DE3930091A1 - Polarity sensitive load reverse voltage protection circuit - has power MOSFET and bistable comparator for efficient monitoring and control of directional current flow to load - Google Patents
Polarity sensitive load reverse voltage protection circuit - has power MOSFET and bistable comparator for efficient monitoring and control of directional current flow to loadInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a circuit arrangement according to the preamble of claim 1.
Eine derartige Schaltungsanordnung ist z.B. aus der DE-OS 27 43 622 bekannt. Hier wird als Schalter ein Arbeitskontakt eines Relais verwendet, dessen Erregerwicklung von der am Ausgang anstehenden Spannung beaufschlagt wird. Damit wird die verlustbehaftete Diode nach Erreichen eines vorgegebenen Ausgangsspannungswertes durch den niederohmigen, nahezu verlustfreien Relaiskontakt überbrückt. Bei Falschpolung der Speisespannung sperrt die Diode, so daß sich keine Ausgangsspannung aufbauen kann, die das Relais zum Ansprechen bringen könnte.Such a circuit arrangement is e.g. from the DE-OS 27 43 622 known. Here is a switch Normally open contact of a relay used, the Excitation winding from the voltage present at the output is applied. This will make the lossy diode after reaching a predetermined one Output voltage value through the low impedance, almost lossless relay contact bridged. With incorrect polarity the supply voltage blocks the diode, so that none Output voltage can build up, which the relay to Could bring response.
Die Verwendung eines Relais zur überbrückung der Diode hat eine Reihe von Nachteilen: The use of a relay to bridge the diode has a number of disadvantages:
Zum Beispiel sind Ansprechwert und Rückfallwert eines Relais voneinander verschieden, so daß ein einmal betätigter Arbeitskontakt eines Relais so lange geschlossen bleibt, bis die an der Erregerwicklung anliegende Spannung auf einen weit unterhalb des Ansprechwertes liegenden Rückfallwert abgesunken ist.For example, response value and dropout value are one Relays different from each other, so that once operated contact of a relay for so long remains closed until the on the excitation winding applied voltage to a far below the Dropout value has dropped.
Dadurch kann es bei Paralleleinspeisung in ein Netz aus mehreren parallelen Speisegeräten zur Rückspeisung in ein z.B. defektes Speisegerät kommen, so lange das gespeiste Netz noch eine Spannung oberhalb des Relais-Rückfallwertes führt. Außerdem ist ein Relaiskontakt dem Verschleiß unterworfen und kann verschweißen oder im Laufe der Zeit einen hohen übergangswiderstand annehmen, der zu einem Spannungsabfall führt, der die Durchlaßspannung der Diode übersteigt.This means that it can be fed into a network when fed in parallel several parallel feeders for energy recovery in a e.g. defective power supply come as long as that fed network still a voltage above the Relay fallback value leads. In addition, is a Relay contact subject to wear and can weld or become high over time assume contact resistance to one Voltage drop leads to the forward voltage of the Diode exceeds.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung anzugeben, die, beliebig aufgebauten Stromverbrauchern vorgeschaltet, einen sicheren und verlustarmen Verpolungsschutz gibt.The invention has for its object a Specify circuitry that, any structure Power consumers upstream, a safe and low-loss reverse polarity protection.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Hierbei ist die Verwendung eines Leistungs-MOSFET zur Entkopplung von Spannungswandler-Ausgängen aus der DE 37 05 249 A1 für sich bekannt. Das Problem des Verpolungsschutzes tritt dort jedoch nicht auf. Außerdem erfolgt die Ansteuerung des MOSFET dort direkt durch die an einer Ausgangskapazität des zu entkoppelnden Spannungswandlers anstehende Spannung, während der MOSFET bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung abhängig von der Polung der an seiner Schaltstrecke abfallenden Spannung und damit abhängig von der Richtung des über seine Schaltstrecke fließenden Stromes angesteuert wird. Bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird auf diese Weise außer einem Verpolungsschutz zusätzlich noch ein Rückspeisungsschutz erreicht. Letzteres ist dann von Bedeutung, wenn mit mehreren parallelen Speisegeräten gespeist wird, oder wenn der Verbraucher eingangsseitige Kapazitäten enthält, die sich über die Eingangsklemmen entladen können.This object is achieved by the in claim 1 specified features solved. Here is the use a power MOSFET for decoupling Voltage converter outputs from DE 37 05 249 A1 for known. The problem of reverse polarity protection occurs but not there. It is also controlled of the MOSFET there directly through the one Output capacitance of the voltage converter to be decoupled voltage present while the MOSFET at Circuit arrangement according to the invention depending on the Polarity of those falling on its switching path Tension and thus depending on the direction of the over its switching path of flowing current is controlled. In the circuit arrangement according to the invention this way in addition to reverse polarity protection feedback protection achieved. The latter is then from Meaning when using several parallel supply units is fed, or if the consumer input side Contains capacities that are located across the input terminals can discharge.
