaltet (Anspruch 11) und/oder vor zu hoher Gatespannung (Anspruch 10) geschützt wird.

Anhand der Zeichnungen werden nun Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Prinzipschaltbild für den zur Entkopplung vorgesehenen Feldeffekttransistor mit Beschaltung,

2 ein Prinzipschaltbild wie in 1, jedoch mit anderer Polarität des Feldeffekttransistors,

3 ein Prinzipschaltbild wie in 1, jedoch mit abweichender Ausgestaltung des Stromrichtungssensors und der Einrichtung zum Steuern des Feldeffekttransistors,

4 ein Prinzipschaltbild wie in 1, jedoch mit abweichender Gewinnung des Gate-Steuerpotentials und

5 ein Prinzipschaltbild wie in 1 mit Zusatzeinrichtungen.

1 zeigt einen Feldeffekttransistor V1 zur Entkopplung einer Gleichspannungs-Versorgungsquelle Q von einem Verbraucher V bei unzulässigen Betriebszuständen. Der Feldeffekttransistor V1 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus einem n-Kanal FET in der Minuspotential führenden Verbraucherzuleitung. Die Drainelektrode weist zur Versorgungsquelle Q und die Sourceelektrode zum Verbraucher. Im Normalzustand fließt dann ein Strom I von der Versorgungsquelle Q über die Pluspotential führende Verbraucherzuleitung zum Verbraucher V. Zurück fließt dieser Strom I über die Minuspotential führende Verbraucherzuleitung und über den in Inversrichtung betriebenen Feldeffekttransistor V1 – Drain-Source Widerstand RSD on parallel zur Inversdiode ID. Die Gatespannung für den Feldeffekttransistor V1 liefert eine Hilfsspannungsquelle QH mit einem Serienwiderstand R5, die diesen leitend hält. Ein Stromrichtungssensor bestehend aus dem Widerstand R3 und dem Bipolartransistor V2 überwacht die Stromrichtung durch den Feldeffekttransistor V1. Erscheint an der Versorgungsquelle Q selbst oder auf dem Weg zum Verbraucher V ein Spannungseinbruch, kann es zu einer Stromumkehr kommen, da dann die Spannung an einem Energiespeicher, hier symbolisch durch die Glättungskapazität CG dargestellt, größer werden kann als die Spannung von der Versorgungsquelle Q. In diesem Falle liegen die in Klammer gesetzten Polaritäten am Feldeffekttransistor V1 vor. Der Transistor V2 erhält nun über ein Koppelelement – hier z.B. einen Widerstand R3 – von der Drainelektrode des Feldeffekttransistors V1 her positives Basispotential. Da er als npn-Transistor ausgebildet ist, wird er nach Erreichen einer Basis-Emitterspannung von ca. 0,6 V leitend. Die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors V2 ist parallel zur Gate-Source Strecke des Feldeffekttransistors V1 angeordnet. Demzufolge wird der Feldeffekttransistor V1 nach Leitendsteuerung des Transistors V2 hochohmig und die Versorgungsquelle Q ist vom Verbraucher V für diesen nichtzulässigen Betriebszustand hochohmig abgetrennt. Verschwindet der Spannungseinbruch von der Versorgungsquelle Q, fließt wieder ein Strom I in der gezeigten Richtung. Der Transistor V2 erhält negtives Basispotential und sperrt. Über die Hilfsspannungsquelle QH und den Serienwiderstand R5 ist der Feldeffekttransistor V1 nun wieder leitend gesteuert.

Bei Verwendung eines p-Kanal FET als Feldeffekttransistor V1 ist dieser in der normalerweise Pluspotential führenden Zuleitung anzuordnen (2). Für den Transistor V2 muß entsprechend ein pnp-Transistor verwendet werden, um das gleiche Verhalten wie in 1 zu erreichen.

