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Die Erfindung bezieht sich auf eine überlastungsschutzeinrichtung.
Eine Überlastung kann bei einem Transistor dann auftreten, wenn der Lastwiderstand,
z. B. durch Kurzschluß, 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 Kollektorsparinüngswert,
der normalerweise nicht überschritten werden darf, ist allein abhängig vom -Aussteuerungsgrad
. des jeweils verwendeten Transistors.
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Es ist nun berki@ 'bekannt, Transistoren gegen Überlastung grunds@tzlirh,
,dadurch zu schützen, daß man laufend die köhektbrspannung dieser Transistoren überwacht
und sie sofort durch die Überwachungseinrichtung in den Sperrzustand steuert, wenn
die überwachte Kollektorspannung ihren kritischen Wert überschreitet.
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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 in!
Lästlis'- 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 Rückkopplungssehaltung und gegebenenfalls durch als Schwell-=
wertglieder 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. Nachteilig bei diesem überlastungsschutzverfahren ist jedoch, daß nach einer
durch Überlastung des Schalttransistors hervorgerufenen selbständigen Umsteuerung
nach Behebung des Fehlers die Schaltungsanordnung nur dann wieder in die Betriebsstellung
umgesteuert werden kann, wenn durch einen Tastschältet.der Steuerkreis des Hilf-,
transistors 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, daß 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 überlastungsschutzverfahren hat nun den weiteren 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 Steuersigäale 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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Weiterhin ist eine überlastungsschutzeinrichtung bekannt, die die
vorgenannten Nachteile:-dadurch vermeidet, daß der die Kollektorspannung des Schalttransistors
überwachende Hilfstransistor Bestandteil eines logischen Schaltkreises ist. Außer
dem Hilfstransistor besteht der logische Schaltkreis dabei aus einem UND-Diodengatter
mit zwei Zweigeil, das in Abhängigkeit von der Kollektorspannung des Schalttransistors
undIii' Abhängigkeit von dessen Steuergröße angesteuert wird. Sind beide UND-Bedingungen
erfüllt, so wird der Hilfstransistor leitend und sperrt den Schalttransistor. Nachteilig
bei dieser Überlastungsschutzeinrichtung ist jedoch, daß sich der Aufwand an Schaltgliedern
durch den Einsatz von logischen Gattern zur Beseitigung der Nachteile bei anderen
überlastungsschutzverfahren stark vergrößert hat. Weiterhin kann mit dieser-überlästungs"schutzeinrichtung
keine Last geschaltet werden, deren Widerstand sich nach dem Einschalten verändert,
wie z. B. Glühlampen für Anzeigeeinrichtungen. In diesem Fall würde die Schutz-.enrichtung,
bedingt-:durch den Einschaltstromstoß und der damit . verbundenen Spannungserhöhung,
stets ansprechen: Auch Schwankungen der Betriebsspannung sowie Ausfall von Dioden
in den logischen Gattern können bei dieser überlastungsschutzeinrichtung zu einer
Fehlabschaltung des Schalttransistors führen, da der Hilfstransistor seine Steuerspannung
aus der Betriebsspannungsquelle erhält.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine überlastungsschutzeinrichtung
für Schalttransistoren, bestehend aus einem Hilfstransistor, der die Kollektorspannung
des die Last schaltenden Transistors überwacht und diesen in den Sperrzustand steuert,
sobald infolge einer Überlastung seine Kollektorspannung einen kritischen Wert überschreitet,
anzugeben,
die von den vorgenannten Nachteilen frei ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Basis des
zu überwachenden Schalttransistors über eine Diode und einen Widerstand und die
Basis des Hilfstransistors über den Widerstand eines Spannungsteilers, welchem ein
Kondensator parallel geschaltet ist und einen weiteren Widerstand an einen gemeinsamen
Einspeisepunkt für das beiden Steuerkreisen gleichzeitig zugeführte Steuerpotential
angeschlossen ist, daß ein Widerstand zwischen Basis und Emitter des Schalttransistors
geschaltet ist, daß der Kollektor des Schalttransistors über eine Diode an einen
Verbindungspunkt zwischen den Widerständen geführt ist und daß die Widerstände und
der Kondensator derart bemessen sind, daß stets zuerst der Schalttransistor leitend
wird und die Diode aufsteuert, die ein Leitendwerden des Hilfstransistors so lange
verhindert, bis die Kollektorspannung des Schalttransistors einen festlegbaren,
kritischen Wert übersteigt.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Figur dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei zugleich weitere der Ausgestaltung der
Erfindung dienende Merkmale aufgezeigt werden.
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In der Figur ist mit 1 ein Schalttransistor bezeichnet, dessen Kollektorspannung
(UeE) durch einen Hilfstransistor 2 überwacht wird. Das Steuersignal zum Schalten
einer Last wird dem Eingang 19 zugeführt, dem ein Transistor 3 nachgeschaltet ist.
