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Schutzschaltung für Leistungstransistoren gegen Überspannungen Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Schutzsciialtung für Beistungstransistoren, insbesondere
für Leistungstransistoren von Senderendstufen, anzugeben, um diese vor Überspannungen
bei starken Schwanilulgen der Versorgungsspannung und/oder der Versorgungsspannung
überlagerten hohen Störspannungen zu schützen.
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Bei elektrischen Geräten, die Transistoren enthalten nnd die an Stromversorgungen
mit starken Spannungs schwankungen oder mit hohen, den Versorgungsspannungen überlagerten
Störspannungen angeschlossen werden, ergibt sich die Notwendigkeit, besondere Vorkehrungen
zu treffen, damit die Transistoren durch die Überspannungen nicht beschädigt werden.
Das ist beispielsweise der Fall bei Sende-Empfangsgeräten für den öffentlichen und
nichtöffentlichen beweglichen Landfunk, die in Kraftfahrzeuge oder Schiffe eingebaut
werden. Bei Ausfall der Regeleinrichtungen der Ladegeräte für die Batterien können
hier unter Umständen erhebliche Überspannungen an den Geräten auftreten. Ferner
können durch Schaltvorgänge, beispielsweise beim Anlassen der Motoren, hohe Störspannungen
auftreten, die sich der Versorgungsspannung überlagern und deren Augenblickswert
beträchtlich erhöhen. Diese Überspannungen und Störspannungen gefährden die in die
Geräte eingebauten Transistoren, besonders aber die meistens stark belasteten Endstufentransistoren.
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Grundsätzlich ist es zwar möglich, durch Überdimensionierung der Schaltung
und entsprechende Siebglieder die Transistoren gegen Beschädigung durch Überspannungen
und Störspannungen zu schützen. In der Praxis scheidet diese Möglichkeit jedoch
zumeist aus, weil der Schaltungsaufwand und damit der Platzbedarf zu groß wird.
Außerdem steigt auch die Leistungsaufnahme derart überdirr,eJlsiorlierter Geräte
stark an, so daß sie nicht mehr mit vortretbarem Aufwand zur Verfügung gestellt
werden kann
Eine andere Möglichkeit, die Transistoren vor Überspannungen
zu schützen, besteht darin, die schwankende Verorgungsgleichspannung zu stabilisieren.
Zu diesem Zwecke schaltet man beispielsweise parallel zur Versorgungsspannung eine
Zenerdiode in Reihe mit einem Vorwiderstand und nimmt die Speisespannung für die
Transistoren an der Zenerdiode ab. Eine solche Schutzschaltung läßt sich jedoch
nur bei kleinen Leistungen mit gutem Wirkungsgrade anwenden, da für eine wirksame
Stabilisierung ein nicht zu kleiner Vorwiderstand erforderlich ist und die im Vorwiderstand
vernichtete Leistung eine reine Verlustleistung ist, die zusätzlich zum Leistungsbedarf
des Gerätes aufgebracht werden muß. Da außerdem die Zenerdiode die gesamte, nicht
von den Transistoren aufgenommene Leistung aufnehmen muß, muß die Zenerdiode bereits
bei kleinen Leistungen, jedoch starken Schwankungen der Versorgungsspannung entsprechend
leistungsfähig ausgelegt werden. Für große Leistungen, wie sie etwa für Senderendstufen
benötigt werden, stehen solche Zenerdioden zudem nicht zur Verfügung. Ein unmittelbares
Parallelschalten mehrerer Zenerdioden scheidet gleichfalls aus, da ohne besondere
Maßnahmen die Gefahr besteht, daß die Zenerdioden ungleichmäßig belastet und folglich
einzelne Zenerdioden überlastet werden. Ferner würde auch die Abführung der Verlustleistung
des Vorwiderstandes und der Zenerdioden in Form von Wärme zusätzlichen Aufwand erfordern.
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Aus der deutschen Auslegeschrift 1 246 804, 21al-36/04, ist ferner
eine Schaltung zum Schutze eines Endstufentransistors gegen Stromüberlastungen bekanntgeworden.
Bei dieser Schaltung liegt in Reihe mit der Kollektor-Emitter-Strecke des zu schützenden
Transistors außer dem Verbraucherwiderstand ein zusätzlicher Widerstand. An ifun
wird eine Spannung, die proportional dem im Transistor fließenden Strom ist, abgegriffen
und einer bistabilen Kippschaltung zugeführt. Die bistabile Kippschaltung, deren
einer Kollektor über einen Widerstand mit der Basis eines Vorstufentransistors der
Endstufe verbunden ist, öffnet oder sperrt den Vorstufentransistor, je nach der
Größe der an der bistabilen KippscEia1 tung anliegenden Steuergle LChSpaNtlUIlg.
