DE1109258B

DE1109258B - Arrangement for the automatic shutdown of the operating voltage of an electrical device, in particular the communication and measurement technology, in the event of harmful overloads

Info

Publication number: DE1109258B
Application number: DET17754A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Claus Hirrlinger
Original assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Current assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Priority date: 1960-01-21
Filing date: 1960-01-21
Publication date: 1961-06-22

Description

Anordnung zur selbsttätigen Abschaltung der Betriebsspannung eines elektrischen Gerätes, insbesondere der Nachrichten-und Meßtechnik, bei schädlichen überlastungen In elektrischen Geräten, insbesondere solchen der Nachrichten- und Meßtechnik, besteht vielfach die Gefahr einer Zerstörung bei plötzlich auftretender Überlastung. So kann es z. B. bei Endstufen von Transistorleistungsverstärkem unter bestimmten Umständen zu Durchbrüchen der Kollektorsperrschicht und damit zur Zerstörung der in den Endstufen vorhandenen Transistoren kommen. Solche Umstände sind z. B. gegeben bei versehentlich überhöhter Betriebsspannung, bei Vollaussteuerung der Transistoren im Leerlauf (insbesondere bei Endstufen mit transformatorischer Leistungsauskopplung), bei von der Lastseite her kommenden Störspannungen, bei Störspannungsspitzen in der Betriebsstromversorgung oder bei Ausfall der Transistorkühlung. Ist die Betriebsspannungsquelle hinreichend niederohmig, so steigt der KollektorsperrstromI, oft lawinenartig bis zur Zerstörung des Transistors an, falls die in Fig. 1 dargestellte Kennlinie, die den in Sperrichtung fließenden Kollektorstrom (IJ in Abhängigkeit von der Spannung (UBC) zwischen Basis und Kollektor zeigt, im Durchbruchgebiet, wie ersichtlich, einen Bereich mit negativer Steigung hat. P, bezeichnet den Punkt auf der Kennlinie, in welchem die Zerstörung eintritt; M, ist der Arbeitspunkt.Arrangement for the automatic disconnection of the operating voltage of an electrical device, in particular in communications and measurement technology, in the event of harmful overloads In electrical devices, particularly in communications and measurement technology, there is often the risk of destruction in the event of a sudden overload. So it can be B. In the case of output stages of transistor power amplifiers, under certain circumstances, the collector barrier layer breaks and the transistors present in the output stages are destroyed. Such circumstances are e.g. B. given in the case of accidentally excessive operating voltage, with full modulation of the transistors in idle mode (especially with output stages with transformer power decoupling), with interference voltages coming from the load side, with interference voltage peaks in the operating power supply or when the transistor cooling fails. If the operating voltage source is sufficiently low, the collector reverse current I rises, often like an avalanche, until the transistor is destroyed, if the characteristic curve shown in Fig. 1 shows the collector current flowing in the reverse direction (IJ as a function of the voltage (UBC) between base and collector , in the breakdown area, as can be seen, has a region with a negative slope. P, denotes the point on the characteristic curve in which the destruction occurs; M, is the operating point.

Diese Transistoren, ebenso wie andere überlastungsempfindliche Geräte, können nun im allgemeinen vor der Zerstörung bewahrt werden, wenn die Betriebsspannung beim Beginn der Überlastung, im Falle der Transistoren beispielsweise gleich zu Beginn des erwähnten lawinenartigen Kollektorstromanstieges, rasch abgeschaltet wird. Der hierzu verwendete Schalter muß gewisse Forderungen erfüllen. Er soll beim überschreiten eines bestimmten höchstzulässigen Stromwertes bzw. einer bestimmten höchstzulässigen Stromanstiegsgeschwindigkeit abschalten, selbst aber möglichst wenig Spannungsabfall in der Zuleitung verursachen und wenig Leistung verbrauchen.These transistors, like other overload sensitive devices, can now generally be saved from destruction when the operating voltage at the beginning of the overload, in the case of transistors, for example, same as Beginning of the aforementioned avalanche-like collector current rise, quickly switched off will. The switch used for this purpose must meet certain requirements. He should be at exceeding a certain maximum permissible current value or a certain switch off the maximum current rate of increase, but if possible yourself cause little voltage drop in the supply line and consume little power.

