DE2058891C2

DE2058891C2 - Circuit arrangement for protection against overload for the power transistors of a push-pull output stage

Info

Publication number: DE2058891C2
Application number: DE19702058891
Authority: DE
Inventors: Hans 8032 Gräfelfing Lang
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1970-11-30
Publication date: 1976-07-29

Description

ist. so daß der Schutztransistor bezogen auf beide 3° festgestellt werden, ob ein Defekt des_ Endverstärkersis. so that the protective transistor can be determined in relation to both 3 ° whether there is a defect in the output amplifier

Leistungstransistoren wirksam
der Endstufe eingreift.Power transistors effective
the output stage intervenes.

in die Ansteuerungin the control

Um Halbleiter-Bauelemente, insbesondere Transistoren, in einer Leistungsendstufe vor Überströmen, die gewöhnlich eine Zerstörung oder bleibende Veränderung des Bauelements verursachen wurden, zu schützen, sind die verschiedensten mehr oder weniger komplizierten Ausführungsformen bekannt.To make semiconductor components, especially transistors, in a power output stage from overcurrents, which are usually destruction or permanent change of the component were to protect, are the most varied of more or less complicated Embodiments known.

Derartige Überströme treten hauptsächlich dann auf. wenn ein Kurzschluß der Last entsteht.Such overcurrents mainly occur then. when a short circuit occurs in the load.

Es sind unter anderem bereits Transistorverstärkerschaltungen bekannt, bei denen ein Hilfstransistor eine Regel- oder Schutzaufgabe übernimmt. In den meisten Fällen wird dabei im wesentlichen eine Temperaturkompensation und damit eine Stabilisierung des Arbeitspunktes dadurch erzielt, daß mittels des Hilfs transistors der Arbeitspunkt entsprechend verlegt wird. Dies erfolgt z. B. in der Weise, daß dem Hilfstransistor eine Differenzspannung zugeführt wird, die aus einer dem Strom durch den Leistungstransistor proportionalen Spannung und einer dem Strom durch den die Vorstufe bildenden Transistor proportionalen Spannung gebildet wird. Durch die über den Hilfstransistor erzeugte Korrekturspannung wird dann die Vorstufe stabilisiert. Derartige Anordnungen, die in gewissen Grenzen die Temperaturabhängigkeit der Transistoren kompensieren, stellen jedoch keinen wirksamen Schutz gegen plötzliche Überlastungen dar.There are already known, among other things, transistor amplifier circuits in which an auxiliary transistor is a Takes over control or protection tasks. In most cases, a temperature compensation and thus a stabilization of the Working point achieved in that the working point is relocated accordingly by means of the auxiliary transistor. This is done e.g. B. in such a way that the auxiliary transistor is supplied with a differential voltage that consists of a the voltage proportional to the current through the power transistor and a voltage proportional to the current through the Pre-stage forming transistor proportional voltage is formed. By using the auxiliary transistor The correction voltage generated is then stabilized in the preliminary stage. Such arrangements made in certain Limits compensate for the temperature dependence of the transistors, but do not provide effective protection against sudden overloads.

Weiterhin besteht ein bekanntes Lösungsprinzip zur Sicherung der Leistungstransistoren in Verstärkersiufen gegen Überlastung oder Kurzschluß darin, im Überlastfall einen Schutztransistor zu öffnen und die weitere Aussteuerung des Leistungstransistors durch einen dadurch hergestellten Kurzschluß der Ansteueroder lediglich ein gestörter Betrieb durch einen kurzgeschlossenen Ausgang vorliegt.Furthermore, there is a known principle of solution for securing the power transistors in amplifier stages against overload or short circuit in opening a protective transistor in the event of an overload and the further modulation of the power transistor through a short-circuit of the control or there is only a faulty operation due to a short-circuited output.

