DE1809570A1 - Transistorschutzschaltung - Google Patents

Description

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It 1147

SONY CORPORATION, Tokyo, Japan

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Tr&nsiotorechutzschaltung

DIg Erfindung bezieht sich auf eine Transistorschutzaohaltung, insbesondere mit einer Strombegrenzungsschaltung.

Bei Transistoren läßt der Eollektorleiutungsvftrlust die Temperatur der Gr*.nzs<Jiiichtfcn ansteigen, was bei Überschreitung eines bestimmten Wertes sum Zusammenbruch des ΤΓαη8.ίβδοι·8 führt.

Der lnaxiinale zulässige KoIlektorlö.istungsverlust, der noch nicht zum Zusammenbruch deo Transistors führt, ist im wesentlichen konstant. Wenn aleo die Kollektorspannung bei einem mit seinem Eirdtter en Masse liegenden Transistor angestiegen iöt, eo fcoeteht die Gefahr, ciafi der· Koliektorleistung&verlust den maximal suläöBigin Wert üb ?r 3 uhr s it et und damit ru einem Zusamsienbruch des Transietors führt, wann ntoht der Kollekt.crstrora verringert wirrt. Wurm beiipielsweise boi einer transistorisierten, öiner.digan Oegentiiktsclialtunp; (die im allgemeinen als SSl^t?"St;hf..ltUi7g bezeichnet wird) dis Last Kux·?: geschlossen wird» so bildet ir.ir der Atrngtingskoppelkonlonnabor di»

9 o 3 ß 2 e / ο ω s e

⁸^S OPMGiNAL

verbleibende LaBt₁ deren Impedanz nahe an Null geht. Da as sich um eine Blindlast handelt, wird das Phasenverhältnis zwischen der Kollektorspannung und dem Kollektorßtrora verschoben. Wenn daher die KolXsktorspannung im Hinblick auf einen niedrigen Eingang einen Maximalwert besitzt _a 3O fließt auch der maximale Kollektoretrom, so daß dal· Kollaktorleistungsvarlust die zulässige Bereichsgrenze überschreitet. Ee wurda achon vorgeschlagen, einen Strombegreneer su verwanden, der den Kollektoratrom innerhalb des vorgegebenen Bereiches hält und damit den Transistor selbst unter den geschilderten ümutänden vor einem achützt.

Der Strombegrenser hält den Kollektojcatrom unabhängig; von der Kollektorspannung unter einarc bestimmten Wert und hält damit den Kollektorloiatungsvorluat innerhalb dar Bereiohsgrenzen. Wenn eine induktive Last, beispielsweise eine L-Eutoprecberspule von etwa H O'nai in Reihe mit Cma Außgange-Koppelkondsneator in dem erwähnten SEPP-Krtsis gefichaitot viird, eo basteht keine Mö^liihkeit ₉ eine Phasen« vöx'schiebung Ewisohiin der Kollokt Urspannung und dem Kollsktcratron eineuführen. Dadurch wir3 gswährlsistet, daS der Ti'aTiSistcx· normal ferbeitefe, ealbeb wenn-ösr Kollektordtroirs den &eferisbostrom des Stroiabegrnnzei's überschreitet. Di® Verwendung einee solchen Strombegrsnsers schränkt jadooii die an dor Laet maximal ersiölbars Ausgaiigaleistung erheblich sin. Selbst wenn ferner &<sr Kollektor strom kleiner ale der durch den Strombegrenz.ex» be stimmt β Werfe iat, aokann ein Anstieg der Kollektorepannimg den Kollektorlei" atungavsrlust so weit ansteigen lassen,, das ein Zuocmmen·" bruch de3 Transistors zur Folge lot, Ua der Strombegi'&nssr in einem solchen Falle nicht wirkwam-wird» Ein idealer

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Schutz des Transistors kann daher nur durch einen Strom» begrenzer erreicht werden, dessen Stromwert ansteigt, wenn die Kollektorspannung gering ist, dessen Stromwert dagegen sich verringert, wenn die Spannung hoch ist, bei dem sich also der Arbeitspunkt dos Strombegrenzera mit der vorhandenen Kollektorspannung ändert.

