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Überlastungsschutzeinrichtung für Schalttransistoren Bekanntlich besitzen
Transistoren nur kleine Systemmassen und dementsprechend auch nur eine geringe Wärmekapazität.
Da sie infolgedessen sehr überlastempfindlich sind, müssen in der Regel besondere
Maßnahmen getroffen werden, um sie gegen Überlastung zu schützen.
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Eine Überlastung kann bei einem Transistor dann auftreten, wenn der
Lastwiderstand in seinem Kollektorkreis einen bestimmten Wert unterschreitet, so
daß der Spannungsabfall an der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors ansteigt
und dabei einen kritischen Spannungswert überschreitet, der, multipliziert mit dem
Wert des Kollektorstromes, ein Produkt ergibt, dessen Wert größer ist als der Wert
der für den Transistor maximal zulässigen Verlustleistung. Der kritische Kollektorspannungswert,
der normalerweise nicht überschritten werden darf, ist allein abhängig vom Aussteuerungsgrad
des jeweils verwendeten Transistors. Es ist nun bereits bekannt, Transistoren gegen
Überlastung grundsätzlich dadurch zu schützen, daß man laufend die Kollektorspannung
dieser Transistoren überwacht und sie sofort durch die überwachungseinrichtung in
den, Sperrzustand steuert, wenn die überwachte Kollektorspannung ihren kritischen
Wert überschreitet. Bei bereits bekannten transistorbestückten Einrichtungen zum
Ein- und Ausschalten von Lastwiderständen besteht beispielsweise die Überwachungseinrichtung
aus einem Hilfstransistor, welcher eingangsseitig von der Kollektorspannung des
zu schützenden Schalttransistors gespeist wird und ausgangsseitig in den Steuerkreis
des Schalttransistors eingeschaltet ist. Dieser Hilfstransistor befindet sich im
Normalzustand, d. h. wenn der Schalttransistor stromführend ist, im Sperrzustand.
Sobald aber während des Betriebes, beispielsweise infolge eines Kurzschlusses im
Lastkreis des Schalttransistors eine Überlastung auftritt und demgemäß die Kollektorspannung
ihren kritischen Wert überschreitet, wird dadurch der Hilfstransistor schlagartig
in seinen leitenden Zustand umgesteuert, wobei er dann den Steuerkreis des Schalttransistors
kurzschließt, so daß letzterer ebenfalls schlagartig in den Sperrzustand umgesteuert
wird. Durch eine geeignete Rückkopplungsschaltung und gegebenenfalls durch als Schwellwertglieder
verwendete Dioden erreicht man hierbei, daß Schalttransistor und Hilfstransistor
bistabile Schaltungsanordnungen bilden, die bei leitendem Zustand des Schalttransistors
dann selbständig in die andere Lage kippen, wenn der Schalttransistor überlastet
wird. Nach einer durch überlastung des Schalttransistors hervorgerufenen selbständigen
Umsteuerung kann nach Behebung des Fehlers die Schaltungsanordnung nur dann wieder
in die Betriebsstellung umgesteuert werden, wenn durch einen Tastschalter der Steuerkreis
des Hilfstransistors kurzgeschlossen wird. Eine Umschaltung der Schaltungseinrichtung
in den Ruhezustand zu einem beliebigen Zeitpunkt erreicht man bei den bekannten
Anordnungen dieser Art entweder dadurch, daß man durch einen Tastschalter den Steuerkreis
des Schalttransistors kurzschließt, oder dadurch, d'aß man mit Hilfe eines Tastschalters
die Basiselektrode des Hilfstransistors: über einen Widerstand zur Begrenzung des
Basisstromes an den negativen Pol der Speisespannung legt.
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Das bekannte überlastschutzverfahren hat nun den Nachteil, daß es
nur beschränkt anwendbar ist, nämlich nur in solchen Fällen, in denen eine Kollektorspannung,
die den kritischen Wert überschritten hat, ganz eindeutig ein Kriterium für eine
vorhandene Überlastung des zu schützenden Transistors ist. Eindeutig ist dieses
Kriterium aber nur dann, wenn sich ein Transistor bereits im Leitfähigkeitszustand
befindet; eine Überschreitung der kritischen Kollektorspannung tritt aber nun leider
auch dann auf, wenn der Transistor sich bei eingeschalteter Versorgungsspannung
im Sperrzustand befindet; dann ist diese überschreitung nicht mehr ein Kriterium
für eine Überlastung, sondern für einen der beiden Normalzustände des Schalttransistors.