Eine im Patentanspruch 2 beschriebene Ausgestaltung der Erfindung sieht einen mitgekoppelten Operationsverstärker als bistabiles Schaltglied zur Ansteuerung des MOSFET vor.An embodiment of the described in claim 2 Invention sees a coupled Operational amplifier as a bistable switching element for Control of the MOSFET before.
Patentanspruch 3 betrifft die Anschaltung des invertierenden Eingangs des Operationsverstärkers über einen der Source-Drain-Strecke des MOSFET parallelgeschalteten Spannungsteiler. Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, den invertierenden Eingang durch eine gegen den Source-Anschluß des MOSFET geschaltete Diode vor zu hoher positiver Eingangsspannung zu schützen.Claim 3 relates to the connection of inverting input of the operational amplifier via one of the source-drain path of the MOSFET voltage divider connected in parallel. This will make the Possibility created through the inverting input one connected to the source of the MOSFET Diode in front of too high positive input voltage protect.
Um auch bei rein kapazitiver Last bei Falschpolung einen geringen, zur Ansteuerung des bistabilen Schaltgliedes erforderlichen Steuerstrom über den der Source-Drain-Strecke des MOSFET parallelgeschalteten Spannungsteiler fließen zu lassen, ist gemäß Patentanspruch 4 der Ausgang der Schaltungsanordnung durch eine Diode überbrückt. In order to have a wrong polarity even with a purely capacitive load low, to control the bistable switching element required control current over that of Source-drain path of the MOSFET connected in parallel Letting the voltage divider flow is according to Claim 4 the output of the circuit arrangement bridged by a diode.
Anhand einer Figur soll nun ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung nach der Erfindung beschrieben und seine Funktion erklärt werden.With the aid of a figure, an embodiment of the Circuit arrangement according to the invention described and its function will be explained.
Die Figur zeigt eine Schaltungsanordnung mit Eingangsklemmen E1 und E2 und Ausgangsklemmen A1 und A2. Die Eingangsklemme E1 ist mit der Ausgangklemme A1 direkt verbunden. An die Eingangsklemmen kann in der angegebenen Polarität eine nicht dargestellte Gleichstromquelle angeschlossen werden, welche eine an die Ausgangsklemmen angeschlossene Last L mit Strom versorgt. Die dargestellte Schaltungsanordnung ist damit zwischen die Gleichstromquelle und die zu versorgende Last L geschaltet. Sie soll eine Falschpolung der Gleichstromquelle an die Last verhindern, also bei verkehrter eingangsseitiger Polung der Ausgangsgleichspannung der Gleichstromquelle keinen schädigenden Stromfluß durch die Last zulassen.The figure shows a circuit arrangement with input terminals E 1 and E 2 and output terminals A 1 and A 2 . The input terminal E 1 is directly connected to the output terminal A 1 . A DC power source, not shown, can be connected to the input terminals in the specified polarity, which supplies a load L connected to the output terminals with current. The circuit arrangement shown is thus connected between the direct current source and the load L to be supplied. It is intended to prevent incorrect polarity of the direct current source from the load, that is to say, if the polarity of the output direct voltage of the direct current source is reversed on the input side, it does not permit any damaging current flow through the load.
Hierzu enthält die Schaltungsanordnung einen Leistungs-MOSFET V1 mit integrierter Inversdiode (ID), dessen Drain-Anschluß mit der Eingangsklemme E2 und dessen Source-Anschluß mit der Ausgangsklemme A2 verbunden ist, ferner einen Strombegrenzungswiderstand R1, der das Gate des MOSFET mit der Eingangsklemme E1 verbindet, und eine erste Z-Diode ZD1, die vom Gate-Anschluß des MOSFET an den Source-Anschluß des MOSFET geführt ist und bei richtiger Polung der an den Eingangsklemmen anliegenden Gleichspannung die Gate-Source-Spannung des MOSFET auf einen zu dessen Durchschaltung erforderlichen Wert begrenzt.For this purpose, the circuit arrangement contains a power MOSFET V 1 with an integrated inverse diode (ID), the drain connection of which is connected to the input terminal E 2 and the source connection of which is connected to the output terminal A 2 , and a current limiting resistor R 1 , which is the gate of the MOSFET connects to the input terminal E 1 , and a first Z-diode ZD 1 , which is led from the gate terminal of the MOSFET to the source terminal of the MOSFET and, with correct polarity of the DC voltage applied to the input terminals, the gate-source voltage of the MOSFET limited to a value required for switching it through.