Es ist bereits eine Anordnung zur selbsttätigen Abschaltung der Betriebsspannung eines elektrischen Geräts bei schädlichen Überlastungen bekannt, bei der zwischen dem einen Pol der Betriebsspannungsquelle und dem entsprechenden Betriebsspannungsanschluß des zu stützenden Gerätes die Emitter-Kollektor-Strecke eines als Schalter dienenden ersten Transistors geschaltet ist, dessen Basisspannung von dem Betriebszustand eines zweiten Transistors abhängt. Dieser ist über einen Vorwiderstand parallel zum Gerät und ersten Transistor geschaltet und erhält seine Basissteuerspannung über ein parallel zum ersten Transistor geschaltetes Potentiometer aus zwei Widerständen. Entsprechend wird die Basissteuerspannung für den ersten Transistor an einem parallel zum zweiten Transistor liegenden Potentiometer aus zwei Widerständen abgegriffen. Die Schaltung hat den Nachteil, daß sie einen verhältnismäßig großen Aufwand an Potentiometerwiderständen bedingt und daß über diese Widerstände ständig Strom fließt, d. h. auch bei Nennbelastung ständig, Energie verbraucht el wird. Es ist ferner bekannt, bei der oben beschriebenen Anordnung den zweiten Transistor nebst Vorwiderstand und die beiden Potentiometer fortzulassen und die Basis des ersten Transistors über die Reihenschaltung eines Kondensators und einer Induktivität mit seinem Kollektor zu verbinden. Diese Anordnung hat die Eigenschaft, daß das Gerät nach einer gewissen Zeit selbsttäti 'g wieder eingeschaltet wird unabhängig davon, ob der Zustand der Überlastung noch besteht oder nicht. Dies ist in allen Fällen nachteilig, wo die Störung durch das Gerät selbst hervorgerufen wird (z. B. bei Vollaussteuerung im Leerlauf, Ausfall der Transistorkühlung, Defekt eines Transistors). So kann es bei in Leitungsverstärkern eingebauten Transistoren nach mehrmaligem Erreichen des negativen Kennlinienteiles zu bleibenden Veränderungen der Transistoreigenschaften kommen, die so weit führen können, daß der Transistor unbrauchbar wird.There is already an arrangement for automatically switching off the operating voltage of an electrical device in the event of harmful overloads, in which the emitter-collector path of a first transistor serving as a switch is connected between one pole of the operating voltage source and the corresponding operating voltage connection of the device to be supported Base voltage depends on the operating state of a second transistor. This is connected in parallel to the device and the first transistor via a series resistor and receives its base control voltage via a potentiometer made of two resistors connected in parallel to the first transistor. Correspondingly, the base control voltage for the first transistor is tapped from a potentiometer made up of two resistors, which is parallel to the second transistor. The circuit has the disadvantage that it requires a relatively large amount of potentiometer resistors and that current flows continuously through these resistors, i.e. H. Even at nominal load, energy is consumed constantly. It is also known to omit the second transistor together with the series resistor and the two potentiometers in the arrangement described above and to connect the base of the first transistor to its collector via the series connection of a capacitor and an inductance. This arrangement has the property is that the device after a certain time selbsttäti g 'is turned on again, regardless of whether the state of congestion still exists or not. This is disadvantageous in all cases where the fault is caused by the device itself (e.g. with full modulation in no-load operation, failure of the transistor cooling, defect in a transistor). In the case of transistors built into line amplifiers, after reaching the negative part of the characteristic curve several times, permanent changes in the transistor properties can occur, which can lead to the fact that the transistor becomes unusable.