Bei einer weiteren bekannten Schutzschaltung ist in der Versorgungsleitung eines Endstufentransistors ein Widerstand angeordnet, wobei der an diesem Widerstand auftretende Spannungsabfall einen Schiit/transistör steuert. Durch das öffnen des Schutztransistors wird eine Verschiebung des Gleiehstromarbeitspunktes der Vorstufe erzielt. Diese Verschiebung kann infolge der in der Schaltung vorhandenen Zeitkonstanten nur verzögert einsetzen. Es muß sich erst über mehrere Aussteuerhalbwellen ein Mittelwert herausbilden. Eine derartige Anordnung bildet also gegen plötzliche Überlastungen keinen ausreichenden Schutz.In a further known protective circuit, a power transistor is in the supply line of an output stage transistor Resistance arranged, the voltage drop occurring across this resistor a Schiit / transistör controls. Opening the protective transistor causes a shift in the DC operating point achieved in prepress. This shift can only occur as a result of the time constants present in the circuit use delayed. A mean value must first develop over several modulation half-waves. One Such an arrangement does not provide adequate protection against sudden overloads.

Weiterhin ist eine Anordnung bekannt, bei der /um Schutz gegen Überlastung eines Leistungslransisiors ein Schut/transistor mit seiner Hauptelektmdenstreckc zwischen die Basis des zu schützenden Leistungstransistors bzw. eines Vorstufentransistors und festes - 5° Bezugspoiential geschallet ist. Durch die >\nsi haltung der Basiselektrode des Schut/transistors an einem in der Hauptstromstrecke des l.eistungstransistois lugenden Widerstand wird der Schulztransistor im Überlastfall aufgesteuert, so daß er einen Nebenschluß für die den Leistungstransistor ansteuernde Spannung bildet.Furthermore, an arrangement is known in which / to Protection against overloading a power transistor a protection / transistor with its main electrode line between the base of the power transistor to be protected or a pre-stage transistor and a fixed - 5 ° reference potential is sounded. Because of the> \ nsi attitude the base electrode of the protection / transistor at one in the Main current path of the first power transistor lugenden Resistance, the Schulz transistor is turned on in the event of an overload, so that it is a shunt for the Power transistor driving voltage forms.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine einfach zu dimensionierende und betriebssichere Überlastungsschutzschaltung für die Transistoren einer Gegentaktcndstufc mit konstanter Aussteuerung zu schaffen, wobei der Schutzlransislor an einem im Versorgungsstromkreis der Endstufe angeordneten Widerstand angeschaltet und bei Überschreiten eines Schwellwertes durch den im Überlastfall an diesem Widerstand auftretenden erhöhten Spannungsabfall aufsteuerbar istIt is the object of the invention to provide an overload protection circuit which is easy to dimension and which is reliable in operation to create a push-pull output stage with constant modulation for the transistors, wherein the protective transistor is connected to a resistor arranged in the power supply circuit of the output stage switched on and when a threshold value is exceeded by the in case of overload at this resistor occurring increased voltage drop can be controlled

fts und der Schutztransistor ausgangsseitig einen Vorstufentransisior beeinflußt. Dies wird dadurch erreicht, daß der Vorstufentransistor ein Oszillatortransistor ist und die Leistungstransistoren durch die von der Oszillator-fts and the protection transistor on the output side a pre-stage transistor influenced. This is achieved in that the pre-stage transistor is an oscillator transistor and the power transistors through the oscillator

