DE1092960B - Schutzschaltung gegen UEberspannungen bei Endstufen von Transistor-Leistungsverstaerkern - Google Patents

Description

Bei Transistorverstärkern für größere Ausgangsleistung ergibt sich häufig die Notwendigkeit, in der Endstufe mehrere Transistoren parallel zu betreiben. Zwei bekannte Endstufen dieser Art sind in den Fig. 1 und 2 dargestellt. Die beiden Schaltungen unterscheiden sich lediglich hinsichtlich der Einstellung und Stabilisierung der Gleichstromarbeitspunkte.

Die Leistungstransistoren 1, 2 und 3 sind mit ihren Emitter-, Basis- und Kollektoranschlüssen jeweils direkt parallel geschaltet. Die Basen sind mit der Sekundärwicklung des Eingangsübertragers 7, die Kollektoren mit der Primärwicklung des Ausgangsübertragers 8 verbunden. Bei der Schaltung nach Fig. 1 dienen der Emittervorwiderstand 9 und die Widerstände 10 und 11 des Basisspannungsteilers zur Festlegung der Gleichstromarbeitspunkte bzw. zur Arbeitspunktstabilisierung. Die Widerstände 9 und 10 sind wechselstrommäßig durch die Kondensatoren 12 und 13 überbrückt. Diese Maßnahme zur Arbeitspunktstabilisierung ist häufig deshalb nicht erwünscht, weil im Widerstand 9 eine ins Gewicht fallende Leistung in Wärme umgesetzt wird. In der Schaltung nach Fig. 2 ist dies in bekannter Weise vermieden, indem der Widerstand 9 und der Kondensator 12 weggelassen sind und an Stelle des Widerstandes 10 des Basisspannungsteilers eine Halbleiterdiode 15 eingeführt ist. Bei beiden Schaltungen ist zur Siebung der Betriebsspannung außerdem noch ein Kondensator 14 vorgesehen.

Es besteht nun die Gefahr, daß bei Störungen die Transistoren auf der Ausgangsseite oder auf der Eingangsseite Spannungsspitzen erhalten, die zumindest bei einem der parallel arbeitenden Transistoren zu einem Durchschlag führen. Bei einem Durchschlag der Kollektorsperrschicht eines Transistors können dann dessen Basis und damit auch die Basen der parallel liegenden Transistoren eine gegen Emitter stark negative Spannung erhalten, so daß die letzteren thermisch überlastet werden und deshalb ebenfalls durchschlagen.

Um dies zu verhindern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Emitter und die Kollektoren der Transistoren jeweils direkt, ihre Basen aber über je eine Halbleiterdiode solcher Polung parallel zu schalten, daß im normalen Betrieb der Basisgleichstrom die Diode in Durchlaßrichtung durchfließt.

Ausführungsbeispiele und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schaltung sind in den Fig. 3 bis 7 dargestellt.

Die Schaltung nach Fig. 3 unterscheidet sich von der nach Fig. 2 dadurch, daß die Basen nicht direkt, sondern über Halbleiterdioden 4, 5 und 6 zusammengeschaltet und mit der Sekundärwicklung des Eingangsübertragers verbunden sind. Im Normalbetrieb

Schutzschaltung

gegen Überspannungen bei Endstufen
von Transistor-Leistungsverstärkern

Anmelder:

Telefunken G.m.b.H.,

Berlin-Charlottenburg 1,

Ernst-Reuter-Platz

Dr.-Ing. Werner Benz, Backnang,

und Dipl.-Ing. Claus Hirxlinger, Murrhardt (Württ),

sind als Erfinder genannt worden

durchfließt der Basisgleichstrom die Dioden in Durchlaßrichtung. Erfolgt nun beispielsweise bei dem Transistor 2 ein Durchschlag der Kollektorsperrschicht, so daß die Basis auf ein gegen den Emitter stark negatives Potential kommt, so verhindert die Diode 5 nun infolge ihrer Sperrwirkung, daß die Transistoren 1 und 3 eine andere Basisvorspannung bekommen als vor dem Durchschlag.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß diese Maßnahme, die bei Durchschlag eines Transistors den Durchschlag der übrigen verhindern soll, keineswegs nur dann vorteilhaft ist, wenn der Durchschlag des ersten Transistors zu seiner Zerstörung führt. Auch bei ganz kurzzeitigen Durchbrüchen, durch die die Funktionsfähigkeit des betreffenden Transistors in keiner Weise beeinträchtigt wird, dient die Schaltung zur Schonung der übrigen Transistoren. Man braucht dann die parallel liegenden Transistoren nicht so auszusuchen, daß ihre Kennlinienfelder bis weit in das Durchbruchsgebiet hinein miteinander übereinstimmen. In der Schaltung nach Fig. 4 liege: t in den Basiszuleitungen der Transistoren jeweils nicht nur die Dioden 4, 5 und 6 zum Überspannungsschutz, sondern außerdem in Reihe dazu noch Dioden 16, 17 und 18 entgegengesetzter Durchlaßrichtung zur Arbeitspunktstabilisierung. Die Reihenschaltung beider Dioden ist wechselstrommäßig durch jeweils eine Kapazität 22,

