DE1613894C3 - Überlastungsschutzschaltungsanordnung für einen eine Last speisenden Schalttransistor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Überlastungsschutzschaltungsanordnung für einen eine Last speisenden Schalttransistor mit einem gleichstrommäßig gekoppelten, komplementären Vorstufentransistor gegen Überlastung bei zu niederohmiger bzw. kurzgeschlossener Last.

Es kommt bei Geräten und Anlagen der Nachrichtentechnik, z. B. Lautsprecheranlagen, häufig vor, daß ein Schalttransistor über eine mehr oder weniger lange Leitung mit seinem Belastungswiderstand verbunden ist, so daß Kurzschlüsse oder Fehlschaltungen auf der Leitung den Schalttransistor gefährden.

Es ist allgemein bekannt, den entstehenden Kurzschlußstrom durch einen ohmschen Schutzwiderstand im Laststromkreis auf einen zulässigen Wert zu begrenzen. Da im allgemeinen dabei gefordert wird, daß der im Normalbetrieb des Schalttransistors im Laststromkreis fließende Strom am Schutzwiderstand nur einen relativ kleinen Spannungsabfall hervorruft, darf der Schutzwiderstand nich hochohmig sein. Dabei ergeben sich als Nachteile, daß im Kurzschlußfall ein relativ hoher Kollektorstrom fließt, für den der Schalttransistor ausgelegt sein muß, und daß der Schutzwiderstand für eine hohe Leistung ausgelegt sein muß oder aber durchbrennt und ausgewechselt werden muß.

Es ist zwar eine diese Nachteile vermeidende Schaltungsanordnung zum Schutz von Schalttransistoren gegen Überlastung infolge zu kleinen Kollektorwiderstandes oder Kurzschlusses desselben bekannt (deutsche Auslegeschrift 1 089 804), bei der in einer der Speiseleitungen und/oder in der Steuerleitung des Schalttransistors ein Gatter vorgesehen ist, das durch eine von der Verlustleistung bzw. dem Strom im Schalttransistor abhängige Spannung gesteuert wird und bei Erreichen eines bestimmten Spannungswertes den Steuerstrom und/oder die Speisespannung des Schalttransistors unterbricht. Zur Ableitung der Spannung dient dabei ein zusätzlicher Transistor, dessen Kollektor mit dem Emitter des Schalttransistors und dessen Basis über einen Spannungsteiler mit dem Kollektor des Schalttransistors

ίο verbunden sind. Die Steuerspannung für das Gatter wird dabei an einem im Emitterkreis des zusätzlichen Transistors liegenden Widerstand abgegriffen und eine bistabile Kippschaltung betätigt, die das Gatter zur Unterbrechung des Steuerstromes für den Schalttransistor sperrt. Diese bekannte Schaltung hat den Nachteil, daß sie einen verhältnismäßig hohen Aufwand erfordert.

Es ist ferner eine Anordnung zum Überlastungsschutz eines als Verstärker oder Schalter arbeitenden Leistungstransistors in Emitterschaltung bei Kurzschluß der Last im Kollektorkreis bekannt (deutsche Auslegeschrift 1110 231), bei der die Emitter-Kollektor-Strecke eines zusätzlichen Schutztransistors zwischen den Emitter des Leistungstransistors und seine Basis bzw. die Basis eines Vorstufentransistors (Steuertransistors) geschaltet ist, während die Basis des Schutztransistors an einen Spannungsteiler zwischen Kollektor des Leistungstransistors und Erde gelegt ist, so daß bei Kurzschluß der Last der Schutztransistor geöffnet und die Basis des Leistungstransistors mit Erde verbunden wird. Die Schaltung hat den Nachteil, daß sie einen zusätzlichen Schutztransistor erfordert und daß zur Wiedereinschaltung des Leistungstransistors Mittel (insbesondere ein Schalter) vorgesehen sein müssen, durch die an den Schutztransistor eine sperrende Spannung geliefert wird.

Die Erfindung löst die bekannte Aufgabe, einen Schalttransistor gegen Überlastung zu schützen bei einem Schalttransistor mit einem gleichstrommäßig gekoppelten, komplementären Vorstufentransistor mit einem äußerst geringen Aufwand an zusätzlichen Schaltelementen, insbesondere unter Verzicht auf einen weiteren zusätzlichen Transistor.

Dies wird erfindungsgemäß bei der eingangs genannten Überlastungsschutzschaltungsanordnung dadurch erreicht, daß die Eingangsklemme für die Steuerspannung über eine von einem Spannungsteiler überbrückte Reihenschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators mit der Steuerelektrode des Vorstufentransistors verbunden ist und daß der Abgriffspunkt des Spannungsteilers über eine bei normalen Werten des Lastwiderstandes gesperrte Diode mit dem Laststromkreis in Verbindung steht.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles mit einem in Emitterschaltung betriebenen Vorstufentransistor und einem dazu komplementären, ebenfalls in Emitterschaltung arbeitenden Schalttransistor näher erläutert.