Dar Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Transiatorsehutzschaltung su entwickeln, die einen Transistor so gut wie möglich ausnützt, ihn jedoch zugleich schützt. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Entwicklung einer Transistorschut.zschaltung mit einem Sfcrombagrenzer, der den Kollektorstrom auf einem Begrenzungswert steuert, der einer Spannung entspricht, die einem jäh eohützendon Kaupttransistor zugeführt wird. Durch die Erfindung soll ferner eine Tronsistorschutesohaltung entwickelt werden, deren Strombegrenzungswert sich mit der Kurve, die den maximal zulässigen Kollektorleistungsverlußt eines zu schützenden Haupttransistors angibt, ändert.

Durch die Erfindung soll weiterhin ein Transistorverstärker entwickelt wenden, bei dem der Kollektor und Emitter eines zur Begrenzung dienenden, komplexen Transistors zwischen die Basis und den Emitter eines verstärkenden Transistors geschaltet sind und die Spannung

zwischen dem Kollektor und Emitter des Verstärkenden Transistors der Basis dee begrenzenden Transistors zugeführt wird.

Ziel der Erfindung ist schließ:ich die Schaffung einer Transistorsohaltung, die als Ausgängs-LeistungsverstSrkerkrcri3 geeignet ist.

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IAB ORiQtNAL

Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß eine erste Gruppe von Schaltungeelementen zur Erzeugung einer dem Kollektoretrom dee Transistors entsprechenden Spannung und eine streite Gruppe von Schalungselementen zur Erzeugung einer der zwischen Kollektor und Emitter dee Translators herrschenden Spannung entsprechenden Spannung vorgesehen sind und daß diese Spannungen der Strombegrenzungasohaltung zugeführt werden, die einen von der Qleichspannungsquelle gelieferten, den Transistor durchfließenden Strom steuern, wenn der Kollektorleistungsverlust des Transistors einen zulässigeh Wort überschreitet,

Diese und weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung einiger in de? Zeichnung veranschaulichter Ausführungsbeiepiele hervor. Es zeigen

Fig. 1 eine graphische Darstellung der verschiedenen Strom-Spannungs-Abhängigkoiten;

Fig. 2 das Schaltbild eines Ausführungsbeispieles der Erfindung;

Fig. 3 bis Fig. 12 Schaltbilder von abgewandelten Ausführungvbeispielen der Erfindung;

Fig." 13 das Schaltbild eines weiteren Ausführung»*»

beispieles (in Anwendung auf einan einseitigen Gegentaktverstärker).

Es wurden bereits verschiedene Schaltungen vorgaaohla™ gen, um Transistoren vor einem Zusammenbruch während des Betriebes zu schützen. Der sogenannte SEPP-Krels

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BA© ORIGINAL

-eine Stronbegrensungssohaltung, die anhand von Fig. 1 erläutert sei. In Fig. 1 ist eine Lastkurve 1 veranschaulicht, eine Kurve 2, die die maximal zulässige Xollektörverlustleiotung veranschaulicht (d. h. die sogenannte Po-Iurve), ferner ein Strorabegransungswert 3. Die Stroabegrensungssohaltung ist in den SEPP-Kreis derart eingefügt, daft die Kollektorverlustleistung der Transistoren niedriger als ihr maximal eultse.iger Wert gehalten wird, der durch den SEPP-Kreis bei P₁ bestimmt ist. Das Besugs,-selehen Vg veransohaulioht eine Spannungequelle; die Spannung an Anechlußpunkt der Transistoren· sur Gewinnung einer Lastspannung ist V_ß/2. Bei Verwendung des Strombegrensungskraises wird der Ausgang des SEPP-Kreises unter einem Wert gehalten, der durch den Schnittpunkt P₂ der Lastkurve 1 alt dem Stroabegreneungswert 3 gegeben ist. Kommt der Kollekturleisfcungsverlust in einen höheren Bereich als durch den Punkt P₁ und die Kurven 2 und 3 definiert, so besteht die Möglichkeit, daß die Strombogronsungssohaltung nicht arbeitet, was su einem Zusammenbruch der Transistoren führt.

