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Schaltungsanordnung zum Schutz eines Halbleiter-Bauelementes vor Überlastung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Schutz eines in seinem
Arbeitskreis eine Bürde enthaltenden steuerbaren Halbleiter-Bauelementes vor Überlastung
mit einem ebenfalls im Arbeitskreis des Halbleiter-Bauelementes angeordneten Strom
erfassenden Widerstand und mit einem mit seinem Steuereingang an den Strom erfassenden
W derstand angeschlossenen elektronischen Steuerteil.
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Es ist üblich, Halbleiter-Bauelemente, vor allem Beistungstransistoren,
durch eine elektronische Strombegrenzungsschaltung zu schützen. Diese Schaltung
sorgt dafür, daß der Strom durch das Halbleiter-Bauelement einen zulässigen Höchstwert
nicht überschreitet. Es ergibt sich dann beispielsweise in einem Störungsfalle eine
maximale Verlustleistung, die dem Produkt aus der Betriebsspannung und dem Höchstwert
des Stromes entspricht. Da in vielen Anwendungsfällen, z.B. bei Wechselspannungsbetrieb
oder Ausgängen für eine vorgegebene Bürde, die Verlust leistung im normalen Betrieb
des Halbleiter-Bauelementes wesentlich geringer als die im Störungsfalle auftretende
maximale Verlustleistung ist, müssen die Halbleiter-Bauelemente und deren Hohlkörper
überdimensioniert werden, um auch bei einer länger anhaltenden Störung nicht beschädigt
zu werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige Überdimensionierung
von Halbleiter-Bauelementen und deren Kühlkörpern zu vermeiden und zu erreichen,
daß die maximale Verlustleistung im Störungsfalle nur geringfügig höher ist als
die bei normalen Betriebsverhältnissen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Schaltungsanordnung der eingangs
beschriebenen Art erfindungsgemäß der elektronische Steuerteil mit seinem Steuereingang
auch an eine Anordnung zur Gewinnung eines von der Spannung am Halbleiter-Bauelement
abhängigen Signals angeschlossen.
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Mit der Erfindung wird also eine spannungsabhängige~Strombegrenzung
für Halbleiter-Bauelemente vorgeschlagen, bei der sich infolge der zusätzlichen
Erfassung der Spannung am Halbleiter-Bauelement der Einsatzpunkt bei größeren Eollektor-Emitter-Spannungen
nach kleineren Strömen im Falle von beispielsweise als Transistoren ausgebildeten
Halbleiter-Bauelementen verschiebt. Bei gleicher Dimensionierung der Halbleiter-Bauelemente
und deren Kühlkörpern wie bei der herkömmlichen Strombegrenzung kann dann in vorteilhafter
Weise eine beträchtlich höhere Betriebsleistung zugelassen werden. Die erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung kann - wie nachfolgend noch im einzelnen dargelegt wird - so
ausgelegt sein, daß sie einen Schutz vor Überlastung bei Überschreitung einer zulässigen
Bürde, z .3. beim Kurzschluß, und.unzulässigem Phasenwinkel bei nicht reeller Isst
oder im Falle der Sättigung eines nachgeschalteten Wandlers gewährleistet.
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Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung kann in unterschiedlicher
Weise hinsichtlich der Anordnung zur Gewinnung eines von der Spannung am Halbleiter-Bauelement
abhängigen Signals und hinsichtlich des elektronischen Steuerteiles ausgebildet
sein.
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Als vorteilhaft wird es erachtet, wenn die Anordnung zur
Gewinnung
eines von der Spannung am Halbleiter-Bauelement abhängigen Signals bei einer unmittelbar
auf Bezugspotential der Schaltungsanordnung liegenden Bürde aus einer Widerstandsanordnung
besteht; den Steuereingang des elektronischen Steuerteils verbindet ein Widerstand
der Widersta:qdsanordnung mit dem mit dem Strom erfassenden Widerstand verbundenen
Anschluß des Halbleiter-Bauelementes, ein weiterer Widerstand mit dem vom Strom
erfassenden Widerstand abgewandten Anschluß des Halbleiter-Bauelementes und ein
zusätzlicher Widerstand mit dem von dem Halbleiter-Bauelement abgewandten Anschluß
des Stromes erfassenden Widerstandes Diese Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
zeichnet sich durch einen verhältnismäßig einfachen Schaltungaufbau aus und ist
- wie bereits angegeben - für die Fälle geeignet, bei denen die Bürde mit ihrem
einen Anschluß unmittelbar auf Bezugspotential, d.h. Masse, der Schaltungsanordnung
angeschlossen ist, während ihr anderer Anschluß über den Strom erfassenden Widerstand
mit dem einen Anschluß des zu schützenden Halbleiter-Bauelementes in Verbindung
steht.