Die Eingangsklemme £ für die Steuerspannung ist über die Reihenschaltung eines Widerstandes R1 und eines Kondensators C mit der Basis eines npn-Vorstufentransistors T1 verbunden. Der Emitter dieses Transistors liegt direkt und seine Basis über einen Basiswiderstand R 2 am Bezugspotential OV, während sein Kollektor über einen Koppelwiderstand R 3 gleichstrommäßig an die Basis eines pnp-Schalt-

transistors T 2 angekoppelt ist, die über einen Basiswiderstand A4 am positiven Betriebsspannungspotential + UB liegt, an das der Emitter direkt angeschlossen ist. Der Kollektor des Schalttransistors ist über einen Strombegrenzungswiderstand R 5 im Verbindungspunkt X einerseits mit einer zum Lastwiderstand R 6 führenden Leitung L, andererseits über eine in Sperrichtung betriebene Diode D mit dem AbgriffspunktY eines die Reihenschaltung Rl,C überbrückenden Spannungsteilers aus zwei in Reihe geschalteten Widerständen R 7 und R 8 verbunden.

Die Wirkungsweise der Schaltung ist folgende: Bei fehlender Steuerspannung an der Klemme E sind die beiden Transistoren Tl und Γ 2 gesperrt, da ihre Emitter und Basen jeweils auf dem gleichen Potential OV bzw. + UB liegen. Ebenso ist die Diode D gesperrt.

Erhält die Klemme £ zum Zwecke der Einschaltung des Laststromkreises ein positives Steuerspannungspotential, so fließt über Rl, C und die Basis-Emitter-Strecke des Vorstufentransistors Γ1 ein den Kondensator C aufladender Strom, der diesen Transistor und damit über den Koppelwiderstand R 3 auch den Schalttransistor Γ 2 leitend steuert.

Bei normalen Belastungsverhältnissen des Schalttransistors nimmt bei an der Klemme £ anliegender positiver Steuerspannung der Verbindungspunkt X ein positives Potential an, das nur um die Summe der geringfügigen, vom Kollektorstrom des Schalttransistors verursachten Spannungsabfälle an dessen Emitter-Kollektor-Strecke und am niederohmigen Strombegrenzungswiderstand R 5 unter dem Potential + UB liegt. Da das Potential des Abgriffspunktes Y somit negativer ist als das des Verbindungspunktes X, bleibt die Diode D gesperrt, und der von der Klemme E über die Widerstände R 7 und R 8 fließende Basisstrom des Vorstufentransistors Tl wird durch die Diode D nicht beeinflußt.

Tritt im Zuge der Leitung L im Lastkreis ein Kurzschluß zum Bezugspotential OV auf, so bricht bei anliegender Steuerspannung das positive Potential im Punkt X zusammen, die Diode D wird leitend, und über sie und den Spannungsteilerwiderstand R 7 wird das positive Steuerpotential an der Eingangsklemme £ zum Bezugspotential OV abgeleitet. Damit erhält der Vorstufentransistor Π keinen Basisstrom mehr und geht in den Sperrzustand, wodurch wiederum auch der Schalttransistor T 2 gesperrt und der durch den Strombegrenzungswiderstand R 5 begrenzte Kurzschlußstrom abgeschaltet wird.

Wenn kein direkter Kurzschluß auftritt, sondern sich der Lastwiderstand R 6 nur unzulässig stark verkleinert, so sinkt bei anliegender positiver Steuerspannung das positive Potential im Verbindungspunkt X entsprechend ab. Unterschreitet es den Wert des Potentials im Abgriffspunkt Y, so wird dessen Potential infolge des Leitendwerdens der Diode D mit herabgesetzt. Dadurch wird der Basisstrom des Vorstufentransistors Tl kleiner und seine Emitter-Kollektor-Strecke hochohmiger, wodurch auch der Basisstrom des Schalttransistors Γ 2 abnimmt, seine Emitter-Kollektor-Strecke hochohmiger, das Potential in den Punkten X und Y weiter absinkt und schließlich in einem steilen Kippvorgang die völlige Sperrung beider Transistoren und damit die Abschaltung der Last erfolgt.

