DE2040488C3

DE2040488C3 - Schutzschaltungsanordnung für Leistungstransistoren gegen Überspannungen

Info

Publication number: DE2040488C3
Application number: DE19702040488
Authority: DE
Inventors: Willi Ing.(Grad.) 8510 Fuerth Stark
Original assignee: Felten & Guilleaume Fernmeldeanlagen 8500 Nuernberg De GmbH
Current assignee: Felten & Guilleaume Fernmeldeanlagen 8500 Nuernberg De GmbH
Priority date: 1970-08-14
Filing date: 1970-08-14
Publication date: 1984-01-19
Also published as: DE2040488B2; DE2040488A1

Description

Bei elektrischen Geräten, die Transistoren enthalten und die an Stromversorgungen mit starken Spannungsschwankungen oder mit hohen, den Versorgungsspannungen überlagerten Störspannungcn 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 Scndc-Empfangsgerüten finden 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 Gerriten auftreten.

Ferner können durch Schaltvorgange, beispielsweise beim Anlassen der Motoren, hohe Slörspannungen juftreten. die sich der Versorgungsspannung überlagern und dere ι Augenblickswert beträchtlich erhöhen. Diese Überspannungen und Störspannungcn gefährden die in die Geräte eingebauten Transistoren, besonders aber die meistens stark belasteten Endstufcntransistoren.

Grundsätzlich ist es zwar möglich, durch Überdimen· sionierung der Schallung und entsprechende Siebglic·- der die Transistoren gegen Beschädigung durcii Überspannungen und-Störspannungen zu schützen. In der Praxis scheidet diese Möglichkeit jedoch zumeist aus. weil der Schaltungsaufwand und damit der Plat/bedarf zu groß wird. Außerdem steigt auch die I.cistungsauf- _j nähme derart überdimensionierter Geräte stark an. ">o daß sie nicht mehr mit vertretbarem Aufwand zur Verfugung gestellt werden kann.

Eine andere Möglichkeit, die Transistoren vor Überspannungen zu schützen, besteht darin, die schwankcnde Versorgungsglcich^pannung /u stabilisieren. Zn die scm Zwecke schaltet man beispielsweise parallel zur Versorgungsspannung eine Zenerdiode in Reihe mit einem Vorwiderstand und nimmt die Speisespannuna für die Transistoren an der Zenerdioue ab. Eine solche Schutzschaltung läßt sich jedoch nur bei kleinen Lci^: stungen mit gutem Wirkungsgrade anwenden, da für eine wirksame Stabilisierung ein nicht 'u kleiner Vor- «iderstatid 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 aufgenomiucnc Lcistung aufnehmen muß. muß die Zenerdiode bereit-, bei kleinen Leistungen, jedoch starken Schwankungen der Versorgungsspannung entsprechend leistungsfähig ausgelegt werden. Für große Leistungen, wie sie etw.i für Senderendstufen benötigt werden. Steher! solche Zenerdioden zudem nicht zur Verfügung. Ein unmittelbares Parallclschalten mehrerer Z~nerdiodcn scheidet gleichfalls aus. da ohne besondere twsßnahmen 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 DE-AS 1246 804 ist eine Schaltung zum Schutz eines Endstufentransistors gegen Stromüberlastungen bekanntgeworden, welche eine Kippschaltung mit zwe^: Transistoren enthält. Bei dieser

5η Schaltung liegt in Reihe mit der Kollektor-Emiiier-Strecke des zu schützenden Transistors außer dem Verbraucherwiderstand ein zusätzlicher Widerstand. An ihm wird eine dem im Transistor fließenden Strom proportionale Spannung abgegriffen und der Basis des ersten Transistors der bistabilen Kippschaltung zügeiührt. Der Kollektor des zweiten Iransistors der Kippschaltung ist über einen Widerstand mit der Basis eine Vorstufentransistors der Endstufe verbunden und steuert den Vorstufentransistor je nach der Größe der SieuergJcichspannung an der Basis des ersien Transistors der Kippschaltung. Überschreitet der im Leistungstransistor fließende Strom den für die größte Belastbarkeit der Endstufe zulässigen Wert nicht, so ist der Vorslufcntransistor leitend und die an der Basis des Vorstufentransistors anliegenden Impulsspannungen gelangen über den Vorstufen- und den Endsiufentrunsistor zum Verbraucher. Überschreitet der Strom durch den 'indsiufcntransistor den zulässigen Wert, so wird

der Spannungsabfall am Vorwiderstand größer als der eingestellte Schwellwert der Kippschaltung, worauf diese anspricht und den Vorstufcntransisior sperrt. Dadurch ist auch der Endstufentransistor gegen Aussteuerung gesperrt und damit vor Stromübcrlastung geschützt

