DE4031288C1 - Incorrect polarity protection CCT - has drain-source connected into minus or positive line between DC source - Google Patents

Incorrect polarity protection CCT - has drain-source connected into minus or positive line between DC source

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DE4031288C1 DE19904031288 DE4031288A DE4031288C1 DE 4031288 C1 DE4031288 C1 DE 4031288C1 DE 19904031288 DE19904031288 DE 19904031288 DE 4031288 A DE4031288 A DE 4031288A DE 4031288 C1 DE4031288 C1 DE 4031288C1
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Abstract

The circuit provides protection against wrong polarity of a consumer-load (V) driven via a d.c. voltage source (Q) with the use of a FET whose drain-source circuit is connected into the minus- or positive-line between the d.c. source (Q) and the load (V) and whose gate is connected to the other pole of the d.c. voltage source. An auxiliary voltage source (HQ) is used and is connected via a decoupling element (R1) to the gate of the FET and consists of a zener diode (ZD2) with a parallel-connected capacitor (C1) with the capacitor-zener diode arrangement itself connected across the resistor (R1) to the gate of the FET. A series-circuit arrangement made up of a diode (D3) and a resistor (R3) is connected to the cathode of the zener diode (ZD2). ADVANTAGE - Rapid and effective, partic. against drive voltage in excess of permissible gate voltage of FET.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. 2. Eine solche Anordnung ist bekannt aus DE 35 35 788 A1.The invention relates to a circuit arrangement according to the Preamble of claim 1 and 2. Such Arrangement is known from DE 35 35 788 A1.

Die Schutzschaltung gemäß DE 35 35 788 A1 besteht aus einem Feldeffekttransistor, der entweder in der Plus- oder Minusleitung zwischen Gleichspannungsquelle und Verbraucher angeordnet ist. Sein Gate ist jeweils mit dem Gegenpol verbunden. Diese Anordnung ermöglicht die Ableitung von Rückströmen bei Falschpolung und weist nur eine geringe Verlustleitung im Normalbetrieb auf. Über Spannungsteilerwiderstände zwischen Gate und der Plus- und Minusleitung ist diese Schutzschaltung auch für höhere Betriebsspannungen geeignet.The protective circuit according to DE 35 35 788 A1 consists of a Field effect transistor, which is either in the plus or Negative line between DC voltage source and consumer is arranged. Its gate is with the opposite pole connected. This arrangement enables the derivation of Reverse currents with incorrect polarity and has only a small Loss line in normal operation. over Voltage divider resistors between the gate and the plus and This protective circuit is also negative for higher ones Operating voltages suitable.

Aus Electronic Design, 14. Juni 1990, Seite 77 ist ebenfalls eine Schaltung zum Schutz gegen Falschpolung eines an einer Gleichspannungsquelle betriebenen Verbrauchers unter Verwendung eines Feldeffekttransistors bekannt. Die Drain- Source-Strecke des Feldeffekttransistors ist in die Minus- oder Plusleitung zwischen Gleichspannungsquelle und Verbraucher geschaltet. Sein Gate ist mit dem Gegenpol der Gleichspannungsquelle über einen hochohmigen Widerstand verbunden. Zwischen Gate und der zum Verbraucher weisenden Hauptelektrode des Feldeffekttransistors ist eine Zenerdiode angeordnet, die Überspannungen am Gate dann verhindert, wenn eine Gleichspannungsquelle mit höherer Spannung, beispielsweise größer 15 V, verwendet wird.From Electronic Design, June 14, 1990, page 77 is also a circuit to protect against reverse polarity one on one DC voltage operated consumer under Known use of a field effect transistor. The drain Source path of the field effect transistor is in the minus or Positive line between DC voltage source and consumer switched. Its gate is with the opposite pole DC voltage source via a high-impedance resistor connected. Between the gate and the one facing the consumer The main electrode of the field effect transistor is a zener diode arranged, which prevents overvoltages at the gate when a DC voltage source with higher voltage, for example, greater than 15 V is used.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzschaltung ausgehend vom Oberbegriff des Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, mit der ein schnell wirksamer Schutz gegen Falschpolung, insbesondere bei Betriebsspannungen, die höher als die zulässige Gatespannung des Feldeffekttransistors sind, erreichbar ist. Diese Aufgabe wird durch die Maßnahmen des Patentanspruchs 1 oder 2 gelöst. Der Anspruch 3 enthält eine vorteilhafte Ausgestaltung.The invention has for its object a protective circuit starting from the preamble of claim 1, with a fast effective protection against wrong polarity, especially at operating voltages higher than that permissible gate voltage of the field effect transistor are is achievable. This task is carried out by the measures of the Claim 1 or 2 solved. Claim 3 contains one advantageous embodiment.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß Spannungsteilerwiderstände zwischen Gate und der Plus- bzw. Minusleitung wie bei der Realisierung gemäß DE 35 35 788 A1 zusammen mit der Gatekapazität des Feldeffekttransistors Verzögerungsglieder bilden. Dies führt dazu, daß der Feldeffekttransistor bei Falschpolung nicht sofort sperrt und so Schäden beim Verbraucher auftreten können. Mit den Maßnahmen der Erfindung wird der Feldeffekttransistor bei Falschpolung unverzögert gesperrt. Die auftretende Verlustleistung ist sehr gering. Die Realisierung gemäß Anspruch 2 hat den zusätzlichen Vorteil, daß für die Ansteuerung des Feldeffekttransistors keine zusätzliche Hilfsspannungsquelle vorhanden sein muß.The invention is based on the knowledge that Voltage divider resistors between the gate and the plus or  Minus line as in the implementation according to DE 35 35 788 A1 together with the gate capacitance of the field effect transistor Form delay elements. This leads to the fact that the Field effect transistor does not immediately block in the event of incorrect polarity and damage to the consumer can occur. With the Measures of the invention, the field effect transistor Wrong polarity locked without delay. The occurring Power loss is very low. The realization according to Claim 2 has the additional advantage that for Driving the field effect transistor no additional Auxiliary voltage source must be available.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigenThe invention is explained in more detail with reference to the drawings. It demonstrate

