DE1513409A1 - Strombegrenzungsschaltung - Google Patents

Strombegrenzungsschaltung

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DE1513409A1 DE1965R0039810 DER0039810A DE1513409A1 DE 1513409 A1 DE1513409 A1 DE 1513409A1 DE 1965R0039810 DE1965R0039810 DE 1965R0039810 DE R0039810 A DER0039810 A DE R0039810A DE 1513409 A1 DE1513409 A1 DE 1513409A1
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Description

6178 - 65
RCA 53685
U.S.-Serial Ho. 342,649 U.S.-Filing Datei February 5, 1964
RADIO CORPORATION OF AMERICA NEW YORK, N.Y,, U.S.A.
Strombegrenzungssohaltung
In vielen elektrieohen Sohaltungsanordnungen muß irgendeine Art von Stromregelung vorgesehen werden, die das Fließen unzulässig hoher Ströme von einer Stromquelle zu einem Verbraucher verhindert. Eine solche Stromregelung ist besonders bei Transistor-Leistungsverstttrkern wichtig, bei denen fehlerhafte Betriebsbedingungen, z.B. eine kurz geschlossene Leitung, zu einer Zerstörung der teueren Ausgangs-Leistungstransistoren führen können.
009831/010A bad orig'*!AL
Io vielen Fällen let ein· solch· Zerstörung tin· Saoh· von MikroSekunden.
Die bekannten Schutzvorrichtungen, wie Sohmelzsicherungen oder meohanieohe Überstromschutzschalter spreohen für solche Zwecke zu langsam an. Die meisten elektrischen Strombegrenzungssohaltungen begrenzen den Verbraucher-
^ strom auf einen bestimmten Maximalwert. Dabei kann es jest
doch u.U. vorkommen, daS der Transistor duroh überhitzung zerstört wird, wenn er für längere Zeit beim Grenzetrom unter Spannung gehalten wird. Die bekannten Strombegrenzungssohaltungen erfordern außerdem im allgemeinen zur Regelung Bauelemente, deren Nennleistung weit über der Verbraucherleistung liegt, um eine einwandfreie Stromregelung auf einem gewünschten Maximalwert gewährleisten zu können. Die Kosten solcher, den Strom auf einen Maximalwert begrenzenden Schaltungen waren daher bisher meist prohibitiv.
Duroh die vorliegende Erfindung soll daher eine Halbleiter-ÜberlastungsBohutzsohaltung angegeben werden, die rasch genug anspricht und einen ausreichenden Sohutz gegen kurzdauernde, plötzliohe Überlastungen als auch länger anhaltende Kurzschlüsse gewährleistet und einen Strombegrenzungswiderstand enthält, der Halbleiterkreise schützt, ohne dafl ei Ίβΐ Leistung ve± raucht oder für Nennleistungen aufgelegt .ein mufi, die die an den Verbraucher abgegebene
Leiβsung übersteigt. BAD ORIGlMAL
009831/0104
HdL· Strombegrenzungeechaltung gemäß der Erfindung let ein Zweipol, der mit der Stromversorgung dee zu schützenden Kreises in Reihe geschaltet werden kann. Die erfindungsgemäfie Schaltung enthält zwei Transistoren, von denen der eine einen Reihenstromkreis zwischen Eingangs- und Ausgangeklemme der Schaltungsanordnung bildet, während der andere den Reihentraneistor steuert. Ein Teil der an den beiden Kienen entstehenden Spannung wird dem Steuertran- M sistor zugeführt. Der Steuertraneistor spricht auf Spannungsanstiege zwischen den beiden Klemmen an, die durch einen Anstieg des Verbrauoherstromes verursacht werden, und setzt die Leitfähigkeit des Reihentransistors herab.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert,
es zeigtι
Ti far 1 ein Schaltbild eines HalbleiterwUberlastungssohutzkreises gemäß der Erfindung!
Figur 2 ein Strom~3pannungs-Diagramm, das das Ansprach- f
verhalten der in Figur 1 dargestellten Schaltungsanordnung zeigt, und
Figur 3 ein Schaltbild eines durch zwei Leistungsquellen gespeisten und durch zwei gem. Figur aufgebaute Kreise gegen Überlastung geschützten Gegentaktverstärker mit unsymmetrischem/ Aus gang».
009831/0104
BAD
In den Zeichnungen aind für entsprechende Teile gleiche Bezugezeiohen verwendet worden.
