DE2338057B2

DE2338057B2 - Schutzschaltung für Transistorverstärker

Info

Publication number: DE2338057B2
Application number: DE2338057A
Authority: DE
Inventors: Tadao Tokio Suzuki
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1972-07-27
Filing date: 1973-07-26
Publication date: 1981-01-15
Also published as: US3904979A; DE2338057A1; FR2195099A1; JPS4932140A; CA1013440A; JPS5327821B2; NL177871C; IT992739B; NL7310480A; GB1439241A; FR2195099B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltungsanordnung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eitle derartige Schaltungsanordnung ist aus der DE-AS !2 65 213 bekannt. Dort wird ein Lautsprecher gespeist. Bei dieser Schutzschaltung gelangt wenigstens ein Übertrager zur Anwendung, um die Empfindlichkeit des Überlastungsdetektorkreises ausreichend hoch zu machen. Die Verwendung von Übertragern führt jedoch zu einer nicht tragbaren Erhöhung der Verluste der Schutzschaltung.

Soweit bei dieser bekennten Schutzschaltung zusätzliche Reihenschaltungen aus Dioden und Widerständen vorgesehen sind, sind diese schaltungstechnisch in anderer Weise angeordnet und genutzt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schutzschaltungsanordnung der eingangs genannten Gattung derart auszubilden, daß bei möglichst geringem schaltungstechnischen Aufwand die im Endstufentransistor des Verstärkers verbrauchte Leistung möglichst gering ist

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus dem Anspruch 2.

Durch die vorgeschlagene Ausbildung wird der Spannungsabfall über die Diode der ersten Reihenschaltung durch den Spannungsabfall über der Basis-Emitter-Strecke des ersten Transistors ausgeglichen, so daß der über den ersten Transistor fließende Strom bei einem Lastkurzschluß verringert wird. Diese Verringerung ist derart, daß der Leistungsverbrauch im ersten Transistor auf etwa die Hälfte verringert wird, wenn ein Lastkurzschluß auftritt

Der im Schutzkreis vorgesehene PN-Übergang dient dazu, zu verhindern, daß das der Basis des zweiten Transistors zugeführte Eingangssignal über den Basis-Kollektor-Kreis des Transistors das Schutzkreises abgeleitet wird.

Weitere Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeifpielen an Hand der Figuren. Von den Figuren zeigt

F i g. 1 ein Diagramm zur Erläuterung der Steuerungscharakteristik einer herkömmlichen Schutzschaltung für Transistorverstärker,

F i g. 2 ein Grundschaltbild eines Ausführungsbeispieles,

F i g. 3 und 4 jeweils dazu äquivalente Schaltungen zur Erläuterung der Schutzschaltung,

Fig.5 bis 8 Diagramme tjr Erläuterung der Operationskurven der Schutzschaltung,

Fig.9 ein Schaltungsdiagramm eines B-Gegentakt Verstärkers, in dem die Schutzschaltung verwendet wird, und

F i g. 10 bis 12 Schaltungsdiagramme anderer Ausführungsbeispiele.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert, welches auf einer Seite eines B-Gegentakttransistorverstärkers angewendet wird, welche eine positive Hälfte eines Eingangssignals verstärkt In Fig.2 ist mit 11 ein zu schützender Ausgangstransistor bezeichnet, dessen Basis mit einem Eingangssignal von einem Kontaktpunkt 12 von einer nicht gezeigten Vorstufe und mit einer Basisvoi spannung beaufschlagt wird. Der Kollektor des Ausgangstransistors 11 ist mit einem positiven Spannungskontaktpunkt 13 verbunden, an dem eine Spannung von -f Vcc liegt, und der Emitter des Transistors ist über einen Widerstand 14 mit einem Ausgang am Kontaktpunkt 17 zum Nachweisen eines Ruhestroms verbunden, und der Kontaktpunkt 17 ist über eine Last 10 geerdet. Der Emitter des Ausgangstransistors 11 ist ferner über eine Reihenschaltung mit einem Widerstand 15 und einer Diode 18 mit der Basis eines Transistors 20 verbunden. Die Basis des Transistors 20 ist ferner über eine Kapazität 21 auch mit dem Ausgangskontaktpunkt 17 verbunden und ist über eine Reihenschaltung aus einer Diode 19 zum Gleichrichten eines Soitzenwertes

