DE2040488B2

DE2040488B2 - Schutzschaltungsanordnung fuer leistungstransistoren gegen ueberspannungen

Info

Publication number: DE2040488B2
Application number: DE19702040488
Authority: DE
Inventors: Willi 8510 Fürth Stark
Original assignee: TE KA DE Feiten & Guilleaume Fernmeldeanlagen GmbH, 8500 Nürnberg
Priority date: 1970-08-14
Filing date: 1970-08-14
Publication date: 1976-05-26
Also published as: DE2040488A1; DE2040488C3

Description

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Bei elektrischen Geräten, die Transistoren enthalten und die an Stromversorgungen mit starken Spannungsschwunkungen oder mit hohen, der Versorgungsspan niingen überlagerten Störspannuiigcn angeschlossen werden, ergibt sich die Notwendigkeit, besondere Vor· kehrungen zu treffen, damit die Transistoren durch die Überspannungen nicht beschädigt werden. D:is ist beispielsweise der Fall bei Scndc-Empfangsgeräien 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 ;,ufireten, 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.

Grundsätzlich ist es zwar möglich, durch Überdimensior.ierung der Schaltung und entsprechende Siebglieder die Transistoren gegen BSchädigung durch Überspannungen und Siörspannungen zu schützen. In der Praxis scheidet diese Möglichkeit jedoch zumeist aus, weil der Schaltungsaufwand und damit der Plaizbedarf zu groß wird. Außerdem steigt auch die Leistungsaufnahme derart überdimensionierter Geräte stark an. so daß sie nicht mehr mit vertretbarem Aufwand zur Verfügung gestelli werden kann.

Eine andere Möglichkeil, die Transistoren vor Überspannungen zu schützen, besteht darin, die schwankende Versorgungsglcichspannung zu stabilisieren. Zu diesem Zwecke schaltet man beispielsweise parallel /ur 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, du für eine wirksame Stabilisierung ein nicht zu kleiner Vorwidei.;tand erforderlich ist und die im Vorwidersland vernichtete Leistung eine reine Verlustleistung ist, die zusätzlich zum Leistiingsbedarf 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.

Aus der deutsche,! Auslegeschrift 12 46 804 ist eine Schaltung zum Schutz eines Endstufentrarsistors gegen Stromüberlastungen bekanntgeworden, welche eine Kippschaltung mit zwei Transistoren enthält. Bei dieser Schaltung liegt in Reihe mit der Kollektor-Emitter-Strecke des zu schützenden Transistors außer dem Vcrbraucherwiderstand ein zusätzlicher Widerstand. An ihm wird eine dem im Transistor fließenden Strom proportionale Spannung abgegriffen und der Basis des ersten Transistors der bistabilen Kippschaltung zugeführt. Der Kollektor des zweiten Transistors der Kippschaltung ist über einen Widerstand mit der Basis eines Vorstufcntransislors der Endstufe verbinden und steuert den Vorstufentransistor je nach der Größe der Steucrgleichspannung an der Basis des ersten Transistors der Kippschaltung. Überschreitet der im Leisiungstransistor fließende Strom den für die größte Belastbarkeit der Endstufe zulässigen Wert nicht, so ist der Vorstufentransistor Icitenci und die an der Basis des Vorstufcntransistors anliegenden Impulsspannungen gelangen über den Vorstufen- und den Endslufentransistor zum Verbraucher. Überschreitet der Strom durch den Vindstul'entriinsistor den zulässigen Wert, so wird

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der Spannungsabfall am Vorwidersiand größer als der eingestellte Schweilwert der Kippschaltung, worauf diese anspricht und den Vorstufentransistor sperrt. Dadurch ist auch der Endstufentransislor gegen Aussteuerung gesperrt und damit vor Stromüberlastung geschützt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, inter Anwendung Jcs an sich bekannten Prinzips, die Vorstufe einer Endstufe mit einer biuabilen Kippschaltung anzusteuern, eine Schaltungsanordnung zum Schutz von LeisHingstransistoren, insbesondere von Lcistungsiransistoren in Sende-endstufen gegen Überspannungen der Versorgungsspannung sowie gegen dieser überla-■-gerte Störspannungen anzugeben. Ziel der Erfindung ist es dabei, die Schutzschaltung so auszubilden, daß die Leistungstransistoren gegen alle im Betrieb auftretenden Überspannungen geschützt werden. Für die bisher bekannten Schuizschaltungcn trifft dies nicht zu. Vor allem bei Leisiungstransistorsn wird, urn die Leisuingsvcrluste möglichst klein zu halten, die Versorgungv spannung für die Endstufentransisioren über Verbraucherwiderstände mit nur sehr geringem ohmsclien Widerstand zugeführt, so daß die Verxorgungsspanniing nahezu in voller Höhe an den Transistoren anliegt. Erreichen die Überspannungen der V'ersorgungsspannung so hohe Werte, daß sie die zulässige Kollektor-Emitter-Spannung der Transistoren übersteigen, so werden diese, trotz gesperrter Aussteuerung, dennoch zerstör'. Dies zu vermeiden ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung. ^r

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einer Schaltungsanordnung wie sie im Anspruch 1 angegeben ist. wobei der Oberbegriff dieses Anspruches 1 dem Stande der Technik nach der DT-AS 12 46 804 Rechnung tragt.