Die in Figur 1 dargestellte Überlastungsschutzschaltung enthält einen Leistungstransistor 10, der in Reih· zwischen eine Klemme 14 und eine Klemme 16 geschaltet iat. Hierzu sind der Hmitter 18 des Transistors 10 über einen P Widerstand 12 mit der Klemme t4 und der Kollektor 20 des Transistors 10 direkt mit der Klemme 16 verbunden.
Eine Klemme 14 ist außerdem der Emitter 22 eines Steuertransistors 24 angeschlossen, dessen Kollektor 26 mit der Basis 28 des Leistungatranaistors 10 und eine Klemme eines Vorspannungawideratandea 30 angeschlossen iat. Die andere Klemme des Widerstandes 30 ist mit der Klemme 16 verbunden, um den Kollektorkreie des Transietore 24 zu schliessen.
Die Klemmen 14, 16 sind duroh zwei in Reihe geschaltete Vorspannungswiderstände 14, 16 verbunden, die einen Spannungsteiler mit einem Abgriff 33 bilden, welcher über eine Diode 33 mit der Basis 36 des S+.euertransistore 24 verbunden ist. Die Diode 3*3 ist dabei mit ihrer Anode an die Bpsis 36 und mit ihrer Katode an den Abgriff 33 angeschlossen und bildet einen nur in einer Richtung durchlässigen ntromweg von der Basis 36 zum Abgriff 33·
BAD ORIGINAL
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Die in Figur 1 dargestellte Schaltungsanordnung enthält PNP-Transistören, selbstverständlich läßt Bich die Schaltung auoh unter Verwendung von NPN-Transistören aufbauen, wenn man die Diode 38 umpolt, die PNP-Iransistoren jeweils durch KPN-Transistoren ersetzt und die zwischen den Klemmen 14i 16 liegende Spannung umpolt.
Das: in Figur 2 dargestellte Diagramm zeigt, wie die in M
Figur 1 dargestellte Schaltungsanordnung in Abhängigkeit des zwischen den Klemmen 14, 16 fließenden Stromes arbeitet. Längs der Abszesse 40 ist der Spannungsabfall zwischen den Klemmen 14, 16 und längs der Ordinate 42 ist der StromfluS zwischen den Klemmen 16, 14 aufgetragen.
Die in Figur 1 dargestellte Schaltungsanordnung kanr In einen zu schützenden Kreie dadurch eingebaut werden, da' man den Zweipol, den diese Schutzschaltung darstellt, ds ,
die Betriebsgleiohflfpasonung dee Kreises führenden Leitung ™
derart in Reihe schaltet, daß der Betriebastrom mit der in Figur 1 dargestellten Polarität von der Klemme Ii sur Klemme 16 fließt, Di« Schutzschaltung schützt dann sowohl die Betriebeepannunge^uelle als auoh den Verbraucher gegen tfberlaetungen.
Die Arbeiteweie· der erfindungegeaäflen Sohutaaoh&Itvuifi wird am Beispiel der Figur 1 erläutert, eelbatvtretändlioh gilt dieat Erläuterung tntepreohend auoh für ein·
0Q9831/0KH bad o
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mit NPN-Trensistoren aufgebaute Schaltung. Im normalen Betrieb, wenn der Verbraucher*^ rom unter der auläeeigen Grenze liegt, ist der Transistor 10 duroh den Wideretand 30 in die Sättigung vorgespannt. Der Verbraucher kann, wie dargestellt, zwischen die Klemme 16 und Maed» geschaltet sein, wobei dann die Seiatungequelle zwiaohen die Klemme 14 und Masche geschaltet ist. Verbraucher und Leiatungsklemme können gewünschtenfall3 vertauscht werden, wenn die gewünschte Polarität der Anschlüsse erhalten bleibt. Mit den in Figur 1 dargestellten Schaltungaparametern ist die Schaltungeanordnung fUr einen normalen Verbraucheretrom zwiwohen 0 und 3 Amp. ausgelegt, was dea ansteigenden Kurventeil 41 In Figur 2 entspricht. Iii diesem Betriebsbereich ist der Transistor 24 durch die von den Vorspannungswiderständen 32, 34 und die Diode 38 gelieferte Vorspannung gesperrt. Da bei normalem Verbrauchers trom der Traneistor 10 gesättigt und der Transistor 24 gesperrt sind, ist die Verlustleistung minimal.
