DE1293307B - Circuit arrangement for overload protection of a power transistor in an electronically stabilized power supply - Google Patents
Circuit arrangement for overload protection of a power transistor in an electronically stabilized power supplyInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Überlastungsschutz eines Leistungstransistors in einem elektronisch stabilisierten Netzgerät, in dem der Leistungstransistor als regelbärer Reihenwiderstand zwischen Spannungsquelle und Verbraucher liegt und in Abhängigkeit von der Differenz zwischen einer der Verbraucherspannung proportionalen Spannung und einer Bezugsspannung mittels eines verstärkenden Transistors über einen Hilfstransistor gesteuert wird.The invention relates to a circuit arrangement for overload protection of a power transistor in an electronically stabilized power supply in which the power transistor as a variable series resistor between the voltage source and consumer is and depending on the difference between one of the consumer voltage proportional voltage and a reference voltage by means of an amplifying transistor is controlled via an auxiliary transistor.
Es ist bekannt, Transistoren als Regelglieder in elektronisch stabilisierten Netzgeräten zu verwenden. Der an den Verbraucher abgegebene Strom durchfließt dabei einen als regelbaren Reihenwiderstand wirkenden Leistungstransistor, der im Sinne einer Konstanthaltung der Ausgangsspannung gesteuert wird.It is known to use transistors as control elements in electronically stabilized To use power supply units. The current delivered to the consumer flows through it a power transistor acting as an adjustable series resistor, which in the sense of to keep the output voltage constant.
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.Such power supplies have the disadvantage that the power transistor for the large, many times the normal consumer current flowing in the event of a short circuit short-circuit currents must be dimensioned so that it is not destroyed can. Such circuits are very uneconomical because the consumer current is significantly smaller in normal operation and the power transistor is therefore bad is exploited.
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, so daß- die Transistoren beschädigt oder zerstört werden können.It is known that fuses are used to protect the transistors against overload to be provided. However, these have the disadvantage that they - even the so-called nimble ones Types - the current in the event of an overload only after a certain delay time switch off so that the transistors can be damaged or destroyed.
Zur Umgehung dieser Schwierigkeit 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. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Anordnungen ist, daß sie auch bei kurzzeitigen überströmen - wie sie bei überschlägen im Verbrauchernetzwerk, z. B. bei Schaltstößen auftreten - bereits abschalten.To circumvent this difficulty, it is known to use the control circuit of the power supply unit with an electronic fuse. That's an additional one Circuit arrangement which, when an output current threshold value is exceeded, the Disconnects consumers from the control transistors. But this solution is for many Applications too expensive. Another disadvantage of these known arrangements is that they overcurrent even with short-term overcurrents - as they occur with flashovers in the consumer network, z. B. occur with switching shocks - switch off already.
Es sind auch schon Strombegrenzungsschaltungen bekannt, die im einfachsten Falle aus einem Serienwiderstand vor dem Leistungstransistor bestehen. Diese haben jedoch den Nachteil, daß der Innenwiderstand des Netzgerätes vergrößert wird.Current limiting circuits are also known, the simplest ones Trap consist of a series resistor in front of the power transistor. Have this however, the disadvantage that the internal resistance of the power supply is increased.
Zur Vermeidung dieses Nachteiles sind Strombegrenzungsschaltungen bekannt mit einem besonderen Begrenzungstransistor. Bei diesen Schaltungen ist jedoch ebenfalls eine Schmelzsicherung vorgesehen, so daß der Begrenzungstransistor den Strom nur so lange auf den gewünschten Wert begrenzt, bis die Sicherung das Netzgerät abgeschaltet hat.Current limiting circuits are used to avoid this disadvantage known with a special limiting transistor. In these circuits, however, is also a fuse is provided so that the limiting transistor the Current is only limited to the desired value until the fuse disconnects the power supply unit has switched off.