Der Widerstand R3 wirkt zusammen mit dem Transistor V2 als Stromrichtungssensor und als Steuereinrichtung für den Feldeffekttransistor V1. Da der Transistor V2 Schwellwertverhalten aufweist (UBE > 0,6V), wird ein kleiner Spannungseinbruch mit Stromumkehr noch zugelassen. Das Schwellwertverhalten erhöht die Verfügbarkeit der Schaltung bei ausreichendem Schutz. Das Schwellwertverhalten des Stromrichtungssensors kann je nach den Bedürfnissen beliebig geändert werden, z.B. durch Ausbilden des Koppelelements als Spannungsteiler R2, R3 (5). Auch kann die Ansprechzeit des Stromrichtungssensors verändert werden, z.B. dadurch, daß wie in 5 dargestellt, dem Widerstand R3 ein RC-Glied in Form des Widerstandes R4 und des Kondensators C1 parallel geschaltet ist. In diesem Falle wird der Transistor V2 bei Stromumkehr schneller leitend gesteuert. In einer Abwandlung kann dem Widerstand R3 bzw. dem Spannungsteiler R2, R3 ganz oder einem der Teilerwiderstände ein Kondensator in Serie oder parallel geschaltet sein.

Als Stromrichtungssensor und Steuereinrichtung für den Feldeffekttransistor V1 kann auch ein Komparator K1 verwendet werden (3). Der erste Vergleichseingang dieses Komparators K1 ist über das Koppelelement – Widerstand R3 – mit Drain des Feldeffekttransistors V1 verbunden. Natürlich sind die zuvor vorgestellten Abwandlungen für das Koppelelement auch für die Ausgestaltung einsetzbar. Der zweite Vergleichseingang des Komparators K1 ist mit einer Referenzspannungsquelle QR verbunden. Mit dieser Referenzspannungsquelle QR läßt sich der Schwellwert für die Höhe einstellen, ab dem der Feldeffekttransistor V1 hochohmig geschaltet werden soll. Der Komparator K1 hat also neben der Funktion eines Stromsensors die Funktion einer Schwellwerteinrichtung für den maximal zulässigen Strom in umgekehrter Richtung. Natürlich ist es auch möglich diesen Schwellwert zu Null anzusetzen. Über eine Schutzschaltung S am Eingang des Komparators K1 ist ein Schutz gegen unzulässige Spannungen gewährleistet.

Bisher wurde zur Bereitstellung des Gatepotentials für den Feldeffekttransistor V1 eine separate Hilfsspannungsquelle QH eingesetzt. Um diese Hilfsspannungsquelle einzusparen, kann das Gatepotential und gegebenenfalls die Versorgungsspannung des Transistors V2 oder des Komparators K1 beispielsweise über den Widerstand R1 aus jener Zuleitung entnommen werden, in deren Weg der Feldeffekttransistor V1 nicht liegt. Im Falle der Ausgestaltung gemäß 4 ist dies die Pluspotential führende Zuleitung.

Zum schnellen Sperren des Feldeffekttransistors V1 bei Falschpolung der Versorgungsquelle Q ist die Diode V3 parallel zum Widerstand R1 vorgesehen. Diese Diode V3 ist so gepolt, daß bei Falschpolung der Versorgungsquelle Q der Feldeffekttransistor V1 unverzögert abschaltet. Einzelheiten zur Funktionsweise dieser Ausgestaltung sind der DE 40 31 288 C1 entnehmbar.

Wenn die Verbraucherspannung zu hoch ist zur direkten Verwendung als Gatespannung des Feldeffekttransistors V1 kann diese Spannung z.B. über einen Spannungsteiler heruntergeteilt werden. Besser ist die in 5 aufgezeigte Ausgestaltung mit einer Zenerdiode V4 in Serie zum Widerstand R1, die zwischen Gate und Source des Feldeffekttransistors V1 angeordnet ist. Sie begrenzt das Gatepotential auch bei Schwankungen der Versorgungsspannung oder bei plötzlicher Entlastung auf den durch die Zenerspannung vorgegebenen Wert.