Bei einem "bestimmten Maximalwert des Verbraucherstrom<*s-(in Fig. 2 beispielsweise 3 Amp.) erreicht die Spannung an den Klemmen 14, 16 infolge dep SSpannungeabtalle«? am Widerstand 12 ursd de# gesättigten Traneietorji 10s alnen Wert, bei dem die am Abjpriff 33 auftretende Spannung ausreicht, um di« Bei^euseohättung aue der Diode 38 und der
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linitter-Basie-Strecke 22 - 36 des Transistors 24- leitend zu machen. Die Vorspannung nimmt also soweit zu, daß der Transistor 24 leitet, wodurch der Spannungsabfall am Widerstand 30 aunimmt. Dieser erhöhte Spannungsabfa^ll am Widerstand 30 hat eine solche Polarität, daß die Leitfähigkeit des Transistors 10 herabgesetzt wird. Wenn der Arbeitspunkt des Transistors 10 aus dem Sättigungsbereich , heraus wandert, nimmt die Spannung zwischen den Klemmen '
14,16 zuf wodurch die Spannung an der Basis 36 des Transistors 34 welter erhöht wird. Durch diesen Rückkopplungseffekt wird der Transietor 10 schließlich praktisch vollständig gesperrt, während der Transistor 24 in die Sättigung auegesteuert wird. Der Übergang dec Traneistore 10 von der Sättigung in den gesperrten Zustand wird in Figur " duroh der« abfallenden Kurvenast 44 dargestellt. Wenn also der Verbraueherstrom de» hier 3 Amp. betragenden Maximalwert eiiujiil erreicht hat, übernimmt der Steuertransistor 24 die Steuerung und schaltet die Anordnung praktisch augenblicklic: über den Bereich 44 in einen -Schutzzustand 46 verringerten Stromflussee. Der Abfall 44 der Kennlinie ist für die Jinpfindlichkeit der überlastungsschutzschaltung verantwortlich und ermöglicht ein Umschalten in den etrombegrenzten Zustand 46, zumindest innerhalb von 15 MikroSekunden einer auftretenden Überlastung. Dies reicht aus um Halbleiterbauelemente sicher gegen Überlastungen
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zu schützen.
Wenn die Schaltungeanordnung Im Schutzzustand 46 arbeitet, leitet nur der voll gesättigte Transistor 24 während der Transistor 10 vollständig gesperrt ist. Die Verlustleistung in den Transintoren ist also auch im Schutzzustand 46 minimal. Im Schutzzu3tand fließt praktisch nur noch über den Widerstand 30 ein Strom zum Verbraucher. Der Widerstand 30 hat bei deir dargestellten Ausftihrungsbei spiel einen Wert von 100 0hm, was für alle praktischen Zwacke auereicht um den Strom soweit zu begrenzen, daß der Stromkreis praktisch als unterbrochen angesehen werden kann. Wenn die Schutzschaltung einmal in den Schutzzustand 46 ge8ehaltet hat, verbleibt sie in diesem Zustand bis der sie durchfließende Strom unterbrochen wird. Die Schaltungsanordnung stellt sich also nicht von selbst zurück und bleibt daher in dem einen aufgetretenen Fehler anzeigenden Schutzzustand 46, auch wenn der Fehler später wieder beseitigt wird. Zur Rückstellung der Strombegrenaungsschaltung in den normalen Betriebszustand muß also der sie durchfließende Strom vollständig unterbrochen werden.
Die in den Vorspannungskreis des Transistors 24 (Pig.l) eingeschaltete Diode 38 hatte den Zweck, das Erreichen des Umachaltzuntandes zu verzögern und ein rasches Umschalten zu (rewährleisten, wenn der eingestellte Maximal-
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strom einmal überschritten wird. Bei dem vorliegenden Beispiel iat der Transistor 24 ein Germaniumtransistor des Type 2N4O8, während als Diode 38 eine Siliziumdiode 1N2Ö58 verwendet wird. Der 0r6-0,7 Volt betragende Stromflußschwellwert der Diode 38 bewirkt die "ohaltverzögerung. Außerdem ist der Stromflußeinsatz, also die Krümmung der Flußkennlinie der Siliziumdiode 33 wesentlich schärfer äs die Flußkennlinie (VBE) zwischen Emitter 22 und Basis 36 J des Translators 24t so daß ein scharfes Ansprechen im Übergangsbereich 44 und damit ein rasches Umschatten gewährleistet ist, wenn die Diode einmal Strom zu führen beginnt. Die Diode 38 kann jedoch auch entfallen und die Basis 36 des Transistors 24 wird dann direkt an den Abgriff 33 angeschlossen. Die Werte der Widerstände 32, 34 werden in diesem Falle dann entsprechend geändert um i?ie Entfernung der Diode 38 zu kompensieren. Die Schaltasgsanordnung arbeitet dann ebenfalls als Überlastungsschutz, spricht jedoch etwas langsamer an und der einem negativen f Widerstand entsprechende abfallende Kennlinienteil 44 verläuft etwas flacher.