und einem Widerstand 16 geerdet Der Emitter des Transistors 20 ist mit dem Kontaktpunkt 17 verbunden, und sein Kollektor ist mit der Basis des Ausgangstransistors It Ober eine Diode 22 verbunden, um eine Sperrspannung zu verhindern.

Nimmt man bei einer solchen Schaltung an, daß der Kollektorstrom des Transistors 11 oder ein durch den Widerstand 14 zu der Lest 10 fließender Ruhestrom /o, eine Belastungsspannung an der Last 10 eo und die Widerstandswerte der Widerstände 14,15 und 16 gleich ι ο Rj_n Rs und Äs sind, dann kann die der F i g. 2 äquivalente Schaltung in der in F i g. 3 gezeigten Weise dargestellt werden. Das heißt, der Widerstand 14 kann als Spannungsquelle mit der Spannung I₀Ra und die Last 10 als eine Spannungsquelle mit der Spannung e» betrachtet werden. Auf diese Weise wird die Kapazität 21 mit dem Ausgangssignal von der Spannungsquelle (Last 10) geladen und entladen.

Wird der Widerstand in Durchlaßrichtung der Dioden 18 und 19 vernachlässigt und wird ihr Spannungsabfall in Durchlaßrichtung gleich Vorgenommen, dann kann die in Fig.3 gezeigte Schaltung durch die in F<g.4 gezeigte ersetzt werden. In diesem Fall können, wenn der durch die äquivalente in F i g. 4 gezeigte Schaltung fließende Strom i, eine Klemmspannung an der Kapazität 21 V, der Spitzenwert des Stromes k gleich i_p und der Spitzenwert der Spannung eo gleich e_p ist, im stationären Zustand die folgenden Gleichungen aufgestellt werden:

30

V=tUi„-R₅i-V_f V=V_f + R_€i-e_p

(D (2)

35

Eliminiert man den Ausdruck / aus den Gleichungen (1) und (2), dann wird die folgende Gleichung (3) erhalten:

(3)

40

45

Wird die Spannung K größer als der Spannungsabfall an der Üasis-Emitterverbindung des Transistors 20. dann wird der Transistor 20 leitend, um den Ausgangstransistor 11 zu stützen.

Gilt V = Vbe- Vf, dann folgt Gleichung (4) aus Gleichung (3)

"4

(4)

55

In diesem Fall ist ep/i_p = Z angenommen. Mit anderen Worten sind die Spannungen iORa und eo im Spitzenwert durch die Dioden 18 und 19 jeweils gleichgerichtet und dann durch die Kapazität 21 in eine Gleichspannung V umgewandelt, so daß die Klemmspannung V der Kapazität 21 unabhängig von den Phasenschiebungen des Stromes ^ der Spannung eo ist, jedoch von den Spitzenwerten i_p und e_p abhängt. (,5 Dementsprechend zeigt Z = ep/i_p nicht nur den reinen Widerstand der Last 10 sondern auch ihre Impedanzkomponente.

Wird Z = ep/ip in Gleichung (4) eingesetzt, dann ergibt sich die Gleichung (5)

R₅Z

Wird der Wert der Lastimpedanz Zoo aus Gleichung (5) berechnet, wenn i_p= **> erfüllt ist, dann kann die folgende Gleichung (6) abgeleitet werden:

Z⁰⁰ =

R,

Ist die Lastimpedanz Z größer als diejenige aus Gleichung (6), dann wird der Strom i_p negativ mit dem Ergebnis, daß der Transistor 20 nicht leitend wird. In dem Fall jedoch, in dem die Lastimpedanz Z kleiner als Zoo, wirc£ wenn der Spitzenstrom i_p gemäß Gleichung (5) ist, der Transistor leitend, um den Transistor 11 zu schützen.

