DE1811765A1

DE1811765A1 - Verstaerkerschutzschaltung

Info

Publication number: DE1811765A1
Application number: DE19681811765
Authority: DE
Inventors: Sondermeyer Jack Charles
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1967-12-05
Filing date: 1968-11-29
Publication date: 1969-08-21
Also published as: DE1811765B2; GB1236449A; US3536958A; FR1597715A

Description

Radio Corporation of America EGA 59 270

US Serial Number 688 215 Filing Date 5.Dezember 1967

VERSTÄRKERSOHÜTZSCHALTUNG

Die Erfindung betrifft einen Verstärker ait einer Sohutzschaltung zur Begrenzung des Steuereignales eines Tranaistore, derart, dafl eine Aussteuerung des Transistors über eine Yerlustleistungsgrenie hinaus verhindert wird. Sin besonderes Anwendungsgebiet der Erfindung betrifft Kraftverstärker mit Hoohleistungstransistoren.

Spannungsgegengekoppelte Verstärker haben eine niedrige Ausgangsimpedans, geringe Verzerrungen und eine groee Übertragungebandbreite. Bei bestimmten ungünstigen Betriebszuständen liefern solohe Verstärker hohe Spitzenströme an eine Last oder auf einen zufälligen Kurzschluß, wobei die Verlustleistung so stark ansteigt, daft der oder die Ausgangs* transistoren zerstört werden können.

Ss sind Verstärkersohutssohaltungen bekannt, welche bei zugroßer Verlustleistung duroh eine Verringerung des Bingangssignales Leistungsstärker gegen überlastung schützen. Diese Sohutzschaltungen haben im Überlastungsfall eine Zeitverzögerung, die jedoch zum Schutz des Ausgangstransistors zu lang sein kann. Ss ist ferner bekannt, zur Herabsetzung des mittleren Verstärkerstroms eine Steuerung der Vorspannung derart vorzunehmen, dafl eine übermäßige Verlustleistung bsi Überlastungefällen vermieden wird. Solohe Schaltungen arbeiten

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Jedoch nicht zufriedenstellend, da die Veränderung der Vorspannung den Arbeitspunkt in das nioht lineare Kennliniengebiet verschiebt, so daß Terzerrungen auftreten.

Eine Bemessung des Verstärkers nur auf der Grundlage der Verlustleistung des Leistungstransistors hat sich als unwirtschaftlich und außerordentlich kostspielig herausgestellt. Im B- und AB- Betrieb der Ausgangstransistoren lassen sioh eine niedrige Ruhestromverlustleistung und relativ hohe Ausgangsleistungen erreichen. Während der Leistungsspitzen übersteigt die AugenblloksTerlustloistung die Ruheetromverlustleistung für kurze Augenblicke, und wegen der nur begrenzten thermischen Masse muffen die Höhe und die Dauer dieser Leistungsspitzen sorgfältig überwacht werden.

Sie Frenzen dieser noch nioht zerstörend wirkenden hohen Leistungsspitzen werden in der Technik al« Sloherhelte- ~ ~ grenzen des Betriebs des Traneistore bezeichnet. Daher darf der Verstärker nioht über diese rom lersttller angegebenen Grenzen hinaus ausgesteuert werden, wenn vorzeitige Ausfälle verhindert werden sollen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer einfachen und wirksamen Schaltung eines Überlastungsschutzes für einen Transistorverstärker.

Diese Aufgabe wird bei einem Transistorverstärker erfindungsgemäfl dadurolg gelöst, dag eine dem Transistorstroa proportionale Spannung und eine den Transistorkollektorepannungsabfall darstellende Spannung (die feequemerweis· proportional der Lastspannung ist) so zusammengefaßt werden, daß eine derartige Begrenzung des Steuersignals für den Transistor bewirkt wird, daß ein Betrieb des Transistors über sein« Sioherheitsverlustgrenze hinaus vermieden wird.