Die Schaltungsanordnung enthält außerdem einen Komparator K, einen Operationsverstärker, der durch einen zwischen seinen Ausgang und seinen nicht invertierenden Eingang geschalteten Mitkopplungswiderstand R2 als bistabiles Schaltglied wirkt und dessen Ausgang mit dem Gate-Anschluß des MOSFET verbunden ist. Die Versorgungsspannung für den Operationsverstärker wird einem Kondensator C1 entnommen, der in Reihe mit einem Ladewiderstand R4 zwischen den Ausgangsklemmen A1 und A2 liegt und dem zur Spannungsbegrenzung eine zweite Z-Diode ZD2 parallelgeschaltet ist.The circuit arrangement also contains a comparator K, an operational amplifier, which acts as a bistable switching element through a positive feedback resistor R 2 connected between its output and its non-inverting input and whose output is connected to the gate terminal of the MOSFET. The supply voltage for the operational amplifier is taken from a capacitor C 1 , which is connected in series with a charging resistor R 4 between the output terminals A 1 and A 2 and to which a second Zener diode ZD 2 is connected in parallel to limit the voltage.
Zwischen den Ausgangsklemmen A1 und A2 liegt außerdem eine Diode D2 in Sperrichtung.Between the output terminals A 1 and A 2 there is also a diode D 2 in the reverse direction.
Während der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers über einen Widerstand R5 an Source-Potential gelegt ist, ist der invertierende Eingang an den Mittelabgriff eines aus zwei ohmschen Widerständen R6 und R7 gebildeten Spannungsteilers angeschlossen, der Source-Anschluß und Drain-Anschluß des MOSFET miteinander verbindet. Eine Diode D1 verbindet den Mittelabgriff des Spannungsteilers mit Source-Potential und begrenzt damit die dort gegenüber Source-Potential anstehende Spannung auf die Höhe der Dioden-Durchlaßspannung.While the non-inverting input of the operational amplifier is connected to source potential via a resistor R 5 , the inverting input is connected to the center tap of a voltage divider formed from two ohmic resistors R 6 and R 7 , the source connection and drain connection of the MOSFET connects with each other. A diode D 1 connects the center tap of the voltage divider to the source potential and thus limits the voltage present there with respect to the source potential to the level of the diode forward voltage.
Wird die Last L über die in der Figur dargestellte Schaltungsanordnung an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen, so fließt ein von der Last L aufgenommener Strom zunächst über die Invers-Diode ID. Er erzeugt dort einen Spannungsabfall in Höhe der Durchlaßspannung der Invers-Diode, der das Potential der Ausgangsklemme A2 gegenüber dem der Eingangsklemme E2 geringfügig erhöht. Damit stellt sich am Mittelabgriff des aus den Widerständen R6 und R7 bestehenden Spannungsteilers ein Potential ein, das zwischen den Potentialen der Klemmen A2 und E2, somit niedriger als das Potential an der Klemme A2, liegt. An den Eingängen des als Komparator K arbeitenden Operationsverstärkers - der invertierende Eingang ist mit dem Mittelabgriff des Spannungsteilers, der nicht invertierende Eingang über den Widerstand R5 mit der Klemme A2 verbunden - liegt damit eine Spannung an, die den Ausgang des Operationsverstärkers und damit das mit diesem verbundene Gate des MOSFET positiv steuert. Auch über den Strombegrenzungswiderstand R1 gelangt positives Potential an das Gate des MOSFET V1, und dies bereits zu einem Zeitpunkt, in dem der Operationsverstärker aufgrund der Ladezeit des Kondensators C1 und das damit verbundenen langsamen Aufbaus seiner Versorgungsspannung noch nicht arbeitsfähig ist.If the load L is connected to a DC voltage source via the circuit arrangement shown in the figure, a current drawn by the load L initially flows via the inverse diode ID. There it generates a voltage drop in the amount of the forward voltage of the inverse diode, which slightly increases the potential of the output terminal A 2 compared to that of the input terminal E 2 . This results in a potential at the center tap of the voltage divider consisting of the resistors R 6 and R 7 which lies between the potentials of the terminals A 2 and E 2 , thus lower than the potential at the terminal A 2 . At the inputs of the operational amplifier operating as a comparator K - the inverting input is connected to the center tap of the voltage divider, the non-inverting input is connected to the terminal A 2 via the resistor R 5 - a voltage is thus present which is the output of the operational amplifier and thus that controls with this connected gate of the MOSFET positive. Positive current also reaches the gate of the MOSFET V 1 via the current limiting resistor R 1 , and this at a time when the operational amplifier is not yet operational due to the charging time of the capacitor C 1 and the associated slow build-up of its supply voltage.
