DE4022253A1

DE4022253A1 - Current limiting circuit for telecommunication installation - couples source electrodes of two FETs via resistance

Info

Publication number: DE4022253A1
Application number: DE19904022253
Authority: DE
Inventors: Robert Dr Ing Hoenl
Original assignee: Krone GmbH
Current assignee: ADC GmbH
Priority date: 1990-07-11
Filing date: 1990-07-11
Publication date: 1992-01-16
Also published as: DE4022253C2

Abstract

One terminal of the resistor is connected to the source electrode, and the other terminal the gate electrode of a FET (4). A second FET (6) is coupled to the first FET (4) such that the source of the first is connected to the source of the second via the resistor (5), and the gate of the first FET is connected to the source of the second via a first diode (7) with through flow direction from gate to source. The gate of the second FET is connected to the source of the first via second diode (8) with the through flow from to direction gate source. USE/ADVANTAGE - Symmetrical w.r.t current direction. Passage resistance and current loadability and linearity satisfy requirements for application in telecommuication systems.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Strombegrenzungs schaltung, bestehend aus einem selbstleitenden Feldeffekt transistor und einem Widerstand, wobei die Source-Elektrode über den Widerstand mit der Gate-Elektrode verbunden ist.The invention relates to a current limitation circuit, consisting of a self-conducting field effect transistor and a resistor, the source electrode is connected to the gate electrode via the resistor.

Als Schutzschaltungen gegen Überstrom, wie sie in Schutz steckern für Telekommunikations-Anlagen eingesetzt werden, sind beispielsweise Kaltleiter, Sicherungen und Lotpillen bekannt, die bei zu hohem Stromfluß thermisch einen Abschalt vorgang auslösen. Nachteilig ist hierbei die Abhängigkeit des Auslösevorganges von der Umgebungstemperatur und der zur Verfügung stehenden, begrenzten Auslöse-Energie.As protection circuits against overcurrent, as in protection plugs are used for telecommunications systems, are, for example, PTC thermistors, fuses and solder pills known, the thermal shutdown at too high a current flow trigger process. Dependency is a disadvantage here the triggering process from the ambient temperature and the available tripping energy.

Des weiteren sind strombegrenzende Bauelemente, wie eine Feldeffekt-Diode bzw. Curristor, bekannt, die ähnlich einem spannungsbegrenzenden Bauelement, wie ein Varistor oder einer Zener-Diode, den Strom auf einen Maximalwert begrenzen. Schaltungstechnisch realisierbar sind derartige Curristoren grundsätzlich aus einem selbstleitenden Feldeffekt-Transistor in Kombination mit einem Gegenkopplungs-Widerstand, wie es in Tietze-Schenk, Halbleitungstechnik, 3. Auflage, 1974, Kapitel 20.7 beschrieben ist. Sie kommen ohne Fremdspannung aus und sind daher als strombegrenzende Zweipol-Elemente direkt in den Strompfad, ähnlich einer Sicherung, einsetz bar.Furthermore, current-limiting components, such as one Field effect diode or curristor, known to be similar to one voltage-limiting component, such as a varistor or one Zener diode, limit the current to a maximum value. Curristors of this type can be implemented in terms of circuitry basically from a self-conducting field effect transistor in combination with a negative feedback resistor, as in Tietze-Schenk, semiconductors, 3rd edition, 1974, Chapter 20.7 is described. You come without external voltage and are therefore current-limiting two-pole elements insert directly into the current path, similar to a fuse bar.

Nachteilig hierbei ist, daß die o. g. Schaltung nur für eine Stromrichtung (I<= 0) geeignet ist. Bei negativen Strömen wird der Feldeffekt-Transistor im 3. Quadranten betrieben und die Funktion eines Curristors ist damit nicht mehr ge geben. The disadvantage here is that the o. G. Circuit for only one Current direction (I <= 0) is suitable. With negative currents the field effect transistor is operated in the 3rd quadrant and the function of a curristor is no longer ge give.