Eine Schutzeinrichtung, welche eine Auslösung nur bei Überlastung des zu schützenden
Transistors auslösen soll und hierzu allein das Kriterium der Überschreitung des
kritischen Kollektorspannungswertes verwendet, könnte keine Unterscheidung zwischen
diesen beiden Zuständen treffen und würde daher in beiden Fällen ansprechen. Würde
man nun, wie bei den oben beschriebenen
bekannten Anordnungen, einen
Hilfstransistor verwenden, der den Steuerkreis des zu schützenden Schalttransistors
kurzschließt, sobald die Kollektorspannung des Schalttransistors den kritischen
Wert überschreitet, so würde damit bereits unmittelbar nach der Einschaltung der
Versorgungsspannung eine Auslösung der Schutzeinrichtung erfolgen und damit der
Steuerkreis des Schalttransistors für alle ankommenden Steuersignale gesperrt werden.
Es wäre also unmöglich, den Schalttransistor in die Bereitschaftsstellung zu bringen,
in. welcher er sich in Erwartung eines ihn umsteuernden Steuersignals bei bereits
eingeschalteter Versorgungsspannung noch im Sperrzustand befindet.
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Im vorliegenden Fall ist die Aufgabe gestellt, eine Überlastungssehutzeinrichtung
für Transistoren, insbesondere für Schalttransistoren zu erstellen, welche generell
für alle Transistorschaltungen anwendbar ist; an die Schutzeinrichtung wird weiter
die Forderung gestellt, daß sie nach einer im Fehlerfall erfolgten Auslösung die
Sperrung des von ihr überwachten Transistors selbsttätig aufhebt, wenn die Störung
behoben ist. Bei der Lösung dieser Aufgabe wird von der Überlegung ausgegangen,
daß der kritische Kollektorspannungswert eines Transistors sowohl dann überschritten
ist, wenn im. leitenden Zustand sein Ausgang mehr oder weniger kurzgeschlossen ist,
als auch dann, wenn er bei eingeschalteter Versorgungsspanneng in den Sperrzustand
gesteuert ist; im erstgenannten Zustand muß eine Auslösung durch die Schutzeinrichtung
erfolgen, im letztgenannten Zustand darf eine Auslösung jedoch auf keinen Fall erfolgen.
Eine Schutzeinrichtung, welche den kritischen Kollektorspannungswert überwacht,
muß durch die Hinzunahme eines zweiten überwachungskriteriums also erst unterscheidungsfähig
gemacht werden, damit sie auch wirklich nur dann auslösen kann, wenn. ein Fehler
vorliegt.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Überlastschutzeinrichiung
für Schalttransistoren, bestehend aus einem Hilfstransistor, welcher die Kollektorspannung
des die Last schaltenden Transistors überwacht und diesen in. den Sperrzustand steuert,
sobald infolge einer Überlastung seine Kollektorspannung einen kritischen Wert überschreitet.
Erfindungsgemäß ist der Hilfstransistor Element eines logischen Schaltkreises und
wird über ein an sich bekanntes UND-Diodengatter mit zwei Zweigen in Abhängigkeit
von der Kollektorspannung des die Last schaltenden Transistors und in Abhängigkeit
von dessen Steuergröße bzw. Steuergrößen derart ausgesteuert, daß er dann leitend
wird und hierdurch eine den die Last schaltenden Transistor und gegebenenfalls auch
die Vorstufentransistoren sperrende Potentialverlagerung in dessen bzw. deren Steuerkreis
bewirkt, wenn nach Ablauf einer Verzögerungszeit, die durch die Eigenschaltzeit
der zu schützenden Transistoren gegeben ist, sowohl ein die Schalttransistoren betätigendes
Steuersignal als auch gleichzeitig ein den kritischen Wert überschreitendes Spannungspotential
am Kollektor des die Last schaltenden Transistors vorhanden ist.
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In der Zeichnung ist die Schaltung eines Ausführungsbeispieies der
erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung dargestellt. Aufbau und: Wirkungsweise dieser
Einrichtung werden nachfolgend näher erläutert.
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Mit 1 ist in der Zeichnung ein mehrstufiger Transistorschalter üblicher
Bauart bezeichnet, dessen Transistoren gegen Überlast zu schützen sind. Der Schalter
weist beispielsweise vier verschiedene Eingänge c, d, e, f auf, die in bekannter
Weise über ein Diodengatter an den Steuerkreis des ersten Transistors der Schalterkaskade
angekoppelt sind. Dem zu steuernden Lastwiderstand RL ist in bekannter Weise ein.