Anhand von Fig. 2 sei nun die erfindungsgemftße Schutzschaltung erläutert* Der su schützende K&upttransistor X₁ sei als Transistor des npn-Typs angenommen. Die Basis des Transistors X₁ ist mit einem Singangsanechluß t« vorbunden« Der Kollektor steht einerseits mit einem Ausgangsansehlufi t_c und andererseits über einen Lastwiderstand R^ mit einem Spannungsansohlufi t;_p in Verbindung. Zwischen die Basin und den Emitter des Transistors X₁ ist ein Steuertransistor X» geschaltet. Bei dera dargestellten Ausführungsbeispiul ist auoh der Transistor X₂ ein npn-Tranelstor, dessen Kollektor an die Baei» des Transistors X^ und dessen Basio an den Verbindungspunkt tsweier in

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BAD ORiQiNAL

Reihe geschalteter Widerstände 4 und 5 angeschlossen ist, die ihrerseits «riechen den Kollektor und den Emitter des Transistors X₁ geschaltet sind. Der Transistor X₂ wird mit einem Teil der zwischen Kollektor und Emitter des Haupttransistor«» X₁ vorhandenen Spannung gespeist. Um die Basis dos Steuortransiators X₂ mit einer Spannung »u versorgen, die in einer Beeiehung zum Xollektorstrom des Haupttransistors X^ steht, ist der Verbindungspunkt »wischen dem Emitter des Transistors X. und dem Widerstand β über den Widerstand 5 an die Basis des Translators X₂ angeschlossen. Während des normalen Betriobas ist der Steuertraneletor X₂ im nichtleitenden Zustand und wirkt daher mit dem Haupttransistor X₁ nicht i. Wenn der Kollektorleiatungoverlust des Haupi-

X₁ seinen vorgegebenen Qrensbereich überschreitet, wird der SteuertransIgtor X₂ leitend und steuert den Basisstrom des Transistors X₁, wodurch der Kollek torstroa dieses Transistors X₁ verringert und der Transistor X₁ damit vor einem Zusammenbruch geschützt wird. Bezeichnet n&n den Kollektorstroai dss Haupttrcnnistcro X₁ nifc Iq und die βwischen Kollektar und Emitter des Hauptträne J. Qt Ji'a X₁ vorhandene Spannung mit V_c, ferner die Spannung »wischen Basis und Emitter des 3t#uertranaistora X₂ als Vgg und die Wideretandsverte der Widerstände 4, 5 und 6 jttit. R₁, Rg und H₀, so boe&oht folgend«

■ ^R2

R₁ * R^

Der ferste Ausdruck auf der rechten Seite der obigen öleichung entspricht einer Spannung, die mit dnv Kollektorspannung das Transistors X₁ verknüpft ist. Der

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ΒΑΘ ORiGiNAL

Ausdruck ist eine Spannung , die in Besiehung sum Kollektors tron steht. Diese Spannungen werden der Basis des Transistors X₂ sugeführt. Die Gleichung (1) läßt sich wie folgt schreiben:

SE1

v_c (2)

I » S- 1 v_c

R₀ R₀(R₁₊R₂)

BE

Bei V_C«O fließt infolgedessen ein Strom -jp- Wert des gesteuerten Stromes n:lmmt bei Erhöhung der

R Kollektorspannung mi$ einem Gradient 2 ab»

was durch eine gerade Linie 7 :".n Fig. 1 veranschaulicht ist.