Der Spannungsteilerwiderstand Rl, die Diode D und der Lastwiderstand R 6 bilden einen Spannungsteiler für die Steuerspannung, wobei der Durchlaßwiderstand der Diode wegen seiner Kleinheit vernachlässigt werden kann. Da R 7 in der Regel wesentlich hochohmiger als R 6 ist, bleibt auch nach Aufhebung des Kurzschlusses bzw. der unzulässigen Niederohmigkeit der Last im Punkt Y kein ausreichendes positives Potential bestehen, das über den Widerstand R 7 den Vorstufentransistor T1 und damit auch den Schalttransistor Γ 2 leitend steuern

ίο könnte. Der Schalttransistor Γ 2 bleibt also gesperrt. Wird nun zwecks Prüfung, ob der Kurzschluß oder die Überlast noch vorhanden ist bzw. zwecks Wiedereinschaltung des Laststromkreises bei anliegender Steuerspannung die LeitungL oder das OV Potential des Lastwiderstandes R 6 kurzzeitig unterbrochen, so entfällt die Belastung durch den Widerstand R 6, die Diode D wird gesperrt, und es fließt ein genügend starker Basisstrom über den Vorstufentransistor Tl, der diesen und den Schalttransistor Γ 2 leitend steuert. Liegt noch eine Überlastung vor, so kippt die Anordnung anschließend wieder in den Sperrzustand zurück. Andernfalls ist eine solche Prüfung bzw. Wiedereinschaltung erst nach Abschaltung der Steuerspannung und Entladung des Kondensators C durch erneute Anschaltung der Steuerspannung möglich. Nach Abschaltung der Steuerspannung und Entladung des Kondensators C über R1, R 7, R 8 und Wiedereinschaltung der Steuerspannung erfolgt in jedem Fall eine erneute Überwachung der Lastverhältnisse.

Liegt bei Anschaltung der Steuerspannung bereits ein Kurzschluß oder eine unzulässig hohe Last vor, so werden beide Transistoren Π und T 2 durchgesteuert, solange über den Kondensator C und die Basis-Emitter-Strecke des Transistors T1 ein ausreichender Ladestrom fließt. Diese Zeit kann jedoch durch entsprechende Dimensionierung des Kondensators C und der Widerstände Rl, Rl und R 8 sehr kurz gemacht werden, so daß auch nur entsprechend kurzzeitig der Schalttransistor leitend gesteuert und der Begrenzungswiderstand vom Strom durchflossen werden.

Bei vorwiegend kapazitiver Last und auch bei nichtlinearer Last (z. B. Glühlampe) muß der Kondensator C so groß gewählt werden, daß nach Anlegen der Steuerspannung der Lastwiderstand R 6 bereits seinen stabilen Endwert (z. B. den Warmwiderstandswert) und damit das vom Wert Null ansteigende Spannungspotential am Verbindungspunkt X bereits seinen stabilden Endwert erreichen, bevor der Ladestrom des Kondensators auf einen zu geringen, für das Leitendhalten des Vorstufentransistors Π nicht mehr ausreichenden Wert abgesunken ist.

Der Mehraufwand, den die dargestellte Schutzschaltung nach der Erfindung erfordert, ist offensichtlich äußerst gering. Er besteht lediglich in der DiodeD, den zwei Widerständen Rl, R 8 und dem Kondensator C. Alle übrigen Elemente werden bei dem gezeigten Schalttransistor mit Vorstufentransistör sowieso benötigt.

Die Zeichnung zeigt einen npn-Vorstufentransistor und einen pnp-Schalttransistor. Selbstverständlich kann auch die umgekehrte Kombination verwendet werden. In diesem Fall sind auch die Diode D und die Speisespannungspotentiale umzupolen.

Das Umkippen in den Sperrzustand kann beschleunigt werden, wenn parallel zu R 8 noch ein Kondensator angeordnet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Uberlastungsschutzschaltungsanordnung für einen eine Last speisenden Schalttransistor, mit einem gleichstrommäßig gekoppelten, komplementären Vorstufentransistor gegen Überlastung bei zu niederohmiger bzw. kurzgeschlossener Last, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsklemme (E) für die Steuerspannung über eine von einem Spannungsteiler (R 7, R 8) überbrückte Reihenschaltung eines Widerstandes (R T) und eines Kondensators (C) mit der Steuerelektrode des Vorstufentransistors (TT) verbunden ist und daß der Abgriffspunkt (Y) des Spannungsteilers über eine bei normalen Werten des Lastwiderstandes (R 6) gesperrte Diode (D) mit dem Laststromkreis in Verbindung steht.

2. Überlastungsschutzschaltungsanordnung nach Anspruch 1 bei einer nichtlinearen Last, z.B. einer Glühlampe, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (C) so dimensioniert ist, daß nach Anlegen der Steuerspannung der Lastwiderstand bereits seinen stabilen Endwert (z. B. den Warmwiderstandswert) und damit der Verbindungspunkt (X) der Diode (D) mit dem Laststromkreis bereits seinen stabilen Spannungspotential-Endwert erreichen, bevor der Ladestrom des Kondensators (C) auf einen zu geringen, für das Leitendhalten des Vorstufentransistors (Tl) nicht mehr ausreichenden Wert abgesunken ist.