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Überschreitet der im Leistungstransistor fließende Strom den
für
die größte Belastbarkeit der Endstufe zulässigen Wert nicht, so ist der Vorstufentransistor
aufgesteuert und die an der Basis des Vorstufentransistors anliegenden Impulsspannungen
gelangen über den Vorstufen- und den Endstufentransistor zum Verbraucher. Überschreitet
hingegen der Strom durch den Endstufentransistor den zulässigen Wert, wird der Spannungsabfall
am Vorwiderstand größer als der eingestellte Schwellwert der Kippschaltung, so spricht
diese an und sperrt den Vorstufentransistor. Eine Aussteuerung des Endstufentransistors
ist damit nicht mehr möglich, so Faß dieser vor Stromüberlastungen geschützt wird.
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Diese bekannte Schutzschaltung hat jedoch den Nachteil, daß sie den
Leistungstransistor nicht in allen im Betrieb vorkommenden Überlastungsfällen zu
schützen vermag. Dies ist dann der Fall, wenn bei bereits abgeschalteter Aussteuerung
des Endstufentransistors, die am Transistor liegende Versorgungsspannung so stark
ansteigt oder der Versorgungsspannung so hohe Störspannungen überlagert sind, daß
die zulässige Kollektor-Emitterspannung des Transistors überschritten wird.
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In diesen Fällen kommt es trotz der Schutzschaltung zu einem Transistorausfall.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Schutzschaltung ist ferner, daß ein Vorwiderstand
in Reihe zum Ver-, braucher erforderlich ist, der einen Leistungsverlust und damit
eine Verringerung des Wirkungsgrades der Endstufe bedingt.
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Besonders nachteilig wirkt sich der Zusatzwiderstand daher bei Senderendstufen
aus, in deren Kollektorkreis Schwingkreise mit nur kleinen ohmschen Widerständen
liegen.
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Die Erfindung zeigt nun einen Weg, der es ermöglicht, durch eine andere
Anschaltung sowie Auslegung der bistabilen Kippschaltung und durch gleichzeitiges
Anwenden einer weiteren Schutzmaßnahme einen sicheren Schutz der Leistungstransistoren
der Endstufe gegen Überspannungen der Versorgungsspannungen und ihnen überlagerter
Störspannungen zu erreichen. Zu diesem Zweck wird die Steuerspannung nicht an einem
Zusatzwiderstand im Kollektorkreis des Endstufentransistors abgenommen, sondern
von der Versorgungsspannung des Gerätes selbst abgeleitet. Als
weitere
Schutzmaßnahme wird außerdem zur Versorgungsspannung des Gerätes eine Zenerdiode
unmittelbar, d.h. oLne Vorwiderstand, parallel geschaltet, deren Zenerspannung nach
einem weiteren Erfindungsgedanken so gewählt ist, daß sie über dem Sollwert der
Versorgungsspannung, aber unter der zulässigen Kollektor-Emitterspannung der zu
schützenden Transistoren liegt. Vorzugsweise wird die Zenerspannung, nach einem
weiteren Erfindungsgedanken, so gewählt, daß sie etwa doppelt so hoch ist als der
Sollwert der Versorgungsspannung.
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Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zeigt
die Figur.
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Mit Trs1 und Trs2 sowie R1 mit R6 sind die Schaltelemente der bistabilen
Kippschaltung bezeichnet. Über den Widerstand R6 und den fest eingestellten Regelwiderstand
R7 liegt die Basis des Transistors Trs2 an Plus der Versorgungsspannung Uv, beispielsweise
der Kraftfahrzeugbatterie. Der Kollektor des Transistors Trs2 ist über den Widerstand
R8 mit der Basis des Transistors Trs3 verbunden, die außerdem über einen Widerstand
R9 an Minus der Versorgungsspannung Uv liegt. Über den Kondensator C1 wird der Basis
des Transistors Trs3 der Vorverstärkerstufe die zu verstärkende, modulierte Sendespannung
zugeführt.
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Über den Widerstand R12 sind die bistabile Kippschaltung und der Kollektor
des Transistors Trs3 mit Plus der Versorgungsspannung Uv verbunden. Der Kondensator
C6 dient zur Siebung der Versorgungsspannung, während der Kondensator C5 einen zusätzlichen
Kurzschluß für die hochfrequente Sendespannung bildet. Die vom Transistor Trs3 verstärkten
Sendespannungen gelangen iiber den Kondensator C3, der zusammen mit dem Kondensator
C4 und der Spule L einen auf die Sendefrequenz abgestimmte Schwingkreis bildet,
an den Eingang der Senderendstufe, die mit dem zu schützenden Leistungstransistor
Trs4 aufgebaut ist, nach nochmaliger Verstärkung und Widerstandsanpassung zur Antenne
A.
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Nach einem weiteren Erfindungsgedanken ist außerdem die enerdiode
D parallel zur Versorgungsspalmung Uv geschaltet. Ihre
Zenerspannung
ist etwa doppelt so hoch als der Sollwert der Versorgungsspannung Uv, aber kleiner
als die zulässige Kollektor-Emitterspannung des Beistungstransistors Trs4.