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-Handelt es sich bei dem zu schützenden Halbleiter-Bauelement um einen
Transistor, dann ist in vorteilhafter Weise das elektronische Steuerteil von einem
weiteren Transistor gebildet; der eine Widerstand der Widerstandsanordnung, wie
sie oben bereits erwähnt wurde, ist in dieser Ausführung der .erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung zwischen dem Emitteranschluß des einen Transistors und dem Basisanschluß
des weiteren Transistors angeordnet. Der weitere Widerstand liegt zwischen dem Kollektoranschluß
des einen Transistors und dem Basisanschluß des weiteren Transistors, während der
zusätzliche Widerstand zwischen dem vom Emitteranschluß des einen Transistors abgewandten
Anschluß des Sh-anersenden Widerstandes und dem Basisanschluß des weiteren Transistors
liegt.
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Vorausgesetzt ist dabei, daß es sich bei dem zu schützenden Transistor
und dem den elektronischen Steuerteil bildenden
weiteren Transistor
um Transistoren gleicher Ausführung, z.B. um npn-Transistoren, handelt. Bei Transistoren
unterschiedlicher Ausführung ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung sinngemäß
anzupassen. Der Vorteil dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
wird in ihrem verhältnismäßig einfachen technischen Aufbau gesehen.
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Ist die Bürde auf einem vom Bezugspotential, d.h. Masse, der Schaltungsanordnung
abweichenden Potential mit ihrem einen Anschluß angeordnet, dann besteht die Anordnung
zur Gewinnung eines von der Spannung am Halbleiter-Bauelement abhängigen Signals
vorteilhafterweise aus mindestens einem die Spannung an der Bürde mit gegenkoppelnder
Wirkung an den Steuereingang des elektronischen Steuerteils führenden Widerstand.
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Bezüglich der Spannung am zu schützenden Halbleiter-Bauelement bedeutet
diese Ausbildung und Lage der Anordnung innerhalb de erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
jedoch eine Mitkopplung, da die Spannung am zu schützenden Halbleiter-Bauelement
die Differenz aus der Versorgungsspannung und der Spannung an der Bürde darstellt,
wenn man den verhältnismäßig kleinen Spannungsabfall an dem mit der Bürde in Reihe
liegenden Strom erfassenden Widerstand vernachlässigt.
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Handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit
nicht an Bezugspotential liegender Bürde bei dem zu schützenden Halbleiter-Bauelement
wiederum um einen Transistor, dann ist auch der elektronische Steuerteil vorteilhafterweise
als weiterer Transistor ausgebildet, dessen Emitteranschluß über den die Anordnung
zur Gewinnung eines von der Spannung am Halbleiter-Bauelement abhängigen Signals
bildenden Widerstand mit dem Emitteranschluß des zu schützenden Transistors verbunden
ist. Auch in diesem Falle ist davon ausgegangen, daß es sich bei dem zu schützenden
Transistor und dem weiteren Transistor jeweils um Transistoren gleicher Art handelt;
sonst ist der Schaltungsaufbau entsprechend abzuändern.
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Um eine Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit vergleichsweise
hoher Empfindlichkeit und Genauigkeit zu
gewinnen, ist es vorteilhaft,
die Anordnung zur Gewinnung eines von der Spannung am Halbleiter-Bauelement abhängigen
Signals bei einer auf einem vom Bezugspotential der Schaltungsanordnung abweichenden
Potential liegenden Bürde mit einem Spannungsteiler zu versehen, der einerseits
an dem der Bürde zugewandten Anschluß des Halbleiter-Bauelementes und andererseits
an Bezugspotential angeschlossen ist; der Abgriff des Spannungsteilers ist dabei
mit einem Eingang eines Operationsverstärkers des elektronischen Steuerteils verbunden,
während an dem anderen Eingang des Operationsverstärkers das vom Bezugspotential
abgewandte Ende des mit der Bürde in Reihe liegenden Strom erSassenden Widerstandes
angeschlossen ist. Dem Operationsverstärker ist eine vorzugsweise von einem zusätzlichen
Transistor gebildete elektronische Steuereinrichtung nachgeordnet, die'mit dem Steueranschluß
des Halbleiter-Bauelementes verbunden ist.