_ Stellt man den Verlauf der Glc/'hung (5) in einem Diagramm dar, dann erhält man den in F i g. 5 gezeigten Verlauf. Ein Bereich oder eine Fläche 4 in F i g. 5 zeigt einen geschützten oder beschränkten Bereich, in dem der Transistor 20 leitend wird, um den Transistor 11 zu schüt?^a.n. Wie aus dem in Fig.5 gezeigten Diagramm folgt, wird bei Z = 0 der Spitzenstrom i_p = 2 V/Λ«, was gleich dem Minimalwert ist. Ist der Transistor 11 so ausgebildet, daß der Wert seiner Wärmeerzeugung nicht seinen Toleranzwert bei dem Strom 2 V/Ät erreicht dann ist der Transistor 11 für einen Kurzschluß der Last geschützt

F i g. 6 zeigt ein Diagramm, welches dem Verlauf der Funktion gemäß Gleichung (4) entspricht In diesem Fall, wenn der Spannungsabfall an dem Widerstand 14 vernachlässigt wird, ist die Summe der Kollektor-Emitter-Spannung Vce des Transistors 11 und der Belastungsspannung eo gleich V_a der Spannungsquelle, und der Ruhestrom h> ist gleich dem Kollekiorsti,j>m des Transistors 11.

Wird dementsprechend Gleichung (4) in der charakteristischen Kurve zwischen Vce und Ic des Transistors 11 gezeigt dann erhält man die in F i g. 7 gezeigte Kurve.

Handelt es sich bei der Last 10 um ein reines Widerstandselement dann zeigen die Linien 5 in den F i g. 6 bis 8 eine Schutz- oder Begrenzungslinie und die Bereiche oder Flächen 6 zeigen Schutz- oder Begrenzungsbereiche. Ist dagegen die Last 10 ein Impedanzelement dann zeigt die geknickte Linie 7 in Fig.8 eine Schein-Schutz- oder Begrenzungslinie, und ein Bereich 8 in Fig.8 ist ein Schutz- oder Begrenzungsbereich. Eine Lastlinie ('ep gegen die ep-Kurve) wie die Linie 2 in Fig 6. zeigt einen Fall, in dem die Last ein reiner Widerstand ist Dann entsprechen die Werte i_pt und e_px dem Strom i_p und*!er Spannung e_p an dem Schnittpunkt X der Linie 2 mit der Schutz- oder Begrenzungslinie 5 einem Bereich, innerhalb dessen ein Ausgangssignal abgeleitet werden kann. Währenddessen wird im Faäi einer Impedanzlast, selbst wenn ihre Lastlinie eine Ellipse 3 wird (in F i g. 8 ist nur der positive Teil gezeigt) und sie die Schutz- oder Begrenzungslinie 5 schneidet, kein Schutzvorgang ausgeführt. Die Schutzoperation wird nur ausgeführt, wenn die Ellipse 3 die geknickte Linie 7 schneidet. Demgemäß kann selbst in dem Fall der Impedanzlast, wenn die Impedanz höher als der Toleranzwert in Übereinstimmung mit der geknickten Linie 7 ist. ein Auseanessienal abgeleitet werden.