Weiterhin ist eine Schaltungsanordnung zur automatischen Abschaltung- und Wiedereinschaltung des Verbraucherstromes in einem Transistor-Regelnetzgerät mit einem in Serie liegenden Leistungstransistor bekannt. Hierbei sind zusätzlich eine Transistor-Sperrstufe und eine Transistor-Haltestufe vorgesehen, welche den Strom beim überschreiten eines bestimmten Grenzwertes durch Sperrung des Leistungstransistors abschalten und den Sperrzustand so lange aufrechterhalten, bis der Strom den Grenzwert wieder unterschreitet. Diese bekannte Schaltungsanordnung ist jedoch für einfache Transistor-Regelnetzgeräte zu aufwendig, zumal dabei noch eine zusätzliche Hilfsspannungsquelle benötigt wird.Furthermore, a circuit arrangement for automatic shutdown and reconnection of the load current in a transistor control power supply unit known with a series power transistor. Here are additionally a transistor blocking stage and a transistor holding stage are provided, which the Current when a certain limit value is exceeded by blocking the power transistor switch off and maintain the blocking state until the current has exceeded the limit value falls below again. However, this known circuit arrangement is for simple Transistor control power supplies too expensive, especially since they also have an additional auxiliary voltage source is needed.
Ferner ist eine Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung und Strombegrenzung eines transduktorgeregelten Gleichrichters bekannt, wobei eine Kombination von linearen und nichtlinearen Widerständen an getrennten Steuerwicklungen vorgesehen ist. Diese bekannte Schaltungsanordnung unterscheidet sich jedoch grundsätzlich in Aufbau und Wirkungsweise von der eingangs beschriebenen Schaltungsanordnung zum Überlastungsschutz eines Leistungstransistors.Furthermore, there is a circuit arrangement for voltage regulation and current limitation a transducer-regulated rectifier known, with a combination of linear and non-linear resistors are provided on separate control windings. These known circuit arrangement differs fundamentally in structure and Mode of operation of the circuit arrangement for overload protection described above of a power transistor.
Schließlich wurde vorgeschlagen, die Kollektorelektrode des Hilfstransistors über einen Widerstand an eine Hilfsspannungsquelle anzuschließen, deren Spannung höher ist als die zu stabilisierende Spannung der Speisespannungsquelle. Der Widerstand soll dabei so bemessen sein, daß im Kurzschlußfall der Basisstrom des Leistungstransistors im wesentlichen durch diesen Widerstand begrenzt wird. Diese Anordnung ist jedoch nur für solche Geräte geeignet, die über eine .derartige Hilfsspannungsquelle verfügen.Finally, it was proposed to use the collector electrode of the auxiliary transistor to be connected via a resistor to an auxiliary voltage source, its voltage is higher than the voltage to be stabilized from the supply voltage source. The resistance should be dimensioned so that in the event of a short circuit, the base current of the power transistor is essentially limited by this resistance. However, this arrangement is Only suitable for devices that have such an auxiliary voltage source.
Die Erfindung bezweckt, eine Schaltungsanordnung zum überlastungsschutz eines Leistungstransistors anzugeben, welche die obengenannten Nachteile nicht aufweist.The aim of the invention is to provide a circuit arrangement for overload protection of a power transistor which does not have the above-mentioned disadvantages.
Erfindungsgemäß ist bei der eingangs beschriebenen Schaltungsanordnung als Außenwiderstand für den verstärkenden Transistor eine Bauelementengruppe, bestehend aus einer zwischen den Eingangsklemmen liegenden Reihenschaltung einer Diode und eines Vorwiderstandes, einem an deren Verbindungspunkt mit seiner Basiselektrode angeschlossenen weiteren Transistor und dessen Emitterwiderstand, vorgesehen, und außerdem ist an die Verbindungsstelle zwischen verstärkendem Transistor und Außenwiderstand über einen Richtleiter ein mit seinem anderen Pol an einer Klemme der Speisespannungsquelle liegender gesteuerter Gleichrichter angeschlossen, dessen Steuerelektrode an einer Spannung liegt, die um einen von der jeweiligen Belastung abhängigen Betrag niedriger ist als die Speisespannung.According to the invention in the circuit arrangement described above a component group consisting of an external resistance for the amplifying transistor from a series connection of a diode and between the input terminals a series resistor, one at its connection point with its base electrode connected further transistor and its emitter resistor, provided, and it is also at the junction between the amplifying transistor and the external resistance via a directional conductor one with its other pole on a terminal of the supply voltage source horizontal controlled rectifier connected, the control electrode of which is connected to a Voltage, which is lower by an amount depending on the respective load is than the supply voltage.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung hat den Vorteil, daß der Leistungstransistor nur für den normalen Betriebsfall dimensioniert zu werden braucht. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der Leistungstransistor ohne Verwendung einer zusätzlichen Hilfsspannung sicher vor Überlastungen geschützt wird.The circuit arrangement according to the invention has the advantage that the Power transistor only needs to be dimensioned for normal operation. Another advantage is that the power transistor is without use an additional auxiliary voltage is safely protected against overloads.
