DE2404850C3

DE2404850C3 - Elektronische Sicherung für einen Gegentakt-Verstarker

Info

Publication number: DE2404850C3
Application number: DE2404850A
Authority: DE
Inventors: Dieter 7100 Heilbronn Herchner
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Telefunken Electronic GmbH
Priority date: 1974-02-01
Filing date: 1974-02-01
Publication date: 1979-01-11
Also published as: DE2404850B2; DE2404850A1; US3988642A

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Sicherung zum Schutz von Endstufentransistoren eines Gegentakt-Verstärkers gegen einen zu hohen Laststrom, bei der zum Abschalten der einen Grenzwert übersteigende Spannungsabfall des Laststromes an den beiden Klemmen eines im Laststromkreis liegenden niederohmigen Meßwiderstandes herangezogen und dem Steuereingang eines aus wenigstens zwei Transistoren bestehenden Differenzverstärkers zugeführt ist, der über eine Anpassun^stufe an eine Schaltstufe angeschlossen ist, durch die beim Überschreiten eines definierten Schwellwertes für den Laststrom der Verstärker abgeschaltet wird.

Da der Innenwiderstand von beispielsweise mehrstufigen Niederfrequenz-Verstärkerschaltungen aus dynamischen Gründen sehr gering sein soll, kann der entnommene Laststrom bei zu kleinen Lastwiderständen unzulässig hohe Werte annehmen. Um die Zerstörung von Endstufentransistoren durch zu hohe Lastströme zu vermeiden, wurde bereits die Verwendung von Feinsicherungen vorgeschlagen. Der so erreichte Schutz ist jedoch unvo"kommen, da die AbschaUzeit der Fcinsicherungcr. im allgemeinen groß ist.

Durch die DE-AS 20 13 828 ist eine elektronische Sicherung bekannt, die für mehrstufige Verstärkerschaltungen als Schutz gegen einen zu hohen Schwellwert übersteigenden Kollektor- und Emitterstrom der Endstufe herangezogen wird. Bei dieser bekannten Sicherung wird eine Schalteinheit (a) mit zwei stabilen Schaltzuständen beim Überschreiten eines Schwellstroms umgeschaltet. Die .Schalteinheit (a) ist über eine Diode mit der Steuerelektrode einer vorangehenden Verstärkerstufe verbunden. Diese Diode wird beim Umschalten der Schalteinheit (a) vom sperrenden in den leitenden Zustand umgeschaltet und die Steuergleichspannung der vorangehenden Stufen dadurch derart verändert, daß die Verstärkung der Verstärkerstufe Null wird.

Durch die DF-AS 12 65 213 ist eine elektronische Sicherung nach dem Oberbegriff des Anspruchs I als Schutz gegen einen zu hohen Laststrom bekannt, bei der zum Abschalten der einen Grenzwert übersteigende Laststrom direkt herangezogen wird. Hierfür ist bei der bekannten elektronischen Sicherung Unter anderem ein Differenzverstärker vorgesehen, der aus zwei Transl· stören besteht. Da die bekannte elektronische Siche^ rung mit Übertragern arbeitet, hat sie den Nachteil, daß sie sich nicht vollständig in moderner integrierter Halbleitertechnik herstellen laßt. Außerdem wird bei der bekannten Schaltung die Meßspannung nur an die

Steuerelektrode eines Transistors des Differenzverstärkers angeschlossen, während an der Steuerelektrode des anderen Transistors eine den Überlastungsgrenzwert bestimmende Spannung anliegt. Ferner ist der Meßwiderstand galvanisch von den Endstufentransistoren getrennt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Sicherung der eingangs genannten Art als Schutz gegen einen zu hohen Laststrom anzugeben, der möglichst temperaturunempfindlich ist. Außerdem soll die elektronische Sicherung möglichst einfach aufgebaut und in integrierter Halbleitertechnik herstellbar sein und sich somit zur Integration eignen. Diese Aufgabe wird bei einer solchen elektronischen Sicherung durch den kennzeichnenden Teil des Patentan-Spruchs 1 gelöst.