Gleichrichter parallel geschaltet. Der Schalter wird beispielsweise über den Eingang
c von einem Transistor 2 mit einem einpoligen Steuersignal ausgesteuert, so daß
der Eingang entweder auf dem Potential Null liegt, wenn der Transistor 2 aufgesteuert
ist, oder, wenn dieser Transistor zugesteuert ist, auf einem Potential, das durch
den aus den Widerständen 3, 4 und dem Eingangswiderstand der Schalterkaskade gebildeten
Spannungsteiler bestimmt ist. Im ersten Fall sperrt der Schalter, so daß an der
Kollektorelektrode des Endtransistors die volle Batteriespannung UB anliegt,
und im anderen Fäll wird der Endtransistor aufgesteuert, so daß an seiner Kollektorelektrode
nur noch die Kollektorrestspannung anliegt.
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Als Schutzeinrichtung wird erfindungsgemäß ein UND-Verknüpfungsglied
5 verwendet, das in an sich bekannter Weise aufgebaut ist. Der eine Zweig des UND-Verknüpfangsgliedes
wird durch die Spannungsteiler 8/9 und 6/7 mit der Diode 12 gebildet und der andere
Zweig durch die Spannungsteiler 8/9 und 10/11 mit der Diode 13. Entsprechend dem
Transistorschalter 1 ist auch der eine Zweig des UND-Verknüpfungsgliedes mit einer
entsprechenden Anzahl von Eingängen ausgestattet, die ebenfalls durch ein Diod'engatter
angekoppelt sind. Die Eingänge dieses Zweiges des UND-Verknüpfungsgliedes, sind
den ihnen entsprechenden Eingängen des Schalters parallel geschaltet, so daß die
Eingangssignale des Schalters 1 auch den einen Zweig des UND-Verknüpfungsgliedes
speisen. Der zweite Zweig des UND-Verknüpfungsgliedes (Eingang A) wird von der Kollektorspannung
des Transistors der Endstufe des Schalters 1 gespeist, die an der nach außen geführten
Pluspolklemme A am Lastwiderstand RL des Schalters abgegriffen ist. Die Spannungsteiler
des UND-Verknüpfungsgliedes sind nun so bemessen, daß an der Basis des Transistors
14 eine positive Spannurig liegt und dieser Transistor damit gesperrt ist, solange
nicht ein Signal an einem der Eingänge c bis f ansteht und gleichzeitig die Kollektorspannung
am Transistor der Endstufe des Schalters 1 größer ist als die Knickspannung. Nur
dann, wenn die UND-Bedingung erfüllt ist, d. h. wenn sowohl an einem der Eingänge
c bis fein Signal ansteht als auch die Kollektorspannung des Transistors in der
Endstufe des Schalters größer ist als die Knickspannung, wird die Vorspannung des
Transistors 14 negativ, so daß dieser leitend wird. Der Eingang des Schalters 1
wird in diesem Fall dann durch den Transistor 14 kurzgeschlossen, so daß die Transistoren
des Schalters zugesteuert werden, wobei nur der Kollektorreststrom fließt, der diese
Transistoren nicht zerstören oder beschädigen kann. Die Vorgänge, die hierbei im
einzelnen auftreten, sind nachfolgend näher erläutert.
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Es sei zunächst angenommen, daß an keinem der Eingänge c bis f ein
Signal anliegt. Dann ist der Schalter 1 gesperrt, und es liegt an seiner Ausgangsklemme
A eine hohe negative Spannung an, die der Batteriespeisespannung UB entspricht.
Die Spannung beaufschlagt das UND Verknüpfungsglied über den Eingang A seines einen
Zweiges. Die Spannungsteiler 8/9 und 10/11 sind so bemessen, daß in diesem Fall
die
Diode 13 gesperrt ist. Die Diode 12 dagegen ist infolge entsprechender Bemessung
des Spannungsteilers 6/7 in bezug auf den Spannungsteiler 8/9 stromdurchlässig,
so daß die Basis des Transistors 14 positiv vorgespannt ist und dieser Transistor
sperrt. Sobald nun an einem der Eingänge c bis f des Schalters 1 ein Signal auftritt,
werden dessen Transistoren in den leitenden Zustand angesteuert, wodurch nach Ablauf
einer gewissen Zeitverzögerung, die der Eigenschaltzeit von einigen Mikrosekunden
des Schalters entspricht, die Spannung an der Ausgangsklemme A des Schalters auf
einen Wert unterhalb der Knickspannung des Endstufentransistors zurückfällt, sofern
keine Überlastung vorliegt. Damit geht aber auch die vorher große negative Eingangsspannung
am EingangA desUND-Verknüpfungsgliedes auf weniger als 1 Volt zurück, und die Diode
13 wird leitend, da ihr am Spannungsteiler 8/9 liegendes Anschlußende jetzt im Vergleich
zum anderen Anschlußende negativ ist. Der Stromfluß über die Diode 13 hat zur Folge,
