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Anordnung zum Überlastungsschutz eines als Verstärker oder Schalter
arbeitenden Leistungstransistors Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum
überlastungsschutz von Leistungstransistoren, die als Verstärker oder Schalter arbeiten.
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Mit den üblichen Sicherungen können Transistoren nicht gegen überlastung
geschützt werden, einerseits gen nicht schnell genug abschalten, weil diese Sicherung
andererseits weil der Strom im Transistor, der bei einem Kurzschluß der Last entsteht,
nicht viel größer ist als der normale Arbeitsstrom. Die letztgenannte Eigenschaft
resultiert aus der Tatsache, daß Transistoren eine ziemlich konstante Stromverstärkung
besitzen und deshalb der Kollektorstrom nicht viel höher ansteigen kann, als durch
den Basisstrom vorgegeben wird. Bei Kurzschluß der Last steigt deshalb der Kollektorstrom
nur vergleichsweise wenig über den Arbeitsstrom, jedoch liegt zur gleichen Zeit
die gesamte Speisespannung an dem Transistor. Aus diesem Grunde wird die normalerweise
in der Last umgesetzte Leistung im Transistor verbraucht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, als Verstärker oder Schalter
arbeitende Leistungstransistoren in Emitterschaltung bei Kurzschluß der Last im
Kollektorkreis wirkungsvoll gegen überlastung zu schützen. Gemäß der Erfindung wird
diese Aufgabe in der Weise gelöst, daß die Emitter-Kollektor-Strecke eines Schutztransistors
zwischen den Emitter des Leistungstransistors und seine Basis bzw. die Basis eines
Steuertransistors geschaltet ist, während die Basis des Schutztransistors an einen
Spannungsteiler zwischen Kollektor des Leistungstransistors und Erde gelegt ist,
so daß bei Kurzschluß der Last der Schutztransistor geöffnet und die, Basis des
Leistungstransistors bzw. die des Steuertransistors mit Erde verbunden wird.
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Es sind zwar bereits Transistorverstärkerschaltungen bekannt, bei
denen ein Hilfstransistor eine Regel oder Schutzaufgabe übernimmt. Dabei wird im
wesentlichen eine Temperaturkompensation und damit eine Stabilisierung des Arbeitspunktes
dadurch erzielt, daß mittels des Hilfstransistors der Arbeitspunkt bei Temperaturänderungen
entsprechend verlegt wird. Dies geschieht beispielsweise so, daß dem Hilfstransistor
eine Differenzspannung zugeführt wird, die aus einer dem Strom durch den Leistungstransistor
proportionalen Spannung und einer dem Strom durch den Transistor der Vorstufe proportionalen
Spannung gebildet wird. Der Hilfstransistor erzeugt eine Korrekturspannung, durch
welche die Vorstufe stabilisiert wird.
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Bei einer anderen bekannten Anordnung wird der Spannungsabfall an
einer Impedanz im Emitterkreis des Transistors verglichen mit der Emitterspannung
eines Hilfstransistors, an dessen Emitter ein Spannungsnormal liegt. Auf diese Weise
soll der Emitterstrom des Leistungstransistors bei Änderungen der Umgebungstemperatur
und der Schaltungstemperatur konstant gehalten werden.
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Schließlich ist eine Anordnung bekannt, bei der die Temperaturkompensation
mit lElfe eines Hilfstransistors vorgenommen wird, dessen Eingangsspannung von temperaturabhängigen
Widerständen bestimmt wird. Man hat auch bereits die Temperaturabhängigkeit eines
Leistungstransistors dadurch zu kompensieren versucht, daß der Arbeitspunkt dieses
Transistors von einem zweiten, in der Schaltung vorhandenen Transistor mit gleicher
Temperaturabhängigkeit gesteuert wird.
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Bei allen diesen bekannten Anordnungen wird in gewissem Maße die Temperaturabhängigkeit
der Transistoren kompensiert, jedoch kann damit kein wirksamer Schutz gegen plötzliche
Überlastungen erzielt werden. Bei der Anordnung gemäß der Erfindung hängt die Vorspannung
des Schutztransistors nicht nur von dem durch den Leistungstransistor fließenden
Strom, sondern auch vom Spannungsabfall am Leistungstransistor ab, so daß der Schutztransistor
den Leistungstransistor augenblicklich sperrt, wenn seine Vorspanifung einen bestimmten
Wert übersteigt.