Der Durchlaßwiderstand des Curristors ist die Summe aus dem Gegenkopplungs-Widerstand und dem Feld effekt-Transistor-Widerstand. Diese Summe darf den zu lässigen Längswiderstand der Schutzschaltung nicht über schreiten. Dabei liegt der erzielbare Durchlaßwiderstand bei ca. 300 Ohm und ist damit für die meisten Schutz schaltungen im Telekommunikationsbereich ungeeignet, deren Widerstände im allgemeinen einige Ohm nicht übersteigen dürfen.The forward resistance of the curristor is the sum of the negative feedback resistance and the field Effect transistor resistance. This sum is allowed to permissible series resistance of the protective circuit stride. The achievable forward resistance lies here at around 300 ohms, making it for most protection circuits unsuitable in the telecommunications sector, their Resistances generally do not exceed a few ohms allowed to.

Weiterhin ist die Strombelastbarkeit, die nur bei ca. 20 mA liegt, bei den bekannten Schaltungen zu gering, wobei im Tele kommunikationsbereich aber 100 bis 500 mA verlangt werden.Furthermore, the current carrying capacity is only around 20 mA is too low in the known circuits, the telephoto communication range but 100 to 500 mA are required.

Als strombegrenzendes Element liegt die Feldeffekt-Diode im Längszweig des Signalpfades und unterliegt damit hohen Forderungen an die Linearität im Durchlaßbereich, um Ver zerrungen durch das inaktive Schutzelement zu vermeiden. Bei der bekannten Schaltung ist die Linearität u. U. unge nügend.The field effect diode is the current-limiting element in the longitudinal branch of the signal path and is therefore subject to high Requirements for the linearity in the pass band in order to Ver to avoid strains due to the inactive protective element. In the known circuit, the linearity is u. U. unung sufficient.

Aufgabe ist es daher, eine Strombegrenzungsschaltung zu ent wickeln, die symmetrisch bezüglich der Stromrichtung ist und deren Durchlaßwiderstand, Strombelastbarkeit und Line arität den Anforderungen des Einsatzes in Telekommunika tions-Anlagen genügt.The task is therefore to ent a current limiting circuit wind that is symmetrical with respect to the current direction and their forward resistance, current carrying capacity and line arity the requirements of use in telecommunications systems is sufficient.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnen den Merkmalen des Patentanspruches 1.The solution to this problem arises from the mark the features of claim 1.

Wird die Schaltung als Zweipol aufgefaßt, so entspricht die Drainelektrode des ersten Feldeffekttransistors der Anode und diejenige des zweiten Feldeffekttransistors der Kathode. Ein Stromfluß durch einen derartigen erfindungs gemäßen Zweipol von der Anode zur Kathode bewirkt u. a. einen Spannungsabfall am Koppelwiderstand. Dadurch wird über die Rückkopplung das Gatepotential und somit der Widerstand des ersten Feldeffekttransistors bestimmt. Beim Erreichen eines bestimmten Stromes wird dieser Widerstand so groß, daß kein weiterer Anstieg des Stromes mehr möglich ist, auch wenn die Spannung über der Schaltung erhöht wird. Der zweite Feldeffekttransistor ist bei dieser Stromrichtung immer niederohmig. Eine Umkehrung der Stromrichtung vertauscht symmetrisch die Funktionen der jeweiligen Feldeffekttransistoren. Nunmehr begrenzt der zweite Feldeffekttransistor über seinen dynamischen Widerstand den Strom, während der erste Feld effekttransistor leitend geschaltet ist. Die erfindungs gemäße Strombegrenzungsschaltung arbeitet daher bidi rektional und ist zum Einsatz in Telekommunikationsanlagen verwendbar.If the circuit is interpreted as a two-pole circuit, then this corresponds to Drain electrode of the first field effect transistor of the anode and that of the second field effect transistor Cathode. A current flow through such a fiction according to the two-pole effect from the anode to the cathode u. a. a voltage drop across the coupling resistor. This will via the feedback the gate potential and thus the Resistance of the first field effect transistor certainly. When a certain current is reached this resistance is so great that no further increase in Current is possible even if the voltage is above the circuit is increased. The second field effect transistor is always low-resistance in this current direction. A Reversal of the current direction symmetrically swaps the Functions of the respective field effect transistors. Now the second field effect transistor limits its dynamic resistance the current during the first field effect transistor is turned on. The fiction according current limiting circuit therefore works bidi rectional and is for use in telecommunication systems usable.