Durch die Verwendung eines Transistors in der Schaltstufe ist bei der erfindungsgemäßen Schaltung eine Stromquelle vorhanden, die bei jeder über der Basis-Emitter-Durchlaßspannung Übe eines Transistors liegenden Versorgungsgleichspannung arbeitsfähig ist. Dies hat den Vorteil, daß auf den an der Ausäangselektrode der Stromquelle anliegenden, durch den angeschlossenen Punkt in der Verstärkerschaltung vorgegebenen Spannungswert keine Rücksicht genommen werden muß.

Die Verstärkerschaltung ist vorzugsweise an einen Schaltungsteil angeschlossen, der nach dem Prinzip einer Bootstrap-Schaltung arbeitet. Durch diesen Schaltungsteil wird das an der Anschlußstelle des Emitterwiderstandes des Differenzverstärkers anliegende Potential auf das gleiche dynamische Potential wie die Ausgangsspannung des Verstärkers angehoben. Dieses angehobene Potential wird gegebenenfalls über ein -n Widerstand mit der Ausgangselektrode des Tre bentransistors in der Verstärkerschaltung verbunden so daß eine volle Aussteuerung der Verstärkersch iltung möglich ist.

Die erfindungsgemäße Schaltung hat den Vorteil, daß der für dii Auslösung der Sicherung vorgesehene Laststromgrenzwert temperaturunabhängig ist. Dies wird durch die Verwendung eines Differenzverstärkers erzielt. Sie ist außerdem als integrierte Festkörperschaltung realisierbar.

Der Ausgangswiderstand der Sicherung ist in der erwünschten Weise hochohmig. Dies ergibt sich aus dem hochohmigen Kollektorinnenwiderstand des die Stromquelle bildenden Anschlußtransistors.

Beim Überschreiten des Laststromgrenzwertes kann der Verstärker erst wieder in Betrieb gesetzt werden. wenn die Vers.irgungsspannung zuers« abgeschaltet und dann erneut zugeschaltet wird. Dies erreicht man bei einer bevorzugten Ausführungsform der Schaltung dadurch, daß beim Überschreiten eines bestimmten Schwellwertes ein Thyristor gezündet wird.

An diesen Thyristor ist der die Stromquelle bildende Transistor so angeschlossen, daß dieser Transistor dann durchgesteuert wird, wenn über den Thyristor ein begrenzter Strom fließt. Der Thyristor erhält seine Zündspannung von einer Zenerdiode, die den Schwell wert bestimmt. Der Thyristorstrontf läßt sich nur dadurch unterbrechen, daß die Versorgungsspannung abgeschaltet wird.

Der Laststrom bedingt eine an der ÄUsgangselektrode des Differenzverstärker auftretende Spannung, die einen Gleich- und einen Wechselspannungsanteil aufweist. Der Schwcllwcri wird der Einfachheit halber von einer Zenerdiode bestimmt. Nun ist verständlich.

daß der Schwellwert der Zenerdiode nicht unbedingt dem Gleich- und Wechselspannungsabfall am Ausgang des Differenzverstärkers beim Laststromgrenzwert entspricht Zwischen die Zenerdiode und den Differenz-

ί verstärker muß daher eine Anpassungsstufe geschaltet werden. Diese Anpassungsstufe, die auch als Pegelschieber bezeichnet wird, erlaubt die voneinander unabhängige Anpassung der Gleichspannungs- und der Wechselspannungsanteile.

ίο Die erfindungsgemäße Schaltung soll im weiteren noch an Hand eines Aüsführungsbeispiels näher erläutert werden.

In der Figur ist eine Schaltung dargestellt, die im wesentlichen aus 8 Teilen besteht Der erste Teil ist die

π Verstärkerschaltung V herkömmlicher Art, die aus mehreren Stufen besteht und besonders für Niederfrequenzverstärkungen verwendet wird

Der Verstärker besteht aus den Transistoren Ti, T₂, T₃ und Ti mit den zugehörigen Dioden D\, Eh zwischen den Steuerelektroden der Endstufentra ustoren T₃ und T₄. Diese beiden Dioden wirken als Sp^nrungsquelle und sichern eine temperaturstabilisierte Gleichstromarbeitspunkteinstellung für die Endstufentransistoren. Die Transistoren T₃ und T₄ sind Komplementärtransistoren

.'5 und arbeiten in Kollektorschaltung. Die beiden Transistoren sind so zwischen die Pole der Versorgungsspannungsquelle i/ßin Reihe geschaltet daß die Emitterelektroden beider Transistoren miteinander verbunden sind und damit auf gleichem Potential liegen. Beim Betrieb

H) der Schaltung stellt sich ein Gleichgewicht derart ein, daß am Punkt P zwischen den beiden Transistoren Ti und T₄ die halbe Versorgungsspannung i/a.?liegt. Da die Wechselspannungsverstärkung von der Basis zur Emitterelektrode der Endstufentransistoren Ti, T₄

r> kleiner als 1 ist, kann bei voller symmetrischer Aussteuerung des Treibertransistors, für den ja auch nur der Versorgungsspannung Ub zur Verfugung steht, am Ausgang P der Endstufentransistoren nicht die volle Wechselspannungsamplitude Ü - - liegen. Es ist

da'.er notwendig, das Ausgangspotential der Treiberstufe bei einem vorhandenen Eingangssignal so gleichphasig mit der Ausgangsspannung an P anzuheben, daß der Verstärker voll ausgesteuert werden kann.

•ΙΊ Die Anhebung des Kollektor-Potentials des Treibertransistors Ti erfolgt mit Hilfe der Schaltelemente C₁, R, im Schaltungsteil B. die nach dem Prinzip einer Bootsstrap-Schaltung arbeiten. Iu diesem Schaltungsteil ist auch der Laststromkreis enthalten, der über den

>(! Meßwiderstand Rm an den Punkt P des Verstärkers angeschlossen ist. Die zweite Klemme (?des Meßwiderstandes R\i ist über den Kondensator Ci und den Lastviderstand Ri nut dem negativen Pol bzw. dem Masseanschluß und über einen weiteren Kondensator

Ίί Ci und den Widerstand R_t mit dem positivn Pol der Versorgungsspannungsquelle verbunden. Die Verbindung S /wischen dem Kondensator Ci und dem Widerstand R₁ ist einmal über den Widerstand Ri mit der Kollektorelekcrode des Transistors Ti und zum

M) anderen üter den Emittervorwiderstand R$ mit den beiden Emitterelektroden der Transistoren Tj und T₆ des Differenzverstärkers D verbunden. fr'ie Basiselektrode des Transistors Ts ist an Q angeschlossen, während die Basiselektrode des Transistors T₆ an P

bi angeschlossen ist,

Solange kein Wechselstromsignal vorhanden ist, ist Rm praktisch gleichspannungsfrei und damit stromlos, da weder über & noch ΓΊ pin nipirhctrnm fü<.n»n ι™πη

und der Basisstrom des Transistors T₅ vernachlässigbar klein ist. An Q liegt somit das mil P übereinstimmende Gleichspannungspotential U_B/2. Beim Auftreten eines Wechselstromsignals und angeschlossenem Lastwiderstand R_L fließt über Rm der Laststrom. Gleichzeitig ändert sich am Punkt 5 über die Kapazität Ci das Potential derart, daß auch eine volle Aussteuerung der Ausgangstransistoren T) und T* bis zur Spannung Üb/2 möglich ist.

Der Aufbau des an den Meßwiderstand Rm angeschlossenen Differenzverstärkers D wurde bereits weitgehend erläutert. Der Kollektor des Transistors Γ5 ist direkt mit Masse verbunden, während der Kollektor des Transistors Tf, über den Kollektorwiderstand /?5 an die Masseelektrode angeschlossen ist.

Über Rs fällt dann eine bestimmte Gleichspannung ab, der eine Wechselspannung überlagert ist, die von dem

„_ r> „. ι „_*,.« ~ui-x :— :„* η ι

an /\,\r gciiicaauiicii Liaaiou υιιι auiiaiigig iai. i\m rtaiin praktisch beliebig klein gewählt werden, da der an Rm abgegriffene Spannungswert am Differenzverstärker D verstärkt wird und dieser verstärkte Wert noch über die Anpassungsstufe auf den gewünschten Wert transformiert werden kann.

Die Anpassungsstufe A besteht aus den beiden Komplementärtransistoren Ti und 7s. Die Emitterelektrode von Ti ist über den Emitterwiderstand Rg an Masse und der Kollektor über den Kollektorwiderstand /?7 an den positiven Pol der Versorgungsspannungsquel-Ie angeschlossen. Der Komplementärtransistor Ts, dessen Basiselektrode an die Kollektorelektrode von Ti führt, ist über den Kollektorwiderstand Rg an Masse und über den Emitterwiderstand Rg an den positiven Pol der Versorgungsspannungsquelle angeschlossen. An Rg füllt die angepaßte Spannung an, die beim Überschreiten eines Grenzwertes die nachgeschaltete Zenerdiode Z\ durchschaltet.

Bei einer Anpassungsstufe der geschilderten Art gilt:

*^a = V ■ (^Uci" - Λ- -'<""

«7

= K.

R,

(2)

40

45

Dabei ist V_n die Wechselspannungsverstärkung der Anpassungsstufe also V₁₇= V₇ ■ V₈, wobei V? und Vg die Verstärkungsfaktoren der beiden Stufen mit den Transistoren 7"₇ und Tg sind. U_aiK ist die gewünschte Gleichspannung an Rg, während U_em die Gleichspannung an R_s ist.

Angenommen, die Zenerdiode Zi hat eine Zeherspaiinung von 5,5 Volt, dann wird durch die Anpassungsstufe sichergestellt, daß an Rg bei dem gewünschten Laststromgrenzwert diese Zenerspannung abfällt Wenn an Λ5 beispielsweise eine Gleichspannung von 2 Volt abfällt, dann wird U_m,s beispielsweise mit einem Gleichspannungswert von 4 Volt in die obige Gleichung eingesetzt. Bis zur Zenerspannung Von 5,5 Volt verbleiben dann noch 1,5 Volt. Ergibt sich, daß bei dem Laststromgrenzwert an R₅ eine Wechselspannung mit dem Spitzenwert 0,5 Volt abfällt, muß V_u den Wert 3 haben, damit die noch fehlenden 1,5 Volt an Z, erreicht werden. Wenn somit die Werte für V„ürid U_ms gewählt sind, ergibt sich daraus mit Gleichung (1) das Widerstandsverhältnis RgIRo und damit aus Gleichung (2) auch das Widerstandsverhältnis R₁IRt.

Parallel zum Ausgangswiderstand Rg der Anpassungsstufe A ist die Reihenschaltung Z aus der Zenerdiode Z\ und dem Widersland Λ10geschaltet.

An der Zenerdiode Z\ fällt somit die Zenerspannung dann ab, wenn der Laslstromgrenzweri erreicht ist. Der an uic ZencruiuuK Z\ arigeschirisserie Thyristor, der im Ausführungsbeispiel durch die Transistoren Ti₀ und T_n ersetzt ist. 7ündet dann. Dieser Strom im Thyristorschaltteil 7, wird durch den in Reihe geschalteten Widerstand Λ12 begrenzt. Er erzeugt an dem gleichfalls in Reihe geschalteten Transistor 7I₂ einen Spannungsabfall der Größe Uni- Bei dieser Spannung wird der nachgeschaltete, als Stromquelle dienende Transistor T\) immer dann durchsteuert, wenn die Spannung an der Kollektordektrode von Tt) zwischen den Werten Uat und Üb liegt, wobei U_B die Versorgungsgleichspannung ist. Die Stromquelle kann daher fast an jeden beliebigen Punkt der Verstärkerichaltung angeschlossen werden. Der Kollektor von Tn wird beispielsweise an die Basiselektrode des Treibertransistors Ti angeschlossen. Wenn der Laststromgrenzwert erreicht wird, wird der Transistor Tu durchgesteuert und der Basisstrom des Transistors T₂ abgeleitet. Der Verstärker schaltet ab und kann nur durch eine Abschaltung und wieder Zuschaltung der Versorgungsgleichspannung erneut in Betrieb genommen werden. Der Transistor ist beispielsweise als Diode geschaltet. An die kurzgeschlossene Kollektor-Basisstrecke ist die Stromquelle St angeschlossen. In manchen Fällen können auch mehrere Stromquellentransistoren parallel geschaltet werden.

Der Transistor T_n kann beispielsweise auch an die Eingangselektrode von T) oder Tt oder an die Emitterelektrode von 7Ϊ angeschlossen werden.

Erwähnt sei noch, daß der Widerstand R₃ sehr viel größer ist als der Widerstand Ru um den über R₃ abfließenden Wechselstrom klein zu halten.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind Tu T₄, Ά, Tf,. Tg und Γι 1 pnp-Transistoren, während die übrigen Transistoren npn-Transistoren sind.

Die Schaltung wird in einem oder in mehreren Halbleiterkörpern als integrierte Festkörperschaltung untergebracht Dann wird der niederohmige Meßwiderstand Rm vorzugsweise durch eine Leitbahn oder einen diffundierten Widerstand realisiert

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1, Elektronische Sicherung zum Schutz von Endstufentransistoren eines Gegentakt-Verstärkers gegen einen zu hohen Laststrom, bei der zum Abschalten der einen Grenzwert übersteigende Spannungsabfall des Laststromes an den beiden Klemmen eines im Laststromkreis liegenden niederohmigen Meßwiderstandes herangezogen und dem Steuereingang eines aus wenigstens zwei Transistoren bestehenden Differenzverstärkers zugeführt ist, der über eine Anpassungsstufe an eine Schaltstufe angeschlossen ist, durch die beim Oberschreiten eines definierten Schwell wertes für den Laststrom der Verstärker abgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektroden der Transistoren (T5, T6) des Differenzverstärkers (D) direkt mit den Klemmen des Meßwiderstandes (RM) verbunden sind, wobei der Meßwiderstand so geschaltet kt, daß an seinen beiden Klemmen etwa die Ausgangsgleichspannung des Gegentakt-Verstärkers liegt, daß die Transistoren (T5, TS) des Differenzverstärkers (D) über einen gemeinsamen Emittervorwiderstand (R 4) an ein Potential (S) angeschlossen sind, daß sich mit dem dynamischen Ausgangspotential (P) des Gegentakt-Verstärkers (V) gleichphasig verändert, daß dem Differenzverstärker (D) über die Anpassiingsstufe (A) und die Schaltstufe (Z, Ty) wenigstens eine aus einem Transistor (T 13) bestehende Stromquelle nachgeschaltet ist, ci.e mit dem Gegentaktverstärker so verbunden ist, daß dieser be einem überhöhten Laststrom abgeschaltet v. ird und daß die Schaltung in einem oder in mehreren Ha jleiterkörpern als integrierte Festkörperschaltung realisiert ist.
2. Elektronische Sicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein nach dem Prinzip einer Bootstrap-Schaltung arbeitender Schaltungsteil (B) vorgesehen ist, durch das das an der Anschlußstelle (S) des Emittervorwiderstandes (Ra) des Differenzverstärkers (D) anliegende Potential auf das gleiche dynamische Potential wie die Ausgangsspannung des Verstärkers (V) angehoben wird, und daß dieses Potential mit der Ausgangselektrode des Treibertransistors (T₂) des Gegentakt-Verstärkers (V) verbunden ist.
3. Elektronische Sicherung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassungsstufe (A) aus zwei einander nachgeschalteten Komplementärtransistoren (T. Τ«) besteht, wobei die Emitterelektrode des ersten Transistors (T₁) über einen Emitterwiderstand (R*) mit dem ersten Pol und der Kollektor über einen Kollektorwiderstand (Rr) mit dem zweiten Pol der Versorgungsspannungscfiielle des Gegentakt-Ver stärkers verbunden ist. während der Emitter des zweiten Transistors (T_H) über einen F.mitterwider stand (Rv₁) mit dem /weiten Pol und der Kollektor über einen Kollektorwiderstand (Rn) mit dem ersten Pol der Versorgungsspannungsquelle verbunden ist.
4. Elektronische Sicherung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem Kollektorwiderstand (7?₈) des zweiten Transistors (Tg) der Anpassungsslufe (A) ein den Schwellwert bestimmendes Schaltungsteil (Z) geschaltet ist, das aus der Reihenschaltung einer Zenerdiode (Z\) und eines Widerstandes (Rw) besteht,
5. Elektronische Sicherung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an die Zenerdiode (Z\) eine aus 2 Transistoren (TlO, 7Ί1) bestehende Schaltungsanordnung angeschlossen ist, die beim Oberschreiten eines bestimmten Schwellwertes durchgesteuert wird.
6. Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstand (Rm) in der integrierten Schaltung durch eine auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers verlaufende Leitbahn oder durch einen diffundierten niederohmigen Widerstand realisiert ist.