Wenn der Leistungstransistor als Vertärker entweder
in A- oder B-Betrieb arbeitet, kann der Wirkungsgrad etwa 509/o erreichen,
d.h. daß höchstens eine Leistung der gleichen Größe wie die zulässige Kollektorverlustleistung
im Verbraucher umgesetzt werden kann. Wenn jedoch der Transistor als Schalter verwendet
wird, kann er beträchtlich größere Leistungen beherrschen als die Kollektorverlustleistung,
da in dem einen Schaltzustand die volle Spannung an dem Transistor liegt, aber kein
Strom durch ihn fließt, während in dem anderen Schaltzustand der volle Strom über
den Transistor fließt, aber nur ein geringer Spannungsabfall an ihm entsteht. In
beiden Fällen ist die im Transistor umgesetzte Leistung im Verhältnis zu der geschalteten
Leistung sehr gering. Nur im Kurzschlußfall der Last, wenn der Transistor vom einen
Zustand in den anderen schalten muß, wird eine wesentliche Leistung im Transistor
umgesetzt, da im Schaltaugenblick eine Spannung am Transistor herrscht, während
ihn gleichzeitig Strom durchfließt.
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Wenn der Leistungstransistor durch einen oder mehrere vorausgehende
Transistoren gesteuert wird, kann die Anordnung gemäß der Erfindung so ausgebildet
werden, daß der Schutztransistor eine Spannung an dem steuernden Transistor verursacht,
wenn seine Vorspannung einen bestimmten Wert überschreitet, so daß der Leistungstransistor
gesperrt wird.
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Für das Wiederinbetriebsetzen des Gerätes, nachdem es als Folge eines
Kurzschlusses der Last gesperrt wurde, sind gemäß einer weiteren Ausbildung der
Erfindung Mittel vorgesehen worden, durch die eine sperrende Spannung an den Schutztransistor
gelegt wird. Um sicherzustellen, daß das Wiederinbetriebsetzen erfolgt, bevor der
Kurzschluß behoben ist, ist es zweckmäßig, die Wiedereinschaltspannung pulsförmig
auszugestalten. Dadurch wird erreicht, daß der Leistungstransistor, sobald der Wiedereinschaltimpuls
zu Ende ist, sofort wieder gesperrt wird, falls der Kurzschluß noch besteht.
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An Hand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt
ist, soll im einzelnen die Erfindung beschrieben werden. Das Ausführungsbeispiel
stellt ein Gerät dar, das den Strom einer Last L schließt und unterbricht, gesteuert
durch ein Steuergerät S. L kann z. B. aus einer Reihe von Lampen
bestehen, die in einem bestimmten Rhythmus aufleuchten sollen. In diesem Fall kann
S ein Multivibrator sein.
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Die Ausgangsleitung 11 vom Gerät S ist an die Basis
eines Steuertransistors Tri angeschlossen, der seine Vorspannung von einem Spannungsteiler
aus zwei Widerständen Ri und R, erhält, die an die Batterie B angeschlossen sind.
Der Kollektor des Transistors Tri ist über einen strombegrenzenden Widerstand R,
mit dem negativen Pol der Batterie verbunden, u#d sein Emitter ist sowohl unmittelbar
mit der Basis des Leistungstransistors Tr. als auch über den verhältnismäßig kleinen
Widerstand R4 mit dem geerdeten positiven Pol der Batterie verbunden. Damit wird
einerseits erreicht, daß der Transistor Tri als Emitter-Folger arbeitet, der einen
geringen Ausgangswiderstand hat, andererseits daß ein Nebenschluß für die Basis
des Leistungstransistors Tr2 besteht. Der Kollektor dieses Transistors ist an den
negativen Pol der Batterie über die Last L angeschlossen und sein Emitter ist über
den Widerstand R., der zur Stabilisierung dient und etwa 0,5 Ohm hat, mit
Erde verbunden.
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Der bisher beschriebene Teil des Gerätes ist an sich bekannt und arbeitet
auf folgende Art: Wenn das Steuergerät S eine geeignete Spannung liefert,
wird der Transistor Tr, gesperrt, und kein Strom fließt durch den Emitter-Kollektor-Kreis.
Die Basis des Leistungstransistors Ti#, liegt dann auf Erdpotential, so daß dieser
Transistor ebenfalls gesperrt ist. Durch die LastL fließt dann kein Strom. Wenn
sich die Ausgangsspannung von S auf einen negativen Wert ändert, dann wird
der Transistor Tr, leitend, wodurch an dem Widerstand R4 ein Spannungsabfall entsteht.
An die Basis des Leistungstransistors Tr., gelangt auf diese Weise eine negative
Spannung, die diesen Transistor öffnet, so daß jetzt ein Strom durch die Last L
fließt.
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Um den verhältnismäßig teueren Leistungstransistor im Falle eines
Kurzschlusses der Last L gegen überlastung zu schützen, wird gemäß der Erfindung
ein weiterer Transistor Tr. verwendet, dessen Emitter mit dem Emitter des Leistungstransistors
und dessen Kollektor mit der Basis des Steuertransistors verbunden ist. Durch den
Spannungsteiler R6 und R7 erhält die Basis des Schutztransistors Tr3 einen bestimmten
Teil der Kollektorspannung des Leistungstransistors. In dem Ausführungsbeispiel
wird zusätzlich der Schutztransistor an einen geeigneten Punkt des Steuergerätes
S über einen Kondensator C und die Leitung 1, gelegt.