Anspruch[de]
  1. Anordnung zur Entkopplung eines Verbrauchers (V) von einer Gleichspannungs-Versorgungsquelle (Q) bei einem nichtzulässigen Betriebszustand, insbesondere bei einem Spannungseinbruch der Versorgungsquelle (Q), bestehend aus:

    – einem Feldeffekttransistor (V1) zur Entkopplung des Verbrauchers (V) von der Versorgungsquelle (Q), welcher so zwischen Versorgungsquelle (Q) und Verbraucher (V) geschaltet ist, daß er für den Normalbetriebszustand invers arbeitet,

    – einem Stromrichtungssensor(R3,V2;K1) für den Strom durch den Feldeffekttransisor (V1),

    – einer Einrichtung (V2;K1) zum Steuern des Feldeffekttransistors (V1) in den hochohmigen Zustand, wenn der einem nichtzulässigen Betriebszustand aufgrund der Stromrichtung durch den Feldeffekttransistor (V1) entsprechende Strom einen vorgebbaren Schwellwert erreicht.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Steuern des Feldeffekttransistors (V1) in den hochohmigen Zustand eine Schwellwerteinrichtung (K1,Q1) aufweist, die dazu geeignet ist den Feldeffekttransistor (V1) erst dann hochohmig zu steuern, wenn der Strom durch den Feldeffekttransistors (V1) mit einer Richtung, die einem nichtzulässigen Betriebszustand entspricht, den Schwellwert der Schwellwerteinrichtung (K1,Q1) übersteigt.
  3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Steuern des Feldeffekttransistors (V1) in den hochohmigen Zustand aus einem Transistor (V2) besteht, dessen Hauptelektroden zwischen Gate und der zum Verbraucher (V) weisenden Hauptelektrode des Feldeffekttransistors (V1) angeordnet sind und dessen Steuerelektrode über ein Koppelelement (R3) mit der vom Verbraucher (V) abgewandten Hauptelektrode des Feldeffekttransistors (v1) verbunden ist.
  4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Steuern des Feldeffekttransistors (V1) in den hochohmigen Zustand aus einem Komparator (K1) besteht, dessen erster Vergleichseingang über ein Koppelelement (R3) mit der vom Verbraucher (V) abgewandten Hauptelektrode des Feldeffektransistors (V1) verbunden ist, dessen zweiter Vergleichseingang an eine Referenzspannungsquelle (QR) angeschlossen ist und dessen Ausgang zum Gate des Feldeffekttransistors (V1) führt.
  5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gate des Feldeffekttransistors (V1) an eine Hilfsgleichspannungsquelle (QH) – gegebenenfalls über einen Widerstand (R5) – angeschlossen ist.
  6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Hilfsgleichspannungsquelle (QH) ein Widerstand (R1) vorgesehen ist, der zwischen Gate des Feldeffekttransistors (V1) und der vom Feldeffekttransistors (V1) abgewandten Verbraucherzuleitung angeordnet ist.
  7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zenderdiode (V4) zwischen Gate und der zum Verbraucher (V) weisenden Hauptelektrode des Feldeffekttransistors (V1) vorgesehen ist.
  8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem zwischen Gate des Feldeffekttransistors (V1) und der vom Feldeffekttransistors (V1) abgewandten Verbraucherzuleitung vorgesehenen Widerstand (R1) eine Diode (V3) parallel geschaltet ist.
  9. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelelement ein Widerstand (R3) ist, dem gegebenenfalls ein RC-Glied (R4, C1) parallel geschalet ist.
  10. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelelement ein Spannungsteiler (R2, R3) für die Spannung über dem Feldeffekttransistor (V1) ist, wobei den Spannungsteilerelementen (R2, R3) gegebenenfalls Kondensatoren parallel oder in Serie geschaltet sind.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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