Durch Parallelschalten mehrerer bidirektionaler Einheiten läßt sich durch die Aufteilung des Strompfades die Strom belastbarkeit erhöhen und gleichzeitig der Durchlaßwider stand reduzieren. Die Parallelschaltung zeigt auch, infolge sta tistisch verteilten unterschiedlichen Verhaltens, eine höhere Linearität als die einzelnen Zweipole. Eine solche Parallelschaltung ist als Hybridbaustein oder in inte grierter Form zu verwirklichen.By connecting several bidirectional units in parallel the current can be divided by dividing the current path Increase resilience and at the same time the forward resistance reduce stand. The parallel connection also shows, due to sta differentistic behavior, one higher linearity than the individual bipoles. Such Parallel connection is as a hybrid module or in inte grier form to realize.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further advantageous embodiments of the invention result itself from the subclaims.

Im folgenden sei die Erfindung und ihre bevorzugten Ausge staltungen anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:In the following the invention and its preferred Ausge events explained using the drawings. Show it:

Fig. 1 die Kennlinie einer Feldeffektdiode, Fig. 1 shows the characteristic curve of a field effect diode,

Fig. 2 das Ersatzschaltbild einer Feldeffektdiode, Fig. 2 shows the equivalent circuit diagram of a field effect diode,

Fig. 3 die bidirektionale Strombegrenzungsschaltung mit gemeinsamem Abgleichwiderstand, Fig. 3, the bi-directional current limiting circuit with a common balancing resistor,

Fig. 4 die bidirektionale Strombegrenzungsschaltung mit getrennten Abgleichwiderständen und Fig. 4 shows the bidirectional current limiting circuit with separate trimming resistors and

Fig. 5 die Kennlinie einer bidirektionalen Strom begrenzungsschaltung. Fig. 5 shows the characteristic of a bidirectional current limiting circuit.

Fig. 1 zeigt die Kennlinie einer bekannten strombegrenzenden Feldeffektdiode. Dargestellt ist der Strom durch die Feld effektdiode als Funktion der Spannung über der Diode. Im vorderen Teil I, dem Arbeitsbereich, nimmt der Strom linear mit der Spannung zu. Im Teil II zeigt die Funktion ein nichtlineares Verhalten und im Teil III, dem Begrenzungs bereich, ist der Maximalstrom durch die Diode unabhängig von der angelegten Spannung. Fig. 1 shows the characteristic of a known current-limiting field effect diode. The current through the field effect diode is shown as a function of the voltage across the diode. In the front part I, the work area, the current increases linearly with the voltage. In part II, the function shows a non-linear behavior and in part III, the limiting range, the maximum current through the diode is independent of the voltage applied.

Fig. 2 zeigt eine technische Realisierung einer Feldeffekt diode, die aus einem Feldeffekttransistor 1 und einem Gegenkoppelwiderstand 2 besteht. Der Gegenkoppelwider stand 2 verbindet die Sourceelektrode des Feldeffektransis tors 1 mit seinem Gate. Zunächst ist das Potential an Gate G und Source S gleich (d. h. U_GS= 0) und damit ist der selbstleitende Feldeffekttransistor 1 niederohmig. Bei einsetzendem Strom erhöht sich das Source-Potential, d. h. U_GS wird negativ und der Feldeffekttransistor damit hochohmiger. Ab einem bestimmten Strom ist der Feldeffekt transistor 1 so hochohmig, daß ein weiterer Anstieg des Stromes nicht mehr möglich ist, auch wenn die Spannung über der Schaltung erhöht wird. Fig. 2 shows a technical implementation of a field effect diode, which consists of a field effect transistor 1 and a negative feedback resistor 2 . The negative feedback resistor stood 2 connects the source electrode of the field effect transistor 1 to its gate. First of all, the potential at gate G and source S is the same (ie U _GS = 0) and thus the self-conducting field effect transistor 1 has a low resistance. When current begins, the source potential increases, ie U _GS becomes negative and the field effect transistor thus has a higher resistance. Above a certain current, the field effect transistor 1 is so high-resistance that a further increase in the current is no longer possible, even if the voltage across the circuit is increased.

