DE1089804B - Schaltungsanordnung zum Schutz von Schalttransistoren gegen UEberlastung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

In letzter Zeit wird in steigendem Maße angestrebt, mechanische Kontakte durch steuerbare Halbleiterschalter, vor allem Schalttransistoren, zu ersetzen. Darunter sind Halbleiterschalter mit einer Widerstandsgeraden zu verstehen, welche bis auf kurze Endabschnitte außerhalb der Verlusthyperbel verläuft. Die beiden Arbeitspunkte des Halbleiterschalters liegen dabei auf diesen Endabschnitten, und der dazwischenliegende Bereich unzulässiger Belastung wird beim Umschalten so rasch durchlaufen, daß keine übermäßige Erwärmung des Halbleiters eintritt. Derartige Halbleiterschalter können dadurch mit einer Leistung betrieben werden, die weit über der im normalen Verstärkerbetrieb erreichbaren liegt, denn die beiden Arbeitspunkte (entsprechend dem gesperrten Zustand und dem geöffneten Zustand des Schalters) liegen einerseits, bei voller Sperrspannung, praktisch ohne Stromfluß, und andererseits bei dem höchsten Durchlaßstrom unter sehr kleiner Spännung.

Bei Sättigung des Schalttransistors durch einen hohen Basisstfom fließt ein Kollektorstrom, der in weiten Grenzen fast ausschließlich durch den KollektDrwiderständ bestimmt wird. Die Restspannung am Transistor ist dabei sehr viel kleiner als die Kollektorbetriebsspannung, da der größte Teil der Betriehsspannung am Kollektorwiderstand abfällt. Damit ist aber auch die Verlustleistung im Schalttransistor wesentlich kleiner als die des Kollektorwiderstandes.

Wird jedoch der Kollektorwiderstand zu klein, so steigt die Restspannung am Transistor an, und die zulässige Verlustleistung wird überschritten. Bei einem Kurzschluß des Kollektorwiderstandes bewirkt die starke Überlastung des Transistors seine schnelle Zerstörung.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Schutz von Schalttransistoren gegen Überlastung infolge zu kleinen Kollektorwiderstandes ader Kurzschluß des Kollektorwiderstandes. Sie besteht darin, daß in einer der Speiseleitungen und/oder in der Spülleitung ein Gatter vorgesehen ist, daß durch eine von der Verlustleistung bzw. dem Strom im Transistor abhängigen Spannung gesteuert wird und bei Erreichen eines bestimmten Spannungswertes den Steuerstrom und/oder die Speisespannung des Schalttransistors unterbricht. Das Abschalten erfolgt so schnell, daß selbst bei Kurzschluß des Kollektorwiderstandes der Transistor nicht zerstört wird.

Es ist besonders vorteilhaft, diese Spannung mit Hilfe eines weiteren Transistors derart von dem Schalttransistor abzuleiten, daß der Kollektor dieses Transistors mit dem Emitter des Schalttransistors und die Basis über einen Spannungsteiler mit dem Kollektor des Schalttransistors verbunden ist, und daß die Steuerspannung für das Gatter an einem im Emitter-Schaltungsanordnung

zum Schutz von Sdialttransistoren

gegen Überlastung

Anmelder:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Witteisbacherplatz 2

Dipi.-Phys. Udo Hölken, München,
ist als Erfinder genannt worden

kreis dieses Transistors liegenden Widerstand abgegriffen wird. Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung besteht darin, daß mit Hilfe der abgeleiteten Spannung eine bistabile Kippschaltung in eine ihrer beiden stabilen Lagen gebracht und dadurch das mit der Kippschaltung verbundene Gatter zur Unterbrechung des Steuerstromes für den Schalttransistor gesperrt wird.

An Hand der Fig. 1 und 2 wird die Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel. Die Schaltungsanordnung besteht aus dem Schalttransistor TI₁ dem Transistor TI₁ der bistabilen Kippschaltung K und dem Sperrgatter G. Außerdem sind zur Steuerung der Transistoren Tl und T2 die Widerstände Ri, RZ₁ i?3, i?4 undi?5 vorgesehen. Der Widerstand Ra ist der Kollektorwiderstand des Schalttransistors. Weiterhin ist ein Schalter J für die Zurückstellung der bistabilen Kippstufe K in ihren Ausgangszustand vorgesehen.

Die Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt: Über den Eingang 1 des Gatters G wird dem Transistor T1 ein Steuerstrom zugeführt. Bei genügender Größe des Kollektorwiderstandes Ra fällt der größte Teil der Verlustleistung an diesem Widerstand ab. Nur ein kleiner Teil der Verlustleistung tritt an dem Schalttransistor T1 auf. Diese bleibt im normalen Betriebsfall unter dem hochstzulässigen Wert. Wird nun der Widerstand Ra verkleinert oder sogar kurzgeschlossen, dann wird die Spannung an dem Kollektor des Transistors T1 negativer, und über die beiden Widerstände R1 und R 2, die einen Spannungsteiler darstellen, wird damit auch die Spannung an der Basis des Transistors T 2 negativer. Der Transistor T 2 wird

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damit stärker ausgesteuert, und der Spannungsabfall an dem im Emitterkreis des Transistors T 2 Hegenden Widerstand i?4 wird größer.

