DE1538376B2 - Schaltungsanordnung zum schutz eines verbrauchers - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Schutz eines Verbrauchers nach der Gattung des Hauptanspruches.

Bei mit Transistoren ausgerüsteten Geräten muß die Abschaltung in kürzester Zeit vor sich gehen, da bekanntlich Transistoren innerhalb äußerst kurzer Zeit durch Überspannungen beschädigt werden können. Die Ansprechzeit einer Schutzschaltung muß deshalb weit unter etwa einer Millisekunde liegen. Derart kurze Ansprechzeiten sind aber weder durch Schmelzsicherungen noch mittels eines Relais zu erreichen.

Andererseits sind praktisch trägheitslos arbeitende Stabilisierungsschaltungen bekanntgeworden, bei denen z. B. mittels eines über eine Zenerdiode gesteuerten Transistors die Verbraucherspannung auf einen vorgegebenen Wert stabilisiert wird. Eine aus der DT-AS 11 34 743 bekannte Stabilisierungsschaltung dieser Art ist im wesentlichen durch folgende Merkmale gekennzeichnet:

1. Parallel zu der Verbraucherspannung liegt die Reihenschaltung der Kollektor-Emitter-Strecke eines

ίο Schalttransistors und eines Widerstandes.

2. In der Zuleitung für die Verbraucherspannung liegt zwischen der Gleichspannungsversorgung und der Kollektor-Emitter-Strecke des Schalttransistors ein Vorwiderstand.

Nachteilig wirkt sich bei dieser bekannten Schaltung der verhältnismäßig große Leistungsverlust an dem Vorwiderstand aus, der sich insbesondere bei größerer Leistung des Gleichspannungsversorgers von beispielsweise dreißig Watt recht unliebsam bemerkbar macht; j ferner muß der Schalttransistor entsprechend groß dimensioniert sein.

Aus der DT-AS 11 93 594 ist eine Anordnung bekannt, bei der in Reihe zu der Schaltstrecke eines Thyristors ein nichtlinearer Widerstand liegt, dessen Leitwert sich exponentiell mit der angelegten Spannung ändert. Die Schaltstrecke des Thyristors wird im Zusammenwirken mit einem Kondensator nur bei Spannungsstößen leitend gemacht. Schließlich wird die Schaltstrecke des Thyristors wieder nichtleitend ge-

macht, wenn eine Überspannung abgeklungen ist. Durch diese bekannte Anordnung wird also wenigstens die Aufgabe nicht gelöst, daß die Schutzschaltung ein irreversibles Verhalten aufweisen soll.

Die erwähnten Nachteile dieser bekannten Anordnungen werden in einer Schutzschaltung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs vermieden.

Bei der Schutzschaltung nach der Erfindung wird die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors bei Überspannung der Gleichspannungsversorgung im Gegensatz zu der bekannten, oben beschriebenen Stabilisierungsschaltung kurzgeschlossen. Es kann dazu ein verhältnismäßig sehr klein dimensionierter Transistor verwendet werden, und es entfällt die große Verlustleistung an dem Vorwiderstand, da ein solcher nicht zur Verwendung kommt.

Wählt man für den Transistor einen Typ des legierten Germaniumtransistors mit einer solchen Dimensionierung, daß der kurzschließende Kollektor-Emitterstrom ihn durchlegiert, dann wird der Innenwiderstand des Transistors so niedrig, daß in kürzester Zeit ein praktisch vollständiger Kurzschluß eintritt, so daß die Transistoren im Verbrauchergerät hinreichend sicher geschützt sind.

Als spannungsabhängiger Widerstand im Spannungsteiler wird zweckmäßig eine Zenerdiode verwendet, die in Sperrichtung in dem zwischen der Basis und dem Kollektor des Transistors geschalteten Abschnitt des Spannungsteilers liegt. Der Spannungsteiler ist so di-

mensioniert, daß die an der Zenerdiode liegende Spannung die Durchbruchsspannung der Zenerdiode erst dann erreicht, wenn der Spannungswert der Gleichspannungsversorgung den vorgegebenen maximalen Wert überschreitet

Der durchlegierte Germaniumtransistor ist allerdings ein zweites Mal nicht mehr zu verwenden und muß ausgewechselt werden. Der Preis eines solchen sehr klein dimensionierten legierten Germaniumtransistors ist je-

doch so niedrig, daß er praktisch nicht ins Gewicht fällt, zumal der Preis der geschützten Transistoren ganz wesentlich höher liegt.