stufe transformalorisch ausgekoppelten Spannungen angesteuert werden, daß der im Versorgungssiromkreis der Reihen-Gegentaktendstufe angeordnete Wider stand nur von den Halbwellen einer Polarität des Gegentaktstromes durchflossen wird, daß die eine Hauptelektrode des einzigen Schutztransistors an den Verbindungspunkt zweier, einen Teilwiderstand eines die Vorspannung für den Steuerkreis des Vorstufentransistors festlegenden Spannungsteilers bildenden Widerstände und die andere Hauptelektrode unmittelbar an den Steuerkreis des Vorstufentransistors angeschlossen ist, so daß der Schutztransistor, bezogen auf beide Leistungstransistoren, wirksam in die Ansteuerung der Endstufe eingreift.stage transforming decoupled voltages are controlled that in the supply siromkreis the series push-pull output stage arranged against was only from the half-waves of one polarity of the Push-pull current flows through that the one Main electrode of the only protection transistor to the Connection point of two, a partial resistance of the bias voltage for the control circuit of the pre-stage transistor defining voltage divider forming resistors and the other main electrode directly the control circuit of the pre-stage transistor is connected, so that the protective transistor, based on both Power transistors, effectively intervening in the control of the output stage.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung, bei der der Schutztransistor nicht als Nebenschluß für die steuernde Eingangsspannung wirkt, sondern bei lirreichen des durch den TeilwideiViand des .Spannungsteilers vorgegebenen Schwellwortes nach Art eine Gegenkopplung in den Ansteuerkreis eingreift wird, bezogen auf beide Halbwellen des Gegentaktstromes. ein voller Schutz fur die Transistoren einer im Gegentakt-B-Betrieb arbeitenden Endstufe erreicht. Über den im Überlastfall ausgangsseitig verbleibenden Signalrcst kann festgestellt werden, daß die Endstufe nicht defekt ist, sondern lediglich ein gestörter Betrieb durch einen kurzgeschlossenen Ausgang oder durch einen Aiisgangswidcrstand, der klein ist gegenüber demjenigen, für den die Endstufe ausgelegt ist, vorliegt.In the arrangement according to the invention, in which the protective transistor is not used as a shunt for the controlling Input voltage acts, but with lirreich des specified by the partial width of the voltage divider Threshold word like a negative feedback is intervened in the control circuit, based on both Half-waves of the push-pull current. a full protection for the transistors of a push-pull B operation Final stage reached. The signal residual remaining on the output side in the event of an overload can be determined be that the output stage is not defective, but only a disturbed operation by a short-circuited Output or through an output resistance, which is small compared to that for which the output stage is designed.

An Hand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für einen Leistungsgenerator naher erläutert. Die aus den Transistoren Ti und 74 bestehende Rcihen-Gegciitaktendsuil'e erhält ihre Eingangssignale von einer Oszillatorstiife. die durch den Transistor 7"2, dein aus der Wicklung Ei des js Übertragers Üi und dem Kondensator Cl bestehenden frequenzbestimmenden Kreis sowie der Riickkopplungswicklung E2 des Übertragers Üi gebildet wird. Der aus der Reihenschaltung der Widerstände Ri. R3 und dem Widerstand R 4 bestehende Spannungsteiler sowie der Widerstand /?5 dienen zur Arbeitspunkteinstellung des Transistors T 2. In dem Ausführungsbeispiel ist die Schwingstufe in Kollektorschaltung ausgeführt, da durch den kleinen Ausgangswiderstand einer derartigen Stufe gewährleistet ist, daß die Sinusspan- 4.s nung bei Laständerung nicht verzerrt wird. Es ist jedoch bei entsprechender Abwandlung und unter Beachtung der Polaritäten möglich, eine andere Schaltungsart bzw. andere Transistortypen zu verwenden Dies gilt für die Endstufe entsprechend.An exemplary embodiment of the invention for a power generator is explained in more detail with reference to the drawing. The back-to-back counterclockwise signal consisting of the transistors Ti and 74 receives its input signals from an oscillator pin. which is formed by the transistor 7 "2, the frequency-determining circuit consisting of the winding Ei of the js transformer Üi and the capacitor Cl, as well as the feedback winding E2 of the transformer Üi . The series connection of the resistors Ri. R 3 and the resistor R 4 is formed The voltage divider and the resistor / 5 are used to set the operating point of the transistor T 2. In the exemplary embodiment, the oscillating stage is designed as a collector circuit, since the small output resistance of such a stage ensures that the sinusoidal voltage is not distorted when the load changes. However, with the appropriate modification and taking the polarities into account, it is possible to use a different type of circuit or different types of transistors. This applies accordingly to the output stage.