Der Kollektor dieses Transistors führt auf einen Verbindungspunkt 4, der mit dem
Steuerkreis des Schalttransistors, bestehend aus den Widerständen 9 und
12, der Diode 11 sowie der Emitter-Basis-Strecke des Transistors 1,
und dem Steuerkreis des Hilfstransistors, bestehend aus den Widerständen 5, 6, 7,
dem Kondensator 8 sowie der Emitter-Basis-Strecke des Hilfstransistors 2, verbunden
ist. Der Kollektor des Schalttransistors führt einmal über eine Diode
10 auf einen Verbindungspunkt 20 zwischen den Widerständen 5 und 6
der Steuerstrecke des Hilfstransistors sowie ein andermal über einen Widerstand
13 auf die Potentialleitung 0 V. An der Klemme 17 liegt die Betriebsspannung
UB. Zwischen den Klemmen 14 und 18 kann die zu schaltende Last, z. B. Relais
15 oder Glühlampe 16, angeschlossen werden.
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Die Wirkungsweise dieser Überlastungsschutzeinrichtung ist folgende:
Es sei angenommen, daß zwischen den Klemmen 14 und 18 als Last eine Glühlampe 16
angeschlossen ist und an der Eingangsklemme 19 kein Steuersignal in Form eines Rechtecksignals
L anliegt. In diesem Fall befinden sich alle Transistoren im Sperrzustand. Beim
Eintreffen eines Steuersignals L an der Klemme 19 wird der Transistor 3 leitend,
und der Verbindungspunkt 4 liegt dann auf einem Steuerpotential, welches die Steuerstrecke
des Schalttransistors 1 und des Hilfstransistors 2 beeinflußt. Der Schalttransistor
1 wird über Widerstand 9 und Diode 11 aufgesteuert und somit leitend. Der Hilfstransistor
2, an dessen Steuerstrecke das gleiche Steuerpotential anliegt, kann nicht aufgesteuert
werden, da der Kondensator 8 in Verbindung mit dem Spannungsteiler 6 und 7 das Steuersignal
verzögert und der bei aufgesteuertem Schalttransistor 1 auftretende Stromfluß zwischen
-h UB
über die Emitter-Kollektor-Strecke, Diode 10, Widerstand 5 zum
Verbindungspunkt 4 ein Leitendwerden des Hilfstransistors 2 verhindert. Vergrößert
sich der Strom, z. B. durch Kurzschluß, zwischen -I- UB über die Emitter-Kollektor-Strecke
Transistor 1, nach der Potentialleitung 0 V, so steigt auch die Kollektorspannung
des Schalttransistors. übersteigt die Kollektorspannung einen kritischen Wert, der
durch entsprechende Bemessung der Widerstände und Dioden in den Steuerstrecken gegeben
ist, so wird die Diode 10 gesperrt. Der Hilfstransistor 2 wird über die Widerstände
5 und 6 leitend und steuert den Schalttransistor 1 durch Eingriff in dessen Spannungsteiler
in den Sperrzustand: Dieser Schaltzustand, Schalttransistor 1 gesperrt und Hilfstransistor
2 leitend, bleibt bestehen, solange das Steuersignal L am Eingang 19 anliegt. Beim
Fortfall dieses Steuersignals ist der Schalttransistor 1 nicht mehr gefährdet,
und der Hilfstransistor 2 fällt in den Sperrzustand zurück.
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Wird der Schalttransistor 1 durch Anlegen eines Steuersignals L an
den Eingang 19 erneut angesteuert und ist der Kurzschluß noch nicht beseitigt,
so wird der Schalttransistor 1 kurzzeitig leitend. Nach einer durch den Kondensator
8 einstellbaren Verzögerungszeit wird dann der Hilfstransistor 2 leitend
und steuert den Schalttransistor wieder in den Sperrzustand. Nach Fortfall des Kurzschlusses
wird die Sperrung des Schalttransistors beim Anlegen eines Steuersignals selbsttätig
wieder aufgehoben, und die überlastungsschutzeinrichtung arbeitet in der vorgenannten
Weise.
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Sollen wie in diesem Ausführungsbeispiel Glühlampen geschaltet werden,
so ist der Lampenwiderstand im Ruhezustand relativ klein, und es fließt ein großer
Einschaltstrom über die Emitter-Kollektor-Strecke des Schalttransistors
1, der ein Ansteigen der Kollektorspannung bedingt. Mit zunehmender Erwärmung
des Heizfadens der Glühlampe vergrößert sich auch deren Widerstand, und die Kollektorspannung
sinkt. Bei den bereits bekannten überlastungsschutzeinrichtungen würde dieser Effekt
bereits zum nicht beabsichtigten Sperren des Schalttransistors führen. Bei der erfindungsgemäßen
Schutzeinrichtung hingegen wird jedoch das Leitendwerden des Hilfstransistors 2
einstellbar so lange verzögert, bis die Kollektorspannung des Schalttransistors
1 auf ihren Normalwert abgesunken ist und durch Stromfluß über die Diode
10 eine Rufsteuerung des Hilfstransistors 2 verhindert.
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Eine weitgehende Unabhängigkeit dieser überlastungsschutzeinrichtung
von Betriebsspannungsschwankungen wird dadurch erreicht, daß die Ansteuerung des
Hilfstransistors 2 über die Diodenstrecken des Schalttransistors 1 und der Diode
10 verhindert wird. Der Spannungsabfall über diesen beiden Bauelementen wird durch
die Stromänderungen als Folge der schwankenden Betriebsspannung kaum geändert.