Die diese Nachteile der bekannten Anordnungen vermeidende Erfindung betrifft eine Anordnung zur sebsttätigen Abschaltung der Betriebsspannung eines elektrischen Gerätes, insbesondere der Nachrichten-und Meßtechnik bei schädlichen Überlastungen, bei der zwischen dem einen Pol der Betriebsspannungsquelle und dem entsprechenden Betriebsspannungsanschluß des zu schützenden Gerätes die Emitter-Kollektor-Strecke eines als Schalter dienenden ersten Transistors geschaltet ist, dessen Basisspannung von dem Betriebszustand eines zweiten Transistors abhängt.The invention which avoids these disadvantages of the known arrangements relates to an arrangement for automatically switching off the operating voltage of a electrical Device, in particular the communications and measurement technology in the event of harmful overloads, between the one pole of the operating voltage source and the corresponding one The operating voltage connection of the device to be protected is the emitter-collector path a first transistor serving as a switch is connected, the base voltage of which depends on the operating state of a second transistor.

Diese Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß erfindungsgemäß die Basis des ersten Transistors über einen Vorwiderstand mit dem anderen Pol der Betriebsspannungsquelle und über die Emitter-Kollektor-Strecke des zweiten Transistors mit dem erstgenannten Pol der Betriebsspannungsquelle verbunden ist, und daß die Basis des zweiten Transistors über die Reihenschaltung einer Diode und eines Begrenzungswiderstandes an den Kollektor des ersten Transistors gelegt ist.This arrangement is characterized in that according to the invention Base of the first transistor via a series resistor to the other pole of the operating voltage source and via the emitter-collector path of the second transistor with the first-mentioned Pole of the operating voltage source is connected, and that the base of the second transistor Via the series connection of a diode and a limiting resistor to the collector of the first transistor is placed.

Das Prinzip der Erfindung wird am besten aus der Fig. 2 ersichtlich, in welchem G das zu schützende Gerät mit den Betriebsspannungsanschlußklemmen a, b darstellt. Dieses Gerät kann beispielsweise die Endstufe eines Transistorleistungsverstärkers sein. Zwischen den Pluspol der Betriebspannungsquelle und die entsprechende Anschlußklemme a des Gerätes G ist die Emitter-Kollektor-Strecke eines als Schalter dienenden pnp-Transistors Ts, geschaltet, dessen Basis einerseits über einen Schalter S mit dem genannten Pol der Betriebsspannungsquelle, andererseits über einen Vorwiderstand Ri mit deren Minuspol verbunden ist. Bei Verwendung eines npn-Transistors ist lediglich eine Vertauschung der Pole erforderlich. Der am Basisvorwiderstand Ri bei offenem Schalter S infolge des Basisgleichstromes IB auftretende Spannungsabfall macht zufolge entsprechender Bemessung des Vorwiderstandes Ri die Basis so weit negativ gegen den Emitter, daß der Transistor leitend ist und an ihm nur noch eine Restspannung UR (von etwa 0,3 bis 0,5 V) abfällt. Hierbei ist der Basisgleichstrom worin B etwa gleich der Kurzschlußstromverstärkung für Gleichstrom in der Emitterschaltung beim Kollektorstrom Ic ist. Legt man nun durch Schließen des Schalters S die Basis an Emitterpotential, so ist der Transistor bis auf einen geringen Kollektorreststrom gesperrt. Das zu schützende Gerät ist damit also von der Betriebsspannungsquelle praktisch abgetrennt. Dafür fließt dann allerdings über den Schalter S und den Vorwiderstand Ri ein Strom etwa in Größe des Basisstromes.The principle of the invention is best seen in FIG. 2, in which G represents the device to be protected with the operating voltage connection terminals a, b . This device can, for example, be the output stage of a transistor power amplifier. The emitter-collector path of a pnp transistor Ts serving as a switch is connected between the positive pole of the operating voltage source and the corresponding terminal a of the device G , the base of which is connected on the one hand via a switch S to the said pole of the operating voltage source, on the other hand via a series resistor Ri connected to the negative pole. When using an npn transistor, all that is necessary is to reverse the poles. The voltage drop occurring at the base series resistor Ri when the switch S is open as a result of the base direct current IB makes the base so negative to the emitter that the transistor is conductive and only a residual voltage UR (from about 0.3 to 0.5 V) drops. Here is the base direct current where B is approximately equal to the short-circuit current gain for direct current in the emitter circuit at the collector current Ic. If the base is now applied to the emitter potential by closing the switch S , the transistor is blocked except for a small residual collector current. The device to be protected is thus practically separated from the operating voltage source. For this, however, a current approximately the size of the base current flows through the switch S and the series resistor Ri.

