DE1513409C3 - Elektronische Überstromschutzanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Überstromschutzanordnung, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs vorausgesetzt ist. Eine solche Schaltung ist durch die DE-ASIl 52 480 bekannt.

In vielen elektrischen Schaltungsanordnungen 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-Leistungsverstärkern wichtig, bei denen fehlerhafte Betriebsbedingungen, z. B. eine kurzgeschlossene Leitung, zu einer Zerstörung der teuren Leistungstransistoren führen können. In vielen Fällen erfolgt eine solche Zerstörung innerhalb von Mikrosekunden.

Schmelzsicherungen oder mechanische Überstromschutzschalter sprechen für solche Zwecke zu langsam an. Es sind neben elektronischen Stromregelschaltungen, welche den Verbraucherstrom auf einen konstanten Wert regeln und auf diesem halten, auch elektronische Strombegrenzungsschaltungen bekannt, welche dafür sorgen, daß der Verbraucherstrom einen bestimmten Grenzwert nicht überschreitet. Sinkt aus irgendeinem Grunde, beispielsweise infolge eines Kurzschlusses, der effektive Lastwiderstand unter einen Minimalwert, so sorgt die Strombegrenzungsschaltung dafür, daß der der Stromquelle entnommene Strom auf einem festgelegten Maximalwert gehalten wird. Dabei kann es jedoch vorkommen, daß der im Hauptstromkreis der Begrenzungsschaltung liegende Leistungstransistor längere Zeit diesen Maximalstrom führen muß, während an ihm gleichzeitig die volle Betriebsspannung anliegt: Bei einer länger dauernden derartig starken Belastung kann es zu einer Überhitzung und Zerstörung dieses Leistungstransistors kommen. Um diese Gefahr zu verringern, muß der im Hauptstromkreis liegende Leistungstransistor der Strombegrenzungsschaltung stark überdimensioniert werden; außerdem erfordert die Abführung der im geschilderten Belastungsfall auftretenden Wärme einen erheblichen baulichen

ίο Aufwand. Diese beiden Faktoren schlagen sich erheblich im Preis der Schutzschaltung nieder.

Durch die bereits eingangs genannte DE-AS 11 52 480 ist ein stabilisiertes Netzgerät mit einer elektronischen Sicherung bekannt, die zwischen eine Last und die stabilisierte Gleichspannung geschaltet ist, wobei zwischen einer Eingangsklemme und einer Ausgangsklemme dieser Schutzschaltung als Hauptstromzweig die Kollektor-Emitter-Strecke eines Leistungstransistors und als dazu paralleler Steuerstromzweig die Reihenschaltung eines Widerstandes mit der Kollektor-Emitter-Strecke eines Steuertransistors geschaltet ist, an deren Verbindungspunkt die Basis des Leistungstransistors liegt, und wobei die Basis des Steuertransistors an einen Spannungsteiler angeschlossen ist, der so bemessen ist, daß der Steuertransistor normalerweise sperrt und bei Überschreiten eines Grenzstromwertes im Hauptstromzweig zur Sperrung des Leistungstransistors leitend wird. Der Spannungsteiler liegt bei dieser bekannten Schaltung nicht im

-so Längszweig zwischen Eingangs- und Ausgangsklemme dieser Schutzschaltung, sondern im Querzweig und ist mit einem Ende an den zweiten Pol der Spannungsquelle angeschlossen, an welchem auch der andere Anschluß der Last liegt. Außerdem ist zur Stabilisierung der Ausgangsspannung mittels des Leistungstransistors eine Zenerdiode zwischen die Basis des Leistungstransistors und den zweiten Pol der Spannungsquelle geschaltet. Es handelt sich hierbei also um eine dreipolige Schaltung, die sich nicht einfach zum Einschalten zwischen die zwei Klemmen beispielsweise einer Schmelzsicherung eignet. Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer elektronischen Überstromschutzanordnung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Form eines Zweipols, der sich in einfacher Weise in eine einzige Zuleitung zwischen eine unstabilisierte Spannungsquelle und eine Last einfügen läßt.