Eine Annäherung der geraden Linie 7 an die Kurve 2 führt infolgedessen eu einer Vergrößerung des Arbeitsbereiches des Haupttransistors X₁. Im Falle des SEPP-Kreisee kann beispielsweise der Haupttransistor bis eu oinem Schnittpunkt P, der Lastkurve 1 mit der geraden Linie 7 getrieben werden, so daß sich sein Ausgang entsprechend vergrößert. Wenn in diesem Falle der Anschluß t_ß an den Verbindungspunkt zwischen der Basis des Haupttransistors X₁ und dem Kollektor des Transistors X₂ angeschlossen wird, so wird der Anschluß t_c mit dem Verbindungspunkt Ewischen dem Emitter des Transistors X₂ und einem Widerstand 6 verbunden; wenn di?se Anschlüsse t_ß, tg und tg jeweils als Basis, Kollektor und Emitter eines Transistors betrachtet werden, kann diese Schutzschaltung auf einen anderen Trensistorkrois angewandt werden.

Wenngleicfjndt der geraden Linie 7 die der Kurve 2

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(welche den zulässigen Kollektorleistungsverlust darstellt) angenähert ist, bereite ein beachtlicher Strombegrensungseffekt erreicht wird, so läßt sich eine noch weitergehende Annäherung durch eine Polygonlinie erreichen. Dies sei anhand von Fig. 3 erläutert; gleiche Elemente sind dabei mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Ein Widerstand 8 ist zw.iachen den Widerstand ή und den Kollektor des Haupttraneistors X«, in Reihe sum Widerstand 4 geschaltet. Die Reihenschaltung eines KonstantSpannungselementes, beispielsweise ein@r£ener-

" diode 3.0, und eines Widerstandes 9 istfewischen dem Verbindungspunkt der Widerstände 8 und ^ und dem Emitter dee Haupttransistors X₁ angeordnet. Wenn bei der Schaltung d©r Fig. 3 die Spannung »wischen dem Kollektor und dem Emitter des Haupttransißto^s X₁ niedrig iofc, bo bleibt die Zenerdiode 10 im Ausschaltzustand, was dieselbe Charakteristik wie die Schaltung gemäß Fig. 2 ergibt. Der Kollektorstrora I_c v«rring«rt sich also relativ stark bei einer Vergrößerung der Kollektor-Emitter-Spannung V_c< Wenn die Kollektorepannung V"_c einen bestimmten Wert überschreitet, so wird d'c Zenerdiode 10 durch den ftenor-Effekt leitend, und es wird infolgedessen der Basis de» Steuertransiatcra X.₍ ein konstante Spannung, augeführt. Gleichzeitig wird eine mit dem Kollektor-

Btrom I_ verknüpfte Spannung der· Basis des Transistors c

X-, zugeführt, In dießom Falle- wird die Kollaktorspannung-Stroia-Charalrteristik d©ß Haupttransiotors X₁ verhältnis-

aanft geneigt. Werden jotBt die Wideratandswerte Widerstände 8 und 9 cait R·» und R^ und Ssnerspfinnung der Zanerdiode 10 irit 7,. bezeichnet, so ist bei

^Rl

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VT? V

^Ro ^Ro R₁₊R₂₊R₃

ergibt sich
τ β ^VßE

" -^-(R₁₊R₀)* R₁₊R^₊R,

^Ro

-2-(R₁₊R₂)^R₁₊R₂₊R

Dies ist in Fig. 1 als Kurve 11 veranschaulicht. Bei geringst Kollektorspannung V₀ ist die Kurve Ii

steil geneigt. Überschr&itet V₀ A&gogen

den Wert ^Rl**2**ϊ _v , so wird die Kurve flacher geneigt

~^Ri ♦ R₂ *' und ti&h«rt ei oh danlt der Kurv« 2 währ alu die Linie 7*

isu verhindern« da* ein Strom von 6er Baoia dee X, sun Kollektor fli«Ät., w*iin der Haupt-₁ nicht leitend iat, wird ein nur in «inor leitendes Element, beispiolaveine eine Diode 12, in Ifozrjtärt«riehtung in der aua Pig. *i ersichtlichen Weis® en dsn Transistor X₀ angeschlose^n. Dieses El«*- v hält den Translator X^ in ausgeschaltetem Zuntand.