Fig. 1 eine Schutzschaltung mit Steuerung eines N-Kanal Feldeffekttransistors über eine Hilfsspannungsquelle, Fig. 1 shows a protection circuit with control of an N-channel field effect transistor via an auxiliary voltage source,

Fig. 2 eine Schutzschaltung mit Steuerung eines P-Kanal Feldeffekttransistors über eine Hilfsspannungsquelle, Fig. 2 shows a protection circuit with control of a P-channel field effect transistor via an auxiliary voltage source,

Fig. 3 eine Schutzschaltung mit Steuerung des Feldeffekttransistors über das Potential der Versorgungsgleichspannungsquelle, Fig. 3 shows a protection circuit with control of the field effect transistor over the potential of the DC supply voltage source,

Fig. 4 eine Ausgestaltung der Erfindung gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Fig. 4 is an embodiment of the invention according to the embodiment of FIG. 1.

In Fig. 1 ist ein N-Kanal Feldeffekttransistor FET mit seiner Drain-Source-Strecke in die Minusleitung zwischen einer Gleichspannungsquelle Q, an der die Versorgungsspannung UV ansteht, und einem Verbraucher V geschaltet. Das Gate G des Feldeffekttransistors FET ist über die Diode D1 mit dem Gegenpol - hier Plusleitung - der Gleichspannungsquelle Q verbunden. Die Anode der Diode D1 ist in diesem Ausführungsbeispiel an das Gate G und die Katode an die Plusleitung angeschlossen. Zwischen Gate G und der zum Verbraucher V weisenden Elektrode des Feldeffekttransistors FET - hier Source S - ist eine Hilfsspannungsquelle HQ über ein Entkopplungselement - Widerstand R1 - angeschlossen. Bei richtiger Polung der Gleichspannungsquelle Q fließt der Verbraucherstrom IV über den leitenden FET, der als niederohmiger Widerstand mit kleiner Verlustleistung wirkt. Der Feldeffekttransistor FET ist leitend, weil seine Gatekapazität (Gate-Source-Kapazität) zuvor von der Hilfsspannungsquelle HQ über den Widerstand R1 geladen wurde. Bei Falschpolung der Gleichspannungsquelle Q - Potentiale in Klammer - wird die Gatekapazität (Gate-Source-Kapazität) über die Diode D1 schnell entladen und der Feldeffekttransistor FET damit schnell gesperrt. Es fließt der Ausräumstrom IA (gestrichelt). Wenn die Gleichspannungsquelle wieder richtig gepolt ist, kann sich die Gate-Source-Kapazität des Feldeffekttransistors FET wieder aufladen, da die Diode D1 nun in Sperrichtung ist. Die Schutzschaltung ist für höhere Betriebsspannungen geeignet, z. B. UV=100 V an der Gleichspannungsquelle Q. Bei einem Drain-Source-Widerstand RDS on von 0,1 Ohm bei Normalbetrieb - Richtigpolung - entsteht bei einem maximalen Laststrom von 2 A eine maximale Verlustleistung von nur 0,4 W. Zum Schutz des Feldeffekttransistors kann eine Gate-Source-Schutzdiode D2 vorgesehen werden. Die Spannung am Verbraucher V ist mit der Realisierung gemäß der Erfindung frei wählbar und keinen Dimensionierungszwängen wie bei der Realisierung gemäß DE 35 35 788 A1 unterworfen. Bei Falschpolung ist im Gegensatz zur Realisierung gemäß DE 35 35 788 A1 ein praktisch unverzögertes Sperren des Feldeffekttransistors FET möglich. In Fig. 1, an N-channel field effect transistor FET is connected with its drain-source path in the negative line between a DC voltage source Q, at which the supply voltage UV is present, and a consumer V. The gate G of the field effect transistor FET is connected via the diode D 1 to the opposite pole - here the positive line - of the direct voltage source Q. In this exemplary embodiment, the anode of the diode D 1 is connected to the gate G and the cathode to the positive line. An auxiliary voltage source HQ is connected via a decoupling element - resistor R 1 - between gate G and the electrode of field-effect transistor FET - here source S - pointing to consumer V. With the correct polarity of the DC voltage source Q, the consumer current IV flows through the conductive FET, which acts as a low-resistance resistor with a small power loss. The field effect transistor FET is conductive because its gate capacitance (gate-source capacitance) was previously charged by the auxiliary voltage source HQ via the resistor R 1 . In the event of incorrect polarity of the DC voltage source Q - potentials in brackets - the gate capacitance (gate-source capacitance) is quickly discharged via the diode D 1 and the field-effect transistor FET is thus quickly blocked. The clearing current IA (dashed) flows. When the direct voltage source is poled correctly again, the gate-source capacitance of the field effect transistor FET can recharge, since the diode D 1 is now in the reverse direction. The protective circuit is suitable for higher operating voltages, e.g. B. UV = 100 V at the DC voltage source Q. With a drain-source resistance R DS on of 0.1 ohm during normal operation - correct polarity - there is a maximum power loss of only 0.4 W at a maximum load current of 2 A Protection of the field effect transistor, a gate-source protection diode D 2 can be provided. The voltage at the consumer V can be freely selected with the implementation according to the invention and is not subject to any dimensioning constraints as in the implementation according to DE 35 35 788 A1. In the case of incorrect polarity, in contrast to the implementation according to DE 35 35 788 A1, a practically instantaneous blocking of the field effect transistor FET is possible.