Diese Aufgabe wird bei einer elektronischen Überstromschutzanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im Kennzeichenteil des

W Anspruchs 1 angeführten Merkmale gelöst.

Durch die Erfindung wird eine zweipolige elektronische Sicherung geschaffen, die sich bei Ausbildung in integrierter Form räumlich sehr klein halten läßt und sich auch als Ersatz für übliche Schmelz-Feinsicherungen verwenden und in die dafür üblichen Halter einsetzen läßt.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer Halbleiterüberstromschutzanordnung gemäß der Erfindung,

Fig.2 ein Strom-Spannungs-Diagramm, das da? Ansprechverhalten der in F i g. 1 dargestellten Schaltungsanordnung zeigt, und

F i g. 3 ein Schaltbild eines durch zwei Leistungsquellen gespeisten und durch zwei gemäß F i g. 1 aufgebaute Kreise gegen Überstrom geschützten Gegentaktver· stärkers mit unsymmetrischem Ausgang.

In den Zeichnungen sind für entsprechende TeiW

gleiche Bezugszeichen verwendet worden.

Die in F i g. 1 dargestellte Überstromschutzanordnung enthält einen Leistungstransistor 10, der in Reihe zwischen eine Klemme 14 und eine Klemme 16 geschaltet ist. Hierzu sind der Emitter 18 des Transistors 10 über einen Widerstand 12 mit der Klemme 14 und der Kollektor 20 des Transistors 10 direkt mit der Klemme 16 verbunden.

An die Klemme 14 ist außerdem der Emitter 22 eines Steuertransistors 24 angeschlossen, dessen Kollektor 26 ι ο mit der Basis 28 des Leistungstransistors 10 und einer Klemme eines Vorspannungswiderstandes 30 verbunden ist. Die andere Klemme des Widerstandes 30 ist mit der Klemme 16 verbunden, um den Kollektorkreis des Transistors 24 zu schließen. ι >

Die Klemmen 14, 16 sind durch zwei in Reihe geschaltete Vorspannungswiderstände 32, 34 verbunden, die einen Spannungsteiler mit einem Abgriff 33 bilden, welcher über eine Diode 38 mit der Basis 36 des Steuertransistors 24 verbunden ist. Die Diode 38 ist dabei mit ihrer Anode an die Basis 36 und mit ihrer Katode an den Abgriff 33 angeschlossen und bildet einen nur in einer Richtung durchlässigen Stromweg von der Basis 36 zum Abgriff 33.

Die in F i g. 1 dargestellte Schaltungsanordnung 2^r> enthält PNP-Transistoren; selbstverständlich läßt sich die Schaltung auch unter Verwendung von NPN-Transistoren aufbauen, wenn man die Diode 38 umpolt, die PNP-Transistoren jeweils durch NPN-Transistoren ersetzt und die zwischen den Anschlußklemmen jo liegende Spannung umpolt.

Das in F i g. 2 dargestellte Diagramm zeigt, wie die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung in Abhängigkeit des zwischen den Klemmen 14, 16 fließenden Stromes arbeitet. Längs der Abszisse 40 ist der r> Spannungsabfall zwischen den Klemmen 14, 16 und längs der Ordinate 42 ist der Stromfluß zwischen den gleichen Klemmen aufgetragen.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung kann in einen zu schützenden Kreis dadurch eingebaut κι werden, daß man den Zweipol, den diese Schutzschaltung darstellt, der die Betriebsgleichspannung des Kreises führenden Leitung derart in Reihe schaltet, daß der Betriebsstrom mit der in Fig. 1 dargestellten Polarität von der Klemme 14 zur Klemme 16 fließt. Die -r> Schutzschaltung schützt dann sowohl die Betriebsspannungsquelle als auch den Verbraucher gegen Überlastungen.

Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Schutzanordnung wird am Beispiel der F i g. 1 erläutert, ^r>o selbstverständlich gilt diese Erläuterung entsprechend auch für eine mit NPN-Transistoren aufgebaute Anordnung. Im normalen Betrieb, wenn der Verbraucherstrom unter der zulässigen Grenze liegt, ist der Transistor 10 durch den Widerstand 30 in die Sättigung v; vorgespannt. Der Verbraucher kann, wie dargestellt, zwischen die Klemme 16 und Masse geschaltet sein, wobei dann die Leistungsquelle zwischen die Klemme 14 und Masse geschaltet ist. Verbraucher und Leistungsquelle können gewünschtenfalls vertauscht werden, w) sofern die richtige Polarität der Anschlüsse erhalten bleibt. Mit den in F i g. 1 dargestellten Schaltungsparametern ist die Schaltungsanordnung für einen normalen Verbraucherstrom zwischen 0 und 3 Amp. ausgelegt, was dem ansteigenden Kurventeil 41 in Fig.2 entspricht. In diesem Betriebsbereich ist der Transistor 24 durch die von den Vorspannungswiderständen 32,34 und der Diode 38 gelieferte Vorspannung gesperrt. Da bei normalem Verbraucherstrom der Transistor 10 gesättigt und der Transistor 24 gesperrt sind, ist die Verlustleistung minimal.

Bei einem bestimmten Maximalwert des Verbraucherstromes (in F i g. 2 beispielsweise 3 Amp.), erreicht die Spannung an den Klemmen 14, 16 infolge des Spannungsabfalles am Widerstand 12 und an dem gesättigten Transistor 10 einen Wert, bei dem die am Abgriff 33 auftretende Spannung ausreicht, um die Reihenschaltung aus der Diode 38 und der Emitter-Basis-Strecke 22,36 des Transistors 24 leitend zu machen. Die Vorspannung nimmt also so weit zu, daß der Transistor 24 leitet, wodurch der Spannungsabfall am Widerstand 30 zunimmt. Dieser erhöhte Spannungsabfall am Widerstand 30 hat eine solche Polarität, daß die Leitfähigkeit des Transistors 10 herabgesetzt wird. Wenn der Arbeitspunkt des Transistors 10 aus dem Sättigungsbereich herauswandert, nimmt die Spannung zwischen den Klemmen 14, 16 zu, wodurch die Spannung an der Basis 36 des Transistors 34 weiter erhöht wird. Durch diesen Rückkopplungseffekt wird der Transistor 10 schließlich praktisch vollstäi dig gesperrt, während der Transistor 24 in die Sättigung ausgesteuert wird. Der Übergang des Transistors 10 von der Sättigung in den gesperrten Zustand wird in Fig. 2 durch den abfallenden Kurvenast 44 dargestellt. Wenn also der Verbraucherstrom den hier 3 Amp. betragenden Maximalwert einmal erreicht hat, übernimmt der Steuertransistor 24 die Steuerung und schaltet die Anordnung praktisch augenblicklich über den Bereich 44 in einen Schutzzustand 46 verringerten Stromflusses. Der Abfall 44 der Kennlinie ist für die Empfindlichkeit der Überlastungsschutzanordnung verantwortlich und ermöglicht ein Umschalten in den strombegrenzten Zustand 46, zumindest innerhalb von 15 MikroSekunden einer auftretenden Überlastung. Dies reicht aus, um Halbleiterbauelemente sicher gegen Überlastungen zu schützen.

Wenn die Schaltungsanordnung im Schutzzustand 46 arbeitet, leitet nur der voll gesättigte Transistor 24, während der Transistor 10 vollständig gesperrt ist. Die Verlustleistung in den Transistoren ist also auch im Schutzzustand 46 minimal. Im Schutzzustand fließt praktisch nur noch über den Widerstand 30 ein Strom zum Verbraucher. Der Widerstand 30 hat bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen Wert von 100 Ohm, was für alle praktischen Zwecke ausreicht, um den Strom so weit zu begrenzen, daß der Stromkreis praktisch als unterbrochen angesehen werden kann. Wenn die Schutzanordnung einmal den Schutzzustand 46 erreicht 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 auf Grund eines aufgetretenen Fehlers anstehenden Schutzzustand 46, auch wenn der Fehler später wieder beseitigt wird. Zur Rückstellung der Strombegrenzungsschaltung in den normalen Betriebszustand muß also der sie durchfließende Strom vollständig unterbrochen werden.