Wird statt dor Diode 12 ein Transistor X, verwendet

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- ίο -

(vergleiche Fig. 5), so kann das unerwünschte Leitend», werden des Transistors X» verhindert werden; das gesamte hp_E der Transistoren X₂ und X- steigt an und gewährleistet damit eine erhöhte Steuerwirksamkeit. Ein Transistor X^ kann ferner nach Art der Darlington-Schaltung (Fig. 6) anjden Transistor X^ angeschlossen werden. Man kann ferner die Transistoren X₁ und X₁J bei unterschiedlichen Leitfähigkeitstypen nach Art der Darlington-Schaltung so verbinden, wie dies aus Fig. 7

. ersichtlich 1st. Die Figuren 8 bis 13 eoigen schließlich " Ausführungsbeispielej bei denen die Tranaistoren X₁ bis Xjj Transistoren des pnp-Typs sind (während bei den Schaltungen der Figuren 2 und H bis 7 npn-Typ-Transietoren vorgesehen sind). Im übrigen sind|einander entsprechend die Bauteile mit denselben Beaugszeiehsn versehen und nicht näher erläutert.

Anhand von Fig. 13 sei ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung in Anwendung auf einen sogenannten SEPP-Kroie erläutert. Hierbei wird aus den Transistoren X₅ » Xg, X₇ und X» ein halbkomplementärer Symmetrie-SEPP-Kreis aufgebaut, wobei der npn-Transis&or Χ» und der pnp-Translstor Xg jeweils salt den npn-Transistoran X^ und Xg verbunden sind und dl® Tr&nelaio-

X₇ mid Xg durch einen gsm^lnsamen Transistor gaepaiat werden. Der Transistor X^ ist Übai» ein Vorspannung lieferndes Element, belepielBw& Diode 13 und einen Widerstand 1*1₉ mit einem ansohluß 15 verbunden. Die 3öhaltung enthält ferner einen Eingangsansohluß 161, ainen f.iisgangsaneshi'oß I60 und oinsn Aussangakoppellcondensator 17. Da^ Traniistor X₉ ißt als Steuerferansistor rait dc?n Tranoletor 3w vex·- bunden; »wischen den Verbindunsepunkt der T

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BAD

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X- und X^ und den Kondensator 17 ist ein Widerstand eingeschaltet. Ein Spannungstedlerwiderstand 19 1st parallel sun Widerstand 18 angeordnet; der Emitter des Transistors X₂ 1st mit dem Abgriff des Widerstandes verbunden. Der Kollektor des Transistors X₂ ist mit der Basis des Transistors X. über eine Diode 20 verbunden, die relativ zu« Transistor X₂ in Vorvärtsrlchtung gesohaltet ist. Die Reihenschaltung sweier Widerstände und 22 ist zwisohen dem Verbindungspunkt der Transistoren Xc und Xg und dem Spannungsarmchluß 15 angeordnet. Der Verbindungapunkt der Widerstände 21 und 22 ist an die Baals des Transistors X-angenchlossen. Ein Transistor X₂t ist sum Schute des Transintors Xg vorgesehen; der Emitter des Transistors X₂, int mit der Basis des Transistors Xg verbunden. Der Kollektor ist an den Verbindungspunkt εwischen dem Kondensator 17 und dem Widerstand 18 angeschlossen. Di« Basis des Transistors X₂, 1st mit dem Kollektor eines Transistors X-, verbunden, dessen Emitter an den Abgriff des Spannungsteilerwiderstandes 19 angeschlossen ist und dessen Basis mit dem Verbindungspunkt der in Reihe geschalteten Widerstände 23 und 24 verbunden ist; diese Reihenschaltung liegt Bwisohen dem Verbindungspunkt der Transistoren Xc und Xg sowie Mass*. Wenn in diesem Falle einer der Transistoren X- und Xg leitend ist, so ist der andere nlohtleitend; zwischen Basis und Emitter des nichtleitenden Transistors ist dann eine Gegenspannung vorhanden. Die Diode 20 liegt dann in Reih«) su dem Sohutssteuertransistor X₂ wie oben erläutert oder eo ist der Transistor X,, mit entgegengesetster Polarität gagnUber dem Transistor X-, mit dem Transistor X^ verbunden, so daß eine Verringerung der Eingänge-

