專利名稱：具有短路保護(hù)電路的電路裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電路裝置，其具有第一輸入接線和第二輸入接線、具有第一輸出接線和第二輸出接線、具有供電電壓接線以及具有壓控電壓源、輸出級和短路保護(hù)電路，其中，輸出信號由在輸入接線上所施加的輸入電壓通過壓控電壓源和輸出級生成。
背景技術(shù)：
這里所討論類型的電路裝置以不同實(shí)施方案久已為人所知，并用于所有應(yīng)將輸入電壓轉(zhuǎn)換為輸出信號的電路技術(shù)中，其中，該電路裝置在正常情況下可以在輸出側(cè)提供比輸入側(cè)所需要的功率高的功率，以便控制該電路裝置。通常，這樣的電路裝置例如可在隔離放大器、信號變換器和功率模塊中找到。對于這樣的電路的流行的應(yīng)用情況例如在于，將第一電壓范圍的電壓轉(zhuǎn)換為第二電壓范圍的電壓，以將該第一電壓與標(biāo)準(zhǔn)的電壓接口匹配，該電壓接口例如以0V到10V范圍中的電壓值工作。
原則上，在設(shè)計(jì)這里所討論類型的電路裝置時在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)下出于實(shí)際使用、操作安全、但是也出于可證明性(Zertifizierbarkeit)的原因考慮，在輸出側(cè)短路的情況下、亦即當(dāng)輸出接線非常低阻地彼此連接時，該電路表現(xiàn)為如何。當(dāng)不采取任何特別的電路技術(shù)措施時，在短路情況下存在這種危險，即電路裝置的輸出側(cè)的特性在輸入側(cè)不再可控制，在該電路裝置中或在該電路裝置的輸出級中轉(zhuǎn)換高損耗功率，并甚至損壞該電路裝置和/或在輸出側(cè)連接的電器。
出于這些原因，這里所討論類型的電路裝置經(jīng)常在輸出側(cè)裝備有電子限流裝置，該電子限流裝置在短路情況下至少阻止對電路裝置的損壞。當(dāng)輸出級例如通過由壓控電壓源驅(qū)動的電流來控制時，從實(shí)踐及有關(guān)文獻(xiàn)中公知，測量流過該(短路的)輸出接線的負(fù)載電流或短路電流，并根據(jù)負(fù)載電流的大小均勻地將控制輸出級的電流旁路(vorbeileiten)到輸出級上。這樣的短路保護(hù)電路例如可以由雙極晶體管來實(shí)現(xiàn)，該雙極晶體管根據(jù)降落在被布置在負(fù)載電路中的“感知”電阻上的電壓來控制(aufsteuern)，并將控制輸出級的電流旁路到輸出級的輸入上，于是阻止負(fù)載電流繼續(xù)升高，以及由此限制短路電流(Tietze，U.；Schenk，Ch.“Halbleiter-Schaltungstechnik”，12.Auflage，Springer-Verlag，2002，第909-910頁)。
這樣的通過負(fù)載電流路徑中的“感知”電阻檢測負(fù)載電流的大小以及最終也檢測短路電流的短路保護(hù)電路的缺點(diǎn)是，該電阻上的依賴于負(fù)載電流的壓降在正常運(yùn)行時影響輸出信號、也即例如施加在輸出接線上的電壓，以及引起持續(xù)的損耗功率。此外，在短路保護(hù)電路中應(yīng)用簡單的、不受調(diào)節(jié)的諸如雙極晶體管的半導(dǎo)體器件時的缺點(diǎn)是，由于半導(dǎo)體器件的溫度依賴性，觸發(fā)保護(hù)電路的短路電流的大小依賴于溫度。在上述雙極晶體管的情況下，這例如是工作在通流方向上的、該雙極晶體管內(nèi)的二極管的正向電壓的溫度依賴性。在應(yīng)用通過基極-發(fā)射極段(Strecke)控制的雙極性硅晶體管時，基極-發(fā)射極二極管的正向電壓的溫度依賴性約為-2mV/K。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的教導(dǎo)所基于的問題在于，如此構(gòu)造并擴(kuò)展具有壓控電壓源、具有輸出級和具有短路保護(hù)電路的電路裝置，以致(至少部分地)避免上述缺點(diǎn)、特別是短路電流的溫度依賴性和/或由負(fù)載電流對輸出信號的影響。