Fig. 2 zeigt eine Variante der Erfindung mit einem P-Kanal- Feldeffekttransistor FET in der Plusleitung. Die Funktionsweise ist entsprechend zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1. Bei Richtigpolung ist der Feldeffekttransistor FET vollständig leitend und wirkt als niederohmiger Widerstand. Bei Falschpolung wird die Gate-Source-Kapazität über die Diode D1 schnell entladen und der Feldeffekttransistor FET praktisch unverzögert gesperrt. Fig. 2 shows a variant of the invention with a P-channel field effect transistor FET in the positive line. The mode of operation corresponds to the exemplary embodiment according to FIG. 1. With correct polarity, the field effect transistor FET is completely conductive and acts as a low-resistance resistor. In the event of incorrect polarity, the gate-source capacitance is quickly discharged via the diode D 1 and the field effect transistor FET is blocked practically without delay.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist der Feldeffekttransistor FET über den Widerstand R2, der zwischen dem Gegenpol - hier Plusleitung - und dem Gate des Feldeffekttransistors FET parallel zur Diode D1 angeordnet ist, steuerbar. Bei Richtigpolung fließt im ersten Moment ein Strom IG von der Plusleitung über den Widerstand R2 und die Gatekapazität des Feldeffekttransistors FET zur Minusleitung. Sobald diese Gatekapazität aufgeladen ist, ist der Feldeffekttransistor FET leitend und es fließt der Verbraucherstrom IV über den als niederohmigen Widerstand wirkenden Feldeffekttransistor FET. Bei Falschpolung entlädt sich die Gatekapazität wie zuvor sehr schnell über die Diode D1. Es fließt der Ausräumstrom IA, nach dessen Beendigung der Feldeffekttransistor FET sperrt. Zum Schutz des Feldeffekttransistors FET ist zwischen Gate G und Source S eine Zenerdiode ZD1 angeordnet, deren Zenerspannung geringer ist als die zwischen Gate G und Source S maximal zulässige Spannung UGS max. Durch diese Maßnahme wird die Spannung zwischen Gate und Source des Feldeffekttransistors FET auf einen Wert begrenzt, der die Zerstörung des Feldeffekttransistors FET verhindert unabhängig davon, wie hoch die Versorgungsspannung UV ist. In letzterem Ausführungsbeispiel ist ein N-Kanal Feldeffekttransistor in der Minusleitung vorgesehen (entsprechend zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1). Natürlich kann die Variante nach Fig. 3 auch mit einem P-Kanal Feldeffekttransistor in der Plusleitung entsprechend realisiert werden.In the exemplary embodiment according to FIG. 3, the field effect transistor FET can be controlled via the resistor R 2 , which is arranged between the opposite pole - here positive line - and the gate of the field effect transistor FET parallel to the diode D 1 . With correct polarity, a current IG flows from the positive line via the resistor R 2 and the gate capacitance of the field effect transistor FET to the negative line for the first time. As soon as this gate capacitance is charged, the field effect transistor FET is conductive and the consumer current IV flows through the field effect transistor FET, which acts as a low-resistance resistor. In the event of incorrect polarity, the gate capacitance discharges very quickly via diode D 1, as before. The clearing current IA flows, after its termination the field effect transistor FET blocks. To protect the field effect transistor FET, a zener diode ZD 1 is arranged between gate G and source S, the zener voltage of which is lower than the maximum permissible voltage U GS max between gate G and source S. This measure limits the voltage between the gate and source of the field effect transistor FET to a value that prevents the destruction of the field effect transistor FET regardless of how high the supply voltage UV is. In the latter exemplary embodiment, an N-channel field effect transistor is provided in the negative line (corresponding to the exemplary embodiment according to FIG. 1). Of course, variant 3 may of Fig. With a P-channel field effect transistor in the plus line are realized accordingly.