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße bidirektionale Strom begrenzungsschaltung mit gemeinsamen Abgleichwiderstand. Ein Feldeffekttransistor 4 ist über einen Koppelwiderstand 5 mit einem Feldeffekttransistor 6 derart verschaltet, daß die beiden Feldeffekttransistoren 4, 6 sourcemäßig ge koppelt sind. Das Gate des Feldeffekttransistors 4 wird mit dem Sourcepotential des Feldeffekttransistors 6, d. h. dem Potential im Punkt 10 nach dem Widerstand 5, beaufschlagt. Analog wird das Gate des Feldeffekttran sistors 6 mit dem Potential im Punkt 9 vor dem Widerstand 5 beaufschlagt. In den Gate-Source-Zweigen sind jeweils Dio den 7, 8 mit der Durchlaßrichtung Gate-Source enthalten. Zunächst, bei Nichtfließen eines Stromes, ist das Poten tial an Source und Gate des ersten Feldeffekttransistors 4 gleich und der Feldeffekttransistor 4 somit niederohmig. Bei einsetzendem Strom, wobei der Strom von der Drain D des ersten Feldeffekttransistors 4 zur Drain des zweiten Feldeffekttransistors 6 fließen soll, ist die Spannung in Punkt 9 vor dem Koppelwiderstand 5 höher als in Punkt 10 nach dem Koppelwiderstand 5. Somit ist die Gate-Source- Spannung des Feldeffekttransistors 4 negativ und dieser wird damit hochohmiger. Die Diode 7 ist im leitenden Zustand. Für den Feldeffekttransistor 6 gilt, daß zu Beginn das Source- und das Gatepotential ebenfalls gleich sind und somit der Feldeffekttransistor 6 niederohmig ist. Mit dem Ein setzen des Stromes ist das Potential in Punkt 9 größer als dasjenige in Punkt 10 und somit sperrt die Diode 8. Der Feldeffekttransistor 6 bleibt bei dieser Stromrichtung im leitenden Zustand. Fig. 3 shows a bidirectional current limiting circuit according to the invention with a common trimming resistor. A field-effect transistor 4 is connected via a coupling resistor 5 to a field-effect transistor 6 in such a way that the two field-effect transistors 4 , 6 are source-coupled. The gate of the field effect transistor 4 is acted upon by the source potential of the field effect transistor 6 , ie the potential at point 10 after the resistor 5 . Analogously, the gate of the field effect transistor 6 is applied with the potential at point 9 in front of the resistor 5 . In the gate-source branches, diodes 7 , 8 with the forward direction gate-source are contained. First, when a current is not flowing, the potential at the source and gate of the first field effect transistor 4 is the same and the field effect transistor 4 is thus low-resistance. When current begins, the current flowing from the drain D of the first field-effect transistor 4 to the drain of the second field-effect transistor 6 , the voltage in point 9 before the coupling resistor 5 is higher than in point 10 after the coupling resistor 5 . The gate-source voltage of the field-effect transistor 4 is thus negative and the latter becomes high-resistance. The diode 7 is in the conductive state. It applies to the field effect transistor 6 that at the beginning the source and the gate potential are also the same and thus the field effect transistor 6 has a low resistance. With the onset of the current, the potential in point 9 is greater than that in point 10 and thus blocks diode 8 . The field effect transistor 6 remains conductive in this current direction.

Eine Änderung der Stromrichtung bewirkt eine symmetrische Vertauschung der Funktionen der beiden Feldeffekttransistoren 4, 6. Nunmehr verändert der Feldeffekttransistor 6 seinen Widerstand und wirkt strombegrenzend während der Feldeffekttransistor 4 leitend ist.A change in the current direction causes the functions of the two field effect transistors 4 , 6 to be exchanged symmetrically. Now the field effect transistor 6 changes its resistance and has a current-limiting effect while the field effect transistor 4 is conductive.

Die Dioden 7 und 8 dienen einerseits der Schaffung definier ter Potentialverhältnisse an den Gates der Feldeffektransistoren 4, 6 und verhindern andererseits bei Sperrschicht- Feldeffekt transistoren (JFET) einen unerwünschten Stromfluß in den Gate-Source-Zweigen.The diodes 7 and 8 serve on the one hand to create defined potential relationships at the gates of the field effect transistors 4 , 6 and on the other hand prevent junction field effect transistors (JFET) from an undesirable current flow in the gate-source branches.

