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Schaltungsanordnung zum Überlastungsschutz eines Leistungstransistors
In transistorisierten Nachrichtengeräten werden häufig elektronisch stabilisierte
Netzgeräte benötigt, deren Innenwiderstand möglichst klein gegen die Verbraucherwiderstände
sein soll, um Verkopplungen zu vermeiden. Dabei werden vorzugsweise Transistoren
als Regelglieder verwendet. Der an den Verbraucher abgegebene Strom durchfließt
einen als regelbaren Vorwiderstand wirkenden Leistungstransistor, der im Sinne einer
Konstanthaltung der Ausgangsspannung gesteuert wird.
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Solche Netzgeräte haben den Nachteil, daß der Leistungstransistor
für die im Kurzschlußfall fließenden großen, ein Vielfaches des normalen Verbraucherstromes
betragenden Kurzschlußströme dimensioniert sein muß, damit er nicht zerstört werden
kann. Derartige Schaltungen sind aber sehr unwirtschaftlich, da der Verbraucherstrom
im normalen Betrieb bedeutend kleiner ist und der Leistungstransistor somit schlecht
ausgenutzt wird.
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Es ist bekannt, zum Schutze der Transistoren gegen Überlastung Schmelzsicherungen
vorzusehen. Diese haben jedoch den Nachteil, daß sie - auch die sogenannten flinken
Typen - den Strom bei einer Überlastung erst nach einer gewissen Verzögerungszeit
abschalten, wodurch die Transistoren beschädigt oder zerstört werden.
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Zur Umgehung dieser Schwierigkeiten ist es bekannt, die Regelschaltung
des Netzgerätes mit einer elektronischen Sicherung zu versehen. Das ist eine zusätzliche
Schaltungsanordnung, die bei Überschreiten eines Ausgangsstromschwellwertes die
Verbraucher von den Regeltransistoren abtrennt. Diese Lösung ist aber für viele
Anwendungen zu aufwendig. Außerdem ist es nachteilig, daß der Innenwiderstand des
Netzgerätes dadurch häufig erhöht wird. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Anordnungen
ist, daß sie auch bei kurzzeitigen Überströmen - wie sie bei Überschlägen im Verbrauchernetzwerk,
z. B. bei Durchschlägen von selbstheilenden MP-Kondensatoren oder bei Schaltstößen
auftreten - bereits abschalten. Bei verschiedenen Anwendungen ist nämlich eine Ansprechverzögerung
der Abschaltung des Netzgerätes erwünscht. Diese Verzögerung kann beispielsweise
bei der Verwendung von Schmelzsicherungen in einfacher Weise dadurch erreicht werden,
daß der Überstrom begrenzt wird, was zu einer Verlängerung der Ansprechzeit der
Sicherung führt. Dabei ist es bekannt, zum Schutze der Transistoren und zur Verlängerung
der Ansprechzeit der Sicherung einen Strombegrenzungswiderstand in die Kollektorleitungen
der Transistoren einzuschalten. Diese Anordnung hat aber den Nachteil, daß in dem
Widerstand dauernd eine erhebliche Verlustleistung umgesetzt wird, was den Wirkungsgrad
der Anordnung beträchtlich herabsetzt.
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Es ist ferner eine Stromversorgungsschutzschaltung bekannt, bei welcher
eine hyperkonduktive Diode beim Auftreten eines Kurzschlusses im Verbraucherkreis
die Spannung an den Transistoren bereits vor dem Ansprechen der Überstromschutzeinrichtung
auf einen solchen Wert begrenzt, bei dem die an den Transistoren auftretende Verlustleistung
auf einen für die Transistoren unschädlichen Wert herabgesetzt wird. Auch diese
bekannte Schaltung hat den Nachteil, daß der Kurzschlußstrom proportional der Spannung
der Gleichstromquelle ist, da die hyperkonduktive Diode den Transistor auf konstanten
Innenwiderstand steuert. Ferner ist auch hierbei nachteilig, daß der Innenwiderstand
relativ groß ist.
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Die Erfindung vermeidet die vorstehend genannten Nachteile.
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Sie bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Überlastungsschutz
eines Leistungstransistors in einem elektronisch stabilisierten Netzgerät, in dem
der Leistungstransistor als regelbarer Reihenwiderstand zwischen Speisespannungsquelle
und Verbraucher liegt und in Abhängigkeit von der Spannungsdifferenz zwischen einer
der Verbraucherspannung proportionalen Spannung und einer Bezugsspannung mittels
eines verstärkenden Transistors über einen Hilfstransistor gesteuert wird, dessen
Basiselektrode an die Kollektorelektrode des verstärkenden Transistors und dessen
Emitterelektrode an die Basiselektrode des Leistungstransistors angeschlossen ist.