Die in den Vorspannungskreis des Transistors 24 (Fig. 1) eingeschaltete Diode 38 hat den Zweck, das Erreichen des Umschaltzustandes zu verzögern und ein rasches Umschalten zu gewährleisten, wenn der eingestellte Maximalstrom einmal überschritten wird. Bei dem vorliegenden Beispiel ist der Transistor 24 ein Germaniumtransistor des Typs 2 N 408, während als Diode 38 eine Siliziumdiode 1 N 2858 verwendet wird. Der 0,6 bis 0,7 Volt betragende Stromflußschwellwert

der Diode 38 bewirkt die Schaltverzögerung. Außerdem ist der Stromflußeinsatz, also die Krümmung der Flußkennlinie der Siliziumdiode 38 wesentlich schärfer als die Flußkennlinie (Vbe) zwischen Emitter 22 und Basis 36 des Transistors 24, so daß ein scharfes Ansprechen im Übergangsbereich 44 und damit ein rasches Umschalten 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 die dann fehlende Wirksamkeit der entfernten Diode 38 zu kompensieren. Die Schaltungsanordnung arbeitet dann ebenfalls als Überlastungsschutz, spricht jedoch etwas langsamer an, und der einem negativen Widerstand entsprechende abfallende Kennlinienteil 44 verläuft etwas flacher.

Auch wenn in F i g. 1 der Widerstand 12 weggelassen wird, arbeitet die Schaltungsanordnung noch als Überlastungsschutz. Der Transistor 10 wird dann jedoch nicht vollständig gesperrt, wenn man nicht einen Siliziumtransistor verwendet. Auch beim Weglassen des Widerstandes 12 müssen die Spannungsteilerwiderstände 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 Verstärkungsgrades des verwendeten Transistortyps, so daß also beim Austausch des Transistors 10 keine Schwierigkeiten auftreten können.

Um die Vielseitigkeit der an Hand von F i g. 1 beschriebenen Überlastungsschutzanordnung zu zeigen, ist in F i g. 3 dargestellt, wie zwei solcher Schaltungen in einem Kreis verwendet werden können, der zur Leistungsversorgung zwei Spannungsquellen verschiedener Polarität benötigt.

Der in F i g. 3 dargestellte Kreis enthält eine Gegentaktstufe mit unsymmetrischem Ausgang, die mit komplementären Transistoren, nämlich einem NPN-Transistor 54 und einem PNP-Transistor 56 bestückt ist. Die Eingangssignale werden Klemmen 58,60 zugeführt, und die Ausgangssignale werden an Klemmen 62, 64 abgenommen. Ein Kreis dieses Typs erfordert zur Leistungsversorgung zwei Spannungsquellen 66,68, die bezüglich Masse 70 verschiedene Polarität haben. Ein sicherer Überlastungsschutz ist bei einem Kreis dieser Art nur möglich, wenn jede der beiden Leistungsquellen gegen Überströme gesichert wird. Eine Überlastung kann beispielsweise dann eintreten, wenn ein an den Ausgang angeschlossener Verbraucher — oder Arbeitswiderstand 72 — nach Masse 70 kurzgeschlossen wird. Eine mit einer Leistungsquelle in Reihe geschaltete Überlastungsschutzeinrichtung kann den Kreis dann zwar gegen Überströme schützen, die durch beide Leistungsquellen oder von der geschützten Leistungsquelle nach Masse Hießen, ist jedoch gegen Überströme, die von der ungeschützten Leistungsquelle nach Masse fließen, nicht geschützt.

Gemäß F i g. 3 schützt die Überlastungsschutzanordnung im gestrichelten Rechteck 50 gegen Überströme aus der positiven Leistungsquelle 66, während die Überlastungsschutzanordnung im gestrichelten Recht-

eck 52 gegen Überströme von der negativen Leistungsquelle 68 schützt. Die beiden Überlastungsschutzanordnungen 50, 52 sind gleich aufgebaut und so in die zugehörigen Stromkreise eingeschaltet, daß der Strom jeweils in der erwünschten Richtung zwischen den

ίο Klemmen 14 und 16 bzw. 14' und 16' fließt.