Die Hilfsspannungsquelle HQ kann durch die in Fig. 4 dargestellte Ausgestaltung der Erfindung realisiert werden. Diese Ausgestaltung ist dann vorteilhaft, wenn in der Stromversorgungseinheit nicht sowieso schon eine Hilfsspannungsquelle etwa zur Versorgung von Steuereinheiten bei Verbrauchern, die über einen Schaltregler betrieben werden, vorhanden ist. Die Hilfsspannungsquelle gemäß Fig. 4 besteht aus einer Zenerdiode ZD2 mit einem Parallelkondensator C1. Diese Zenerdioden-Kondensatoranordnung ist über den Widerstand R1 mit dem Gate des Feldeffekttransistors FET verbunden. Eine Serienschaltung, bestehend aus der Diode D3, die anodenseitig mit der Plusleitung verbunden ist, und dem Widerstand R3 ist an die Katode der Zenerdiode ZD2 angeschlossen. Die Funktionsweise ist entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 mit dem Unterschied, daß die Hilfsspannungsquelle HQ erst dann wirksam werden kann, wenn der Kondensator C1 über die Diode D3 und den Widerstand R3 aufgeladen ist. Natürlich läßt sich diese Ausgestaltung entsprechend auf das Ausführungsbeispiel mit einem P-Kanal Feldeffekttransistor FET in der Plusleitung übertragen. Die Diode D3 ist übrigens normalerweise nicht erforderlich, kann also überbrückt sein. In Fig. 4 ist sie zum Schutz bei defektem Feldeffekttransistor und Falschpolung für den Fall vorgesehen, daß parallel zur Zenerdiode ZD2 ein zusätzlicher Verbraucher angeschlossen ist. The auxiliary voltage source HQ can be realized by the embodiment of the invention shown in FIG. 4. This embodiment is advantageous if there is not already an auxiliary voltage source in the power supply unit, for example for supplying control units to consumers which are operated via a switching regulator. The auxiliary voltage source according to FIG. 4 consists of a Zener diode ZD 2 with a parallel capacitor C 1 . This Zener diode capacitor arrangement is connected via the resistor R 1 to the gate of the field effect transistor FET. A series circuit consisting of the diode D 3 , which is connected on the anode side to the positive line, and the resistor R 3 is connected to the cathode of the Zener diode ZD 2 . The operation is in accordance with the embodiment of FIG. 1 with the difference that the auxiliary voltage source HQ can only be effective when the capacitor C 1 is charged via the diode D 3 and the resistor R 3 . Of course, this embodiment can be transferred to the exemplary embodiment with a P-channel field effect transistor FET in the positive line. Incidentally, the diode D 3 is normally not required and can therefore be bridged. In Fig. 4 it is provided for protection in the event of a defective field effect transistor and incorrect polarity in the event that an additional consumer is connected in parallel to the Zener diode ZD 2 .

