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Schaltungsanordnung zum Überlastungsschutz von Transistoren bei Transistorverstärkerstufen
Die Erfindung betrifft eine Transistorverstärkerstufe mit einer als Überlastungsschutz wirkenden Be- grenzerschaltung.
Es sind bereits Begrenzerschaltungen bekannt, in denen durch geeignete Massnahmen der Strom in einer Transistorverstärkerstufe auf einen maximal zulässigen Wert begrenzt wird.
In Fig. 1 ist die bekannte Schaltung eines selektiven Transistorverstärkers mit einer Endstufe in Ge- gentakt-B-Betrieb dargestellt, wie er vorzugsweise bei Trägerstromquellen zur Speisung von Vielkanal-
Trägerfrequenzsystemen verwendet wird. Die an der Wicklung 1 am Ausgangsübertrager 2 des Verstärkers entstehende Teilwechselspannung wird durch den Gleichrichter 3 gleichgerichtet, mittels eines Ladekondensators 4 geglättet und über die Zenerdiode 5 als versteilerndes Glied der Basis-Emitterstrecke des Transistors 6 der Eingangsstufe zugeleitet. Dadurch ist die Ausgangsamplitude des Verstärkers selbsttätig gere- gelt, so dass sie in gewissen Grenzen unabhängig ist vom Lastwiderstand des Verstärkers, von Schwankungen seiner Versorgungsspannung und der Aussteuerung der Eingangsstufe.
Da die selbsttätige Regelung den Endverstärker bei Kurzschluss so weit aussteuern würde, wie es der Verstärkungsreserve der Vorstufe entspricht, muss man die Aussteuerung der Endstufe definiert begrenzen, um die Transistoren 7, 8 der Endstufe zu schützen. Durch den Widerstand 9 in der Kollektorleitung des Transistors 6 der Vorstufe kann die Aussteuerung und damit der Strom in der Endstufe scharf auf den für maximale Last zulässigen Wert begrenzt werden.
Der Nachteil dieser Schaltung liegt jedoch darin, dass in Fällen, in denen mit einem länger anhaltenden Kurzschluss am Ausgang des Verstärkers zu rechnen ist, der Strom in der Endstufe auf denjenigen Wert begrenzt werden muss, der auch beim totalen Kurzschluss am Ausgang des Verstärkers die Transistoren Jer Ausgangsstufe bei der maximal vorkommenden Batteriespannung nicht überlastet. Dadurch ist die maximal entnehmbare Ausgangsleistung auf einen Wert beschränkt, der weit unterhalb dem liegt, der zugelassen werden könnte, wenn nur auf die Verlustleistung Rücksicht genommen werden bräuchte, die im Normalbetrieb auftritt.
Es gibt bereits Schutzschaltungen, die eine bessere Ausnutzung der Transistoren gestatten und bei denen Kurzschlusssicherheit gewährleistet ist. Sie beruhen alle darauf, dass kurzzeitig ein höherer Strom in der Endstufe zugelassen wird als der Nennlast entspricht. Tritt Überstrom auf, so dient er als Kriterium für Überlast oder Kurzschluss am Verstärkerausgang und schaltet die Versorgungsspannung ab (Sicherung, Schutzrelais).