Es wurden mit der Schutzschaltung nach der Erfindung Versuche unter folgenden Bedingungen durchgeführt:

Die normale Betriebsspannung betrug 20 Volt. Die Abschaltung sollte unterhalb von 30 Volt erfolgen. Es wurde eine 24 Volt-Zenerdiode mit 250 mW maximaler Leistung als spannungsabhängiger Widerstand im Spannungsteiler verwendet. Die Gleichspannungsstromversorgung enthielt einen selbstregelnden Sperrwandler; bei Ausfall der Regeleinrichtung wurde eine Spannung von 40 Volt im Leerlauf erzeugt. Die Abschaltung der Gleichspannungsversorgung infolge Kurzschluß des Germaniumtransistors erfolgte bei etwa 25 Volt.

Weitere Einzelheiten der Schutzschaltung nach der Erfindung sowie deren Wirkungsweise soll an Hand der Zeichnung an zwei Ausführungsbeispielen noch etwas näher erläutert werden.

In F i g. 1 wird der Speisestrom für die Gleichspannungsversorgung 10 dem Netz oder einem Wechselstromgenerator entnommen und über einen Transformator 17 einem Gleichrichter 13 zugeführt. Der gleichgerichtete Strom wird dann in üblicher Weise über einen Ladekondensator 15, eine Drosselspule 14 und einen Siebkondensator den Ausgangsklemmen 1 der Gleichspannungsversorgung 10 zugeleitet. Parallel zum Ausgang 1-1 der Gleichspannungsversorgung 10 liegt die Kollektor-Emitter-Strecke 3, 4 eines legierten Germaniumtransistors 2. Ebenfalls parallel zum Ausgang 1-1 liegt ein Spannungsteiler 8, 9, dessen Mittelabzapfung 6 mit der Basis des Transistors 2 verbunden ist. In dem zwischen Basis 5 und Kollektor 3 des Transistors 2 geschalteten Abschnitt 9 des Spannungsteilers liegt eine in Sperrichtung geschaltete Zenerdiode 7.

Im Normalfall sperrt die Zenerdiode 7, so daß die Basis 5 des Transistors 2 über den Widerstand 8 am Emitterpotential liegt. Der Widerstand 8 ist so niederohmig gewählt, daß ein selbständiges Aufsteuern des Transistors durch höhere Außentemperatur (Ansteigen des Kollektor-Basis-Sperrstromes und damit Ansteigen der Basisspannung) nicht möglich ist. Im Beispielsfall beträgt der Widerstand 8 etwa 1 kQ. Der Widerstand 9 begrenzt lediglich den Basistrom im durchgeschalteten Zustand, also wenn der vorgegebene maximale Spannungswert am Ausgang 1-1 der GleichspannungsVersorgung überschritten ist, und verhindert dadurch die Überlastung der Zenerdiode 7. Die Zenerdiode 7 ist nur kurzzeitig beansprucht und braucht nur den Basisstrom zu liefern.

Sobald eine Überspannung in der Gleichspannungsversorgung 10 eintritt, wird die Durchbruchsspannung der Zenerdiode 7 überschritten, so daß ein hoher Basisstrom über den Transistor 2 fließt. Dadurch steigt der Kollektor-Emitter-Strom des legierten Transistors 2 sprunghaft auf einen Wert an, der den Ausgang 1-1 der Gleichspannungsversorgung 10 praktisch kurzschließt.

In dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 kann nun durch den Kurzschlußstrom über den Transistor 2 eine in der Versorgungsleitung liegende Feinsicherung 11 zum Durchschmelzen gebracht werden, so daß die Gleichspannungsversorgung 10 und der an den Klemmen 20 angeschlossene Verbraucher elektrisch voneinander getrennt werden.