23., 24 überbrückt. Zwischen den inn#r«nYerbindungspunkten der Diodenpaare und der Minusklemme der Speisespannung sind der Arbeitspunktstabilisierung dienende Widerstände 19, 20 und 21 angeschlossen. Bei dieser Schaltung hat jeder Transistor seine eigene

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Arbeitspunkteinstellung bzw. -stabilisierung, bestehend ₍ aus einer vom Gleichstrom durchflossenen Halbleiterdiode und einem Widerstand. Das hat den besonderen Vorteil, daß die Basisvorspannung der einzelnen Transistoren unabhängig voneinander einstellbar sind. Auf diese Weise läßt sich jeder Transistor mit dem jeweils günstigsten Arbeitspunkt betreiben.

In Fig. 5 ist eine Abwandlung der Schaltung nach Fig. 4 dargestellt, bei der die Widerstände 19, 20 und 21 zur Arbeitspunkteinstellung und -stabilisierung nicht direkt an die Minusklemme der Speisespannungsquelle geführt, sondern mit den Kollektoranschlüssen der drei Transistoren 1, 2 und 3 verbunden sind. Auf diese Weise dienen diese Widerstände gleichzeitig noch als Parallelgegenkopplung.

Wenn der Ausgang eines Leistungsverstärkers, beispielsweise in der Schaltung gemäß Fig. 2, über eine sehr lange Leitung mit dem eigentlichen Verbraucher verbunden wird, kann es vorkommen, daß durch Störungen verschiedener Art auf dieser Leitung Überspannungen auftreten, die die sehr empfindlichen Transistoren der Endstufe des Verstärkers beschädigen können. Aber auch dann, wenn die Leitung abgetrennt ist und der Verstärker vorübergehend leer läuft, können für die Transistoren gefährliche Spannungsspitzen entstehen. Dies ist z. B. der Fall, wenn der Verstärker normal betrieben wird und auf der Leitung zwischen Ausgang und Verbraucher eine Unterbrechung stattfindet. Um in beiden Fällen die Transistoren vor Spannungsspitzen zu schützen, kann die Schaltung nach Fig. 6 verwendet werden. Diese unterscheidet sich von der Schaltung nach Fig. 2 lediglich dadurch, daß in an sich bekannter Weise die Kollektoren der Transistoren mit ihren Emittern über eine Siliziumdiode 25 (Zenerdiode) zur Spannungsbegrenzung verbunden sind. Die Durchbruchspannung dieser Zenerdiode wird gleich dem maximalen Spannungswert gewählt, der zwischen Kollektor und Emitter der Transistoren auftreten darf. Damit diese Anordnung wirksam ist, muß der differentielle Widerstand der Siliziumdiode im Durchbruchsbereich kleiner sein als der entsprechend parallel liegende wirksame Widerstand der Transistoren, außerdem muß der Innenwiderstand der Störquelle, die an den Ausgangsklemmen des Übertragers 8 wirksam wird, größer sein als der erwähnte differentielle Widerstand der Diode. Nachteilig bei dieser zwar einfachen Anordnung ist, daß sie nur dann wirksam wird, wenn diese Voraussetzungen erfüllt sind.