Ein die Erfindung realisierender Traneietorytrsstärker kann

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Schaltungeteile aufweisen, welche sowohl *i· dem Transistorstrom entsprechende als auoh die der Lastepannung proportionale Spannung ableiten, wobei diese Spannungen so kombiniert werden, daß bei überaohrelten eines Schwellwertes die Steuersignale begrenzt werden, so daß Kollektorspannung und Kollektorstrom des Transistors auf sichere Warte innerhalb der Sicherheit egrenz en beschränkt werden.

Bei einer bestimmten Ausführungeform der Erfindung wird die Überlastungsschutzschaltung auf einen Eomplementär- oder ijuasi-Komplementär- (tegentakttransistorrerstärker angewendet. In dieser Schaltung ist ein Paar Sohutztransistoren swaschem dam M Yerstärkerausgangsanschluß und einem Funkt dar Vorspannungsund Signaleingangsschaltung, welcher beiden Basen der komplementären Ausgangetransistoren gemeinsam 1st, geschaltet· Die Spannung über dem den Strom abfühlenden Widerstand wird mit der an der Last abgefühlten Spannung kombiniert, so dafl bei AusgangsstrBmen und Ausgangaspannungen das Transistors außerhalb der Sicherheitsgrenzen ein Schutz für den leitenden Transistor bewirkt wird, in.jfl.em daß Steuersignal für die Ausgangs transistor en begrenzt wird.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Darstellungen ron Auaführungsbeispielen der Erfindung erläutert. Es zeigt

Fig.1 Ein Schaltbild das erfindungseemäfien Ausgangsrer-

stariere Pig.2 eine Darstellung das KoIlaktorStroms und der Kollaktor epannung innerhalb der Sicherheitsgrenzen für die

Schaltung naoh figur 1 Pig.3 Ein Schaltbild eines Transistorrarstärkers mit einer

Diode als Sienerheltselement für die Einhaltung dar

Grenzen Fig.4 Sine Darstellung der Sioherheitegrensen bei der

Sohaltung gemäß Fig.3 und Fig.5 ein Schaltbild eines vollständigen 70 Watt Tonfrequene rerstärkers naoh dar Erfindung.

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Pig. 1 zeigt eine Verstärkerschaltung eines komplementären symetrischen Gtegentaktverstärkers mit einer Schutzschaltung nach der Erfindung. Ein Paar Leiβtungsausgangstransistoren 1 und 2 entgegengesetzten Leitungetype werden durch eine nicht dargeetellte Eingänge- und Vorepannungeschaltung gesteuert, die mit den Anschlügen 10 und 11 verbunden ist.. Die Traneistoren 1 und 2 sind über AbfUhlwiderstände 14 und 13 mit einem Ausgangeanschluß 15 verbunden. Zwischen dem AusgangsansohluB 15 und Masse kann ein lautsprecher oder eine andere geeignete Last angeschlossen werden, die durch einen Widerstand 12 dargestellt wird. Die weitere Schaltung mit den Transistoren 3 und 4 begrenzt den Strom in den Ausgangetransistoren· Sie Transistoren 3 und 4 dienen dem Sohutz der Ausgangs transistor en 1 und 2, indem sie die Eingangs- und Vorepannungesohaltung mit dem Auegangslastwiierstand 15 verbinden, wenn die Kollektorströme und - spannungen der Transistoren und 2 die Werte der Sicherheitegrenze überschreiten. Der Schute der Ausgangstransistoren wird dadurch bewirkt, daß die Basissteuerspannung der Transistoren 1 und 2 durch die Transistoren 3 und 4 überbrückt wird.