Die positive Gate-Source-Spannung am MOSFET führt zu dessen Durchschalten und damit zur niederohmigen Überbrückung der Invers-Diode. Die gegenüber der Durchlaßspannung der Invers-Diode geringere Drain-Source Spannung des MOSFET bedingt erheblich geringere Verluste, als sie an der Invers-Diode oder einer anderen Diode auftreten würden.The positive gate-source voltage at the MOSFET leads to its switching through and thus to low resistance Bridging the inverse diode. The opposite of the Forward voltage of the inverse diode lower drain-source The voltage of the MOSFET is considerably lower Losses than they did on the inverse diode or another Diode would occur.
Ein geringer Spannungsabfall an der Source-Drain-Strecke des MOSFET bleibt jedoch erhalten und sichert den Komparator gegen Umschalten in den anderen stabilen Zustand. Letzteres wird auch durch den Schalthysterese bewirkenden Mitkopplungswiderstand R2 in vorgegebenen Grenzen verhindert.However, a small voltage drop at the source-drain path of the MOSFET is retained and secures the comparator against switching over to the other stable state. The latter is also prevented within predetermined limits by the positive feedback resistor R 2 which causes the switching hysteresis.
Werden die Eingangsklemmen E1 und E2 beim Anschluß der Spannungsquelle vertauscht, so wird die Invers-Diode in Sperrichtung beaufschlagt und bleibt nichtleitend. Es fließt nur ein geringer Strom über die Last und/oder die Diode D2 und den aus den Widerständen R6 und R7 bestehenden Spannungsteiler. Der Mittelabgriff des Spannungsteilers und damit der invertierende Eingang des Operationsverstärkers sind jetzt positiv gegenüber der Klemme A2 und dem mit dieser verbundenen, nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers. Der mit dem Gate des MOSFET verbundene Operationsverstärker-Ausgang nimmt deshalb negatives Potential gegenüber dem Source-Potential des MOSFET an. Damit bleibt der MOSFET gesperrt und ein nennenswerter Stromfluß über die Last kommt nicht zustande.If the input terminals E 1 and E 2 are interchanged when the voltage source is connected, the inverse diode is acted on in the reverse direction and remains non-conductive. Only a small current flows through the load and / or the diode D 2 and the voltage divider consisting of the resistors R 6 and R 7 . The center tap of the voltage divider and thus the inverting input of the operational amplifier are now positive with respect to terminal A 2 and the non-inverting input of the operational amplifier connected to it. The operational amplifier output connected to the gate of the MOSFET therefore assumes negative potential compared to the source potential of the MOSFET. This means that the MOSFET remains blocked and there is no significant current flow through the load.
Enthält die Last größere Kapazitäten oder wird sie durch ein paralleles Speisegerät zusätzlich versorgt, so kann es nützlich sein, eine Rückspeisung, z.B. bei Kurzschluß an den Eingangsklemmen, zu verhindern.Does the load contain larger capacities or is it going through a parallel power supply can also be supplied it may be useful to use feedback, e.g. in the event of a short circuit at the input terminals.
Die in der Figur dargestellte Schaltungsanordnung gewährleistet dies, da die Invers-Diode für Rückspeisungsströme in Sperrichtung gepolt ist und der MOSFET ebenfalls gesperrt bleibt. Letzteres bewirkt der Komparator, der bei Rückspeisung an seinem nicht invertierenden Eingang mit negativerem Potential als an seinem invertierenden Eingang beaufschlagt wird und daher niedriges Potential an seinem Ausgang annimmt. Trotz des gegen positives Potential geschalteten Strombegrenzungswiderstandes R1 wird damit das Gate des MOSFET durch den niederohmigen Operationsverstärker-Ausgang auf ein niedriges Potential gezogen, das zur Durchschaltung des MOSFET nicht ausreicht.The circuit arrangement shown in the figure ensures this since the inverse diode is polarized in the reverse direction for regenerative currents and the MOSFET also remains blocked. The latter is done by the comparator, which has a more negative potential applied to its non-inverting input than to its inverting input and therefore assumes a low potential at its output. Despite the current limiting resistor R 1 switched against positive potential, the gate of the MOSFET is thus pulled to a low potential by the low-impedance operational amplifier output, which is not sufficient for switching the MOSFET through.
Claims (4)
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|---|---|---|---|
| 8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: ALCATEL SEL AKTIENGESELLSCHAFT, 7000 STUTTGART, DE |
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| 8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
| 8125 | Change of the main classification |
Ipc: H02H 3/18 |
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| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |