DE2403102A1

DE2403102A1 - Ueberlastungsschutzschaltung fuer eine transistor-schaltstufe

Info

Publication number: DE2403102A1
Application number: DE2403102A
Authority: DE
Inventors: Karl-Friedrich Dipl Ing Heine
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-01-23
Filing date: 1974-01-23
Publication date: 1975-07-24

Description

Überlastungsschutzschaltung für eine Transistor-Schaltstufe Die Erfindung betrifft eine Überlastungsschutzschaltung für eine Transistor-Schaltstufe.
Es sind verschiedene Schutzschaltungen für Gransistor-Schaltstufen bekannt, die alle mit mehr oder weniger schaltungsaufwand den statischen Arbeitspunkt des Dransistors überwachen und beim tberschreiten der maximal zulässigen Dauerbelastung die Transsitor-Schaltstufe sperren. Dabei kann z.B. der Ausgangsstrom des Transistors überwacht werden.
Es sind auch Schutzschaltungen bekannt, die den Anstieg der Versorgungsspannung über einen maximal zulässigen Wert unterbinden und so den Transistor vor Überlastung schützen. Alle diese bekannten Schutzschaltungen haben den Nachteil, daß sie auf eine bestimmte Störgröße abgestellt sind und daß sie nur auf die statischen Werte der Transistor-Schaltstufe ansprechen.
Beim Einschalten der Schaltung und beim Auftreten von Störungen während des Betriebes treten jedoch dynamische Veränderungen auf, die ebenfalls eine tberlastung des Transistors verursachen können.-Es ist Aufgabe der Erfindung, eine tberlastungsschutzschaltung für eine Transistor-Schaltstufe zu schaffen, bei der sowohl beim statischen, als auch beim dynamischen Betriebszustand des Transistors vor tberlastung geschützt ist und dies sowohl hinsichtlich des maximal zulässigen Stromes, und der maximal zulässigen Kollektor-Emitter-Spannung, als auch der kurzzeitigen, zeitabhängigen Belastung.
Xies wird nach der Erfindung -dadurch erreicht, daß die Spannung zwischen der Ausgangselektrode des Transistors und dem Bezugspotential der Schaltung an einen Spannungsteiler gelegt ist, an dem eine Vergleichsspannung abgegriffen wird, die mit Hilfe eines Operationsverstärkers mit einem Teil der Eingangssteuerspannung verglichen wird, daß der Operationsverstärker die Basis des Transistors nur ansteuert, wenn der Teil der Eingangssteuerspannung die Vergleichsspannung übersteigt und daß beim Einschalten der Schaltung der Teil der Eingangssteuerspannung kurzzeitig so weit erhöht wird, daß der Transistor sicher angesteuert wird. Auf diese Weise wird der Transistor in allen Betriebsphasen eindeutig vor tberlastung geschützt.
Die zeitabhängige Erhöhung der Steuerspannung beim Einschalten der Schaltung wird dabei in einfacher Weise dadurch erhalten, daß der dem Operationsverstärker zugeführte Teil der Eingangssteuerspannung über einen Spannungsteiler gewonnen wird, wobei dem Vorwiderstand des Spannungsteilers ein Kondensator parallelgeschaltet ist.
Die Vtersteuerung des Transistors und die Verlagerung des Arbeitspunktes in unzulässige Belastungsbereiche wird dadurch verhindert, daß das Ausgangssignal des Operationsverstärkers so begrenzt wird, daß unter Berücksichtigung der Dauer der kurzzeitigen Erhöhung des Teils der Eingangssteuerspannung, der maximalen Versorgungsspannung der Schaltung und dem Kurzschluß des Ausgangs des Transistors der dabei maximal zulässige Strom des Transistors nicht überschritten wird. Dies kann auf einfachste Weise dadurch erreicht werden, daß zwischen den Ausgang des Operationsverstärkers und die Basis des Transistors ein Strombegrenzungswiderstand engeschaltet ist. Eine andere Möglichkeit mit größerer Freizügigkeit in der Auslegung ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgang des Operationsverstärkers und die Basis des Transistors ein Zwischenverstärker mit Begrenzerstufe eingeschaltet ist.
Der Schutz des Transistors vor unzulässig hoher Kollektor-Emitter-Spannung ist dadurch zu erhalten, daß die Vergleichsspannung so gewählt ist, daß beim Vberschreiten der maximal zulässigen Versorgungsspannung der Schaltung selbst bei kurzzeitig erhöhtem Teil der Eingangs st euerspannung der Operationsverstärker gesperrt ist und der Transistor nicht angesteuert wird.
Für die statischen Arbeitswerte der Schaltung ist die Auslegung der tberlastungsschutzschaltung so, daß der Arbeitspunkt des Transistors so gewählt ist, daß die dabei abgeleitete Vergleichsspannung Eeiner ist als der statische Teil der Eingangssteuerspannung.
Eine weitere Gefahr der Uberlastung des Transistors besteht dann, wenn bei kapazitiver oder temperaturabhängiger Last beim Einschalten der Schaltung die Kollektor-Emitter-Spannung, die nach einer Zeitfunktion abnimmt, nicht schnell genug abfällt. Bei der kurzzeitig erhöhten Steuerspannung kann dies zu unzulässigen Belastungen führen. Dies läßt sich dadurch verhindern, daß bei einer Transistor-Schaltstufe mit kapazitiver oder temperaturabhängiger Last der Teil der Eingangssteuerspannung von einem Anfangswert nach einer Zeitfunktion so auf den statischen Teil der Eingangssteuerspannung absinkt, daß bei dem vorgegeben maximalen Ausgangsstrom des Transistors die Vergleichsspannung den Operationsverstärker sperrt, wenn die zum jeweiligen Zeitpunkt zulässige Spannung zwischen der Ausgangselektrode des Transistors und dem Bezugspotential der Schaltung überschritten wird.
Der Aufbau der Überlastungsschutzschaltung kann nach einer Ausgestaltung so vorgenommen sein, daß bei einer Schaltung mit dem Minuspotential als Bezugspotential und einem NPN-Transistor mit Sollektor-Last aus der Kollektor-Emitter-Spannung die Vergleichsspannung abgeleitet wird und daß die Vergleichsspannung dem Minus-Eingang und der Teil der Eingangssteuerspannung dem Plus-Eingang des Operationsverstärkers zugeführt werden.
Wird äedoch das andere Potential der Versorgungsspannung als Bezugspotential der Schaltung ausgenützt, dann ist der Aufbau der Überlastungsschutzschaltung so, daß bei einer Schaltung mit dem Pluspotential als Bezugspotential und einem PNP-Transistor mit Kollektor-Last aus der Sollektor-Emitter-Spannung die Vergleichsspannung abgeleitet wird und daß die Vergleichsspannung dem Plus-Eingang und der Teil der Eingangssteuerspannung dem Minus-Eingang des Operationsverstärkers zugeführt werden.
Wird die Last in den Emitterkreis des Transistors eingeschaltet, dann ist die Auslegung so, daß bei einer Schaltung mit dem Minuspotential als Bezugspotential und einem PNP-Transistor mit Emitter-Last aus der Emitter-Kollektor-Spannung die Vergleichs spannung abgeleitet wird und daß die Vergleichs spannung dem Plus-Eingang und der Teil der Eingangssteuerspannung dem Minus-Eingang des Operationsverstärkers zugeführt werden. Beim anderen Bezugspotential der Schaltung ist die Ausgestaltung so, daß bei einer Schaltung mit dem Pluspotential als Bezugspotential und einem NPN-Transistor mit Emitter-Last aus der Emitter-Kollektor-Spannung die Vergleichsspannung abgeleitet wird, und daß die Vergleichsspannung dem Plus-Eingang und der Teil der Eingangssteuerspannung dem Minus-Eingang des Operationsverstärkers zugeführt werden.
Die Erfindung wird anhand von verschiedenen, in den Zeichnungen als Stromlaufpläne dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit NPN-Transistor, Kollektor und einem Ntius-Bezuspotentil, Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit PNP-Transistor, Kollektorlast und Plus-Bezugspotential, Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel mit PNP-Dransistor, Emitter-Last und Minus-Bezugspotential und Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel mit NPN-Transistor, Emitter-Last und Plus-Bezugspotential.
Bei der Schaltung nach Fig. 1 ist das Minuspotential als Bezugspotential verwendet. Wird über den NPN-Transistor T im Kollektorkreis der Lastwiderstand L geschaltet, der zum Pluspotential führt, dann wird die Ansteuerschaltung wie folgt aufgebaut: Die Basis des Transistors T wird über einen Strombegrenzungswiderstand R5 vom Ausgang a des Operationsverstärkers OV angesteuert. Dieser Operationsverstärker ist so ausgelegt, daß am Ausgang a nur ein Steuersignal auftritt, wenn die am Plus-Edgang ed anliegende Spannung größer ist als die am Minus-Eingang ei anliegende Spannung. Dabei ist zu beachten, daß die am Plus-Eingang ed anliegende Spannung direkt durchgreifen kann, während die am Minus-Eingang ei anliegende Spannung invertiert wird.
Aus der Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors T wird über den Spannungsteiler aus den Widerständen R1 und R2 eine Vergleichsspannung uv abgeleitet, die am Widerstand R2 ansteht. Das Eingangssteuersignal ueo wird dem Eingang i der Schaltung zugeführt. Ein Teil u e dieses Eingangssteuersignals wird über den Spannungsteiler aus den Widerständen R3 und R4 abgeleitet und dem Operationsverstärker OV zugeführt. Der als Vorwiderstand geschaltete Widerstand R3 ist durch den Kondensator C überbrückt, so daß'der Anfangswert der Teilspannung ue -der Eingangssteuerspannung ueo entspricht und dann nach einer Zeitfunktion auf den durch den Spannungsteiler vorgegebenen Endwert ue abfällt.
Die Teilspannung ue der positiven Eingangssteuerspannung ueo gelangt auf den Plus-Eingang ed des Operationsverstärkers OV.
Die positive Vergleichs spannung uv gelangt auf den Minus-Eingang ei des Operationsverstärkers OV und wird invertiert. Am Ausgang a des Operationsverstärkers OV tritt ein positives Ausgangssignal auf, wenn ue > uv. Dabei genügt eine kleine Differenz, um den Operationsverstärker OV aus zusteuern und ein verstärktes Ausgangssignal zu erhalten.
Diese Schutzschaltung wirkt nun wie folgt: ttber den Widerstand R5 wird die Ansteuerung des Transistors g so begrenzt, daß unter Berücksichtigung der Dauer der kurzzeitigen Erhöhung des Teils der Eingangssteuerspannung, der maximalen Versorgungsspannung der Schaltung und dem Kurzschluß des Ausgangs des Transistors der dabei maximal zulässige Strom des Transistors nicht überschritten wird. Dabei ist berücksichtigt, daß bei kleinerer Ansteuerzeit die Strombelastung des Transistors größer sein kann, daß bei größerer Versorgungsspannung die Strombelastung des Transistors kleiner sein muß und daß bei Kurzschluß der maximale Stromanstieg im Transistor auftritt.
Ein Schutz des Transistors T vor Überspannungen der Versorgungsspannung wird dadurch erreicht, daß bei nichtleitendem Transistor T die gewonnene Vergleichs spannung uv den Teil ue der Eingangssteuerspannung ueo übersteigt und den Operationsverstärker OV und damit den Transistor T sperrt, auch dann, wenn der Teil u e der Eingangssteuerspannung ueo beim Einschalten kurzzeitig auf u eo erhöht wird.
Der statische Arbeitspunkt des Transistors 2 ist so gewählt, daß die dabei abgeleitete Vergleichsspannung uv kleiner ist als der statische Teil u e der Eingangssteuerspannung ueo.
Die kurzzeitige Spannungserhöhung am Plus-Eingang ed des Operationsverstärkers OV dient dazu, in einer Art Prüfphase die Transistorsachaltstufe zu überprüfen und erst bei positivem Prüfergebnis, d.h. bei ungestörten und ungefährlichen Betriebsbedingungen, auf statischen Betrieb durchzuschalten.
Mit dieser kurzzeitigen Spannungserhöhung im Eingangskreis des Operationsverstärkers OV wird auch eine Überlastung des Transistors T verhindert, wenn eine kapazitive bzw. temperaturabhängige Last geschaltet wird. Beim Durchsteuern des Trnasistor T nimmt die Kollektor-Emitter-Spannung nach einer Zeitfunktion ab. Die Vberlastung des Transistors T kann dabei einfach dadurch verhindert werden, daß der Teil u e der Eingangssteuerspannung ueo nach einer Zeitfunktion so auf den statischen Endwert ue abfällt, daß bei dem vorgegebenen maximalen Ausgangsstrom des Transistors T die Vergleichsspannung den Operationsverstärker sperrt, wenn die zum jeweiligen Zeitpunkt zulässige Spannung zwischen der Ausgangselektrode des Transistors und dem Bezugspotential überschritten wird.
Der Transistor T ist daher in der. neuen Schutzschaltung sowohl im dynamischen, als auch im statischen Betriebszustand eindeutig vor tberlastungen geschützt.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist ein PNP-Transistor T verwendet, wobei das Pluspotential als Bezugspotential dient. Die Eingangssteuerspannung ueo ist negativ und steuert über den Operationsverstärker OV und den Widerstand R5 den Transistor T aus, wenn die an dem Widerstand R2 abgegriffene negative Vergleichsspannung uv kleiner ist als ue. Dabei ist zu berücksichtigen, daß der Teil ue der Eingangssteuerspannung u.eo über den Plus-Eingang ed direkt durchgreift, während die am Minus-Eingang e. anliegende negative Vergleichsspannung uv invertiert wird.
In Fig. 3 ist ein PNP-Transistor T verwendet, der im Fmitterkreis die Last L speist. Die Vergleichspannung Uv wird aus der Emitter-Kollektor-Spannung abgeleitet und wird dem Plus-Eingang ed des Operationsverstärkers OV zugeführt.
Der Spannungsteilerwiderstand R1 ist am Emitter e des Transistors g angeschaltet. Als Bezugspotential wird das Minuspotential verwendet. Der Teil ue der positiven Eingangssteuerspannung ueo wird dem Minus-Eingang ei des Operationsverstärkers OV zugeführt, darüber invertiert und als negative Steuerspannung der Basis des Transistors g zugeführt, wenn die am Plus-Eingang ed anliegende positive Vergleichsspannung, die den Operationsverstärker OV direkt passiert, kleiner als die Teilspannung ue ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 speist schließlich ein NPN-Transistor T im Emitterkreis die Last L. Als Bezugspotential ist das Pluspotential verwendet und das Eingangssteuersignal ueo ist negativ. Die Teil spannung ue wird dem Eingang ei des Operationsverstärkers OV zugeführt, invertiert und-ergibt eine positive Steuerspannung für den Transistor T, wenn die negative Vergleichsspannung uv kleiner ist als die Teilspannung ue.
Bei allen Ausführungsbeispielen tritt am Ausgang a des Operationsverstärkers OV keine Steuerspannung für den Transistor g auf, wenn die Vergleichsspannung uv. größer ist als die Teilspannung ue der Eingangssteuerspannung ueo.
Dies gilt auch für den dynamischen obergang der Deilspannung, wenn beim Einschalten der Schaltung ue = ueo ist, bedingt durch den Kondensator C.