Abgesehen davon, dass bei diesen Schutzschaltungen zuerst geprüft werden muss, ob die Überlast oder der Kurzschluss entfernt ist, und dann von Hand auf Betrieb geschaltet werden muss, ist die Ausnutzung des Verstärkers bei Anwendung dieser Schutzschaltungen dadurch begrenzt, dass einerseits mit Schwankungen der Versorgungsspannung gerechnet werden muss, anderseits damit, dass im Betrieb die Ausgangsspannung nicht immer genau auf den Sollwert eingestellt ist. Der Wirkungsgrad des Verstärkers fällt aber sehr schnell ab, wenn das Verhältnis aus dem Scheitelwert der Kollektorwechselspannung zur Versorgungsgleichspannung von 100'rio aus zu kleineren Werten absinkt. Dieses Absinken des Wirkungsgrades muss bei den bisherigen Verstärkern trotz aller Schutzschaltungen umsomehr in Kauf genommen werden, je grösser die genannten Toleranzen sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine bessere Ausnützung der jeweils eingesetzten
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Transistoren zu erreichen, ohhe dabei auf einen L'berlastschutz, der auch noch im Kurzschlussfalle wirk- sam ist, verzichten zu müssen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird die Schaltungsanordnung gemäss der Erfindung so ausgebildet, dass die, Emitter-Kollektorstrecke eines Schutztransistors derart in Reihe zu einer der beiden von einer Gleichstromquelle kommenden Stromversorgungszuleitungen der Transistorverstärkerstufe geschaltet ist, dass der Kollektor des Schutztransistors mit dem von der Gleichstromquelle kommenden und der Emitter mit dem zur Transistorstufe führenden Ende der einen Versorgungsleitung verbunden ist, während ein Gleichrichter, dessen Ausgangsspannung proportional zur Ausgangswechselspannung der Transistorverstärkerstufe ist,
mit dem einen Pol seines Ausgangs mit der Basis des Schutztransistors und mit dem andern Pol seines Ausgangs mit der andern von der Gleichstromquelle kommenden Versorgungszuleitung der Transistorverstärkerstufe und die Basis des Schutztransistors mit dem Emitter desselben durch einen Widerstand verbunden ist, so dass beim Anwachsen der Überlast am Ausgang der Transistorverstärkerstufe die Kollektor-Emitterstrecke des Schutztransistors immer hochohmiger und die zwischendem Emitter des Schutztransistors und der gegenpoligen Versorgungszuleitung der Transistorverstärkerstufe liegende, als Versorgungsspannung der Transistorver- stärkerstufe dienende Spannung annähernd proportional zur Ausgangswechselspannung heruntergeregelt wird.
Durch diese Massnahmen wird die gestellte Aufgabe in einfacher Weise gelöst. Ein wesentlicher Vorteil der Anordnung liegt darin, dass durch die annähernd proportionale Regelung der Versorgungsspannung der Transistorstufe zur Ausgangswechselspannung die zulässige Verlustleistung der jeweiligen Transistoren in sämtlichen Betriebsfällen einschliesslich des Kurzschlussfalles niemals überschritten wird, so dass eine solche Transistorstufe stets für die bei einem bestimmten Betriebsfall maximal erreichbare Ausgangsleistung ausgelegt werden kann. Hiezu kommt noch, dass die Transistorverstärkerstufe stets mit annähernd konstantem, genau bestimmbarem Wirkungsgrad arbeitet, demjenigen hohen Wirkungsgrad nämlich, der durch das Verhältnis des Scheitelwert der Kollektorwechselspannung zur Versorgungsgleichspannung gegeben ist.
Wegen des geringen Durchgriffes des Kollektorkreises auf den Emitterkreis werden bei der Art der Anordnung der vorliegenden Schutzschaltung auch Batteriespannungsschwankungen weitgehend ausgeregelt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann ein Widerstand parallel zur Emitterkollektorstrecke des Schutztransistors geschaltet werden. Dadurch wird erreicht, dass auch in Betriebsfällen, in denen noch keine Ausgangswechselspannung vorhanden ist-z. B. bei Übergang vom Kurzschlussfall ZUl1- Normalbetrieb oder beim Einschalten de'Batteriespannung-und deshalb die Emitter-Kollektorstrecke des Schutz-
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Schaltungsanordnung ist völlig unabhängig von der Kurvenform der Ausgangsspannung und gleichermassen für den A, Bund C-Betrieb geeignet, gleichgültig, ob es sich um Ein-oder Gegentaktstufen handelt. Die spezielle Schutzschaltung kann mit gleichem Erfolg auch bei Oszillatorschaltungen oder ähnlichen Anordnungen benutzt werden.