Eine Ausführungsform der erfii.dungsgcinälien Schaltungsanordnung zeigt die Figur.

Mit 7Vs 1 und 7Vs 2 sowie R 1 mit R6 sind die Schaltelemente der bistabilen Kippschaltung bezeichnet. Über den Widerstand R 6 und den fest eingestellten kegelwiderstand Rl iiegt die Basis des Transistors 7Vs 2 an Plus der Versorgungsspannung Uv, beispielsweise der Kraftfahrzeugbatteric. Der Kollektor des Transistors 7Vs 2 ist über den Widerstand R 8 mit der Basis des Transistors TVs 3 verbunden, die außerdem über einen Widerstand R 9 an Minus der Versorgungsspannung IVv liegt. Über den Kondensator Cl wird der Basis des Transistors 7Vs 3 der Vorversuirkerstufe die zu verstärkende, modulierte Sendespannung zugeführt. Über den Widerstand R 12 sind die bistabile Kippschaltung und der Kollektor des Transistors 7"/s3 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 7Vs 3 verstärkten Sendespannungen gelangen über den Kondensator Ci. der zusammen mit dem Kondensator C4 und der Spule L einen auf die Sendefrequcnz abgestimmten Schwingkreis bildet, an den Eingang der Senderendstule. die mit dem zu schützenden Leistungstiansistor 7Vs 4 aufgebau! ist, nach nochmaliger Verstärkung und Wideistandsanpasseng zur Antenne A.

Niich dem Erfindungsgedanken ist außerdem die Zcnerdiode D parallel zur Versorgungsspannung lh geschaltet. Ihre Zenerspannung ist insbesondere etwa doppelt so hoch als der Sollwert der Versorgungsspanniing i.'v. aber kleiner als die zulässige Kollektor-Emitterspannung des Leistungstransistors 7Vv 4.

Ist der Augenblickswert der Versorgungsspannung und dami; die am Regelwidersland Rl fes' eingestellte Steuergieichspannung an der Basis des Transistors 7Vs 2 gleich oder kleiner als der durch die Bemessung der Kippschaltung testgelegte Schwellwert der Kippschaltung, so ist der Transistor 7Vs2 gesperrt und der Transistor Tn 1 geöffnei. Am Kollektor des. Transis'ors Tn 2 Iiegt in diesem Falle fast die volle Piusspannniig und über den Spannungsteiler aus den Widerständen R 8 und R 9 ein so großes Pluspoiential an der Basis des Transistors 7Vs 3, daß dieser geöffnet ist. Die Sendespannung an der Basis des Transistors 7Vs 3 gelangt nach Verstärkung im Transistor Trs3 und im l.cisiungstransistor TVs 4 zur Antenne A.

Die Steuerspannung an der Basis des Transistors 7rs2 ist nun so eingestellt, daß sie so lange unter dem Schweilwert der Kippschaltung Iiegt, als auch tiic Summenspannung von Versorgungsspannung und überlagerter Sendewechselspannung, die mit dem Ansteigen eier Ver:;orgungsspannung gleichfalls ansteigt, unter der zulässigen Kollektor-Emittcrspannung des Lcisttingstiansistors TVs 4 Iiegt. Steigt die Versorgungssparmung. et.va wegen Ausfalls der Regeleinrichtung der Ladeeinrichtung oder durch der Versorgungsspannung überla-

Z₅ gerte Störspannungen noch stärker an und überschreitet damit auch die der Versorgungsspannung proportionale Steuerspannung am Transistor "Ars 2 der Kippschaltung den eingestellten Schwellwerk so schaltet die Kippschaltung in die andere Arbeitslage um. In dieser ist der Transistor Trs 1 gesperrt und der Transistor /Vs 2 geöffnet. Infolge des Siromflusses durch den Transistor 7Vs 2 sinkt die Spannung am Kollektor des Transistors 7Vs 2 auf einen Wert ab, eier annähernd durch das Spannungsteilervcrhältnis der Widerstände R 4 und R 5 gegeben ist. Damit sinkt aber auch die über den Widerstand R8 an der Basis des Transistors Tn 3 anliegende Vorspannung so weit ab, daß der 1 ransistor 7Vs 3 gesperrt wird. Eine Aussteuerung des Leistungstransistors 7Vs 4 ist jetzt nicht mehr möglich.

Dieser eriindungsgemäßen Schutzmaßnahme Iiegt 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 Lcistungsüberi _oung stattfindet. Wird die Aussteuerung des Endstufentransistors gesperrt, so kann die Versorgungsspannung auf annähernd den doppelten Wert ansteigen, ohne daß die Transistoren durch Überspannung durchschlagen.