Wenn die an dem Widerstand i?4 infolge des erhöhten Stromflusses durch den Transistor Γ 2 angestiegene Spannung einen bestimmten Wert erreicht hat, schaltet sie die bistabile Kippstufe K um. Der Ausgang der bistabilen Kippstufe K ist mit dem Eingang 2 des Gatters G verbunden. Infolge dieser Verbindung wird das Gatter G immer dann gesperrt,wenn dieKippstuf edurch die von dem Transistor T1 mit Hilfe des Transistors T 2 abgeleitete Spannung in die eine ihrer beiden stabilen Lagen gebracht ist. Wenn aber das Gatter G gesperrt ist, dann kann kein Steuerstrom zu dem Transistor T1 gelangen. Der Transistor T1 wird also nicht mehr ausgesteuert und damit vor einer unzulässigen Belastung und einer Zerstörung bewahrt. Zur Einschaltung des normalen Betriebszustandes ist es lediglich nötig, den Schalter S umzulegen und damit die bistabile Kippschaltung in ihren Ausgangszustand zurückzubringen. Dadurch wird das Gatter G wieder geöffnet, und der Steuerstrom gelangt wieder zum Transistor T1.

Die Spannung an dem Widerstand R 4 hängt also von der Aussteuerung des Transistors T2 ab. Einmal ändert sich diese Aussteuerung mit der an seiner Basis liegenden Spannung, zum anderen aber auch mit der an dem Kollektor liegenden Spannung. Die Kollektorspannung des Transistors T2 wird von dem Emitter des Transistors Tl abgeleitet. Mit dem Transistor Tl ist der Widerstand R3 in Serie geschaltet. Steigt nun infolge Verkleinerung des Kollektorwiderstandes oder Kurzschluß desselben im Transistor T1 der Strom an, so steigt auch die an dem Widerstand R 3 abfallende Spannung an, und der Transistor T2 erhält eine höhere Kollektorspannung. Durch die erhöhte Kollektorspannung steigt auch der Strom in dem Transistor T 2 und die Spannung an dem von diesem Strom durchflossenen Widerstand i?4 an. Die an diesem Widerstand abfallende Spannung ist also nicht nur von der Kollektorspannung und damit der Verlustleistung des Transistors T1, sondern auch noch von dem in ihm fließenden Strom abhängig. Die Wirkung der von dem Kollektor des Transistors T1 abgeleiteten Basisspannung für den Transistor T 2 wird also durch die von dem Emitter des Transistors T1 abgeleiteten Kollektorspannung des Transistors T 2 unterstützt.

Fig. 2 zeigt die Anwendung der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung bei einem aus Transistoren aufgebauten Rechteckgenerator. Der Rechteckgenerator besteht im wesentlichen aus folgenden Baugruppen: a) Einer instabilen Kippstufe 2.1 zur Erzeugung angenähert rechteckförmiger Schwingungen; b) einem nachgeschalteten Dualuntersetzer 2.2, der die Frequenz dieser angenähert rechteckförmigen Schwingungen teilt und weiter rechteckig macht; der Untersetzer hat den Zweck, Impuls- und Pausezeit der Rechteckimpulse genau gleich zu machen; c) einem Koinzidenzgatter 2.4, das normalerweise durchlässig ist und die Zuführung der Rechteckschwingungen zum Eingang des dreistufigen LeistungsVerstärkers 2.5 steuert; d) einem Leistungsverstärker 2.5, der zweistufig als Emitterfolger (Verbundtransistor mit Emitterwiderständen geschaltet ist und dessen dritte Stufe im Kollektorkreis den Verbraucher enthält. Die Endstufe dieses dreistufigen Leistungsverstärkers ist mit zwei Transistoren ausgerüstet. Diese werden bei zu geringem Kollektorwiderstand oder bei Kurzschluß desselben stark überlastet. Um dies zu verhindern, ist gemäß der Erfindung eine Sicherung in Form einer bistabilen Kippschaltung 2.3 vorgesehen, die das vor der Leistungsstufe 2.4 angeordnete Koinzidenzgatter 2.4 und damit den Steuerstrom (Rechteckschwingungen) so schnell abschaltet, daß selbst bei Kurzschluß des Kollektorwiderstandes die Endtransistoren nicht zerstört werden. Die Sicherungskippstufe 2.3 wird durch einen Kontrolltransistor 2.6 geschaltet, der abhängig von der Verlustleistung und dem Strom in den Transistoren der Endstufe gesteuert wird.