F i g. 9 zeigt den Fall, in dem die Schutzschaltung gemäß der Erfindung bei einer B-Ausgangsstufe eines Endverstärkers verwendet wird. Mit 30 ist ein Differentialverstärker bezeichnet, der aus einem Transistorpaar 31,32 zur Verstärkung und einem Transistor 33 für Konstantstrom besteht. Ein einem Eingangskontaktpunkt 35 zugefUhrtes Eingangssignal wird der Basis des Transistors 31 zugeführt. Das Kollektorausgangssignal des Transistors 31 wird über einen Transistor 37, der als Emitterfolger geschaltet wird durch einen Transistor 36 für Konstantstrom, zu Transistoren 41, 42 und 43, 44 geführt, die in transformatorloser Gegentaktbauweise geschaltet sind. Das Emitterausgangssignal des Transistors 37 wird der Basis von den Transistoren 41 und 43 zugeführt. Die Kollektoren der Transistoren 41 und 42 sind gemeinsam mit einem positiven Kontaktpunkt einer Spannungsquelle 13/4 mit einer Spannung von + Vcc verbunden, während die Kollektoren der Transistoren 43 und 44 gemeinsam mit einem negativen Kontaktpunkt einer Spannungsqueiie Ί3Β mit einer Spannung von - Vcc verbunden sind. In Reihe geschaltet sind Widerstände 48 und 49 zwischen den Emittern der Transistoren 42 und 44, und ein Ausgangssignal wird von dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 48 und 49 abgegriffen.

Eine Schutzschaltung für die Transistoren 41 und 42 hat den oben beschriebenen Aufbau. Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 48 und 49 ist über einen Widerstand 14 zum Nachweis des Ruhestroms mit dem Kontaktpunkt 17 und ferner über eine Reihenschaltung aus dem Widerstand 15 und der Diode 18/4 mit der Basis eines Transistors 204 verbunden. Die Basis des Transistors 2OA ist ferner über eine Kapazität HA mit dem Kontaktpunkt 17 verbunden und über eine Reihenschaltung aus der Diode 19/4 und einem Widerstand 16/4 geerdet. Der Emitter des Transistors 20/4 ist mit dem Kontaktpunkt 17 verbunden, während sein Kollektor über eine Diode 22A mit der Basis des Transistors 41 verbunden ist.

Eine Schutzschaltung für die Transistoren 43 und 44 ist in gleicher Weise aufgebaut, so daß deren Komponenten in F i g. 9 durch dieselben Bezugszeichen, jedoch anstelle des Indexbuchstaben A der Schutzschaltung für die Transistoren 41 und 42 mit dem Indexbuchstaben B bezeichnet sind. Die Beschreibung derselben ist weggelassen. In Fig.9 bezeichnet das Bezugszeichen 47 einen Rückkopplungswiderstand, der zwischen den Kontaktpunkt 17 und die Basis des Transistors 32 geschaltet ist.

Die Schutzschaltungen für die Transistoren 41,42 ui.< 43,44 in F i g. 9 führen dieselbe Schutzoperation aus wi< die im Zusammenhang mit F i g. 2 bis 8 beschriebene.

In der in Fig. 2 gezeigten Grundschaltung kann wenn die Last kurzgeschlossen ist, ein Kurzschlußstron von 2 ViIRt fließen. Zur Verminderung des Kurzschluß stromes kann es ausreichen, den Widerstandswert de: Widerstandes 14 zu erhöhen, aber ein Erhöhen de! Widerstandswertes bewirkt einen Leistungsabfall arr Widerstand 14. Um diesen Nachteil iu vermeiden, kanr es in Betracht gezogen werden, den Transistor 20 unc die Diode 18 beide aus Germanium zj bilden, um VVunc damit den Kurzschlußstrom zu vermindern. Es gibt abei eine Grenze für die Verminderung des KurzschluDstro mes mit Hilfe dieses Verfahrens.

Die Fig. 10 und H zeigen weitere Ausführungsbei spiele der Erfindung, wobei die gleichen Bezugszeicher wir die in F i g. 2 die gleichen Elemente bezeichnen. Ir diesen Äusführungsbeispieien wird eier Schaltung zurr Nachweis des Ruhestroms ^ eine Vorspannung züge führt, um den Kurzschlußstrom zu reduzieren.