其中解決上面推導(dǎo)和指出的問題的本發(fā)明的電路裝置首先并且基本上由此來表征，即電壓跟隨電路和與電壓跟隨電路并聯(lián)的泄漏電阻器屬于短路保護(hù)電路，并且由電壓跟隨電路和泄漏電阻器構(gòu)成的并聯(lián)電路一方面與第二輸出接線連接而另一方面與第二輸入接線連接。通過短路保護(hù)電路的本發(fā)明的特別的實(shí)現(xiàn)方案，避免直接作用于負(fù)載電流的路徑中、亦即輸出級與輸出接線的連接中，以致通過輸出接線輸出的輸出信號也不受負(fù)載電流自身的影響。
通過把電壓跟隨電路和并聯(lián)的泄漏電阻器與電路裝置的第二輸入接線連接，保證了所述電路部分的公共的參考電位；在此可以涉及在電路中廣泛應(yīng)用的參考電位、諸如地電位，但是也可以涉及任意其他適合的電位。
電壓跟隨電路根據(jù)本發(fā)明如此來定向，以致該電壓跟隨電路在輸入側(cè)與第二輸入接線連接，而在輸出側(cè)與第二輸出接線連接。由此引起，也施加在第二輸入接線上的參考電位通過電壓跟隨電路被轉(zhuǎn)送給電路裝置的第二輸出接線。只要電壓跟隨電路工作在其正常工作范圍中，對于該電壓跟隨電路就可能保證從其輸入向其輸出轉(zhuǎn)送電位，而與它接收或發(fā)出哪一個電流無關(guān)。在該正常工作范圍中，由于電壓跟隨電路和泄漏電阻器的并聯(lián)以及由于電壓跟隨電路的輸入側(cè)和輸出側(cè)之間的相同的電位，在泄漏電阻器上無任何電位差，以致無任何電流流過該泄漏電阻器。由這一關(guān)系得出，電壓跟隨電路在電路裝置正常工作時、亦即不在短路情況下必須完全接收流過輸出接線的負(fù)載電流，只要在輸出接線上連接負(fù)載即可。
只有當(dāng)電壓跟隨電路不再在其正常工作范圍內(nèi)應(yīng)用時，亦即當(dāng)該電壓跟隨電路例如必須接收比由于其內(nèi)部布線可能接收的電流高的電流時，電壓跟隨電路不再能夠把在輸入側(cè)預(yù)定的電位傳輸?shù)狡漭敵鰝?cè)。其結(jié)果是，電壓跟隨電路的輸出側(cè)電位與在輸入側(cè)預(yù)定的電位偏離。由于在泄漏電阻器的接線上現(xiàn)在建立的電位差，通過泄漏電阻器分路電壓跟隨電路不再可接收的短路電流的部分。
由于電壓跟隨電路通常通過最大程度無調(diào)節(jié)差的調(diào)節(jié)電路來實(shí)現(xiàn)并且因此也可調(diào)節(jié)取決于溫度的影響以及歐姆電阻(如泄漏電阻器)沒有示出突出的溫度依賴性，所以利用本發(fā)明的電路裝置也實(shí)現(xiàn)了沒有值得注意的溫度依賴性的短路保護(hù)。
存在多種構(gòu)造和擴(kuò)展本發(fā)明的教導(dǎo)的可能性。對此可參考從屬權(quán)利要求。對于本發(fā)明特別的結(jié)構(gòu)，告知下面的注意點(diǎn)。
在本發(fā)明的電路裝置的優(yōu)選實(shí)施例中，壓控電壓源通過簡單的運(yùn)算放大器電路來實(shí)現(xiàn)，其方式是，運(yùn)算放大器的反相輸入與兩個布線電阻的各接線連接，而運(yùn)算放大器的非反相輸入與電路裝置的第一輸入接線連接，且第一布線電阻通過輸出級與運(yùn)算放大器的輸出連接，而第二布線電阻與電路裝置的第二輸出接線連接。通過這一措施，給電路裝置裝備輸入接線之間的高阻輸入。同時可以通過運(yùn)算放大器的低阻輸出來控制捆扎在電壓調(diào)節(jié)電路中的輸出級。