Eine besonders vorteilhafte Erweiterung der in Fig. 6 angegebenen Maßnahme zum Schutz gegen eine Überspannung, die an den Ausgangsklemmen des Übertragers 8 auftritt, ist in der Schaltung nach Fig. 7 gezeigt. Für die Spannungsbegrenzung zwischen Kollektor und Emitter der Transistoren 1, 2 und 3 ist hier eine besondere Anordnung gewählt, die aus einem Widerstand 26, einem Transistor 27, zwei Siliziumdioden 28 und 29 und einem Widerstand 30 besteht. Die Basis des Transistors 27 ist über den Widerstand 30 und sein Emitter direkt an die Plusklemme der Speisespannungsquelle geführt, während sein Kollektor direkt mit der gemeinsamen Klemme der Widerstände 19,20,21 und über den Widerstand 26 mit der Primärwicklung des Ausgangsübertragers 8 in Verbindung steht. Die Diode 28 ist zwischen diese Primärwicklung und die Basis des Transistors 27 geschaltet und die Dioden 29 zwischen dessen Basis und Emitter. Die Polung der beiden Dioden ist derart, daß sie sperren, solange keine unzulässigen Überspannungen vorhanden sind. Wie in der Schaltung nach Fig. 6 wird die Durchbruchspannung der Diode 28 ebenfalls entsprechend der höchstzulässigen Spitzenspannung der Transistoren 1, 2 und 3 gewählt. Die Diode 29 soll eine dagegen sehr hohe Durchbruchspannung besitzen. Die Basis des Transistors 27 liegt über dem Widerstand 30 am Emitter, so daß der Transistor 27 ebenfalls gesperrt ist. Tritt jedoch eine Spannung auf, die über der Durchbruchspannung der Diode 28 liegt, so wird der Transistor27 leitend und schaltet den Widerstand 26 zwischen die Emitter und die Kollektoren der Transistoren 1, 2 und 3 ein. Damit hierdurch tatsächlich eine Spannungsbegrenzung eintritt, muß der Widerstand 26 (einschließlich des Restwiderstandes des im leitenden Zustand befindlichen Transistors 27) kleiner sein als der parallel liegende wirksame Widerstand der Transistoren 1, 2 und 3 und auch kleiner sein als der auf die Primärseite des Übertragers 8 übersetzte Innenwiderstand der Störquelle. Die negativen Basispannungen werden (wie in der Schaltung nach Fig. 5) über die Widerstände 19, 20 und 21 und den gemeinsamen Widerstand 26 eingestellt. Befindet sich nun der Transistor 27 in leitendem Zustand, so werden diese Widerstände bis auf eine Restspannung an Emitter-Potential gelegt und damit die Transistoren 1, 2 und 3 in einen Bereich geringer Verlustleistung geregelt. Im Falle einer Umkehr der Kollektor-Emitter-Spannung werden die Dioden 28 und 29 leitend und dienen dann in bekannter Weise als Spannungsbegrenzer.

Die Schaltung nach Fig. 7 ist besonders vorteilhaft, weil bei ihr nicht nur auf der Eingangsseite der Transistoren der Schutzdioden 4, 5 und 6 vorhanden sind und gleichzeitig ein Spannungsbegrenzer auf der Ausgangsseite, sondern weil hier bei Überspannung eine Herunterregelung der Arbeitspunkte eintritt, durch die eine thermische Überlastung der Transistoren vermieden werden kann.

Bei Transistorenverstärkern für große Leistungen wird häufig in der Endstufe eine Gegentaktschaltung benutzt. Die vorstehend beschriebenen Maßnahmen zum Schutz der Transistoren gegen Überspannungen lassen sich in der gleichen Weise auch bei Gegentaktschaltungen anwenden. Bei der Schaltung nach Fig. 7 können im Falle eines Gegentaktbetriebes die Diode 29 und gegebenenfalls auch der Widerstand 30 wegfallen.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Schutzschaltung gegen Überspannungen für die mit mehreren parallel betriebenen Transistoren bestückte Endstufe eines Leistungsverstärkers, dadurch gekennzeichnet, daß Emitter und Kollektoren der Transistoren jeweils direkt, ihre Basen dagegen über je eine Halbleiterdiode solcher Polung parallel geschaltet sind, daß im normalen Betrieb der Basisgleichstrom die Dioden in Durchlaßrichtung durchfließt (Fig. 3).

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zur Schutzdiode (4, 5, 6) jeweils eine zweite Halbleiterdiode (16, 17, 18) entgegengesetzter Durchlaßrichtung geschaltet, diese Reihenschaltung durch eine Kapazität (22, 23, 24) wechselstrommäßig überbrückt und die beiden Dioden gemeinsame Klemme jeweils über einen Widerstand (19, 20, 21) mit dem Minuspol der Speisespannungsquelle verbunden ist (Fig. 4).

3. Abwandlung der Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Dioden gemeinsame Klemme jeweils über einen Widerstand (19, 20, 21) mit der gemeinsamen Klemme der

Kollektoren der Transistoren (1, 2, 3) verbunden ist (Fig. 5).

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Kollektoren und die Emitter der Transistoren (1, 2, 3) eine Spannungsbegrenzungsanordnung geschaltet ist, umfassend einen weiteren Transistor (27), dessen Emitter direkt mit den Emittern der Transistoren verbunden ist, dessen Basis einerseits über einen von einer Siliziumdiode (29) überbrückten Widerstand (30) mit den Emittern und andererseits über eine Silizumdiode (28) an die Kollektoren der Transistoren geführt ist und dessen Kollektor

einerseits über einen Widerstand (26) an die Kollektoren und andererseits direkt mit den Widerständen (19, 20, 21) zu den Dioden-Reihenschaltungen (4/16, 5/17, 6/18) in Verbindung steht (Fig. 7).

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumdiode (28) zwischen der Basis des Transistors (27) der Spannungsbegrenzungsanordnung und den Kollektoren der Transistoren (Ij 2,3) eine der höchstzulässigen Spitzenspannung entsprechende Durchbruchspannung hat und die andere Siliziumdiode (29) eine dagegen hohe Durchbruchspannung aufweist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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