Zum zusätzlichen Schutz des Feldeffekttransistors FET vor zu hohen Spitzenströmen I oder zu schnellen Stromänderungen di/dt kann er eingangsseitig mit einer Siebschaltung S, beispielsweise bestehend aus einer Längsinduktivität L und einem Querkondensator C (Fig. 1), beschaltet sein.For additional protection of the field effect transistor FET against excessive peak currents I or rapid current changes di / dt, it can be connected on the input side with a filter circuit S, for example consisting of a series inductor L and a transverse capacitor C ( FIG. 1).

Claims (3)

1. Schaltungsanordnung zum Schutz gegen Falschpolung eines an einer Gleichspannungsquelle (Q) betriebenen Verbrauchers (V) unter Verwendung eines Feldeffekttransistors (FET), dessen Drain-Source-Strecke in die Minus- oder Plusleitung zwischen Gleichspannungsquelle (Q) und Verbraucher (V) geschaltet ist, und dessen Gate mit dem Gegenpol der Gleichspannungsquelle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hilfsspannungsquelle (HQ) vorgesehen ist, die über ein Entkopplungselement (R1) mit dem Gate des Feldeffekttransistors (FET) verbunden ist und daß in die Verbindung zwischen Gate und Gegenpol eine Diode (D1) geschaltet ist, die derart gepolt ist, daß bei Falschpolung der Gleichspannungsquelle (Q) die Gatekapazität des Feldeffekttransistors (FET) über diese Diode (D1) entladen werden kann.1. Circuit arrangement for protection against incorrect polarity of a consumer (V) operated at a direct voltage source (Q) using a field effect transistor (FET), the drain-source path of which is connected in the negative or positive line between direct voltage source (Q) and consumer (V) is, and its gate is connected to the opposite pole of the DC voltage source, characterized in that an auxiliary voltage source (HQ) is provided, which is connected via a decoupling element (R 1 ) to the gate of the field effect transistor (FET) and that in the connection between the gate and the opposite pole is connected to a diode (D 1 ) which is polarized such that if the direct voltage source (Q) is incorrectly polarized, the gate capacitance of the field effect transistor (FET) can be discharged via this diode (D 1 ). 2. Schaltungsanordnung zum Schutz gegen Falschpolung eines an einer Gleichspannungsquelle (Q) betriebenen Verbrauchers (V) unter Verwendung eines Feldeffekttransistors (FET), dessen Drain-Source-Strecke in die Minus- oder Plusleitung zwischen Gleichspannungsquelle (Q) und Verbraucher (V) geschaltet ist, und dessen Gate mit dem Gegenpol der Gleichspannungsquelle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gateanschluß des Feldeffekttransistors (FET) und jener Hauptelektrode (S) des Feldeffekttransistors (FET), die zum Verbraucher (V) weist, eine Zenerdiode (ZD1) angeordnet ist, deren Zenerspannung geringer ist als die zwischen dem Gateanschluß und dieser Hauptelektrode maximal zulässige Spannung, daß in die Verbindung zwischen Gate und Gegenpol eine Diode (D1) geschaltet ist, die derart gepolt ist, daß bei Falschpolung der Gleichspannungsquelle (Q) die Gatekapazität des Feldeffekttransistors (FET) über diese Diode (D1) entladen werden kann, und daß parallel zur Diode (D1) ein Widerstand (R2) vorgesehen ist.2. Circuit arrangement for protection against incorrect polarity of a consumer (V) operated at a direct voltage source (Q) using a field effect transistor (FET), the drain-source path of which is connected in the negative or positive line between direct voltage source (Q) and consumer (V) , and its gate is connected to the opposite pole of the DC voltage source, characterized in that between the gate connection of the field effect transistor (FET) and that main electrode (S) of the field effect transistor (FET) which points to the consumer (V), a Zener diode (ZD 1 ) is arranged, the Zener voltage of which is lower than the maximum permissible voltage between the gate connection and this main electrode, that a diode (D 1 ) is connected in the connection between the gate and the opposite pole, which is polarized in such a way that in the event of incorrect polarity of the DC voltage source (Q) the gate capacitance of the field effect transistor (FET) can be discharged via this diode (D 1 ), and that parallel to r diode (D 1 ) a resistor (R 2 ) is provided. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsspannungsquelle (HQ) durch eine Zenerdiode (ZD2) mit einem Parallelkondensator (C1) realisiert ist und daß diese Zenerdioden-Kondensatoranordnung (ZD2, C1) über einen Widerstand (R3) mit dem Gegenpol in Verbindung steht.3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the auxiliary voltage source (HQ) by a Zener diode (ZD 2 ) with a parallel capacitor (C 1 ) is realized and that this Zener diode capacitor arrangement (ZD 2 , C 1 ) via a resistor (R 3 ) is connected to the opposite pole.
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