Die Erfindung wird an Hand der in den Fig. 2-6 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele und an Hand des Diagramms nach Fig. 7 näher erläutert.
Die Schaltung nach Fig. 2 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 1 durch die zusätzliche Wicklung 11 des Ausgangsübertragers 2, durch eine Gleichrichterschaltung, bestehend aus der Diode 12 und dem Kondensator 13, dem Schutztransistor 10, dessen Kollektor-Emitterstrecke in Reihe zur negativen Versorgungszuleitung geschaltet ist und des parallel zur Kollektor-Emitterstrecke des Schutztransistors 10
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Verstärkerspeisespannung U = zwischen den Klemmen 14-15 und dem Versorgungsgleichstrom I = darstellenden Widerstandes wird die Batteriespannung B im Verhältnis dieser beiden Widerstände aufgeteilt.
Die Schaltungsanordnung arbeitet folgendermassen :
Bei der Änderung der Ausgangswechselspannung U Pi durch Laständerungen oder andere Einflüsse folgt die Spannung an der Wicklung 11 und damit die am Kondensator 13 entstehende Gleichspannung, die als Steuerspannung für den Schutztransistor 10 dient, getreu der Ausgangswechselspannung der Endstufe. An den Klemmen 14-15 stellt sich dabei eine Spannung ein, die um den nur wenige zehntel Volt betragenden Spannungsabfall an der Emitter-Basisstrecke des Schutztransistors 10 geringer ist als die Steuerspan- nung. Die an den Klemmen 14-15 anstehende als Verstärkerversorgungsspannung dienende Gleichspannung ist durch diese Steuerung in jedem Augenblick proportional der Ausgangswechselspannung.
Durch geeignete Übersetzung im Ausgangsübertrager 2 zwischen der an den Transistoren 7, 8 liegenden Kollektor-
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Der Verlauf des Versorgungsstromes, der Versorgungsspannung und der Verstärkerausgangswechselspan- nung in Abhängigkeit vom Lastwiderstand des Verstärkers ist aus dem Diagramm nach Fig. 7 zu ersehen.
Bei der Aufnahme der Kurven des Diagrammes wurde die Ausgangswechselspannung hiebei innerhalb des
Betriebsbereiches zur Unterstützung der Verstärkerregelung auf den Nennwert 10 Volt nachgestellt, um die Wirkungsweise der Schutzschaltung übersichtlich darzustellen.
Bei Überlast tritt die Begrenzung durch den Widerstand 9 in Kraft. Der Versorgungsstrom J = steigt nicht mehr weiter an. Da nun die Ausgangswechselspannung U abfällt, regelt die Schutzschaltung die
Versorgungsspannung U = annähernd proportional mit herunter. Die Tatsache, dass die Versorgungsgleich- spannung U = rascher als die Ausgangswechselspannung U # abfällt, liegt in den Kennlinien des Transi- stors 10 begründet und führt dazu, dass bei sehr kleinen Lastwiderständen20 am Verstärkerausgang, wie sie bei Kurzschlüssen auftreten, die Steuerspannung am Transistor 10 nicht mehr ausreicht, um die Versor- gungsspannung an den Klemmen 14-15 zu erhalten, die dem bestimmten Überlastfall entspricht, dadurch sinkt die Ausgangswechselspannung U und damit die Steuerspannung für den Schutztransistor 10 noch mehr,
so dass der Schutztransistor die Versorgungszuleitung fast völlig sperrt, womit der im Diagramm ersichtliche von einem bestimmten Zeitpunkt an sehr rasche Abfall des Versorgungsstromes 1 = seine Er- klärung findet. Ein gewisser Reststrom und damit auch eine Restspannung bleibt erhalten, da der Wider- stand der Emitter-Kollektorstrecke des Schutztransistors 10 nicht unendlich gross ist. Würde die Schutz- schaltung die Versorgungsspannung U = genau proportional zur Ausgangswechselspannung U # steuern, dann würde die Schutzschaltung im Überlastbereich bis zum totalen Kurzschluss den beim Begrenzungs- fall maximal erreichbaren konstanten Versorgungsstrom I = beibehalten. In diesem Falle bleiben die End- transistoren 7, 8 voll ausnutzbar, da sie im Kurzschluss nur eine sehr geringe Versorgungsspannung speisen würde.