Nach dem Ausführungsbeispiel der F i g. 2 kann aber auch über den Transistor 2 der Ausgang 1-1 der Gleichspannungsversorgung 10 kurzgeschlossen werden, ohne daß eine Sicherung zum Durchschmelzen gebracht wird. Eine solche Schaltung ist z. B. dann zweckmäßig, wenn die Gleichspannungsversorgung 10 aus einem mit einem Oszillator 12 arbeitenden Gleichspannungswandler 18 besteht, dessen Schwingungen durch den von der Kollektor-Emitter-Strecke 3, 4 des Transistors 2 herbeigeführten Kurzschluß unterdrückt werden.

Bei diesem Schaltungsbeispiel (F i g. 2) wäre sogar die Einschaltung einer Sicherung zwischen der Gleichspannungsversorgung 10 und der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 2 unzweckmäßig, da im Falle der Unterbrechung des Verbraucherstromes beim Durchschmelzen der Sicherung eine sehr hohe Leerlaufspannung in der Gleichspannungsversorgung 10 auftreten würde, die zu Schäden am Spannungswandler 18 oder an anderen elektrischen Bauteilen innerhalb der Gleichspannungsversorgung 10 führen könnten. Die Sicherung 21 ist deshalb bei der Anordnung nach F i g. 2 zwischen die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 2 und den Verbraucher geschaltet, so daß sie zwar den Verbraucher vor Überlast schützt, jedoch beim Durchschmelzen die Schutzschaltung mit dem Transistor 2 sofort wirksam werden läßt, so daß schädliche Überspannungen in der Gleichspannungsversorgung 10 in keinem Falle auftreten können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

15 3ö 37ö Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Schutz eines Verbrauchers, beispielsweise eines mit Transistoren ausgerüsteten elektronischen Gerätes, die die Gleichspannungsversorgung abschaltet, sobald die von der Gleichspannungsversorgung gelieferte Ausgangsspannung einen vorgegebenen maximalen Wert überschreitet, mit einer am Ausgang der Gleichspannungsversorgung liegenden Schaltstrekke eines steuerbaren Halbleiterelementes, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (5) eines Transistors (2) mit dem Abgriff eines ebenfalls am Ausgang (1-1) der Gleichspannungsversorgung (10) liegenden Spannungsteilers (8,9) verbunden ist, daß der Spannungsteiler (8, 9) einen spannungsabhängigen Widerstand (7) enthält und so dimensioniert ist, daß beim Überschreiten des vorgegebenen maximalen Werts der Ausgangsspannung der Strom über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors (2) sprunghaft auf einen Wert ansteigt, der den Ausgang (1-1) der Gleichspannungsversorgung (10) kurzschließt, und daß der Transistor (2) so dimensioniert ist, daß der kurzschließende Kollektor-Emitter-Strom ihn durchlegiert.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens in einer der Zuleitungen zwischen der Gleichspannungsversorgung (10) und der Kollektor-Emitter-Strecke (3, 4) des Transistors (2) eine Feinsicherung (11) liegt, die durch den Kurzschlußstrom der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors (2) zum Schmelzen gebracht wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsversorgung (10) ein mit einem Oszillator (12) arbeitender Gleichspannungswandler ist, dessen Schwingungen durch den von der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors (2) herbeigeführten Kurzschluß unterdrückt werden.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsabhängige Widerstand (7) im Spannungsteiler (8,9) eine Zenerdiode ist, die in Sperrichtung in dem zwischen Basis (5) und Kollektor (3) des Transistors (2) geschalteten Abschnitt (9) des Spannungsteilers liegt, und daß der Spannungsteiler (8, 9) so dimensioniert ist, daß die an der Zenerdiode (7) liegende Spannung die Durchbruchsspannung der Zenerdiode erst dann erreicht, wenn die Ausgangsspannung den vorgegebenen maximalen Wert überschreitet.