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Schaltungsanordnung zur Begrenzung von Überspannungen an eineue Transistor
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Begrenzung von Überspannungen
an einem vorzugsweise in Emitterschaltung betriebenen Transistor.
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Maßnahmen zur Begrenzung von Überspannungen an Transistoren sind abgesehen
von anderen Fällen dann zu treffen, wenn Transistoren im Schaltbetrieb eingesetzt
sind und Induktivitäten im Lastkreis überspannungen erwarten lassen. Bekanntlich
sind Transistoren gegen Überspannungen zwischen Kollektor und Emitter sehr empfindlich.
Zur überspannungsbegrenzung an Transistoren sind verschiedene Schaltungsmaßnahmen
bekanntgeworden, die mehr oder weniger wirksam sind. Man kann beispielsweise der
Impedanz Z im Lastkreis eines Transistors Tr mit der Betriebsspannung
UB eine sogenannte Freilaufdiode D parallel schalten, die den Laststrom übernimmt,
wenn durch das plötzliche Abschalten der Steuerspannung US mittels des Tasters T
der Transistor sperrt. Mit dieser Anordnung kann man jedoch die zulässige Sperrspannung
am Transistor häufig nicht ausnutzen, die zu einem schnellen Absteuern besonders
günstig wäre. Beim Abschaltvorgang liegt nämlich an der Kollektor-Emitter-Strecke
des Transistors eine Spannung, die sich aus der Betriebsspannung UB und dem Spannungsabfall
an der Freilaufdiode D zusammensetzt und häufig die zulässige Sperrspannung nicht
erreicht. Aus diesem Grunde verwendet man bei anderen bekannten Anordnungen spannungsabhängige
Widerstände, die entweder an die Stelle der Freilaufdiode oder direkt über die Kollektor-Emitter-Strecke
des Transistors gelegt werden. Die letztgenannte Anordnung ist den anderen gegenüber
überlegen, weil jede Überspannung unabhängig vom Entstehungsort erfaßt wird. Ein
spannungsabhängiger Widerstand führt einen exponentiell mit der Spannung zunehmenden
Strom. Die Stromverhältnisse werden hierbei nur bei ausreichend kleiner Betriebsspannung
zur zulässigen Sperrspannung günstig.
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Wesentlich bessere Verhältnisse ergeben sich bei Ersatz dieser spannungsabhängigen
Widerstände durch Zenerdioden, die allerdings für mittlere Leistungen einen großen
Aufwand erfordern und für große Leistungen überhaupt nicht zur Verfügung stehen.
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Schaltet man größere Gleichleistungen, die von einem Netzgerät bereitgestellt
werden, dann entstehen durch die Streuinduktivitäten des Netzteiles ebenfalls Abschaltspitzen.
Diese sind jedoch mit Freilaufdioden oder spannungsabhängigen Widerständen an deren
Stelle nicht mehr zu unterdrücken, so daß hier nur eine Begrenzung mit spannungsabhängigen
Widerständen über der Kollektor-Emitter-Strecke in Frage kommt. Damit sind jedoch
die vorerwähnten Nachteile verbunden, die um so mehr ins Gewicht fallen, als der
Innenwiderstand solcher Netzteile sehr gering ist und auf Grund dessen bei einigermaßen
wirksamer Spannungsbegrenzung große Verlustleistungen auftreten können.
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Es ist auch schon bekanntgeworden, in Transistorschaltungen eine Zenerdiode
über der Kollektor-Basis-Strecke anzuordnen. Überschreitet hierbei die Spannung
an der Kollektor-Emitter-Strecke einen durch die Zenerdiode vorgegebenen Wert, so
wird die Zenerdiode im Sperrbereich leitend und zieht von der Basis des Transistors
einen Strom ab, der den Transistor seinerseits aufsteuert. Über diesem Schwellwert
besitzen Schaltungsanordnungen dieser Art demnach einen geringen Widerstand gegenüber
einem hohen unterhalb des Schwellwertes, und sie sind deshalb mit Vorteil zur Stabilisierung
von Spannungen verwendbar. Bei Nachrichtenverstärkern wurde auch schon mit Vorteil
eine Zenerdiode in der genannten Weise als Sicherungselement eingesetzt.
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Man könnte auch in Erwägung ziehen, einen Schalttransistor mittels
einer die Kollektor-Basis-Strecke überbrückenden Zenerdiode gegen überspannungen
unmittelbar zu schützen. Gleichrichterdioden für diesen Zweck sind bereits bekannt.
Bei einem solchen Direktschutz eines Schalttransistors müßte man jedoch dem Umstand
Rechnung tragen, daß der Abschaltstrom über den Schalttransistor selber fließt und
diesen gegebenenfalls überlastet. Dieser Umstand steht also dem Bestreben der Technik
entgegen, die bei der Begrenzung von Abschaltspitzen
umgesetzte
Verlustleistung vom Schalttransistor fernzuhalten.
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen im Schaltbetrieb
eingesetzten Transistor. die durch einen schwellwertbildenden Nebenschluß Überspannungen
an der gefährdeten Transistorstrecke, beispielsweise der Kollektor-Emitter-Strecke,
begrenzt. Die Erfindung besteht darin, daß der Nebenschluß zumindest einen vorzugsweise
in Emitterschaltung betriebenen Transistor und eine zwischen dessen Kollektor und
Basis eingeschaltete Zenerdiode enthält, so daß bei einsetzenden Überspannungen
der Nebenschluß leitend wird.