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impedanz verhindert wird. Der Spannungsteilerwiderstand 19 ist entsprechend dem Widerstand 6 in Pig. 2 parallel sum Widerstand 18 geschaltet; eine am Widerstand 18 auftretende Spannung wird den Transistoren X₂ und X₂I εUGCführt.

Der erfinfiungegemäße Sohuktkreis ermöglicht eine wirksame Verwendung von Transintoren und verhindert die -Möglichkeit ihres Zusammenbruche. Die Ausgangs», leistung «ines Verstfirkers mit einem Steuerausg&ng von 50 W kann durch Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltung bis auf 100 W erhöht werden.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   Transistorschutaschaltung rait wenigstens einem Transistor, Schalungselementen zur Verbindung des Transistors mit einer Gleichcpannungequelle sowie eine? on die Basis des Tranaiators angeschlossenen Strombogrenzungcachaltung, dadurch gekennzeichnet , daß eine erste Gruppe von . Schaltungselementen zur Erzeugung einer deai Kollektoratrom das Transistors entsprechenden Spannung und «ine sweite Gruppe von Schal5ungaelementen zur Erzeugung einsr d«r* zwischen Kollektor un£ Emitter des herrschenden Spannung entsprechenden vorgesehen sind und daß diese Spannungen Sti'OMbegrenzunsftcchÄltung zugeführt; werden, die ©inen von der Glöiehspannungequelle gelieferten, y.,. den Transistor durchfliftfi^nden Strom steuern, wenn ■ der Kollektorlaistungöverluat des Transistors einen ' zulässigen »Jert überschreitet, '.·/■',

   Trar-aiiitorechutasöhÄltung nach Anspruch 1, dadurch >^!

   das die CftroabegrenEungeechaltuns ,.".■,,'

   ?.r, Darlingson-Scha^.fcujng angöordnefcen Trür:- ι

   bestellt.

   3. TrarjalstorecbutBechalturig naah Anspruch 1,

   gofcennsöiehnet, daß die Strocibegrenaungeechaltuiig aus eier Reihenochaltung eines Transistors und «iner besteht.

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   BAB ORIGINAL

   4. Traneistorcchuteschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß tine Zener-Diod* parallel su dar zweiten Gruppe von Schaltungselementen an die Strombegrenzungssohaltung angeschlossen ist»

   5. TransietorschutEsohaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennsoiohnet, daß die Transistoren, deren Kollektorlaiatungsverlust überwacht wird, in Darlingtonschaltung angeordnet sind,

   6. Tranüiotorschutaschaltung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet,daß zwei Paare vcn Translatoren vorgesehon sind, von denen die Transistoren des ersten Paare» an ihrem Verbindungspunkt ainen gemeinsamem AusgdngaanschluB und die Transistoren deu zweiten Paares eine Eingangselektrode und eine mit dem ersten Transietorpaar verbundene Ausgangoelektrode aufweisen, wobei die Strombegransungsechaltung an die Basis dsvTTrans.istoreri des sweiten Paares angeschlossen ist, eine Einrichtung tür Aussteuerung dos zweiten Transist orpaaree vorgesehen ist und der Kollektorleistung«- verlust ,Jodes Transistor» des zweitsn Paares überwacht wird*

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