ίο Die Schaltung der instabilen Kippstufe 2.1 sowie des Dualuntersetzers 2.2 und der bistabilen Kippschaltung 2.3 ist an sich bekannt. Das Koinzidenzgatter besteht aus dem Transistor TS, dessen Basis die Rechteckschwingungen von dem Dualuntersetzer 2.2 erhält, während die Kollektorspannung von einem der Transistoren der Sicherungskippstufe 2.3 abgeleitet wird. Damit letzteres nicht zu sehr belastet wird, ist zur Verstärkung der Transistor T 7 vorgeschaltet. Die Transistoren I'll und T12 der Endstufe2.5 brauchen zu ihrer Steuerung kleinere Spannungen, als an dem Eingang der Leistungsstufe 2.5 angeboten werden. Daher wird die Leistungsvorverstärkung mit Emitterfolgeverstärkern, die aus den Transistoren T 9 und T10 aufgebaut sind, durchgeführt.

Zur Sperrung der Endtransistoren wird in den Taktpausen jeder Emitter gegenüber seiner Basis vorgespannt. Von den Endtransistoren wird nur der Transistor Γ11 gesteuert. Der Transistor Γ12 erhält an seiner Basis eine solche Vorspannung, daß er gesättigt ist, wenn sein Emitter eine kleinere Spannung hat, also dann, wenn auch der Transistor T11 gesättigt ist. Ist aber der Transistor TIl gesperrt, so liegt an seinem Kollektor und am Transistor T12 eine wesentlich höhere Spannung. Damit ist auch der Transistor Γ12 gesperrt. Die beiden Transistoren TIl und T12 sind in Reihe geschaltet, da die gesamte Kollektorspannung bei Übergang von Takt zu Taktpause und bei einer induktiven Last die maximal zulässige Kollektorspannung übersteigt. Dieser induktive Abfallimpuls darf auch nicht ganz kurzgeschlossen werden, da dies bei Relais eine Abfallsverzögerung bewirkt. Andererseits muß er auf höchstens die doppelte zulässige Kollektorspannung begrenzt werden, da sonst auch die Reihenschaltung der beiden Transistoren durch eine zu hohe Kollektorspannung zur Überlastung führt. Zur Begrenzung dieser Spannung ist eine Glimmstrecke Gl eingeschaltet.

Die Emitterspannung des Transistors TIl wird als Kollektorspannung dem Transistor Γ13 zugeführt.

Die Basisspannung erhält der Transistor T13 über einen Spannungsteiler von dem Kollektor des Transistors TIl. Der Emitter des Transistors T13 ist mit dem einen Eingang der Sicherungskippstufe 2.3 verbunden. Bei genügend hoher Spannung wird diese Sicherungskippstufe in die eine der beiden stabilen Lagen umgeschaltet und sperrt über den Transistor T 7 das aus dem Transistor T 8 bestehende Gatter 2.4 und schaltet damit die zur Aussteuerung der Endstufe 2.5 dienenden Rechteckschwingungen ab. Eine Überlastung der Endtransistoren TIl und T12 wird damit verhindert.

Es ist keineswegs zwingend, zur Sperrung des Schalttransistors ein Sperrgatter vorzusehen, wie dies in Fig. 1 angedeutet ist. Vielmehr kann bei ent-

sprechendem Aufbau der Schaltung genauso gut ein Koinzidenzgatter verwendet werden. Als Beispiel dafür ist das Gatter 2.4 in Fig. 2 als Koinzidenzgatter ausgebildet.

Ebenso muß das Gatter nicht in der Basisleitung des Schalttransistors angeordnet sein, sondern kann

ebenso gut in der Kollektor- oder Emitterleitung liegen.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Schaltungsanordnung zum Schutz von Schalttransistoren gegen Überlastung infolge zu kleinen Kollektorwiderstandes oder Kurzschluß desselben, dadurch gekennzeichnet, daß in einer der Speiseleitungen und/oder in der Steuerleitung ein Gatter vorgesehen ist, das durch eine von der Verlustleistung bzw. dem Strom im Schalttransistor abhängigen Spannung gesteuert wird und bei Erreichen eines bestimmten Spannungswertes den Steuerstrom und/oder die Speisespannung des Schalttransistors unterbricht.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ableitung der Spannung ein Transistor vorgesehen ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor dieses Transistors mit dem Emitter des Schalttransistors und die Basis über einen Spannungsteiler mit dem Kollektor des Schalttransistors verbunden ist und daß die Steuerspannung für das Gatter an einem in dem Emitterkreis dieses Transistors liegenden Widerstand abgegriffen wird.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine bistabile Kippschaltung vorgesehen ist, die mit Hilfe der vom Schalttransistor abgeleiteten Spannung in eine ihrer beiden stabilen Lagen gebracht wird und dadurch das Gatter zur Unterbrechung des Steuerstromes für den Schalttransistor sperrt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 065 460.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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