Zweckmäßigerweise ist in die Zuleitung zur Steuerelektrode des gesteuerten Gleichrichters ein weiterer Richtleiter mit solcher Polarität eingeschaltet, daß bei leitendem gesteuertem Gleichrichter die Steuerleitung gesperrt ist.Appropriately is in the lead to the control electrode of the controlled Rectifier another directional conductor switched on with such polarity that The control line is blocked when the controlled rectifier is conducting.
Außerdem ist es vorteilhaft, die Steuerstrecke des gesteuerten Gleichrichters durch einen großen Kondensator zu überbrücken. Dadurch erfolgt die Abschaltung bei kurzzeitigen, an sich unschädlichen überlastungen nicht sofort.It is also advantageous to control the control path of the controlled rectifier bridged by a large capacitor. This switches off at short-term, inherently harmless overloads not immediately.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der Speisespannungsquelle und dem Punkt, an welchem das Steuerpotential für den gesteuerten Gleichrichter abgegriffen wird, ein vom Verbraucherstrom oder einem ihm im wesentlichen proportionalen Strom durchflossener Kaltleiter angeordnet, dessen Widerstand mit zunehmender Stromstärke stark ansteigt. Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Teile dargestellt sind.According to a further development of the invention, there is between the supply voltage source and the point at which the control potential for the controlled rectifier is tapped, one from the consumer current or one which is essentially proportional to it Current flowing through PTC thermistor arranged, its resistance with increasing current strength increases sharply. In the following, the invention is based on an in the figure illustrated embodiment explained in more detail, with only the Understanding the invention necessary parts are shown.
Die Figur zeigt ein elektronisch stabilisiertes Netzgerät, an dessen Eingangsklemmen 1, 2 die unstabilisierte, von der Netzspannung abgeleitete Spannung angeschlossen ist und an dessen Ausgangsklemmen 3, 4 die von Schwankungen der Speisespannungsquelle bzw. des Verbrauchers unabhängige Ausgangsspannung abgenommen werden kann. Der an den Verbraucher abgegebene Strom durchfließt die als regelbaren Reihenwiderstand wirkende Kollektor-Emitter-Strecke des Leistungstransistors 6 (ASZ 18). Schwankungen der Verbraucherspannung treten z. B. auch an dem zum Verbraucher parallel liegenden Spannungsteiler 7 (ZF 5,6), 8 (120 9), 9 (1,5 kQ) auf, dessen Abgriff mit der Basiselektrode eines verstärkenden Transistors 11 (SFT 5,6) verbunden ist. Seine Emitterelektrode ist an eine durch die Zenerdiode 12 (ZF 5,6) und den Widerstand 13 (1,5 kS2) erzeugte, konstante Bezugsspannung angeschlossen. An seiner Kollektorelektrode entsteht eine Spannung, die von der der Verbraucherspannung proportionalen Spannung und der konstanten Bezugsspannung abgeleitet ist. Mit dieser Spannung wird der Leistungstransistor 6 über einen Hilfstransistor 14 (AC 124) im Sinne einer Konstanthaltung der Verbraucherspannung gesteuert.The figure shows an electronically stabilized power supply unit on which Input terminals 1, 2 the unstabilized voltage derived from the mains voltage is connected and at the output terminals 3, 4 of fluctuations in the supply voltage source or the load independent output voltage can be taken. The on The current delivered to the consumer flows through the adjustable series resistor effective collector-emitter path of the power transistor 6 (ASZ 18). Fluctuations the consumer voltage occur z. B. also on the one lying parallel to the consumer Voltage divider 7 (ZF 5.6), 8 (120 9), 9 (1.5 kΩ), whose tapping with the base electrode an amplifying transistor 11 (SFT 5,6) is connected. Its emitter electrode is connected to a generated by the Zener diode 12 (ZF 5.6) and the resistor 13 (1.5 kS2), constant reference voltage connected. One is created on its collector electrode Voltage that depends on the voltage proportional to the consumer voltage and the constant Reference voltage is derived. With this voltage the power transistor 6 via an auxiliary transistor 14 (AC 124) in the sense of keeping the consumer voltage constant controlled.