Ein praktisches Ausführungsbeispiel der Anordnung nach der Erfindung in einfachster Form zeigt die Fig. 3. Diese Anordnung unterscheidet sich von der nach Fig. 2 dadurch, daß an Stelle des Schalters S ein zweiter Transistor Ts2 vorgesehen ist, dessen Emitter mit dem Pluspol der Betriebsspannungsquelle, dessen Kollektor mit der Basis des ersten Transistors Tsl und dessen Basis über die Reihenschaltung einer DiodeD1, insbesondere einer Siliziumdiode, und eines Widerstandes R., mit dem Kollektor des Transistors Tsl verbunden sind. Der letztere Transistor wird nun mittels des Vorwiderstandes Ri so eingestellt, daß bei normalem über das Gerät G fließenden Verbrauchergleichstrom Ic am Transistor Ts 1 noch die Restspannung UR abfällt. Diese Einstellung entspricht dem Arbeitspunkt A in der Fig. 4, die die IC-UCE-Kennlinien für verschiedene Basisgleichströme zeigt, wobei UCE die Spannung zwischen Kollektor und Emitter bedeutet. Steigt nun der durch das zu schützende Gerät G fließende Gleichstrom Ic aus irgendeinem Grunde unzulässigerweise an, so wandert der Punkt A auf der Kennlinie für konstanten Strom IB in Richtung A'. Während des normalen Betriebes ist der Transistor Ts2 bis auf seinen Kollektorreststrom gesperrt. Die in die Basisleitung geschaltete Diode D, verhindert zufolge entsprechender Polung ein Ansprechen, d. h. Durchlässigwerden des Transistors TJ2 bei der Restspannung UR am Transistor Tsl. Steigt nun die Kollektor-Emitter-Spannung dieses Transistors so weit an, daß die Diode Di leitend wird, dann wird die Basis des Transistors Ts2 negativ gegen dessen Emitter. Dieser Transistor wird also etwas geöffnet und schaltet dadurch die Basis des Transistors Tsl an den Pluspol der Betriebsspannungsquelle, wodurch der Transistor Ts 1 etwas gesperrt wird. Dies verstärkt den vorgenannten Vorgang, so daß die Schaltungsordnung umkippt und der Transistor Ts 1 voll gesperrt und der Transistor Ts 2 voll geöffnet sind. Der Widerstand R" begrenzt dabei den Basisstrom des letzteren Transistors. Durch von Hand oder automatisch erfolgendes Abschalten und Wiedereinschalten der Betriebsspannung wird der alte Zustand wiederhergestellt, vorausgesetzt, das Gerät G nimmt wieder seinen vorgeschriebenen Strom Ic auf. Der Transistor Ts 1 ist dann wieder durchlässig und der Transistor TJ2 wieder gesperrt. Für ein einwandfreies Arbeiten der Anordnung ist es erforderlich, daß die Restspannung des Transistors Ts2 kleiner ist als die zur ausreichenden Sperrung des Transistors Ts 1 erforderliche Basis-Emitter-Spannung.A practical embodiment of the arrangement according to the invention in its simplest form is shown in FIG. 3. This arrangement differs from that according to FIG. 2 in that instead of the switch S a second transistor Ts2 is provided, the emitter of which is connected to the positive pole of the operating voltage source, the collector of which is connected to the base of the first transistor Tsl and the base of which is connected to the collector of the transistor Tsl via the series connection of a diode D1, in particular a silicon diode, and a resistor R. The latter transistor is now set by means of the series resistor Ri so that with normal consumer direct current Ic flowing through the device G at the transistor Ts 1 , the residual voltage UR still drops. This setting corresponds to operating point A in FIG. 4, which shows the IC-UCE characteristics for various base direct currents, UCE denoting the voltage between collector and emitter. If, for whatever reason, the direct current Ic flowing through the device G to be protected increases in an impermissible manner, point A on the characteristic curve for constant current IB moves in direction A '. During normal operation, the transistor Ts2 is blocked except for its residual collector current. The diode D, which is connected to the base line, prevents a response due to the corresponding polarity, i. H. The transistor TJ2 becomes conductive at the residual voltage UR at the transistor Tsl. If the collector-emitter voltage of this transistor rises so far that the diode Di becomes conductive, then the base of the transistor Ts2 becomes negative with respect to its emitter. This transistor is thus opened somewhat and thereby switches the base of the transistor Tsl to the positive pole of the operating voltage source, as a result of which the transistor Ts 1 is blocked somewhat. This intensifies the aforementioned process, so that the circuit arrangement changes over and the transistor Ts 1 is fully blocked and the transistor Ts 2 is fully opened. The resistor R "limits the base current of the latter transistor. By manually or automatically switching off and switching on the operating voltage, the old state is restored, provided that the device G takes up its prescribed current Ic again. The transistor Ts 1 is then permeable again and the transistor TJ2 locked. for a correct operation of the arrangement, it is necessary that the residual voltage of the transistor Ts2 is smaller than that required for adequate blocking of the transistor Ts 1 base-emitter voltage.