在另一個優(yōu)選的實(shí)施例中，在應(yīng)用晶體管的情況下實(shí)施輸出級，該晶體管通過其控制電極由壓控電壓源的輸出來控制。輸出級的晶體管以其另外兩個電極被這樣集成在負(fù)載電路中，使得第一負(fù)載電路電極與供電電壓接線連接，而第二負(fù)載電路電極與電路裝置的第一輸出接線連接。通過在輸出級中應(yīng)用合適的晶體管能夠以簡單的方式實(shí)現(xiàn)如也適用于大功率要求一樣適用于小信號范圍的電路裝置。
在另一個特別優(yōu)選的實(shí)施例中，電壓跟隨電路借助第二運(yùn)算放大器和反饋電阻來實(shí)現(xiàn)，其中，反饋電阻把第二運(yùn)算放大器的輸出反饋到第二運(yùn)算放大器的反相輸入上。由此，第二運(yùn)算放大器的非反相輸入表示電壓跟隨電路的輸入側(cè)，并且因此與電路裝置的第二輸入接線連接，而第二運(yùn)算放大器的反相輸出與電路裝置的輸出側(cè)連接并且因此也與電路裝置的第二輸出接線連接。
如果共同實(shí)現(xiàn)電路裝置的上述優(yōu)選實(shí)施例，則意外地得到整個電路的特別有利的效果，該效果在下面說明。
運(yùn)算放大器的工作范圍通常由連接在其上的工作電壓的電壓范圍來限定。當(dāng)該工作電壓范圍通過上限工作電壓和下限工作電壓來確定時，電壓跟隨電路的上述優(yōu)選的實(shí)施例在輸出側(cè)可以接收這樣大的負(fù)載電流，以致關(guān)于數(shù)量方面正好下限工作電壓降落在反饋電阻上；在這種情況下，第二運(yùn)算放大器的反相輸入還可以正好保持在該電位上，該電位通過第二運(yùn)算放大器的非反相輸入上的電位來預(yù)定。第二運(yùn)算放大器的輸出上的電壓在這種情況下等于第二運(yùn)算放大器的下限工作電壓，該第二運(yùn)算放大器的輸出上的電壓不可降低到此值之下。
電流進(jìn)一步升高不可避免會導(dǎo)致，在反饋電阻上降落超過下限工作電壓的數(shù)值的電壓，且電壓跟隨電路的輸出上的電位上升到電壓跟隨電路的在輸入側(cè)預(yù)定的電位之上。亦即在這種情況下，流過短路保護(hù)電路的電流僅依賴于在電路裝置的第二輸出上建立的電位、第二運(yùn)算放大器的恒定的下限工作電壓、電壓跟隨電路的反饋電阻的大小和在短路保護(hù)電路中所應(yīng)用的泄漏電阻器的大小。亦即短路電流與在第二輸出接線上建立的電位的變化成比例地變化。
在輸出接線短路的情況下，在本電路裝置的優(yōu)選實(shí)施例中存在特別有利的關(guān)系，因?yàn)閴嚎仉妷涸吹牟季€電阻的串聯(lián)電路在輸出側(cè)短路，并因此在電路裝置的第二輸出上施加輸入電壓。如上已解釋的那樣，可是在這種情況下，流過短路保護(hù)電路的電流只依賴于輸入電壓、第二運(yùn)算放大器的恒定的下限工作電壓、歐姆反饋電阻和歐姆泄漏電阻器，并且更確切地說這樣，使得流過短路保護(hù)電路的短路電流與輸入電壓的變化成比例地變化。
由此，該電路裝置的這一特別優(yōu)選的實(shí)施例在正常工作情況下表示具有短路保護(hù)的壓控電壓源而在短路情況下表示壓控電流源。由此，電路裝置的輸出信號在短路情況下也能確定地建立，并通過改變輸入電壓也能確定地變化。因此，短路情況也可被理解為優(yōu)選的電路裝置的正常工作情況。當(dāng)通過電路裝置的輸出接線應(yīng)既輸出確定的電壓信號又輸出確定的電流信號時，這一特性能夠例如被有利地應(yīng)用。