Als Außenwiderstand für den verstärkenden Transistor 11 wird an Stelle des sonst üblichen ohmschen Widerstandes erfindungsgemäß eine Bauelementengruppe mit hohem Wechselstrom- und geringem Gleichstromwiderstand verwendet. Diese Bauelementengruppe besteht aus der zwischen den Eingangsklemmen 1, 2 liegenden Reihenschaltung von Siliziumdiode 16 (1 N 914) und Vorwiderstand 17 (6,8 k9) und dem mit seiner Basiselektrode an diese Verbindungsstelle angeschlossenen Transistor 18 (0C 141).As the external resistance for the amplifying transistor 11 is in place the otherwise customary ohmic resistance according to the invention a component group used with high AC and low DC resistance. This component group consists of the series connection of Silicon diode 16 (1 N 914) and series resistor 17 (6.8 k9) and the one with its base electrode transistor 18 (0C 141) connected to this junction.
Durch die Pentodencharakteristik dieses Transistors 18 und den in dessen Emitterkreis zur Gegenkopplung eingeschalteten Widerstand 19 (180 9) wird ein hoher Wechselstromwiderstand und ein niedriger Gleichstromwiderstand erreicht. Die in Durchlaßrichtung geschaltete Diode16 dient dabei zur Arbeitspunktstabilisierung für den Transistor 18. Dieser hohe Wechselstromwiderstand ist deshalb vorteilhaft, weil dadurch Änderungen der Speisespannung nur in geringem Maße als Störungen im Regelkreis auftreten können und eine hohe Regelverstärkung erreicht wird.Due to the pentode characteristics of this transistor 18 and the in whose emitter circuit is switched on for negative feedback resistor 19 (180 9) a high AC resistance and a low DC resistance are achieved. The diode 16 switched in the forward direction serves to stabilize the operating point for transistor 18. This high AC resistance is therefore advantageous because this changes the supply voltage only to a small extent as disturbances in the Control loop can occur and a high control gain is achieved.
Das elektronisch stabilisierte Netzgerät enthält nach der Erfindung außerdem eine Schaltungsanordnung zum Schutze des Leistungstransistors 6 gegen Überlastungen. Diese Schaltungsanordnung besteht aus einem gesteuerten Gleichrichter 21 (11 T4), der über einen Arbeitswiderstand 22 (390 S2) zwischen die Eingangsklemmen 1, 2 der Speisespannungsquelle geschaltet ist und dessen Steuerstrecke vom Spannungsabfall des im Kollektorkreis des Leistungstransistors 6 eingeschalteten niederohmigen Widerstandes 23 (1 a) gesteuert wird. Dieser Widerstand 23 kann gegebenenfalls auch in den Kollektorkreis des Hilfstransistors 14 geschaltet werden, da dessen Kollektorstrom ebenfalls vom Belastungsstrom abhängig ist. Zur Verbesserung der Wirkung kann der Widerstand 23 auch ein Kaltleiter sein.The electronically stabilized power supply contains according to the invention also a circuit arrangement for protecting the power transistor 6 against overloads. This circuit arrangement consists of a controlled rectifier 21 (11 T4), via a working resistor 22 (390 S2) between the input terminals 1, 2 of the The supply voltage source is switched and its control path from the voltage drop of the low-resistance resistor switched on in the collector circuit of the power transistor 6 23 (1 a) is controlled. This resistor 23 can optionally also in the collector circuit of the auxiliary transistor 14 are switched because its collector current is also from Load current is dependent. To improve the effect, the resistor 23 also be a PTC thermistor.