Durch transformatorische Ankopplung an die Schwingkreiswicklung werden über die Basiswicklungen E3 und fc'4 des Übertragers Il 1 die Transistoren 7\3 und T 4 der l.eistungsenclstufe sinusförmig und gegenphasig angesteuert. Die Widerstände /?6 und R 7 dienen der Arbeitspunkteinstellung. Wird der Transistor Γ3 leitend gesteuert so besteht ein StromflulJ über diesen Transistor, di; Wicklung des Ausgangsübertrager Ü2 und den Kondensator <"3. Dieser erhält somit eine zusätzliche Ladung. Wird dagegen der Transistor f>'> 7" 4 leitend, so entlädt sich der Kondensator Ci über die Wicklung des Ausgangsübertragers Ü2 und den Transistor 7"4 und gibt die vorher zusätzlich gespeicherte Energie ab. Während dieser Zeit wird aus der Versorgungsspannungsquelle kein Strom entnommen.By means of a transformer coupling to the resonant circuit winding, the transistors 7 \ 3 and T 4 of the first power output stage are driven sinusoidally and in phase opposition via the base windings E3 and fc'4 of the transformer II 1. The resistors /? 6 and R 7 are used to set the operating point. If the transistor Γ3 is made conductive, there is a current flow through this transistor, di; Winding of the output transformer Ü2 and the capacitor <"3. This thus receives an additional charge. If, on the other hand, the transistor f>'>7" 4 becomes conductive, the capacitor Ci is discharged via the winding of the output transformer Ü2 and the transistor 7 "4 and releases the previously additionally stored energy. During this time, no current is drawn from the supply voltage source.

Tritt nun ein gestörter Beiriebsfail, z. B. durch einen Kurzschluß am Ausgang oder durch einen Ausgangswiderstand, der klein ist gegenüber demjenigen, für den der Verstärker ausgelegt ist, auf, so würde beispielsweise der Transistor Ti zerstört, wenn er sich im leitenden Zustand befindet. Um nun den Leistungstransistor in einem solchen Falle vor Überlastung zu schützen, wird ein weiterer Transistor Tl in Verbindung mit den Widerständen R t und R 2 verwendet. An dem Widerstand R 2 steht eine dem halbwellenweise aufgenommenen Kollektorstrom des Leistungstransistors Γ3 entsprechende Spannung zur Verfügung. Diese wird zur Steuerung des Schutztransistors 7"I, der bei ordnungsgemäßem Betrieb gesperrt ist, verwendet. Damit nun die Aussteuerung des Transistors Ti erst bei einem bestimmten Lastfall erfolgt, wird für ihn ein Schwellwert vorgegeben. Dies wird durch die Anschaltung seines Emitters an den Verbindungspunkt der Teilwidei stände Ri und R 3. die zusammen den Teilwiderstand des die Vorspannung für den Transistor Γ2 liefernden und zusätzlich aus dem Widerstand /?4 bestehenden Spannungsteilers darstellen, erreicht. Die Emitter Basis-Strecke des Transistors 7Ί wird somit mit Hilfe des Widerstandes R 1 negativ vorgespannt.If a disturbed operational failure occurs, e.g. B. by a short circuit at the output or by an output resistance that is small compared to that for which the amplifier is designed, for example, the transistor Ti would be destroyed if it is in the conductive state. In order to protect the power transistor from overload in such a case, a further transistor T1 is used in conjunction with the resistors R t and R 2. A voltage corresponding to the half-wave absorbed collector current of the power transistor Γ3 is available at the resistor R 2. This is used to control the protective transistor 7 ″ I, which is blocked during normal operation. So that the transistor Ti is only activated under a certain load case, a threshold value is specified for it. This is achieved by connecting its emitter to the connection point the partial width would be Ri and R 3. which together represent the partial resistance of the voltage divider that supplies the bias voltage for the transistor Γ2 and also consists of the resistor /? 4. The emitter-base path of the transistor 7Ί is thus achieved with the aid of the resistor R 1 negatively biased.