詳細(xì)地，現(xiàn)在存在構(gòu)造和擴(kuò)展本發(fā)明的電路裝置的多種可能。對此結(jié)合附圖參照從屬于權(quán)利要求1的權(quán)利要求和參照優(yōu)選實(shí)施例的說明。在附圖中圖1示出無短路保護(hù)的電路裝置的實(shí)施例，圖2示出從現(xiàn)有技術(shù)中公知的具有短路保護(hù)的電路裝置的實(shí)施例，以及圖3示出本發(fā)明的電路裝置的優(yōu)選實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
下面根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例在應(yīng)用某些電子器件的情況下說明本發(fā)明的電路裝置，這些電子器件基于某些工藝(雙極晶體管、運(yùn)算放大器)。本發(fā)明也可同樣好地在應(yīng)用基于其他工藝的器件的情況下實(shí)現(xiàn)(例如場效應(yīng)晶體管、運(yùn)算放大電路的分立結(jié)構(gòu)或者應(yīng)用集成較高的電路)。亦即，針對實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的唯一前提最一般的是電路裝置的上級模塊的按照本發(fā)明的共同作用，在該電路裝置中不依賴于工藝地實(shí)現(xiàn)所述單個模塊。
圖1中的實(shí)施例示出電路裝置1，其具有第一輸入接線2和第二輸入接線3、具有第一輸出接線4和第二輸出接線5、具有供電電壓接線6以及具有壓控電壓源7、輸出級8，可是沒有短路保護(hù)電路。該電路適用于，通過在輸入接線2、3上所施加的輸入電壓U1借助壓控電壓源7和輸出級8在輸出接線4、5上提供輸出信號、即輸出電壓U2。
在正常工作狀態(tài)下，電路裝置1的輸出通過與輸出接線4和5連接的電負(fù)載(這里通過電阻RL來表示)來負(fù)擔(dān)，該電負(fù)載即使在完全控制輸出級8時也應(yīng)將負(fù)載電流限制到兼容(vertraeglich)的值上?？墒?，如果輸出接線4、5短路，則缺少必需的輸出側(cè)的電流限制，并且輸出級8或者甚至通過輸出接線4、5接收該短路電流的設(shè)備處于將由短路電流損壞的直接危險中。
從現(xiàn)有技術(shù)中公知圖2中示出的電路裝置1，該電路裝置1為了在短路情況下限制負(fù)載電流而裝設(shè)短路保護(hù)電路9。在此，該公知的短路保護(hù)電路9在負(fù)載電流的路徑中裝設(shè)歐姆“感知”電阻RF，在該歐姆“感知”電阻RF上降落與負(fù)載電流成比例的電壓。如果該電壓降達(dá)到以基極-發(fā)射極段與感知電阻RF并聯(lián)的雙極保護(hù)晶體管TS的基極-發(fā)射極正向電壓的值，則所控制的保護(hù)晶體管TS分路如此大部分的控制輸出級8的電流，直至輸出級8已將負(fù)載電流或短路電流降低到所確定的值。
短路保護(hù)電路9的這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)在于，在感知電阻RF上，在電路裝置1正常工作時也轉(zhuǎn)換損耗功率并通過在負(fù)載路徑中布置感知電阻RF來影響電路裝置1的輸出信號。此外，保護(hù)晶體管TS的基極-發(fā)射極段的正向電壓的溫度依賴性也引起在短路情況下建立的短路電流的溫度依賴性。
圖3中所示的電路裝置1的優(yōu)選實(shí)施例設(shè)置短路保護(hù)電路9，該短路保護(hù)電路9包括電壓跟隨電路10和與電壓跟隨電路10并聯(lián)的泄漏電阻器R0。由電壓跟隨電路10和泄漏電阻器R0構(gòu)成的并聯(lián)電路一方面與第二輸出接線5連接，而另一方面與第二輸入接線3連接。在此，電壓跟隨電路10如此定向，以致該電壓跟隨電路10在輸入側(cè)與第二輸入接線3連接，而在輸出側(cè)與第二輸出接線5連接。