Der Erfindung liegt nun die Aufgabt· zugrunde, unter Anwendung des an sich bekannten Prinzips, die Vorstufe einer Endstufe mit einer bistabilen Kippschaltung anzusteuern, eine Schaltungsanordnung zum Schutz von Leistungstransisiorcn. insbesondere von Lcistungstransistoren in Scndcrendstufen gegen Überspannungen der Versorgungsspannung sowie gegen dicker überlagerte Störspannungen anzugeben. Ziel der ErP 'ung ist es dabei, die Schutzschaltung so auszubilden. d.._u uic LeistungsiranMStoren gegen alle im Rc!rie'-> .;iiiv»enden Oberspannungen geschützt werde... Kur ι,. bisher bekannten Schutzschaltungen trifft di ■ nicht zu. Vor allem bei Leistungstransistoren w^;rd. _.n Jic Leitungsverluste möglichst klein zu hai·- \. Jie Versorgungsspannung für die Endstufentransistorcn über Verbraucherwiderstände mit nur sehr geringem ohmschcn Widerstand zugeführt, so daß die Versorgungssp-innung nahezu in voller Höhe an den Transistoren anlieg!. F^rreichcn die Überspannungen der Versorgung^ spannung so hohe Werte, daß sie die zulässige Kollektor-Emitter-Spannung der Transistoren übersteigen, so werden diese, trotz gesperrter Aussteuerung, dennoch zerstört. Dies zu vermeiden ist die Aufgabe der \orliegenden Erfindung.

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

Eine Ausführungsform der crfis.dungsgemäßcn Schaltungsanordnung zeigt die Figur.

Mit Trs 1 und Trs 2 sowie R T mit R6 sind die Schaltelemente der bistabilen Kippschaltung bezeichnci. Über den Widerstand R 6 und den fest eingestellten Regelwiderstan ' Rl liegt die Basis des Transistors Trs 2 an Plus der Versorgungsspannung Uv. beispielsweise der Kraftfahrzeugbatierie. Der Kollektor des Transistors Trs2 ist über den Widerstand Λ 8 mit der Basis des Transistors Trs 3 verbunden, die außerdem ufoc-r einen Widerstand ÄS an Miniis der Versorgungspannung Uv liegt. Über den Kondensator C1 wird der Basis des Transfers Trs 3 der Vorverstä.kersiufe die zu verstärkende, modulierte Sendespannung zugeführt. Über den Widerstand R 12 sind die bislabile Kippschaltung und der Kollektor des Transistors Trs 3 mit Plus der Versorgungsspannung Uv «?rbunden. Der Kondensator C6 dien! zur Siebung d<.-r Versorgungsspannung, während der Kondensator C5 einen zusätzlichen Kurzschluß für die hochfrequente Sendespannung bildet. Die vom Transistor Trs 3 verstärkten Sendespan nuiigcü gi-isrigcr, üD^r ccr. „cnccr.ssicr i. i. aer zusammen mit dem Kondensator C4 und der Spule /. einen auf die Sendefrequenz abgestimmten Schwingkreis bildet, an den Eingang der Senderendstufe, die mit dem zu schützenden Leistungstransistor Trs 4 aufgebaut ist. nach nochmaliger Verstärkung und Widerstandsanpassung zur Antenne A.

Nach dem Erfindungsgedanken ist außerdem die Zcnerdiode D parallel zur Vcrsorgungsspanming Uv geschaltet. Ihre Zenerspannung ist insbesondere etwa doppelt so hoch als der Sollwert der Vcrsorgungsspannung Uv. aber kleiner a's die zulässige Kollektor-Emitierspannung des Leistung'-iransistor¹. Th 4.

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60 Ist der Augenblickswert der Versorgungsspannung und damit die am Regelwiderstand R7 fest eingestellte Slcucrgleichspannung an der Basis des Transistors Trs 2 gleich oder kleiner als der durch die Bemessung der Kippschaltung festgelegte Schwellwert der Kippschaltung, so ist der Transistor Trs2 gesperrt und der Transistor Trs I geöffnet. Am Kollektor des Transistors Trs 2 Hegt in diesem Falle fast die volle Plusspannung und über den Spannungsteiler aus den Widerständen R 8 und /?9 ein so großes Pluspotential an der Basis des Transistors Trs3, daß dieser geöffnet ist. Die Sendespannung an der Basis des Transistors Trs 3 gelangt nach Verstärkung im Transistor Trs 3 und im Leisiungstransisior Trs4 zur Antenne A.

Die Steuerspannung an der Basis des Transistors Trs 2 ist nun so eingestellt, daß sie so lange unter dem Schwellwert der Kippschaltung liegt, als auch die Summenspannung von Versorgungsspannung und überlagener Sendewechseispannung. die mit dem Ansteigen der Versorgungsspannung gleichfalls ansteigt, unter der zulässigen KolleHor-Emitterspannung des Leistungstransistors Trs 4 liegt. Steigt die Versorger ,spannung, etwa wegen Ausfalls der Regeleinrichtung der I .adecinrichtung oder durch der Versorgungsspannung überlagerte Störspannungen noch stärker an und überschreitet damit euch die der Versorgungsspannung proportionale Steuer pnnnung am Transistor Trs 2 der Kippschaltung den eingestellten Schwellwerk so schaltet die Kippschaltung in die andere Arfaeiisiage um. In dieser ist der Transistor 7>s 1 gesperrt und der Transistor Trs 2 geöffnet. Infolge des Stromflusses c'jrch den Transistor Trs 2 sinkt die Spannung am Kollektor des Transistois Trs 2 auf einen Wert ab, der annähernd durch das Spannungsteilerverhältnis der Widerstände R 4 und R 5 gegeben ist. Damii sinkt aber auch die über den Widerstand Λ 8 an der Basis des Transistors Trs 3 anliegende Vorspannung so weit ab. daß der Transistor Trs 3 gesperrt wird. Eine Aussteuerung des Leistungstransistors Trs 4 ist jetzt nicht mehr möglich.

Dieser erfindungsgemäßen Schutzmaßnahme lieg hierbei die Erkenntnis der Tatsache zugrunde, daß Transistoren eine höhere Koilektorspannung ohne Schaden aushalten, wenn nur die Kollektorspannung anliegt, ohne d,iii gleichzeitig eine Aussteuerung und damit Leistungsübertragung 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 Spannungsregeleinrichtung des Ladegerätes der Stromversorgung die Versorgungsspannunf Uv nicht-ganz auf das Doppelte ansteigt. ^;st durch die erfindungsgemäße Schaltung.anordung ein sicherer Schutz der Transistoren, insbesondere des Leistungstransistors Trs4 gewährleistet

Die erfindungsgemäße Schutzschaltungsanordnung wirkt in gleicher Weise aber auch dann, wenn der Versorgungsspannung Störspannungen überlagert sind, die eine kurz/eilige, scheinbare Erhöhung der Versorgungsspnnnung vortäuschen.

Die parallel zur Versorgungsspannung Uv geschaltete Zencrdioclc D verhindert, daß durch Störspannungsspitzen. die größer als die zulässige Emillcr-Kollcktorspannimg dos Transislc-s sind, dieser durchschlägt. Ihre Zenerspannung ist deshalb so gewählt, daß sie etwas über dem Doppelten der Versorgungsspannung Uv Itcirt. Die Zcneriliodc D bleibt daher auch dann noch

gesperrt, wenn die Versorgungsspannung Uv bei Ausfall der Regeleinrichtung auf annähernd das Doppelte ansteigt. Sind der Versorgungsspannung Uv jedoch Störspannungen solcher Größe überlagert, daß die Summenspannung von Versorgungsspannung Uv und Störspannung die Zencrspannung 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 Parallelschaltung einer Zenerdiode D zur Versorgungsspannung Uv, ohne einen den Zcncrstrom 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 Leiiendwcrdcn der Zenerdiode D nicht ausreicht! um sie zu überlasten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schutzschaliungsanordung für Leistungslransistorcn in Endstufen — insbesondere in Sendcrendstufcn —. denen wenigstens eine Vorverstärkersiufe vorgeschaltet ist. deren Basisvorspannung einerseits von dem zu verarbeitenden Nutzsignal. andererseits von dem Ausgangssigna! einer bistabilen Transistorkippstufe derart vorgegeben ist. daß im ungestörten Betrieb das Nutzsignal, im Slörungsfall 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 Vorvcrstärkerstufe verbunden ist und die Basis des einen Transistors der Kippstufe einen der zu überwachenden Größe proportionalen Spannungswert solcher Größe vorgegeben erhält, daß die Kippstufe in die andere Arbutslage umkippt, wenn die überwachte Größe einen zulässigen Wert überschreitet, und durch Sperren des Transistors in der Vorverstärkerstufe die Aussteuerung des Lcistungsiransisiors verhindert, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schütze des Leistungstransistors (Trs4) gegen Überspannungen in der VersTgungsspannung sowie gegen dieser überlagerte Störspannungcn der Basis des mit seinem Kollektor mit der Bash des Transistors (Trs 3) der Vorverstärkerstufe verbundenen Tr isistors (7rs2) der Transistorkippsi'ife (7>s 1. Trs2) eine der Versorgungsspannung proportionale Vorspannung zugp^f<jhrt ist und daß direkt parallel zu den Klemmen der Versorgungsspannungsquelle (Uv) eine Zencdiode (D) angeordnet ist. deren Zenerspannung höner als der Sollwert der Versorgungsspannung und niedriger als die zulässige Kollektor-Emiuer-Spannung des Leistungsiransistors (Trs 4) bemessen ist

2. Schutzschaltungsanordnung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die der Versorgungsspannung proportionale Vorspannung der Basis des einen Transistors (Fts2) der Transistorkippstufi (Trs I. Trs2) über einen fest eingestellten Spannungsteiler (/7 7) und einen Widerstand (Rb) /uge führt wird.

3. Schutzschaltungsanordnung nach Anspruch I und 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Wert de.· Zenerspannung der Zenerdiode (D) annähernd das Doppelte der Sollwertspannung der Versorgungsspannung beträgt.