Um nun zu erreichen, daß im abgeschalteten Zustand der Schaltung der an sich unerwünschte Leistungsverbrauch durch den BasisvorwiderstandR1 entfällt, kann die in Fig. 3 dargestellte Anordnung noch durch weitere Schaltelemente gemäß Fig. 5 ergänzt werden. Hier ist zwischen die Basis des Transistors Ts 1 und den Vorwiderstand Ri die Emitter-Kollektor-Strecke eines dritten Transistors Ts3 eingeschaltet, dessen Basis einerseits mit dem Kollektor des zweiten Transistors Ts 2 und andererseits über einen Widerstand R4 mit dem Minuspol der Betriebsspannungsquelle verbunden ist. Der Emitter-Basis-Strecke der Transistoren Ts 1 und Ts 2 liegt jeweils ein Widerstand R, bzw. R, parallel. Bei normalem Betrieb sind die Transistoren Ts 1 und Ts 3 durchlässig, Ts2 dagegen gesperrt. Bei einem unzulässigen Anstieg des im Gerät G fließenden Gleichstromes tritt wieder der an Hand von Fig. 3 beschriebene Kippvorgang ein. Es fällt mehr Spannung an Ts 1 ab, Ts 2 öffnet, wodurch Ts 3 und damit auch Ts 1 gesperrt werden.To achieve now that, in the switched-off state of the circuit, the unwanted power consumption in itself eliminates the BasisvorwiderstandR1, the arrangement shown in Fig. 3 can be supplemented with further circuit elements in FIG. 5. Here, the emitter-collector path of a third transistor Ts3 is connected between the base of the transistor Ts 1 and the series resistor Ri, the base of which is connected on the one hand to the collector of the second transistor Ts 2 and on the other hand via a resistor R4 to the negative pole of the operating voltage source. The emitter-base path of the transistors Ts 1 and Ts 2 is in each case a resistor R, or R, in parallel. During normal operation, the transistors Ts 1 and Ts 3 are permeable, while Ts2 is blocked. In the event of an impermissible increase in the direct current flowing in the device G , the tilting process described with reference to FIG. 3 occurs again. More voltage drops across Ts 1 , Ts 2 opens, whereby Ts 3 and thus also Ts 1 are blocked.