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Der Nebenschluß ist in seiner Wirkung mit einer Zenerdiode vergleichbar.
Die Spitzenverlustleistung wird von dem Transistor des Nebenschlusses übernommen
und so von dem im Schaltbetrieb arbeitenden Transistor ferngehalten. Ein weiterer
beachtlicher Vorteil ergibt sich daraus, daß die Zenerdiode in Abhängigkeit vom
Verstärkungsfaktor des Transitstors des Nebenschlusses niedrig belastet ist. Transtistoren
stehen anders als Zenerdioden für höhere Leistung zur Verfügung.
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Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung wird an Hand
der Zeichnung erklärt. Ein Schalttransistor Trl arbeitet auf eine Induktivität Z,
die mit einer Spannungsquelle UB in Reihe liegt. Die Basis-Emitter-Strecke des Transistors
Trl überbrückt ein Basiswiderstand R.. Parallel zu dem Basiswiderstand ist die Reihenschaltung
einer Steuerspannungsquelle US, eines Vorwiderstandes R1 und eines Tasters T angeschlossen.
Der schwellwertbildende Nebenschluß besteht aus einem Transistor Tr. mit einem Basiswiderstand
R, und aus einer Zenerdiode Ze. Die Transistoren Trl und Tr. besitzen gemeinsame
Kollektor- und Emitter-Anschlußpunkte. Zwischen dem Kollektor und der Basis des
Transistors Tr. ist eine Zenerdiode Ze geschaltet, deren Durchlaßrichtung zur Basis
hinweist.
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In der gezeichneten Stellung des Tasters besitzt die Basis-Emitter-Spannung
des Transistors Trl ungefähr den Wert Null, so daß der Transistor gesperrt ist und
an seiner Kollektor-Emitter-Strecke die Spannung UB liegt. Die Durchbruchspannung
der Zenerdiode Ze ist größer als die ihr entgegengeschaltete Betriebsspannung UB.
Die Zenerdiode leitet nicht, und der Transistor Tr.., ist demzufolge ebenfalls gesperrt.
Durch Niederdrücken des Tasters T fließt ein Strom in die Basis des Transistors
Tri, und die Kollektor-Emitter-Strecke wird leitend. Während des Einschaltvorganges
beginnt der Strom in der Induktivität Z exponentiell bis zu seinem Endwert zu steigen.
An der Kollektor-Emitter-Strecke fällt nur eine geringe Spannung ab, die die Zenerspannung
nicht überwinden und keinen Strom in die Basis des Transistors Tr, treiben kann.
Der Transistor Tr., verharrt in seinem Sperrzustand. Wird der Taster T losgelassen,
dann erhöht sich der Widerstand im Ausgangskreis des Transistors Tr. schlagartig.
In der Induktivität erzeugt der abfallende Strom eine Spannungsspitze, die sich
zu der Betriebsspannung UB hinzuaddiert und die Kollektor-Emitter-Strecke des Schalttransistors
gefährden würde. überschreitet jedoch die Kollektor-Emitter-Spannung die Zenerspannung,
dann beginnt über die Zenerdiode ein Strom in die Basis des Transistors Tr., einzufließen.
Damit wird der Transistor Trz so weit geöffnet, daß er die Kollektor-Emitterspannung
praktisch auf den Wert der Zenerspannung begrenzt.
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Man kann demnach die Kombination des Transistors Tr= mit einer Zenerdiode
Ze entsprechend der vorliegenden Schaltung in -ihrer Wirkung mit einer Zenerdiode
vergleichen. Der Ansprechstrom dieser Ersatzschaltung ist bei Überschreiten der
Grenzspannung durch den Zenerstrom der Diode Ze und dem Stromverstärkungsfaktor
des Transistors Tr, bestimmt. Der mit dem Zenerstrom einer äquivalenten Zenerdiode
vergleichbare Strom entspricht jedoch dem Betriebsstrom des Transistors Tr_ Durch
die Zusammenschaltung einer leistungsschwachen preislich günstigen Zenerdiode mit
einem leistungsstarken und ebenfalls günstigen Transistor erzielt man demnach mit
geringem Aufwand eine in der Wirkung einer Zenerdiode gleichzusetzende Schaltungsanordnung,
die für hohe Leistungen verwendbar ist.
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Die erfindungsgemäße Anordnung ist nicht auf Schaltungen beschränkt,
die wie bisher beschrieben, mit pnp-Transistoren ausgestattet sind, sondern es können
auch ohne weiteres npn-Transistoren eingesetzt werden, sofern die Schaltung sinngemäß
umgestaltet wird (Polarität der Spannungen und der Zenerdiode). Außerdem wird die
Lehre vermittelt, daß die erfindungsgemäße Anordnung in einem technischen Gebiet
verwendet werden kann, das bisher weitgehend Zenerdioden vorbehalten war. In diesem
Gebiet beispielsweise für Aufgaben der Spannungskonstanthaltung hatte man jedoch
bisher mit der Schwierigkeit zu kämpfen, daß normale Zenerdioden für höhere Leistungen
nicht zur Verfügung stehen. Nach der Erfindung wird erzielt, daß man einen um den
Stromverstärkungsfaktor der Transistoranordnung größeren Strom als den in der eingebauten
Zenerdiode fließenden beherrschen kann.