Da erfahrungsgemäß bei Ausfall der Spannungsregcleinrichtung des Ladegerätes der Stromversorgung die Versorgungsspannung (Vv nicht ganz auf das Doppelte ansteigt, ist durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordung ein sicherer Schutz der Transistoren.

insbesondere des Leistungstransisiors 7Vs4 gewährleistet.

Die erfindungsgemäße Schutzschaltungsanordnung wirkt in gleicher Weise aber auch dann, wenn der Versorgungsspannung Störspannungen überlagert sind, die cmc kurzzeitige, scheinbare Erhöhung der Versorgungsspannung vortäuschen.

Die parallel zur Versorgungsspannung Uv geschaltete Zenerdiode D verhindert, daß durch Störspannungs- «-pitzen. die größer als die zulässige Emittcr-Kollektoispanmmg des Transistors sind, dieser durchschlägt. Ihre Zenerspannung ist deshalb so gewählt, daß sie etwas lilxT dem Doppelten der Versorgungsspannung (Ύ licLM. Die Zcnerdiode A? bleibt daher auch dann noch

gesperrt, wenn die Versorgungsspannung Uv bei Ausfaii der Regeleinrichtung auf annähernd das Doppelte ansteigt. Sind der Versorgungsspannung Uv jedoch Störspannungen solcher Größe überlagert, daß die .Summenspannung von Versorgungsspaniu:ng Uv Lind Störspannung die Zenerspanmung der Zenerdiode übersteigt, so wird die Zenerdiode D geöffnet und begrenzt die Störspannungen auf den für den Transistor Trs4 unschädlichen Wert der Zenerspannung. Durch die Zenerdiode D werden gleichzeitig aber auch die anderen Transistoren der Schaltung vor zu hohen Überspannungen geschützt.

Der an sich nicht zulässigen unmittelbaren Parallel schaltung einer Zenerdiode D zur Versorgungsspan iiung Uv, ohne einen den Zenerstrom der Zenerdiodi D begrenzenden Vorwiderstand, ii-?gt hierbei die weite re Erkenntnis zugrunde, daß Störspannungen zwa hohe Störspannungsspit/.en aufweisen, die ausreichen die Transistoren durchschlagen zu lassen, daß jcdocl der Encrgieinhalt der Störspannungen nur gering is und daher beim kurzzeitigen Leitendwerden der Zener diode D nicht ausreicht, um sie zu überlasten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schutzschaltungsanordung für Leistungstransistoren in Endstufen — insbesondere in Senderendstufen —, denen wenigstens eine Vorverstärkerstufe vorgeschaltet ist, deren Basisvorspannung einerseits von dem zu verarbeitenden Nutzsigna!, andererseits von dem Ausgangssignal einer bistabilen Transistorkippstufe derart vorgegeben ist, daß im ungestörten Betrieb das Nutzsignal, im Störungsfall das Ausgangssignal für die Aussteuerung der Vorverstärkerstufe bestimmend ist, bei welcher Schutzschaltungsanordnung der Kollektor eines Transistors der Transistor-Kippstufe über einen Widerstand mit der Basis des Transistors der Vorverstärkerstufe verbunden ist und die Basis des einen Transistors der Kippstufe einen der zu überwachenden Größe proportionalen Spannungswert solcher Große vorgegeben erhält, daß die Kippstufe in die andere Arbeitslage umkippt, wenn die überwachte Größe einen zulässigen Wert überschreitet, und durch Sperren des Transistors in der Vorverstärkcrslufe die Aussteuerung des Leistungstransistors verhindert, dadurch gekennzeichnet, daß /um Schütze des Leistungstransistors (Trs4) gegen Überspannungen in der Versorgungsspannung sowie gegen dieser überlagert: Störspannunger, der Basis des mit seinem Kollektor mil der Basis des Transistors (Trs3) der Vorverstärkerstufe vcrbundenen Transistors (Trs2) dir Transistorkippstiife {Trsi, Trsl) eine der Versorgungsspannung proportionale Vorspannung zugeführt ist und daß direkt parallel zu den Klemmen der Versorgungsspannungsquelle (Uv) eine Zer.erdiode (D) angeordnet ist, deren z-enerspanniing höher als der Sollwert der Versorgungsspannung und niedriger als die zulässige Kollektor-Emitter-Spannung des Leistungstransisiors (Trs4) bemessen ist

2. Schutzschaltungsanordnung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die de/ Versorgungsspannung proportionale Vorspannung der Basis des einen Transistors (7Vs 2) der Tiansistorkippstufc (Trsl, Trs2) über einen fest eingestellten Spannungsteiler (R 7) und einen Widerstand (R6) zügeführt wird.

3. Schutzschaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der Zcncrspannung der Zenerdiode (D) annähernd das Doppelte der Sollwertspannung der Versorgungsspannung beträgt.