Die Begrenzung der Transistorspannung und des Transistorstromes erfolgt in einem Wertebereich, der den Sicherheitsgrensen für den Transistorbetrieb für alle möglichen Ausgangslasten angepasst ist. Die Sicherheitegrenzen sind so gewählt, dafi bei kleiner Lastspannung und groBer Kollektorspannung der Strom auf einen kleinen Wert begrenst wird. Wenn an der Last eine größere Spannung abfällt und die Transistorepannung geringer ist, sind gröflere Ström· luläesig. Damit ist die Gxense des Sioherheltebereiohte tine Tunkt ion des Stromes und eine ungekehrte funktion der Lastspannung.

In Pig.1 bilden die Widerstände 14 und 16 und 17 und der Lastwlderstand 12 eine vom Ausgangstransistor 1 gespeiste Widerstandbrüoke. Die Widerstände 12 und 17 liegen einseitig an Masse, während ihre anderen Enden mit den Widerständen

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bzw. 16 verbunden sind. Der Verbindungspunkt der Widerstände 14 und 16 ist der Brückeneingang, der mit dem Emitter des Transistors 1 verbunden ist. Der Emitter des Schutetransistors 3 liegt am Verbindungspunkt der Widerstände 12 und 14« und seine Basis liegt am Verbindungspunkt der Widerstände 16 und 17, so daß der Transistor 3 eine Unsymotriespannung der aus den Widerständen 12, 14, 16 und 17 gebildeten Brücke abfllhlt. Ist der Strom im Wldsrstnfed 14 gleich dem Strom im Lastwiderstand 12 und ist das Widerstandsverhältnis der Widerstände 14 und 12 gleich dem Verhältnis der Widerstände 16 und 17» dann ist die Brücke abgeglichen, und zwischen Basis und Emitter des Transistors 3 liegt keine Spannung. Wenn sich jedoch die Ir'jiendanisverhältniese genügend unterscheiden, sodaß die Anspreohschwelle des Transistors überschritten wird, dann tritt eine Begrenzung des Steuersignale· ein, so daß die Transistoren is Sioherheitsbereioh betrieben werden.

Pig.2 zeigt ein Diagramm der Sioherheitsgrenzen für den Transistorbetrieb bei der Sohaltung naoh Jig.1. Es veranschaulicht , wie die Sohaltung hohe Ströme zuläßt, wenn der Spannungsabfall am Transistor klein ist, und entsprechend nur geringe Ströme, wenn der Spannungsabfall am Transistor entsprechend der Grenzlinie 5 groß ist. Die sohraffierte Gesamtfläche unterhalb der Grenzlinie 5 veransohauSoht dem durch die Schutzschaltung gewährleisteten Sioherheitsbtreioh für den Traneistorbetrieb· Innerhalb der Grensen des duroh die Sohaltung garantierten Schutsbereioh.ee ist eine typische Widerstandsgerade 6 eingezeichnet* An den Ausgang des Verstärkers kann nun jede beliebige Last angeschlossen werden und innerhalb der duroh die Grenzlinie 5 gegebenen Stromgrenzen betrieben werden«

Ein bedeutender Gesichtspunkt der Erfindung liegt darin, daß der Abführtransistor 3 nur auf eine Brüokenepannung einer Polarität anspricht. Diese Polarität wird durch die Wahl des