在根據(jù)圖3的優(yōu)選實(shí)施例中，壓控電壓源7通過簡單的運(yùn)算放大器電路來實(shí)現(xiàn)，該運(yùn)算放大器電路包括運(yùn)算放大器OP1和兩個布線電阻R1、R2。在此，運(yùn)算放大器OP1的反相輸入11分別與兩個布線電阻R1、R2的接線連接，而運(yùn)算放大器OP1的非反相輸入12與第一輸入接線2連接。此外，第一布線電阻R1通過輸出級8與運(yùn)算放大器OP1的輸出13連接，而第二布線電阻R2與第二輸出接線5連接。在該優(yōu)選實(shí)施例中，輸出級8在應(yīng)用雙極晶體管T1的情況下被實(shí)現(xiàn)，其中晶體管T1通過其基極14由壓控電壓源7的輸出13來控制，并且以其集電極電極與供電電壓接線6連接，而以其發(fā)射極電極16與第一輸出接線4連接。
電路裝置1的該優(yōu)選實(shí)施例如此以簡單的方式實(shí)現(xiàn)了電路裝置1的基本特性，以從輸入電壓中產(chǎn)生輸出信號，其中實(shí)現(xiàn)輸入接線3、4之間的高輸入電阻和輸出信號的可調(diào)節(jié)功率，該功率能夠根據(jù)供電電壓接線6上的供電電壓UB以及通過適當(dāng)選擇晶體管T1在寬范圍內(nèi)變化。
電壓跟隨電路10在按照圖3的電路裝置1的優(yōu)選實(shí)施例中借助第二運(yùn)算放大器OP2和反饋電阻R3來轉(zhuǎn)換，其中，反饋電阻R3將第二運(yùn)算放大器OP2的輸出17反饋到第二運(yùn)算放大器OP2的反相輸入18上。第二運(yùn)算放大器OP2的反相輸入18與第二輸出接線5連接，而第二運(yùn)算放大器OP2的非反相輸入19與第二輸入接線3連接。第二運(yùn)算放大器OP2的工作范圍通過上限工作電壓UCC和下限工作電壓USS來確定。通過第二運(yùn)算放大器OP2的非反相輸入19在輸入側(cè)施加在電壓跟隨電路10上的地電位可被傳輸?shù)降诙\(yùn)算放大器OP2的反相輸入18(“虛擬接地”)，只要為了通過反饋電阻R3平衡運(yùn)算放大器2的輸出17和反相輸入18之間的電位而在輸出17上不必要位于由UCC和USS限定的電壓范圍之外的電壓。
如果在短路情況下要由電壓跟隨電路10接收的短路電流如此大，以致電壓跟隨電路10必須工作在其工作范圍以外，并且由于其在第二運(yùn)算放大器OP2的反相輸入18上建立不同于地電位的電位，則電路裝置1的第二輸出接線5正如泄漏電阻器R0的接線那樣在電位方面提升。亦即，在短路情況下，短路電流的一部分通過泄漏電阻器R0流到地。在該優(yōu)選實(shí)施例中，輸出接線4、5之間的短路同時引起壓控電壓源7中的布線電阻R1、R2的串聯(lián)電路短路，以致輸入電壓U1也施加在運(yùn)算放大器OP1的反相輸入上，并由此也施加在電路裝置的第二輸出接線上。因此，通過短路保護(hù)電路9流走的短路電流IK由下式得出IK＝U1/R0+(U1+USS)/R3。
由此，針對按照圖3的優(yōu)選實(shí)施例得出以下特別驚人的效果，即從帶短路保護(hù)的壓控電壓源中在短路情況下變成壓控電流源，由此輸出信號在短路情況下繼續(xù)通過輸入接線2、3上的輸入電壓U1是可控的。亦即，在應(yīng)用圖3的電路裝置時，短路情況表示可控制的工作情況，而不表示任何例外狀態(tài)。按照圖3的優(yōu)選的電路裝置能夠有意識地在短路-工作狀態(tài)下采用，其方式是例如在輸出接線4、5上連接極低阻的負(fù)載。在這一情況下，輸出信號不是電壓而是通過輸入電壓U1來控制的輸出電流，該輸出電流例如利用工作在0-20mA范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)的電流接口。