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Erfindungsgemäß ist die Kollektorelektrode des Hilfstransistors über
einen Widerstand an den einen Pol einer Hilfsspannungsquelle angeschlossen, deren
anderer Pol an dem Bezugspotential (Masse) der Speisespannungsquelle liegt, wobei
die Spannung der
Hilfsspannungsquelle höher ist als die zu stabilisierende
Spannung der Speisespannungsquelle und der Widerstand derart bemessen ist, daß im
Kurzschlußfall der Basisstrom des Leistungstransistors im wesentlichen durch diesen
Widerstand begrenzt ist.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung hat den Vorteil, daß der
durch den Leistungstransistor fließende Strom bei Überschreiten eines bestimmten,
nur wenig über dem Normalstrom liegenden Wertes ohne Verwendung eines Schutzwiderstandes
in der Speiseleitung begrenzt wird, so daß es zu keiner Zerstörung des Leistungstransistors
kommen kann. Die Schaltungsanordnung ist weiterhin deshalb sehr vorteilhaft, da
durch sie der Innenwiderstand der Anordnung nicht erhöht wird. Ferner ist dabei
von Vorteil, daß der Leistungstransistor nur für den normalen Betriebsfall dimensioniert
zu werden braucht. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß auf eine Schmelzsicherung
unter Umständen ganz verzichtet werden kann.
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Zweckmäßigerweise ist die Kollektorelektrode des verstärkenden Transistors
über einen Arbeitswiderstand an eine zusätzliche Spannungsquelle angeschlossen.
Hierbei dient vorteilhafterweise die Hilfsspannungsquelle zur Speisung der Kollektorelektrode
des verstärkenden Transistors.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand der F i g. 1 bis 5 näher erläutert,
wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Teile dargestellt sind.
Aus den Figuren ersichtliche gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigt F i g. 1 eine bekannte Schaltungsanordnung eines elektronisch stabilisierten
Netzgerätes, F i g. 2 eine Schaltungsanordnung eines elektronisch stabilisierten.
Netzgerätes nach der Erfindung, F i g. 3 ein Ausgangsstrom -Ausgangsspannungs-Diagramm
der bekannten Schaltungsanordnung nach Fig. 1, F i g. 4 ein Ausgangsstrom -Ausgangsspannungs-Diagramm
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nach F i g. 2, F i g. 5 ein Speisespannungs
-Ausgangsstrom-Diagramm der Schaltungsanordnung nach den F i g. 1 und 2.
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Das in F i g. 1 dargestellte bekannte elektronisch stabilisierte Netzgerät
ist mit den Klemmen 1, 2 der Primärwicklung des Netztransformators 3 an die Netzspannung
angeschlossen. Die von einer Sekundärwicklung 4 zwischen den Punkten 6 und 7 abgegriffene
Spannung wird mittels des Gleichrichters 8 gleichgerichtet, so daß unter Verwendung
des Kondensators 9 im Punkt 11 eine negative Gleichspannung entsteht, die als Speisespannung
UB zur Versorgung der nachfolgenden Stabilisierungsanordnung dient. Die Sekundärwicklung
4 besitzt eine Verlängerung 12, die mit dem Gleichrichter 13 verbunden ist, wodurch
mit Hilfe des Kondensators 14, des Widerstandes 16 und der Zenerdiode 17 am Schaltungspunkt
18 eine Gleichspannung entsteht, die ungefähr doppelt so hoch ist wie diejenige
im Punkt 11. Der an den Verbraucher 19 abgegebene Strom IA durchfließt den Schutzwiderstand
21 (10 S2) und die als regelbarer Vorwiderstand wirkende Kollektor-Emitter-Strecke
des Leistungstransistors 22 (0C 36). In diese Leitung ist außerdem zwischen Leistungstransistor
22 und Verbraucher 19 eine Sicherung 23 eingeschaltet. Schwankungen der Verbraucherspannung
Ug treten z. B. auch an dem zum Verbraucher parallelliegenden Spannungsteiler 24,
26 auf, dessen Anzapfung mit der Basiselektrode eines verstärkenden Transistors
27 (AF 118) verbunden ist. Seine Emitterelektrode ist an eine durch die Zenerdiode
28 und den Widerstand 29 erzeugte konstante Bezugsspannung angeschlossen. An seiner
Kollektorelektrode entsteht eine Spannung, die von der der Verbraucherspannung UA
proportionalen Spannung und der konstanten Bezugsspannung abgeleitet ist. Mit dieser
Spannung wird der Leistungstransistor 22 über einen als Impedanzwandler wirkenden
Hilfstransistor 31 (AC 124), der den Ausgang des Transistors 27 an den Eingang des
Leistungstransistors anpaßt, im Sinne einer Konstanthaltung der Verbraucherspannung
UA gesteuert.
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Tritt nun plötzlich an den Verbraucherklemmen 32; 33 ein Kurzschluß
auf, so steigt der Strom IA zunächst weit über den Nennstrom der Sicherung 23 -
auch bei flinken Typen - an, ehe diese den Strom unterbricht. Dadurch wird der Kollektor-Emitter-Strom
des Leistungstransistors 22 und auch der des Hilfstransistors 31 unzulässig groß,
was zur Zerstörung der Transistoren führt. Zur Strombegrenzung ist der Schutzwiderstand
21 zwischen Kollektorelektrode des Leistungstransistors 22 und Gleichrichter 8 eingeschaltet.