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Leitungstyps der Transistoren 3 oder 4 bestimmt, welcher Unaymetriespannungen dor Brücke für Lastinpedanzen unterhalb des Brüokengleiohgewiohtes abfühlt. SIn zusätzliches wichtiges Merkmal dieser Schaltung liegt in der Sohwellepannung für den AbfÜhltransistoreingang, so daß eine Begrenzung des Eingangssteuersignals für einen angemessenen Bereich von Lastwiderständen verhindert wird. Dieser Lastwider Standsbereich und die UrQDe der GrenzstrSme und Spannungen bestimmt sich durch den Wert der Widerstände 14, 16 und 17 hinsichtlich des Sohwellwertas für den leitungszustand der Transistorbaeis-Emitteretreeke. Durch Einfügen einer Diode in Heine mit dem Emitter des Transistors läßt eich leicht der Sohwellwert für das Leiten des Brüokenabfühltransistors vergrößern. Dieser Schwellwert erlaubt einen normalen Terstärkerbetrieb für einen Bereich von Laatimpedanzen innerhalb der durch die Dimensionierung der Schaltung bestimmten Sioherheitegrtnaen® Weiterhin können anstelle dm® Lastwideretandes 12 Blindwiderstand® treten® wobei die Schwell® innerhalb der gleichen Sicharheitsgrenaen Transietorstr'dm® und Spannungen für die Speisimg tinea Blindwiderstandes erlaubt. Die Neigung der Sloherlieitegrenslinie 5 bestimmt sioh nach der GrUBe des StromabfUhlwidsretandee 14 in. Produkt mit dem Verhältnis der Brüokenwideretänd© 17 und 18« Dex durch dl® Grenzlinie 7 bestimmte KurissohluBgrenzstrom richtet sich naoli der Schweliepannung Y^ die awisohtn Basis und Eiaitter dee Transistor« 3 für die Begrenzung orforderlioh ist, im Produkt mit dem der folgenden Gleichung su entnehmenden Korrekturfaktor. VV

I β v ^Ä17 + 16 SC b®

^E17 ^M14

Der Schutstransistor 3 und die Brückenschaltung mit den Widerständen 14, 16 und 17 und dem !testwiderstand 12 wirken zusammen su einer Strom- und Spannungsbegrensung nur für den Ausgangstransietor 1. Eine zweite Sohutaaohaltung mit dem Transistor 4 und einer Brüekensohaltung aus den Widerständen 13, 18 und 19 und dem Lastwideretand 12 bilde* einen Sohuts

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für den Auagangstransistor 2. Die beiden Sehutzsohaltungen sprechen auf verschiedene Polarität des EingangSBignales an um einen Schutz und eine Begrenzung des Betriebs der komplementären Ausgangstr&nsifltaren zu ergeben, welche bei abwechselnden Polaritäten sur Speisung der gemeinsamen Last leiten. Auf dieee V/eise bieten zwei unabhängige Schutz schaltungen eine sichere Bereichsgrenze für awei Lelstungsausgangstransistoren und einen vollständigen Schute für eine komplementäre symetrische Gegentaktauegangsstufe.

Ein anderer Verlauf der Slaherhaitsgrenae läaat eich durch die Verwendung nichtlinearer Widerstände oder Dioden als Elemente der Brückensehaltung erreichen. Figur 3 iseigt eine Ausgangsschaltung, bei welcher Dioden 8 und 9 in die BrUckenschaltung ™ eingefügt Bind, so daß die Sioherheitsgrenze sich in der in Pigur 4 dargestellten Linie 21 fortsetzt. Figur 4 zeigt auch, daß die Speisespannung V_ einer positiven Spannung für den Transistor 1 entspricht. Für einen negativen Spannungspunkt am Ausgangsansohluß 15 wird der Brückenwiderstand 17 infolge der Sperrspannung der Dioden 18 abgeschaltet, und der Sohutetransistor 3 spricht dann nur auf den Ausgangstransistorstrom durch den Widerstand 14 an. Für Kollektorspannungen, die den Wert der Betriebsspannungsquelle überschreiten, arbeitet die Schaltung nur als Strombegrenzer. Die Neigung des konstanten Stromverlaufs kann verändert werden, wenn man einen nicht dargestellten Widerstand parallel zur Diode 8 schaltet, so dad ' M die Diode den Widerstand 17 nicht völlig aus dem Brückenzweig abschaltet. Eine weitere, nooh verbesserte Schaltung verwendet einen einzigen Widerstand 20 zur Überbrückung beider Dioden 8 und 9 zum vollständigen Abschalten der Widerstände 17 und 18· Eine erreichbare Neigung der Sioherheitsgrenslini« welche durch die Dioden und den Überbrückungswiderstand 20 gegeben 1st, let in Figur 4 durch die gestrichelte Linie 22 veranschaulicht. Der Knick der Steigung der Grenzlinie am Funkt 7 ermöglicht eine niedrigere Kureechlußetromgrenze, jedoch erlaubt die Verwendung des Widerstandes 20 einen aus-

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reichenden Strom bei hohen. Kollektorspannungen zum Ab fließ on gespeicherter Transistorladungen bei hoher Leistung und hohen Frequenzen.