Fig. 4 zeigt einen bidirektionalen Strombegrenzer mit getrennten Abgleichwiderständen 11, 12. Die Sourceelektrode eines Feldeffekttransistors 14 ist über einen Widerstand 11 und einen weiteren Widerstand 12 mit der Sourceelektrode eines Feldeffekttransistors 16 verbunden. Die Gateelektroden der beiden Feldeffekttransistoren 14 und 16 werden mit dem Potential zwischen den beiden Widerständen 11 und 12 des Punktes 13 beaufschlagt. In den beiden Gatezweigen be finden sich jeweils eine Diode 17 und 18, deren Durchlaß richtung jeweils vom Gate wegzeigt. Der Abgleich der Form der Kennlinie erfolgt durch die beiden Widerstände 11, 12 für beide Durchlaßrichtungen getrennt. Dies ist notwendig, wenn die beiden Feldeffekttransistoren 14 und 16 unterschied liche Kennlinien aufweisen. Fig. 4 shows a bi-directional current limiter with separate balancing resistors 11, 12. The source electrode of a field effect transistor 14 is connected via a resistor 11 and a further resistor 12 to the source electrode of a field effect transistor 16 . The gate electrodes of the two field effect transistors 14 and 16 are acted upon by the potential between the two resistors 11 and 12 of the point 13 . In each of the two gate branches there is a diode 17 and 18 , the forward direction of which points away from the gate. The shape of the characteristic curve is separated by the two resistors 11 , 12 for both forward directions. This is necessary if the two field effect transistors 14 and 16 have different characteristics.

Ein gemeinsamer Abgleich für beide Durchlaßrichtungen, wie er bei einer Schaltung gemäß Fig. 3 durchgeführt wird, bedingt identische Feldeffekttransistoren 14 und 16.A common adjustment for both forward directions, as is carried out in a circuit according to FIG. 3, requires identical field effect transistors 14 and 16 .

Fig. 5 zeigt die resultierende Kennlinie einer erfindungs gemäßen bidirektionalen Strombegrenzungsschaltung gemäß den in Fig. 3 oder 4 dargestellten Basiszweipolen. Darge stellt ist der Durchlaßstrom als Funktion der angelegten Spannung. Im Arbeitsbereich II ist dieser eine lineare Funktion der Spannung, im positiven Übergangsbereich II und im negativen Übergangsbereich IIa wird von diesem linearen Zusammenhang abgewichen, so daß der Strom im positiven Begrenzungsbereich III auf einen positiven Maximalstrom und im negativen Begrenzungsbereich IIIa auf einen negativen Begrenzungsstrom festgelegt wird. Diese maximalen Durch laßströme sind in den Begrenzungsbereichen unabhängig von der angelegten Spannung, und es ergibt sich ein bidirek tionales Strombegrenzungselement mit einer symmetrischen Stromverlaufskurve. Fig. 5 shows the resulting characteristic of a bidirectional current limiting circuit according to the Invention according to the basic bipoles shown in Fig. 3 or 4. Darge represents the forward current as a function of the applied voltage. In working area II this is a linear function of the voltage, in the positive transition area II and in the negative transition area IIa there is a deviation from this linear relationship, so that the current in the positive limiting area III is set to a positive maximum current and in the negative limiting area IIIa to a negative limiting current . These maximum let-through currents are independent of the applied voltage in the limiting areas, and there is a bidirectional current limiting element with a symmetrical current curve.

Claims

1. Current limiting circuit comprising a field effect transistor and a resistor, one pole of the resistor being connected to the source electrode and the other to the gate electrode of the field effect transistor ( 4 ), characterized in that a second field effect transistor ( 6 ) is connected to the first field effect transistor ( 4 ) is coupled such that the source of the first field effect transistor ( 4 ) via the resistor ( 5 ) with the source of the second field effect transistor ( 6 ) is connected to the gate of the first field effect transistor ( 4 ) via a first diode ( 7 ) Pass-through gate-source to the source of the second field-effect transistor ( 6 ) is connected and that the gate of the second field-effect transistor ( 6 ) is connected via a second diode ( 8 ) to the pass-through direction gate-source to the source of the first field-effect transistor ( 4 ) .

2. Current limiting circuit according to claim 1, characterized in that the two field effect transistors ( 4 , 6 ) are connected to one another by two serial coupling resistors ( 11 , 12 ), the gate voltages of the two field effect transistors ( 14 , 16 ) between the two resistors ( 11 , 12 ) can be tapped.

3. Current limiting circuit according to claim 1 or 2, characterized by a parallel connection of at least two two poles, each consisting of two field effect transistors ( 4 , 6 ; 14 , 16 ), two diodes ( 4 , 8 ; 17 , 18 ) and a resistor ( 5 ; 11 , 12 ).

4. Current limiting circuit according to claim 3, characterized records that the parallel connection as a hybrid module or is carried out in an integrated form.