Der Wert des Schutzwiderstandes 21 wird so gewählt, daß die Speisespannung bei dem
im Kurzschlußfall fließenden Maximalstrom praktisch an dem Widerstand abfällt. Dieser
Schutzwiderstand 21 bringt aber erhebliche Nachteile mit sich. Einmal wird in ihm
dauernd eine erhebliche Verlustleistung umgesetzt, wodurch der Wirkungsgrad der
Schaltungsanordnung sehr herabgesetzt wird. Zum anderen läuft der Strom nur langsam
in den Bereich der Begrenzung hinein, was aus dem Diagramm nach F i g. 3 hervorgeht.
Demnach hält die Schaltungsanordnung die Verbraucherspannung UA von -10 V, bei einer
Speisespannung UB
von z. B. -15 V, nur bis zu einem VerbraucherstromIA von
0,4 A konstant. Steigt der Strom IA weiter an, so sinkt die Verbraucherspannung
UA langsam ab, bis er im Kurzschlußfall, also bei einer Verbraucherspannung UA von
0 V, den Wert von 1,5 A erreicht. Dabei sind der Kurzschlußstrom und die Speisespannung
UB
einander proportional, wie aus dem Diagramm gemäß F i g. 5, Kurve a, hervorgeht.
Diese Proportionalität ist ein weiterer Nachteil, besonders dann, wenn die Speisespannung
UB nicht vorstabilisiert ist und mit größeren Differenzen zwischen der Speisespannung
UB
und der Verbraucherspannung UA gerechnet werden muß, wobei die Speisespannung
UB im Kurzschlußfall einen maximalen Wert von z. B. 25 V bei einem Strom
von 2,5 A annehmen kann.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile dient die in F i g. 2 dargestellte
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung. Hierbei ist die Kollektorelektrode des Hilfstransistors
31 über einen Widerstand 34 (2,5 k92) mit dem einen Pol 36 einer Hilfsspannungsquclle
verbunden, deren anderer Pol an Masse liegt. Diese Hilfsspannung UH kann vorteilhafterweise
auch von der im Schaltungspunkt 18 nach F i g. 1 erzeugten Gleichspannung abgenommen
werden.
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Beim Ansteigen des Verbraucherstromes IA kann der Leistungstransistor
22 die Verbraucherspannung UA nur so lange konstant halten, wie für den als Verstärkerelement
wirkenden Hilfstransistor 31 genügend Arbeitsspannung über seiner Kollektor-Emitter-Strecke
vorhanden ist. Bei weiter steigendem Strom IA wirkt der Hilfstransistor 31 nur noch
als Schalter, der die Spannung UH der Hilfsspannungsquelle über den
Widerstand
34 an die Basiselektrode des Leistungstransistors 22 schaltet.
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Mit dieser Schaltungsanordnung wird erreicht, daß der Verbraucherstrom
relativ schnell in den Bereich der Begrenzung hineinläuft, wie aus dem Diagramm
in F i g. 4 ersichtlich ist. Bei konstanter Ausgangsspannung UA kann der Strom bis
auf einen Wert von 0,9 A ansteigen, also auf mehr als den doppelten Wert der bekannten
Anordnung. Bei weiter steigendem Strom beginnt die Verbraucherspannung plötzlich
zu sinken, bis der Verbraucherstrom 1A im Kurzschlußfall ebenfalls den Wert von
1,5 A erreicht. Der Bereich der Strombegrenzung ist somit von 1,1 auf 0,6 A reduziert
und damit der Stabilisierungsbereich um mehr als das Doppelte erweitert worden.
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In F i g. 5 stellt die Gerade b die Abhängigkeit des Ausgangsstromes
1A von der Speisespannung UB der erfindungsgemäßen Anordnung dar. Aus den
unterschiedlichen Neigungen der Geraden a und b ist der wesentlich
günstigere, größere differentielle Innenwiderstand der Schaltungsanordnung nach
F i g. 2 im Kurzschlußfall ersichtlich (a = 10 SZ, b = 40 S2). Dies
ist durch den sich im Kurzschlußfall auswirkenden Pentodencharakter des Leistungstransistors
22 bedingt.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung hat weiterhin den Vorteil,
daß eine zusätzliche Absicherung durch eine Schmelzsicherung im Verbraucherkreis
vollkommen entfallen kann. Denn im Falle eines Kurzschlusses könnte der Strom bei
der erfindungsgemäßen Anordnung nur auf etwa den doppelten Wert des normalen Verbraucherstromes
IN ansteigen. Einen Verbraucherstrom IA von 0,9 A würde man aber üblicherweise
mit einer Sicherung von 1 A flink absichern, die jedoch bei einem Kurzschlußstrom
von 1,5 A noch nicht ansprechen würde.
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Selbstverständlich können an Stelle der in den Ausführungsbeispielen
dargestellten p-n-p-Transistoren auch n-p-n-Transistoren verwendet werden, wobei
in diesem Falle die Speise- und die Hilfsspannungsquelle entsprechend umgepolt werden
müssen.