In Figur 5 ist ein 70 Watt Tonfrequenzverstärker dargestellt, welcher quasi komplementär aufgebaut ist und die Vorteile eines Gleichstromgekoppelten Breitbandverstärkers mit oinor Rttckführungastabilität im Betriebspunkt verbindet.

Eine Vorverstärkerstufe mit Transistoren 25 und 26 bildet einen Differentialverstärker, welcher an der AusgangsIcleMiiG 15 exakt fttr einen Ruhegleichstrom von 0 sorgt. Die Gegenkopplung erfolgt Über den Widerstand 27 auf die Basis dos Transistors 26, und über einen Widerstand 28 wird der Basis dos Transistors 25 Hasse^potential zugeführt. Die Emitter der Transistoren 25 und 26 liegen zusammen über einem Widerstand 29* einer Diode 50 und einem Widerstand 31 an der positiven Betriebsspannung. Die diode 50 und ein zugehöriger Siebwiderstand 32 sieben Schaltilbergangsspannungen aus der Betriebs spannung. Der Kollektor des Vorveretärkertransiators ist auf eine im Α-Betrieb arbeitende Vorveretärkerstuie mit dem Transistor 55 gekoppelt, dessen Ausgang auf die komplementären Ausgangetransistören 1 und 2 gefuhrt ist. Der Transistor 33 ist Über einen Widerstand 34 und ein Temperaturstabilisierungsvorspannungenetz mit Dioden 35, 36 v&& 37 and die Transistoren 2 und 1 gekoppelt. Die Auegangetransistoren 1 und 2 sind an ein Paar in einer quaeikomplementären Auegange β c haltung geschaltete Transistoren 38 und 39 gleichen Leitungetype angeschlossen. Die SchutBschaltungen liegen am Basiseingang der komplementären Treibertransietoren 1 und 2, um eine sichere Begrenzung für die Ausgangetraneistören 38 und 59 zu gewährleisten.Die Stromabtastung erfolgt am Widerstand. H in Reihe mit den Eaittern der Transistoren 1 und 58 fttr positive Halbwellen, und über den Widerstand 13 in Reihe mit dem Emitter des Transistors 2 und dem Kollektor des Transistors 39 für negative Halbwollen. Der Brüokenwiderstand 16 ist von einem Kondensator 4-0 und der Bruckenwideretand 19 von

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einem Kondensator 41 überbrückt, damit eine Pha3önkompen3ation zur Verbesserung dor Eigenschaften der Begronzerschaltung bei hoher leistung und hohen Frequenzen erreicht wird. In KeIhQ mit dem Kollektor dos Transistors 3 liegt eine Diode 42, und in Reihe mit dem Kollektor des Tranaistors 4 liegt eine Diode 43, weiche das Auftreten von Durchlaüvorspannungen an den Kollöktorbaoioübergängen dor Transistoren 3 und 4 während abwechselnder Halbwellen der Tonfrequenzperiodon verhindern.

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Claims

10 1811785 ANSPRÜCHE

1. Transistorverstärker mit einer Schutzschaltung zur Be- ,^ grenzung des Steuersignales einas Transistors derart, daß ein Betrieb des Transistors jensoit3 der VerlustleiBtungagrenzen vermieden wird, gekennzeichnet durch eine auf zwei kombinierte Spannungen ansprechende Schutzschaltung (12, 14,16,17,3), deren eine ein Maß für den Transistorstrom iat und deren andere ein Maß für den Transistorkollektor·* Spannungsabfall iat.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Kollektorspannungoabfall entsprechende Spannung proportional der an der last (12) in Reihe mit der Kollektoremitterstrecke des Transistors (1) abfallenden Spannung ist.

3« Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschaltung eine veränderbare Impedanz (3) aufweist, welche zwischen Emitter und Basis des Transistors (1) geschaltet ist und zwischen einem relativ hohen Widerstand und einem relativ niedrigen Widerstand in kombinierter Abhängigkeit von den beiden Spannungen veränderbar ist derart, daß ihr Widerstand für eine für den Transistor zulässige Strom- und Spannungskombination hoch und für über diese zulässige Kombination hinausgehende Strom- und Spannungswerte niedrig ist.

4. Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die veränderbare Impedanz einen weiteren Transistor (3) aufweist, dessen Bmitter-Kollektor-Strecke gleichstrommäßig parallel zur Bäsis-Bmitter-Strecke des ersten Transistors (1) geschaltet ist. -

5. Verstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dafl der

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weitere Transistor (3) vom gleichen leitungstyp wie der erste Transistor (1) ist.

6. Verstärker nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen das Anepreohverhalten der Schutzschaltung und damit die Grenzlinie dee Sicherheitsbereiches nicht linear machenden nicht-linearen Widerstand (θ).

7* Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Emitter des zu schützenden Transistors (1) und dem Lastanschluß (15) in Reihe ein KollekterstromfUhlwiderstand (14) eingeschaltet ißt, dad zwischen dem Transistorseltigen Ende des Stromfühlwiderstandes (14) und einem Bezugspotentialpunkt, zwischen dem und dem Laotanschluß (15) die Last (12) anschließbar ist, ein paar weitere Widerstände (16,17) eingeschaltet sind, derart, daß die drei Widerstände (14,16,17) und die angeschlossene Last (12) eine Impedanzbriicke bilden, und daP ein Schutstransistor (3) vom gleichen Leitungstyp wie der erste Transistor (1) mit seinem Kollektor an der Basis des ersten Transistors (1) und mit seinem Emitter am Lastanschluß (15) und mit seiner Basis am Verbindungspunkt der weiteren Widerstände (16,17) derart liegt, daß das der Basis des ersten Transistors (1) zugefiihrte Steuersignal bei einem von der Brücke (12,14»16,17) abgefühlten Überschreiten der kombinierten Spannungs- und Strombereichsgrenzen des Transistors begrenzt wird·

8. Verstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dad der Mäher am ersten Transietor (1) liegende weitere Widerstand (16) durch einen Kondensator überbrückt ist.

9. Verstärker nach Anspruch 7 oder 3, dadurch gelmnzeichnet, daß eine Diode (8) in Reihe zwischen dem Berugspotentialpunkt und dem einen (17) der beiden weiteren Widerstände mit derartiger Polarität zum Bezugspotential geschaltet ist»

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daß sie mit dem ersten Transistor (1) leitet.

10. Verstärker naoh Anspruch 9» gekennzeichnet durch einen die Diode (8) überbrückenden Parallelwiderstand.

11. Verstärker naoh einem der Ansprüche 7 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer aweiten entsprechenden Schaltung, welche Transistoren (2,4) vom entgegengesetztem Leitungstyp aufweist, als Gegentaktverstärker geschaltet ist.

12. Verstärker nach Anspruch 9, dadurch geknnzeichnet, daß er mit einer entsprechenden zweiten Schaltung, welche Transistoren vom entgegengesetzten Leitungstyp aufweist, als Gegentaktverstärker geschaltet ist und dad zwischen die dem Bezugspotentialpunkt abgewandten Enden der beiden Dioden (3,9) dieser beiden Schaltungen, ein Überbrückungswiderstand (20) geschaltet ist.

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