Auch wenn in Figur 1 der Widerstand 12 weggelassen wird, arbeitet die Schaltungeanordnung nooh als Überlastung^-
ΊΟ
schute· Der Traneietor^wird dann jedoch nicht vollständig geeperrt, wenn man nioht einen Slliziumtranaietor verwendet. Auoh beim Weglaseen dee Widerstandes 1£ müssen die
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Spannungaxellerwiderstände 32,34 neu abgeglichen werden. Der Widerstand 12 dient übrigens nicht nur dazu, einen dem Strom zwischen den Klemmen 14,16 proportionalen Spannungsabfall zu gewährleisten sondern kompensiert auch Streuungen des Veratärkungsgrades des verwendeten Tranaistortyps, so daß also beim Auotauach des Transistors 10 keine Schwierigkeiten auftreten können.
Um die Vielseitigkeit der an Hand von Figur 1 beschriebenen Überlastungsschutzschaltung zu zeigen, ist in Figur 3 dargestellt, wie zwei solcher Schaltungen in einem Kreis verwendet werden können, der zur Leistungsvereorgung zwei Spannungsquellen verschiedener Polaritäten benötigt.
Per in Figur dargestellte Kreis enthält eine Gegentaktetufe mit unsymmetrischem Ausgang, die mit komplementären Transistoren, nämlich einem NPN-Transistor 54 und einem PNP-Transistor 56 bestückt ist. Bie Einganges!gnale werden Klemmen 58, 60 zugeführt und die Auegangssignale werden an Klemmen 62, 64 abgenommen. Ein Kreis dieses Typs erfordert zur Leistungsvereorgung zwei Spannungsquellen
die
66, 68/bezÜglich Masse 70 verschiedene Polarität haben.
Ein sicherer Überlastungsschutz iet bei eine» Kreis dieser Art nur möglich, wenn jade der beiden Leistungequellen gegen Überströme gesichert wird. Ein· Überlastung kann beispielsweise dann eintreten, wenn ein an den Ausgang ange-
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- ii -
sohlossener Verbraucher - oder Arbeitswiderstand 72 nach Mast» 70 kurzgeschlossen wird. Eine Kit einer Leistungsteil e in Reihe geechaltete Überlastungsschutzeinrichtung kamt den Kreis dann zwar gegen Überströme schützen, die
te
durch beide LeistungsquellenAvon der geschützten Leistungsquelle gege» liaso&e fließen, ist jedoch gegen überströme,
S die von der ungeschützten Leistungsquelle nach Maseke fliea
sen
Die Schutzschaltung ist eelbst**rsteilend, d.h. sie nimmt wieder ihren normalen Betriebszuotand an, wenn sie in 7erbindung E.it einOt1B- oder C-Betrieb arbeitenden Ereip verwendet w#rde*. In Figur 3 sind die Tranaistoren 54, 56 gesperrt, wenn das Eingangssienal an den Klemmen 53, 60 verschwindet. Die Transistoren 54, 56 werden bei endlichem Eingangosignal entsprechend desnen Polarität in den leitenden 2iustsiid ausgesteuert bzw. gesperrt. Wenn das Tin
1/010- ba0
Figur 3 schützt die Überlaatungf-fschutznchaltung im gestrichelten Rechteck 5^o gegen Überströme aus der positiven Leintungsquelle 66 während die Überlastungsschutzschal tung im gestrichelten Rscateck 52 gegen Überströme
der
vonAnegativen Leistungsquelle 6r^ schützt. Die beiden Überlastungsechuteschaltungen 50, 52 sind gleich aufgebaut und so in die zugehörigen Stromkreise eingeschaltet, daß der Strom jeweils in der richtigen Richtung zwischen den Klemmen 14 und 16 fließt. f
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gangssignal eine Wechselspannung ist, werden die Transietoren 54, 56 in abwechselnden Halbwellen gesperrt. Bei jeder Überlastung, durch die der nach Mase&e fließende Strom unzulässig hohe Werte annehmen könnte, spricht die zugehörige Überlastungsschutzschaltung automatisch an und schaltet in den Schutzzustand 46 (Fig.2). Ba die Transistoren während jeder zweiten Halbwelle gesperrt sind, ist dann auch der Strom durch die zugehörige Überlastungsschutzschaltung unterbrochen und diese rdtat automatisch wieder ihren normalen Betriebszustand an·
Wenn die Überlastungsschutzschaltung durch einen nur kurz andauernden Überstrom zum Ansprechen gebracht worden ist, wird sie beim nächsten Umschalten der Gegentakttransistoren wieder in den normalen Betriebszustand zurückgestellt. Wenn der Kurzschluß jedoch andauert, schaltet die Überatromschutzschaltung bei der nächsten entsprechenden Kalbwelle wieder in den -chutzzustand 46. Dies wiederholt sich dann bis der Fehler beseitigt worden ist.