Die Schutzanordnung ist selbstrückstellend, d. h., sie nimmt wieder ihren normalen Betriebszustand an, wenn sie in Verbindung mit einem im B- oder C-Betrieb arbeitenden Kreis verwendet wird. In F i g. 3 sind die Transistoren 54, 56 gesperrt, wenn das Eingangssignal an den Klemmen 58,60 verschwindet. Die Transistoren 54, 56 werden bei endlichem Eingangssignal entsprechend dessen Polarität in den leitenden Zustand ausgesteuert bzw. gesperrt. Wenn das Eingangssignal eine Wechselspannung ist, werden die Transistoren 54, 56 in abwechselnden Halbwellen gesperrt. Bei jeder Überlastung, durch die der nach Masse fließende Strom unzulässig hohe Werte annehmen könnte, spricht die zugehörige Überlastungsschutzanordnung automatisch an und schaltet in den Schutzzustand 46 (F i g. 2). Da die Transistoren während jeder zweiten Halbwelle gesperrt sind, ist dann auch der Strom durch die zugehörige Überlastungsschutzanordnung unterbrochen, und diese nimmt automatisch wieder ihren normalen Betriebszustand an.

Wenn die Überlastungsschutzanordnung 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 Überstromschutzanordnung bei der nächsten entsprechenden Halbwelle wieder in den Schutzzustand 46. Dies wiederholt sich dann, bis der Fehler beseitigt worden ist.

Es ist einleuchtend, daß die in F i g. 1 dargestellte Überlastungsschutzanordnung für beliebige Kreise, insbesondere Halbleiterschaltungen, verwendet werden kann. Die zweipolige Schaltungsanordnung kann in Reihe in die Stromversorgungsleitung des zu schützenden Kreises geschaltet werden. Die Schutzanordnung arbeitet mit einer Mitkopplung, die eine Funktion des die Schaltung durchfließenden Stromes ist.

Diese Mitkopplung gewährleistet ein so rasches Umschalten vom normalen Betriebszustand in einen

so Überlastungs- oder Schutzzustand, daß die zugeordneten Halbleiterkreise sicher auch gegen momentane Überlastungen geschützt werden. Die in der Schutzanordnung enthaltenen Transistoren arbeiten sowohl im normalen Betriebszustand als auch im Überlastungszustand 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Elektronische Überstromschutzanordnung, die in Reihe mit einer Last an eine Gleichstromquelle angeschlossen ist, wobei zwischen die Eingangsklemme und die Ausgangsklemme der Schutzanordnung als Hauptstromzweig die Kollektor-Emitter-Strecke eines Leistungstransistors und als dazu paralleler Steuerstromzweig die Reihenschaltung eines Widerstandes mit der Kollektor-Emitter-Strecke eines Steuertransistors geschaltet ist, an deren Verbindungspunkt die Basis des Leistungstransistors liegt, und wobei die Basis des Steuertransistors an einen Spannungsteiler angeschlossen ist, der so bemessen ist, daß der Steuertransistor normalerweise sperrt und bei Überschreiten eines Grenzstromwerts im Hauptstromzweig zur Sperrung des Leistungstransistors leitend ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung als Zweipol mit nur einer Eingangsklemme (14) und Ausgangsklemme (16) ausgebildet ist, zwischen die der Spannungsteiler (32,34) geschaltet ist.

2. Überstromschutzanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Steuertransistors (24) über eine Diode (38) mit dem Abgriff des Spannungsteilers (32, 34) verbunden ist, welche in gleicher Durchlaßrichtung wie die Basis-Emitter-Strecke des Steuertransistors (24) gepolt ist.

3. Überstromschutzanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Hauptstromzweig zwischen die Eingangsklemme (14) und den Emitter (18) des Leistungstransistors (10) ein ohmscher Widerstand (12) eingeschaltet ist.