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Solange der Leistungstransistor Tr. geöffnet ist, besitzt sein Emitter
eine kleine negative Spannung, die an den Emitter des Schutztransistors gelangt.
Wegen des geringen Spannungsabfalls des Leistungstransistors bei normalem Arbeitsstrom
hat seine Kollektorspannung praktisch den gleichen kleinen negativen Wert. Ein Teil
dieser Spannung gelangt an die Basis des Schutztransistors, die dadurch im Verhältnis
zu dem Emitter ein wenig positiv wird, so daß der Schutztransistor in diesem Falle
gesperrt ist und keinen Einfluß auf den Kreis ausübt.
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Sobald die Last L kurzgeschlossen wird, liegt an dem Leistungstransistor
fast die gesamte Batteriespannung, so daß die negative Spannung, die nun zu der
Basis des Schutztransistors gelangt, wesentlich größer wird als die negative Spannung
an seinem Emitter. Dadurch wird der Schutztransistor geöffnet und verbindet die
Basis des Steuertransistors Tr, mit Erde, wodurch dieser Transistor und damit auch
der Leistungstransistor gesperrt werden.
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Diese Sperrung findet praktisch sofort statt und dauert an, auch wenn
der Kurzschluß am Verbraucher L vorüber ist. Sie kann dadurch aufgehoben werden,
daß eine positive Spannung an die Basis des Schutztransistors angelegt wird. Wenn
eine solche Spannung angelegt wird, bevor der Kurzschluß behoben ist, und sie nicht
unmittelbar darauf wieder entfernt wird, wird der Leistungstransistor überlastet.
Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird deshalb die Wiedereinschaltspannung
in Form eines kurzen positiven Impulses erzeugt. Wenn es gewünscht wird, die Wiedereinschaltung
von Hand durchzuführen, z. B. durch einen Druckknopfschalter, kann eine feste Spannung
über einen Kondensator angelegt werden, so daß an die Basis des Schutztransistors
lediglich ein Impuls gelangt, der der Ladespannung des Kondensators entspricht.
Wenn die zur Verfügung stehende feste Spannung eine für diesen
Zweck
falsche Polarität hat, kann der Wiedereinschaltimpuls durch Entladung eines Kondensators
erzeugt werden, der zuvor geladen wurde.
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Die Sperrung der Transistoren Tr, und Tr2 durch die positive
Spannung an der Ausgangsleitung 1, des Steuergerätes S hat die gleiche
Wirkung wie ein Kurzschluß der Last L. Auch in diesem Falle liegt nämlich die gesamte
Batteriespannung an der Strecke Ernitter-Kollektor des Leistungstransistors, so
daß der Schutztransistor geöffnet wird und den oben beschriebenen Kurzschluß herstellt.
Jedesmal, wenn die Transistoren Tri und Tr. geöffnet werden sollen, ist es deshalb
notwendig, auch einen Einschaltimpuls an die Basis des Schutztransistors zu führen.
Dieser Impuls kann von dem Steuergerät S über die Ausgangsleitung
1, und den Kondensator C abgeleitet werden. Wenn das Gerät
S ein Multivibrator ist, wird 11 an eine Hälfte und 12 an die andere
Hälfte des Vibrators angeschlossen. Wenn als Folge des Schaltens des Multivibrators
von dem einen in den anderen Zustand die Spannung am Ausgang 11 vom Positiven
zum Negativen wechselt, wechselt die Spannung am Ausgang 1, vom Negativen
zum Positiven, so daß die Basis des Schutztransistors Tr. einen positiven Impuls
erhält. Beim umgekehrten Wechsel des Multivibrators erhält der Schutztransistor
einen negativen Impuls. In diesem Augenblick ist jedoch seine Basis infolge der
Sperrung des Leistungstransistors negativ, so daß der negative Impuls sich nicht
auswirken kann. Andererseits kann dieser Impuls natürlich leicht daran gehindert
werden, den Schutztransistor zu erreichen.
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Das Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet den Leistungstransistor
als Schalter, um den Laststrom zu steuern. Aber die Anordnung zum Schutz eines Leistungstransistors
gegen Überlastung kann auch verwendet werden, wenn ein Transistor als Verstärker
geschaltet ist. Wenn der Verstärker voll ausgesteuert wird, so daß der Emitter-Kollektor-Strom
zeitweise den Wert Null erreicht, ist es notwendig, um unerwünschtes öffnen des
Schutztransistors und damit Sperren des Leistungstransistors zu vermeiden, die Steuerspannungen,
die zum Schutztransistor gelangen, zu glätten, was durch Kondensatoren in einfacher
und bekannter Weise erreicht werden kann.
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Der Schutztransistor kann auch an die Basis des Leistungstransistors
angeschlossen werden statt, wie es beschrieben wurde, an die Basis des Steuertransistors.
In diesem Falle muß er jedoch eine etwas größere Leistung schalten können.