Fig. 10 zeigt den Fall, in dem die positive Halbperiode der B-Ausgangsstufe wie im Fall vor Fig. 2 behandelt wird. In diesem Fall sind die Transistoren 41 und 42 als Darlington-Schaltung verbunden, eine Reihenschaltung aus einem Widerstanc 23 und einer Diode 24 ist zwischen Kollektor unc Emitter des Transistors 42 geschaltet, und dei Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 23 unc der Diode 24 ist mit dem Widerstand 15 verbunden Demgemäß wird die an dem Widerstand 14 erzeugte Spannung kR₄ hoch durch einen Spannungsabfall an dei Diode 24, und daher wird 2 Vr des Kurzschlußstrorne« 2 VVR₄ vermindert um den obigen Spannungsabfall. Aul diese Weise wird der Kurzschlußstrom 2ViZR₄ stark vermindert.

In dem in F i g. 11 gezeigten Ausführungsbeispiei isi der Widerstand 15 mit dem Transistor 42 an desser Basis verbunden, so daß die Spannung zwischen Basis und Emitter des Transistors 42 in gleicher Weise wirki wie der Spannungsabfall an der Diode 24 in dem ir Fig. 10 gezeigten Ausführungsbeispiel, um den Kurzschlußstrom in gleicher Weise zu vermindern.

Es ist in den beschriebenen Ausführungsbeispieler möglich, anstelle der Diode 22 einen Transistor 25 mil dem Transistor 20 in einer umgekehrten Darlington-Weise zu verbinden, wie es in F i g. 12 gezeigt ist.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schutzschaltungsanordnung fur die Endstufentransistoren eines Gegentakt-B-Verstärkers zur Speisung einer Impedanz, bestehend aus einem ersten Transistor, dessen Kollektor-Emitter-Kreis einerseits mit einer Gleichspannungsquelle und andererseits Ober eine Last mit einem Bezugspunkt verbunden ist, einem zweiten Transistor, dessen Kollektor-Emitter-Kreis zwischen den Kollektor und die Basis des ersten Transistors geschaltet ist und dessen Basis ein zu verstärkendes Eingangssignal zugeführt wird, einem zweiteiligen Überlastungsdetektorkreis, der einerseits die Spannung an der Last direkt mißt, andererseits durch einen in Reihe mit dem Kollektor-Emitter-Kreis des ersten Transistors angeordneten Widerstand den Strom durch die Last mißt, und der die beiden gemessenen Werte unter Gegeneinanderschalten miteinander vergleicht, welcher Überlastungsdetektorkreis daraus ein Steuersignal erzeugt, wenn die Lastimpedanz um einen bestimmten Wert abnimmt, welches Steuersignal einem zwischen die Basis des zweiten Transistors und den Verbindungspunkt der Last mit dem ersten Transistor geschalteten Schutzkreis zugeführt wird, um das der Basis des zweiten Transistors zugeführte Eingangssignal zu verringern, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich in dem Überlastungsdetektorkreis eine erste Reihenschaltung eines Widerstandes (15) und einer Diode (18) '-jrgesehen ist, die zwischen der Basis des ersten Transistors (42) und dem Verbindungspunkt des Widerstandes (14) mit der Last (10) über einen Kondensator (21) verbürgen in, um den Kondensator in Abhängigkeit von der Spannung über dem Widerstand (14) zu laden, und daß eine zweite Reihenschaltung aus einer Diode (19) und einem Widerstand (16) vorgesehen ist, die zwischen die Verbindung des Kondensators (21) mit der Diode (18) und den Bezugspunkt geschaltet ist, um den Kondensator in Abhängigkeit von der Spannung über der Last (10) zu entladen, und daß Aer Schutzkreis aus einem dritten Transistor (20) besteht, dessen Basis-Emitter-Kreis mit den beiden Anschlüssen des Kondensators (21) und dessen Basis-Kollektor-Kreis mit der Basis des zweiten Transistors (41) und dem einen Anschluß des Kondensators (21) verbunden ist (F i g. 11).

2. Schutzschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzkreis einen PN-Übergang (22) aufweist, der zwischen die Basis des zweiten Transistors (41) und den Kollektor des dritten Transistors (20) geschaltet ist

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