權(quán)利要求
1.電路裝置，其具有第一輸入接線(2)和第二輸入接線(3)、具有第一輸出接線(4)和第二輸出接線(5)、具有供電電壓接線(6)以及具有壓控電壓源(7)、輸出級(8)和短路保護(hù)電路(9)，其中，輸出信號由施加在所述輸入接線(2，3)上的輸入電壓通過所述壓控電壓源(7)和所述輸出級(8)來生成，其特征在于，電壓跟隨電路(10)和與所述電壓跟隨電路(10)并聯(lián)的泄漏電阻器(R0)屬于所述短路保護(hù)電路(9)，并且由所述電壓跟隨電路(10)和所述泄漏電阻器(Po)組成的并聯(lián)電路一方面與所述第二輸出接線(5)連接而另一方面與所述第二輸入接線(3)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路裝置，其特征在于，運(yùn)算放大器(OP1)和兩個布線電阻(R1，R2)屬于所述壓控電壓源(7)，所述運(yùn)算放大器(OP1)的反相輸入(11)與所述兩個布線電阻(R1，R2)的各接線連接，并且所述運(yùn)算放大器(OP1)的非反相輸入(12)與所述第一輸入接線(2)連接，以及所述第一布線電阻(R1)通過所述輸出級(8)與所述運(yùn)算放大器(OP1)的輸出(13)連接，而所述第二布線電阻(R2)與所述第二輸出接線(5)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電路裝置，其特征在于，晶體管(T1)屬于所述輸出級(8)，并且所述晶體管(T1)通過其控制電極(14)由所述壓控電壓源(7)的輸出來控制，所述晶體管(T1)以第一負(fù)載電路電極(15)與所述供電電壓接線(6)連接而以第二負(fù)載電路電極(16)與所述第一輸出接線(4)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電路裝置，其特征在于，所述晶體管是雙極晶體管、特別是npn晶體管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中之一所述的電路裝置，其特征在于，第二運(yùn)算放大器(OP2)和反饋電阻(R3)屬于所述電壓跟隨電路(10)，所述反饋電阻把所述第二運(yùn)算放大器(OP2)的輸出(17)反饋到所述第二運(yùn)算放大器(OP2)的反相輸入(18)上，所述第二運(yùn)算放大器(OP2)的所述反相輸入(18)與所述第二輸出接線(5)連接，而所述第二運(yùn)算放大器(OP2)的非反相輸入(19)與所述第二輸入接線(3)連接。
全文摘要
圖示和說明了一種電路裝置，其具有第一輸入接線和第二輸入接線、具有第一輸出接線和第二輸出接線、具有供電電壓接線以及具有壓控電壓源、輸出級和短路保護(hù)電路，其中，輸出信號由施加在輸入接線上的輸入電壓通過壓控電壓源和輸出級生成。本發(fā)明的教導(dǎo)所基于的問題在于，如此構(gòu)造和擴(kuò)展該電路裝置，以致(至少部分地)避免短路電流的溫度依賴性和/或由負(fù)載電流對輸出信號的影響。其中解決所指出的問題的本發(fā)明的電路裝置首先并基本上由此來表征，電壓跟隨電路和與該電壓跟隨電路并聯(lián)的泄漏電阻器屬于短路保護(hù)電路，并且由電壓跟隨電路和泄漏電阻器組成的并聯(lián)電路一方面與第二輸出接線連接，而另一方面與第二輸入接線連接。
文檔編號H02H7/20GK1783705SQ20051013150
公開日2006年6月7日 申請日期2005年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月30日
發(fā)明者H·-W·邁爾 申請人:鳳凰接觸股份有限及兩合公司