Der Schutztransistor 10 nimmt dabei die volle Verlustleistung auf, die die Endtransistoren in einem Gegentakt-B-Verstarker aufnehmen müssten, der keinerlei Schutzschaltung ausser dem Begrenzung- widerstand 9 besitzt. Es erfolgt also eine Verlagerung der Verlustleistung von den teueren Hochfrequenztransistoren der Endstufe zu einem Transistor sehr niedriger Grenzfrequenz, der mit hoher zulässiger Ver- lustleistung gunstiger herstellbar ist. 1m Diagramm nach Fig. 7 ist die Verlustleistung des Transistors 10 für diesen Fall mit Nv'bezeichnet.
1m Gegensatz zu dieser theoretischen Betrachtung entsteht jedoch im
Betrieb, wegen der nur annähernd proportionalen Regelung der Versorgungsgleichspannung U = in Abhängigkeit von der Ausgangswechselspannung U und der damit verbundenen weitgehenden Sperrung der Versorgungszuleitung beim Erreichen desjenigen Belastungsfalles, von dem ab die Steuerspannung nicht mehr ausreicht, um die für den Betriebszustand notwendige Versorgungsgleichspannung U = aufrecht zu erhalten, der zusätzliche Vorteil, dass von diesem Zeitpunkt an die Verlustleistung am Schutztransistor 10 ebenfalls abnimmt. Der Verlauf der bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 auftretenden Verlustleistung Nv in Abhängigkeit von der Belastung des Verstärkerausganges ist im Diagramm 7 ebenfalls ersichtlich.
Der Widerstand 17 parallel zur Kollektor-Emitterstrecke des Schutztransistors garantiert in den Fällen, in denen keine Ausgangswechselspannung existiert und dadurch die Kollektor-Emitterstrecke des Schutztransistors praktisch nicht leitend ist, den Mindeststrom in der Versorgungszuleitung, der nötig ist, um den Verstärker selbsttätig auf den Betriebsfall einzuregeln. Der Strom, der im Fall des Kurzschlusses am Verstärkerausgang durch den Widerstand 17 fliesst, ist weitaus kleiner, als der in diesem Fall für die Transi- storen 7, 8 Jer Ausgangsstufe zulässige.
In Fig. 3 ist die Schaltungsanordnung der Schutzschaltung nochmals gesondert herausgezeichnet. Der Widerstand 16 ist dabei der Ersatzwiderstand für den im Betrieb auftretenden, sich aus den'Quotienten der Versorgungsgleichspannung U = an den Klemmen 14-15 und den den Versorgungsgleichstrom I = darstellenden Widerstandes.
InFig. 4 ist eine Begrenzerschaltung gezeigt, bei der dem Schutztransistor 10 eine Gleichstromverstärkerstufe mit dem Transistor 18 vorgeschaltet ist. Dadurch wird eine wesentlich geringere Belastung der Gleichrichterstufe 11, 12, 13 und damit des Verstärkerausganges erreicht.
Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 5 erfolgt die Einspeisung der Steuerspannung parallel zur Emitter-Basisstrecke des Schutztransistors 10. Besonders vorteilhaft ist dabei im Vergleich zur Schaltungsanordnung nach Fig. 3, dass nur die geringe Emitter-Basisspannung zur Steuerung aufgebracht werden braucht.
Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 6 ist die Zenerdiode 19 zwischen den Ausgang des einen Pols der Gleichrichterschaltung und der Basis des Schutztransistors 10 geschaltet.
Auch hiebei ist die Steuerspannung für den Schutztransistor 10, trotz des zusätzlichen Spannungsabfalles an der Zenerdiode 19, kleiner als bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 3.