Die Polarität der Wicklungen des Übertragers Üi wird so gewählt, daß der Transistor Ti hochohmig und der Transistor 7"4 niederohmig gesteuert wird, wenn der Schwingkreistransistor T2 den niederohmigen Zustand einnimmt. Wenn nun in einem beispielsweise durch den Kurzschluß der Last vorliegenden Überlastfall während des leitenden Zustandes des Transistors 7"3 der Spannungsabfall am Widerstand R 2 so groß wird, daß er die mit dem Widerstand R i gewählte Schwellspannung überschreitet, dann wird der Transistor TI leitend gesteuert. Zu diesem Zeitpunkt müßte der Transistor 7"2 auf Grund der gewählten Polaritäten für die Ansteuerwicklungen jedoch vom Schwingkreis auch hochohmig gesteuert werden. Dies wird jedoch durch das Leitendwerden des Transistors Ti verhindert, st) daß die Spannung an der Schwingkreiswicklung Π und d.imii über die transformatorische Einkopplung an den Ansteuerwicklungen Ei bzw. £"4 der Transistoren Γ3 und 7"4 in ihrer Amplitude so weit zurückge'C;:elt wird, daß der Slromfluß durch den Transistor Ti nicht weiter ansteigen kann. Der Schutzlransistor Π dient also als regelnde Begrenzung hinsichtlich der eingespeisten Signalspannungen für die Transistoren der Leistungsendstufe Durch die integrierende Wirkung des Schwingkreises besteht also bei Verwendung nur eines zusätzlichen Schutztransistors ein voll·τ Schutz für beide Leistungstransistoren der Endstufe Die Wirkung der erfindungsgemäßen Schutzschaltung setzt in einer solch kurzen Zeit ein, daß die l'.ndsuifenti aiisisUM'cn noch nicht gefährdet werden.The polarity of the windings of the transformer Ui is chosen so that the transistor Ti is high-resistance and the transistor 7 "4 is controlled low-resistance when the resonant circuit transistor T2 assumes the low-resistance state In the state of the transistor 7 "3, the voltage drop across the resistor R 2 becomes so great that it exceeds the threshold voltage selected with the resistor R i , then the transistor TI is controlled to be conductive. At this point in time, the transistor 7 "2 would have to be controlled with high resistance by the resonant circuit due to the polarities selected for the control windings. However, this is prevented by the transistor Ti becoming conductive the transformer coupling to the control windings Ei or £ "4 of the transistors Γ3 and 7" 4 is so far back in amplitude that the current flow through the transistor Ti can no longer increase. The protective transistor Π thus serves as regulating limitation with regard to the signal voltages fed in for the transistors of the power output stage Due to the integrating effect of the resonant circuit, when only one additional protective transistor is used, there is full protection for both power transistors of the output stage l'.ndsuifenti aiisisUM'cn not yet endangered will.

Hierzu 1 Blatl ZeichnungenFor this 1 sheet of drawings

Claims

Claim:

Circuit arrangement for protection against overload for the power transistors of a push-pull output stage using a protective transistor which is connected to a resistor located in the power supply circuit of the output stage and which can be opened when a threshold value is exceeded by the increased voltage drop across this resistor in the event of an overload, the protective transistor having a pre-stage transistor on the output side influenced, characterized in that the pre-stage transistor (7 "2) is an oscillator transistor and the power transistors (Γ3, 74) are controlled by the voltages decoupled from the oscillator stage (Γ2, E1, E 2, Ci) by a transformer, that the voltage in the supply circuit of the Series push-pull output stage arranged resistor (R 2) is traversed only by the half-waves of one polarity of the push-pull current that the one main electrode (emitter) of the single protective transistor (7 "1) to the connection putict of two, a partial resistance e ines voltage divider (R 1, /? 3, /? 4) forming resistors (Al, /? 3) and the other main electrode (collector) directly connected to the control circuit of the precursor transistor to prevent voltage. The cost of the components required for this is very great.

To prevent the protection transistor from being undesirable is opened when the power transistor works as an amplifier, must be known in the case of a Arrangement of its base over a between the collector of the power transistor and earth Control voltages fed to the voltage divider are smoothed by capacitors. Since the blocking of the

ίο Power transistor continues even if the If there is no longer an overload, a reclosing pulse must be issued to eliminate the short circuit are given.

In another known arrangement is for

If the overload situation is detected, a comparison stage is provided, by means of which the voltage across the power transistor and the voltage dropping across a corresponding resistor to detect the current through the power transistor are compared with one another. Such a principle requires two additional auxiliary transistors for each power transistor to be protected.

In another known arrangement, the Protective effect achieved in that a arranged in the collector circuit of the transistor to be protected Another power transistor whose collector sirom blocks There are also here for the protective circuit two additional transistors required.

With such a solution pnn / ip cannot