Die bisher beschriebenen Anordnungen treten auch dann in Tätigkeit, wenn der im Gerät G fließende Gleichstrom, im Falle der Endstufe eines Transistorleistungsverstärkers beispielsweise durch thermische Einflüsse, nicht schnell sondern langsam ansteigt. Dies ist jedoch in manchen Fällen nicht erwünscht, vielmehr soll nur dann abgeschaltet werden, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit des genannten Gleichstromes einen vorgegebenen Wert überschreitet. Zu diesem Zweck kann die Schaltung nach Fig. 3 entsprechend der Fig. 6 durch eine zwischen den Pluspol der Betriebsspannungsquelle und den Emitter des Transistors Tsl eingefügte, zweckmäßigerweise von einer Siliziumdiode D., überbrückte Drosselspule D, ergänzt werden. Der E#asisstrom, bzw. der Arbeitspunkt A dieses Transistors wird so eingestellt, daß seine Kollektor-Emitter-Spannung nach Fig. 7 auch bei ansteigendem Strom zunächst im Bereich der Restspannung bleibt. Ändert sich nun der Strom 1, in ansteigender Richtung, so tritt an der Drossel eine Spannung U auf, die bei geeigneter Wahl der Drosselinduktivität den bereits beschriebenen Abschaltvorgang einleitet. Die gestrichelt eingezeichnete Diode D, schließt die beim Abschalten entstehende Gegenspannung der Drossel kurz, durch die der Transistor Tsl geöffnet werden könnte. Die Schaltung spricht auch dann an, wenn die Betriebsspannungsquelle Überspannungsstöße liefert oder zu rasch angeschaltet wird. Weiterhin tritt bei langsamem Stromanstieg entsprechend der Einstellung des Basisstromes des TransistorsTsl schließlich Abschaltung ein, wie zu Fig. 3 beschrieben.The arrangements described so far also come into operation when the direct current flowing in the device G , in the case of the output stage of a transistor power amplifier, for example due to thermal influences, does not rise quickly but slowly. In some cases, however, this is not desirable, rather it should only be switched off when the rate of increase of the said direct current exceeds a predetermined value. For this purpose, the circuit 3 6 can of FIG. According to the Fig. By an inserted between the positive pole of the operating voltage source and the emitter of transistor Tsl, advantageously of a silicon diode D., bridged choke coil D are added. The E # base current or the operating point A of this transistor is set so that its collector-emitter voltage according to FIG. 7 initially remains in the range of the residual voltage even when the current increases. If the current 1 changes in an increasing direction, a voltage U occurs at the choke which, with a suitable selection of the choke inductance, initiates the shutdown process already described. The dashed-line diode D short-circuits the counter voltage of the choke that occurs when switching off and through which the transistor Tsl could be opened. The circuit also responds when the operating voltage source delivers overvoltage surges or is switched on too quickly. Furthermore, with a slow current increase in accordance with the setting of the base current of the transistor Tsl, shutdown finally occurs, as described for FIG. 3 .

Die Drossel läßt sich auch in der Schaltung nach Fig. 5 verwenden.The choke can also be used in the circuit of Fig. 5.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Arrangement for the automatic shutdown of the operating voltage of an electrical device, in particular the communication and measurement technology, in the event of harmful overloads, in which the emitter-collector path of a switch is used between one pole of the operating voltage source and the corresponding operating voltage connection of the device to be protected serving first transistor is connected, the base voltage of which depends on the operating state of a second transistor, characterized in that the base of the first transistor (Ts 1) via a series resistor (R,) with the other pole (-) of the operating voltage source and via the emitter Collector path of the second transistor (Ts2) is connected to the first-mentioned pole (4-) of the operating voltage source, and that the base of the second transistor (Ts2) via the series connection of a diode (D1) and a limiting resistor (R.) to the collector of the first transistor (Tsl) is placed.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that between the base of the first transistor (Tsl) and its base series resistor (R1), the emitter-collector path of a third transistor (Ts3) is switched on, the base of which on the one hand with the collector of the second transistor (Ts2), on the other hand, is connected via a resistor (R4) to the other pole of the operating voltage source, and that the emitter-base paths of the first transistor (Tsl) and the second transistor (Ts2) each have a resistor (R3, R.) is parallel. 3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that between one pole of the operating voltage source and the emitter of the first transistor (Tsl) an expediently by a silicon diode (D 2) bridged choke (D ,.) is switched on.

Considered publications: German Auslegeschriften No. 1050 877. 1063696.