daß die Spannung am Verbindungspunkt der beiden Widerstände 8 und 9 des Spannungsteilers
größer wird, so daß hierdurch die Diode 12 in den sperrenden Zustand übergeht. Da
diese Umsteuerungen der beiden Dioden sich zeitlich überlappen, ist für eine gewisse
Zeit die UND-Bedingung erfüllt, so daß, auch der Transistor 14 umgesteuert würde,
was eine Fehlauslösung des Schutzes zur Folge hätte. Um solches zu vermeiden, ist
dem Widerstand 7 ein Kondensator 15 parallel geschaltet, der bewirkt, daß die Umsteuerung
der Diode 12 in den sperrenden Zustand so lange zeitverzögert wird, bis erst die
Diode 13 voll in den leitenden Zustand ausgesteuert ist. Wenn nun während des Betriebes
der Lastwiderstand RI beispielsweise durch einen teilweisen oder satten Kurzschluß
so weit verringert wird, daß die Transistoren des Schalters überlastet werden, wird
die Knickspannung des Endstufentransistors überschritten, so daß der EingangA des
UND-Verknüpfungsgliedes schnell negativer und damit die Diode 13 in den sperrenden
Zustand umgesteuert wird. Die bisher positive Basisvorspannung des Transistors 14
wandert dann zu negativen Werten hin, so daß dieser Transistor jetzt in den leitenden
Zustand gesteuert wird. Der Kollektorstrom dieses Transistors, der vom Ausgang g
des UND-Verknüpfungsgliedes 5 zu dem in gleicher Weise bezeichneten Eingang des
Schalters 1 fließt, bewirkt dann, daß die Basis des ersten Schalttransistors eine
positive Spannung erhält, so daß der Schalter zugesteuert wird, in welchem Zustand
ein noch weiter andauernder Kurzschluß im Lastkreis für seine Transistoren völlig
ungefährlich ist. - Die Umsteuerung des Schalters in den Sperrzustand erfolgt bei
dieser Einrichtung fast schlagartig, sobald die Diode 13 ihren Stromfluß verringert;
durch die kurzschlußartige Wirkung des Transistors 14 auf den Eingang des Schalters
wird nämlich auch dessen Aussteuerung geringer, was ein weiteres Ansteigen der negativen
Spannung am Ausgang A des Schalters 1 zur Folge hat. Dieses wiederum bewirkt eine
Beschleunigung der Umsteuerung der Diode 13 in den Sperrzustand und damit eine beschleunigte
Vergrößerung des Kollektorstromes des Transistors 14. Die beiden Anordnungen 1 und
5 bilden demnach also einen Kippkreis.
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Im gesperrten Zustand verbleibt der Schalter, nachdem die Schutzeinrichtung
einmal wirksam wurde, noch so lange, wie ein Steuersignal an seinem Eingang anliegt,
auch wenn der Kurzschluß im Lastkreis vorher aufgehoben wurde. Nach kurzer Unterbrechung
des Steuersignals arbeiten Schalter und Schutzeinrichtung in der bereits beschriebenen
Weise weiter. Eine völlig sichere Arbeitsweise ist dabei auch garantiert, wenn nach
voraufgegangener Auslösung durch die Schutzeinrichtung und nachfolgender kurzzeitiger
Unterbrechung des noch weiter andauernden Eingangssignals der Kurzschluß im Lastkreis
noch nicht behoben ist. Die zeitliche Verzögerung des Auslöseimpulses der Schutzeinrichtung,
die durch den Kondensator 1.5 bewirkt wird, liegt in der gleichen Größenordnung
wie die Eigenschaltzeit des Schalters Diese beträgt aber nur etwa 10 Mikrosekunden,
und eine derartig kurzzeitige Überlastung können die Transistoren ohne weiteres
in Kauf nehmen, ohne irgendwelchen Schaden zu erleiden.
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In manchen Fällen ist es erwünscht oder erforderlich, daß die Schutzeinrichtung
auch wirksam wird, wenn die Umgebungstemperatur der Transistoren einen bestimmten
Wert, beispielsweise 60 oder 65° C überschreitet. Bei derartigen Umgebungstemperaturen
wird nämlich die Kühlwirkung der umgebenden Luft derart gering, daß die Transistoren
nicht mehr mit ihren sonst zulässigen Werten betrieben werden dürfen. Tut man dies
dennoch, so werden sie ebenfalls überlastet und nehmen Schaden. Eine Möglichkeit,
die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung dahingehend zu erweitern, daß sie die zu
schützenden Transistoren bei Überschreiten solcher kritischer Temperaturen abschaltet,
ergibt sich, wenn man beispielsweise dem Widerstand 8 des Spannungsteilers der Schutzeinrichtung
5 einen temperaturabhängigen Widerstand 16 parallel schaltet oder einen solchen
an Stelle des. Widerstandes 8 verwendet.