Solange sich der gesteuerte Gleichrichter 21 im gesperrten Zustand befindet, liegt die genannte lastabhängige Steuerspannung direkt zwischen Kathode und Zündelektrode des gesteuerten Gleichrichters 21. Parallel zu dieser Zündstrecke ist außerdem ein Kondensator 24 (2 g,F) geschaltet, welcher das Auftreten sehr kurzzeitiger, z. B. durch Belastungs- oder Netzspannungssprünge verursachter Störimpulse an der Zündstrecke des gesteuerten Gleichrichters 21 verhindert, so daß dieser dadurch nicht schon durchgeschaltet wird.As long as the controlled rectifier 21 is in the blocked state is located, said load-dependent control voltage lies directly between the cathode and ignition electrode of the controlled rectifier 21. In parallel with this ignition path a capacitor 24 (2 g, F) is also connected, which prevents the occurrence of very brief, z. B. caused by load or voltage jumps to the interference pulses Ignition gap of the controlled rectifier 21 prevented, so that this thereby is not already switched through.
Steigt jedoch die Belastung über deren vorgesehenen Nennwert an, dann vergrößert sich die Steuerspannung an der Zündstrecke des Gleichrichters 21 derart, daß dieser bei Erreichen des Zündpunktes leitend wird. Über den zugehörigen Arbeitswiderstand 22 wird nun ein Haltestrom für den Gleichrichter 21 von solcher Größe geliefert, daß der gesteuerte Gleichrichter 21 leitend bleibt, obwohl sich die Steuerspannung nach dem Durchschalten umpolt. Damit der gesteuerte Gleichrichter 21 auch bei umgepolter Steuerspannung leitend bleibt, liegt in der Zuleitung zur Steuerelektrode des Gleichrichters 21 eine entsprechend gepolte Diode 25 (0A 5). Über die Diode 26 (0A 5) ist die Kathode des gesteuerten Gleichrichters 21 an die Verbindungsstelle 27 von Außenwiderstand 16, 17, 18 des verstärkenden Transistors 11 und Regelschaltung des elektronisch stabilisierten Netzgerätes angeschlossen. Bei nichtleitendem Gleichrichter 21 verhindert diese Diode 26 außerdem, daß der Außenwiderstand 16, 17, 18 durch den relativ niederohmigen Arbeitswiderstand 22 des gesteuerten Gleichrichters 21 überbrückt wird. Beim Leitendwerden des gesteuerten Gleichrichters 21 soll diese Diode 26 jedoch die genannte Verbindungsstelle 27 und somit einen wesentlichen Teil der Regelschaltung auf Bezugspotential der Speisespannungsquelle (Klemme 2) schalten. Damit wird der Leistungstransistor 6 des elektronisch stabilisierten Netzgerätes gesperrt, so daß eine Zerstörung dieses Transistors verhindert wird. Die Verbraucherspannung und der Ver braucherstrom werden annähernd Null.However, if the load rises above its intended nominal value, the control voltage at the ignition gap of the rectifier 21 increases in such a way that it becomes conductive when the ignition point is reached. A holding current for the rectifier 21 of such a magnitude that the controlled rectifier 21 remains conductive, although the control voltage reverses after switching through, is now supplied via the associated working resistor 22. So that the controlled rectifier 21 remains conductive even when the polarity of the control voltage is reversed, there is a correspondingly polarized diode 25 (0A 5) in the supply line to the control electrode of the rectifier 21. The cathode of the controlled rectifier 21 is connected via the diode 26 (0A 5) to the connection point 27 of the external resistance 16, 17, 18 of the amplifying transistor 11 and the control circuit of the electronically stabilized power supply unit. In the case of a non-conductive rectifier 21, this diode 26 also prevents the external resistance 16, 17, 18 from being bridged by the relatively low-resistance working resistance 22 of the controlled rectifier 21. When the controlled rectifier 21 becomes conductive, this diode 26 is intended to switch the aforementioned connection point 27 and thus a substantial part of the control circuit to the reference potential of the supply voltage source (terminal 2). The power transistor 6 of the electronically stabilized power supply unit is blocked so that this transistor is prevented from being destroyed. The consumer voltage and the Ver consumer current are approximately zero.
Claims (6)
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