Claims

A n s p r ü c h e

1. tberlastungsschutzschaltung für eine Transistorschaltstufe, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung zwischen der Ausgangselektrode (z.B. c) des Transistors (T) und dem Bezugspotential (- bzw. +) der Schaltung an einen Spannungsteiler (R1, R2) gelegt ist, an dem eine Vergleichsspannung (uv) abgegriffen wird, die mit Hilfe eines Operationsverstärkers (OV) mit einem Teil (ue) der Eingangssteuerspannung (ueo) verglichen wird, daß der Operationsverstärker (OV) die Basis des Transistors, (g) nur ansteuert, wenn der Teil (ue) der Eingang steuerspannung (ueo) die Vergleichsspanung (g) übersteigt und daß beim Einschalten der Schaltung der Teil (ue) der Eingangssteuerspannung (ueo) kurzzeitig so weit erhöht wird, daß der Transistor (T) sicher angesteuert wird.

2. oberlastungsschutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Operationsverstärker (OV) zugeführte Teil (ue) der Eingangssteuerspannung (ueo) über einen Spannungsteiler (R3,R4) gewonnen wird, wobei dem Vorwiderstand (R3) des Spannungsteilers ein Kondensator CC) parallelgeschaltet ist.

3. tberlastungsschutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal (a) des Operationsverstärkers (OV) so begrenzt wird, daß unter Berücksichtigung der Dauer der kurzzeitigen Erhöhung des Teils (ue) der Eingangssteuerspannung (ueo), , der maximalen Versorgungsspannung der Schaltung und dem Kurzschluß des Ausgangs. (z.B. c) des Transistors (g) der dabei maximal zulässige Strom des Transistors (D) nicht überschritten wird.

4. Vberlastungsschutzschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgang (a) des Operationsverstärkers (OV) und die Basis des Transistors (T) ein Strombegrenzungswiderstand (R5) eingeschaltet ist.

5. Uberlastungsschutzschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgang (a) des Operationsverstärkers (OV) und die Basis des Transistors (T) ein Zwischenverstärker mit Begrenzerstufe eingeschaltet ist.

6. Überlastungsschutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsspannung (uv) so gewählt ist, daß beim tberschreiten der maximal zulässigen Versorgungsspannung der Schaltung selbst bei kurzzeitig erhöhtem Teil (ue) der Eingangssteuerspannung (ueo) der Operationsverstärker (OV) gesperrt ist und der Transistor (T) nicht angesteuert wird.

7. Uberlastungsschutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitspunkt des Transistors (2) so gewählt ist, daß die dabei abgeleitete Vergleichsspannung (uv) kleiner ist als der statische Teil (ue) der Eingangssteuerspannung (ueo).

8. Überlastungsschutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Transistor-Schaltstufe (T) mit kapazitiver oder temperaturabhängiger Last (L) der Teil (ue) der Eingangssteuerspannung (ueo) von eine Anfangswert (ueo) nach einer Zeitfunktion so auf den statischen Teil (ue) der Eingangssteuerspannung (ueo) absinkt, daß bei dem vorgegeben maximalen Ausgangsstrom des Transistors (T) die Vergleichsspannung (uv) den Operationsverstärker (OV) sperrt, wenn die zum jeweiligen Zeitpunkt zulässige Spannung zwischen der Ausgangselektrode (z.B. c) des Transistors (T) und dem Bezugspotential (- bzw. +) der Schaltung überschritten wird.

9. Überlastungsschutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis8, dadurch gekennzeichnet, daß'bei einer Schaltung mit dem Minuspotential (-) als Bezugspotential und einem NPON-Transistor (T) mit Kollektor-Last (L) aus der Kollektor-Emitter-Spannung die Vergleichsspannung (uv) abgeleitet wird und daß die Vergleichsspannung Cuv) dem Minus-Eingang (ei) und der Teil (ue) der Eingangssteuerspannung (euo).dem Plus-Eingang (ed) des Operationsverstärkers (OV) zugeführt werden (Fig. 1).

10. Überlastungsschutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Schaltung mit dem Pluspotential (+) als Bezugspotential und einem NPN-Transsitor (T) mit Kollektor-Last (L) aus der Sollektor-Emitter-Spannung die Vergleichsspannung (uv) abgeleitet wird und daß die Vergleichsspannung (uv) dem Plus-Eingang (ed) und der Teil (ue) der Eingangssteuerspannung (ueo) dem Minus-Eingang (ei) des Operationsverstärkers (OV) zugeführt werden (Fig. 2).

11. Überlastungsschutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Schar tung mit dem Minuspotential (-) als Bezugspotential und einem PNP-Transistor (T) mit Emitter-Last (L) aus der Emitter-Eollektor-Spannung die Vergleichsspannung (uv) abgeleitet wird und daß die Vergleichsspannung (uv) dem Plus-Eingamg (ed) und der Teil (ue) der Eingangssteuerspannung (ueo) dem Minus-Eingang (ei) des Operationsverstärkers (OV) zugeführt werden (Fig. 3).

12. Überlastungsschutzschaltung nach einem der Anspruche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Schaltung mit dem Pluspotential (+) als Bezugspotential und einem NPN-Transistor (T) mit Emitter-Last (L) aus der Emitter-Eollektor-Spannung die Vergleichsspannung (uv) abgeleitet wird und daß die Vergleichsspannung (uv) dem Plus-Eingang (ed) und der Teil (ue) der-Eingangssteuerspannung (ueo) dem Minus-Eingang (ei) des Operationsverstärkers (OV) zugeführt werden (Fig. 4).

L e e r s e i t e