Ks ist einleuchtend, daß die in Figur 1 dargestellte überlastungsschutzschaltung für beliebige Kreise, insbesondere Halbleiterschaltungen verwendet werden kann. Die zweipolige Schaltungsanordnung kann in Reihe in die Stromversorgungeleitung des zu schützenden Kreises geschaltet werden. Die Schutzschaltung arbeitet mit einera Mitkopplung, die eine Funktion des die Schaltung durchfließenden Stromes ist.
009831/0104
BAD ORlGiNAL
Diese Mitkopplung gewährleistet ein oo rasches Umschalten vom normalen Betriebszustand in einen Überlastunga- oder Sohutzzustand, daß die zugeordneten Halbleiterkreise sicher auch gegen momentane Überlastungen geschützt werden. Die in der Schutzschaltung enthaltenen Transistoren arbeiten sowohl im normalen Betriebszustand als auch in tJberlastungszuatand entweder im gesättigten oder gesperrten Zustand, so daß immer nur ein Minimum an Verlustleistung auftritt und ein Schutz sowohl gegen momentane als auch andauernde Überlastungen gewährleistet ist.
0 0 9831/0104 BAD OKC-NM-

Claims (5)

Patentansprüche
1. Zweipolige, in &h? Reihe mit einem zu begrenzenden Gleichstrom zu schaltende StrombegrenzungsschelGung mit einer Eingangsklemme, die mit einer Emitterelektrode eines Leistungstransistors, und einer Aur: jangsklemme, · die mit einer Kollektorelektrode des Leist- ürrstransistors verbunden sind, dadurch ,·· . ti e . η ζ e i c h η e t, daß*4m Leistungstransistor - 2':. erster Kreis parallel geschaltet ist, der eine r^-i-.ji-.-e.irltung mit einem Steuertransistor und einer Vorspannitn^sanordnung (30) enthält} daß dem Leistungstransiator außerdem ein Spannungsteiler (32, 34-) parallelgescrelte^ 1.3t} daß die Basiselektrode (36) des L ei s tun ;?s-ο transistors mit dem Yerbindungspunkt zwischen dem äxeuerTranaistor (24-) und der Vorspannungsanordnung (3w verbanden ist und daß eine Steuerlektrode (36) dee Steuercransistors mit einem Abgriff (33) des Spannur]gat^::.lers verbunden ist.
2. 3c::el"3u.ngsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (36)
JtJL ifß»
des 5 ;euertransistors (24) - eine Diode (38) mit dem /i Spannungsteiler (32, 33j 34) verbunden ist.
ORIGINAL ι
009831/0104
Sif
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ano-ie der Diode (33) mit der Steuerelektrode (36) und die K- :ode der Diode mit dem Abgriff (33) des Spannungsteilers (32k 34) verbunden sind.
4. Schaltungsanordnung nach .oispruch !,dadurch ^ gekennzeichnet, daß die Vorspannungsanordnurtg einen Widerstand (30) en4 :ält und daß der Kollektor (26) des Steuertransistors iZA) rait diesem Widerstand verbunden ist.
5. Schal tunf*sf η Ordnung nach Anspruch 1, da d u r c h gekenn ^c;. c η η e t, daß ein Widerstand (12) zwischen die ^in^rangskiemEe (14) und den iiniitter (l3) des L eis tun fc transistors (IC) pe ε c ■:?.!*; et i3t.
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