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Ist der Augenblickswert der Versorgungespannung und damit die am Regelwiderstand
R7 fest eingestellte Steuergleichspannung an der Basis des Transistors Trs2 gleich
oder kleiner als der durch die Bemessung der Kippschaltung festgelegte Schwellwert
der Kippschaltung, so ist der Transistor T-rs2 gesperrt und der Transistor Trs1
geöffnet. Am Kollektor des Transistors Trs2 liegt in diesem Falle fast die volle
Plusspannung und über den Spannungsteiler aus den JWiderständen R8 und R9 ein so
großes Pluspotential an der Basis des-Transiætors Trs3, daß dieser geöffnet ist.
Die Sendespannung an der Basis des Transistors Trs3 gelangt nach Verstärkung im
Transistor Trs3 und im Leistungstransistor Trs4 zur Antenne A.
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Die Steuerspannung an der Basis des Transistors Trs? ist nun so eingestellt,
daß sie so lange unter dem Schwellwert der Kippschaltung liegt, als auch die Summenspannung
von Versorgungsspannung und überlagerter Sendewechselspannung, die mit dem Ansteigen
der Versorgungsspannung gleichfalls ansteigt, unter der zulässigen Kollektor-Emitterspannung
des Leistung transistors Trs4 liegt. Steigt die Versorgungsspannung, etwa wegen
Ausfalles der Regeleinrichtung der Ladeeinrichtung oder durch der Versorgungsspannung
überlagerte Störspannungen noch stärker an und überschreitet damit auch die der
Versorgungsspannung proportionale Steuerspannung am Transistors Trs2 der Kippschaltung
den eingestellten Schwellwert, so schaltet die Kippschaltung in die andere Arbeitslage
um. In dieser ist der '2ransistor Trs1 gesperrt und der Transistor Trs2 geöffnet.
Infolge des Stromflusses durch den Transistor Trs2 sinkt die Spannung am Kollektor
des Transistors Trs2 auf einen Wert ab, der annähernd durch das Spannungsteilerverhältnis
der Widerstände R4 und R5 gegeben ist. Damit sinkt aber auch die über den Widerstand
R8 an der Basis des Transistors Trs3 anliegende Vorsparmung so weit ab, daß der
Transistor Trs3 gesperrt wird. Eine Ausßteuerung des Leistungstransistors Trs4
ist jetzt nicht mehr möglich,
Dieser erfindungsgemäßen Schutzmaßnahme
liegt hierbei die Erkenntnis der Tatsache zugrunde, daß Transistoren eine höhere
Kollektorspannung ohne Schaden aushalten, wenn nur die Kollektorspannung anliegt,
ohne daß gleichzeitig eine Aussteuerung und damit Leistungsübertragung stattfindet.
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Wird die Aussteuerung des Endstufentransistors gesperrt, so kann die
Versorgungsspannung auf annähernd den doppelten Wert ansteigen, ohne daß die Transistoren
durch Überspannung durchschlagen.
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Da erfahrungsgemäß bei Ausfall der Spannungsregeleinrichtung des Ladegerätes
der Stromversorgung die Versorgungsspannung Uv nicht ganz auf das Doppelte ansteigt,
ist durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ein sicherer Schutz der Transistoren,
insbesondere des Leistungstransistors Trs4 gewährleistet.
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Die erfindungsgemäße Schutzschaltung wirkt in gleicher Weise aber
auch dann, wenn der Versorgungsspannung Störspannungen überlagert sind, die eine
kurzzeitige, scheinbare Erhöhung der Versorgungsspannung vortäuschen.
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Um außerdem auch noch zu verhindern, daß durch Störspannungsspitzen,
die größer als die zulässige Emitter-Kollektorspannung des Transistors sind, dieser
durchschlägt, ist nach einem weiteren Erfindungsgedanken die Zenerdiode D parallel
zur Versorgungsspannung Uv geschaltet. Ihre Zenerspannung ist so gewählt, daß sie
etwas über dem Doppelten der Versorgungsspannung Uv liegt. Die Zenerdiode D bleibt
daher auch dann noch gesperrt, wenn die Versorgungsspannung Uv bei Ausfall der Regeleinrichtung
auf annähernd das Doppelte ansteigt.
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Sind der Versorgungsspannung Uv jedoch Störspannungen solcher Größe
überlagert, daß die Summenspannung von Versorgungsspannung Uv und Störspannung die
Zenerspannung der Zenerdiode übersteigt, so wird die Zenerdiode D geöffnet und begrenzt
die Störspannungen auf den für den Transistor Trs4 unschädlichen Wert der Zenerspannung.
Durch dia Zenerdiode D werden
gleichzeitig aber auch die anderen
Transistoren der Schaltung vor zu hohen Überspannungen, geschützt.
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Der an sich nicht zulässigen unmittelbaren Parallelschaltung einer
Zenerdiode D zur Versorgungsspannung Uv, ohne einen den Zenerstrom der Zenerdiode
D begrenzenden Vorwiderstand, liegt hierbei die weitere Erkenntnis zugrunde, daß
Störspannungen zwar hohe Störspannungsspitzen aufweisen, die ausreichen, die Transistoren
durchschlagen zu lassen; daß jedoch der Energieinhalt der Störspannungen nur gering
ist und daher beim kurzzeitigen eitendwerden der Zenerdiode D nicht ausreicht, um
sie zu überlasten.