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Um bei der eben beschriebenen Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung Phasenverschiebungen bei nicht rein ohmscher Bürde zu berücksichtigen,
ist es vorteilhaft, den von der Bürde abgewandten Anschluß des Halbleiter-Bauelementes
über einen Hilfswiderstand mit dem einen Eingang des Operationsverstärkers zu verbinden.
Dieser Hilfswiderstand bildet mit dem einen Widerstand des Spannungsteilers einen
weiteren Spannungsteiler, mit dem sich die Ansprechschwelle des Operationsverstärkers
um einen wählbaren festen Wert verschieben läßt. Dadurch läßt sich erreichen, daß
selbst bei einer Spannung am zu schützenden Halbleiter-Bauelement mit einer mit
der Versorgungsspannung übereinstimmenden Größe noch ein Strom durch die Bürde zugelassen
wird, was bei einer gewissen Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung an der
Bürde möglich sein muß.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann der elektronische
Steuerteil gegebenenfalls auch einen Multiplikator enthalt ten, der an den Strom
erfassenden lfiderstand und an den Ausgang
der Anordnung zur Gewinnung
eines von der Spannung am Halbleiter-Bauelement abhängigen Signals angeschlossen
ist; dem Multiplikator ist ein elektronisches Steuerglied nachgeordnet, das mit
dem Steueranschluß des Halbleiter-Bauelementes verbunden ist.
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Zur Erläuterung der Erfindung sind in den Figuren 1 bis 3 drei verschiedene
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wiedergegeben.
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Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung besteht das vor Überlastung zu schützende Halbleiter-Bauelement
aus einem npn-Transistor 1, in dessen Arbeitskreis außer einem Strom erfassenden
Widerstand 2 eine Bürde 3 angeordnet ist. Die Bürde 3 ist mit ihrem einen Anschluß
4 mit Bezugspotential der Schaltungsanordnung, im dargestellten Ausführungsbeispiel
mit Masse, verbunden. Der Kollektoranschluß des zu schützenden Halbleiter-Bauelementes
1 ist an eine Eingangsklemme 5 geführt, zwischen der und dem Bezugspotential eine
Versorgungsspannung Uv liegt.
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Der Basisanschluß des Halbleiter-Bauelementes 1 ist an eine Steuereingangsklemme
6 angeschlossen, der ein Eingangssignal zugeführt werden kann.
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Die dargestellte Schaltungsanordnung enthält eine Anordnung 7 zur
Gewinnung eines von der Spannung Uce am zu schützenden Halbleiter-Bauelement abhängigen
Signals. Die Anordnung 7 ist mit einem Widerstand 8 versehen, der den Emitteranschluß
des Halbleiter-Bauelementes 1 mit dem Basisanschluß eines weiteren Transistors 9
verbindet, der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel den elektronischen Steuerteil
bildet.
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Ein weiterer Widerstand 10 der Anordnung 7 ist mit dem Kollektoranschluß
des zu schützenden Halbleiter-Bauelementes 1 verbunden, während ein zusätzlicher
Widerstand ii mit dem vom zu schützenden Halbleiter-Bauelement abgewandten Anschluß
des Strom erfassenden Widerstandes2 verbunden ist.
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Durch die Anordnung 7 ist im Zusammenwirken mit dem Strom erfassenden
Widerstand 2 dafür gesorgt, daß die Basis-Emitter-Spannung Ube an dem weiteren Transistor
9 nicht nur von dem Emitterstrom Ie des Halbleiter-Bauelementes 1, S sondern auch
von dessen Kollektor-Emitter-Spannung Uce abhängig ist; diese Abhängigkeit läßt
sich durch die folgende Gleichung (1) beschreiben: Ube = Uce . a + Ie . b. (1) In
dieser Gleichung ist der Faktor a durch das Verhältnis der Werte der Widerstände
10 und 11 bestimmt, während der Faktor b durch das Verhältnis der Werte der Widerstände
8 und 11 gegeben ist. Durch Wahl der Widerstände 8, 10 und 11 läßt sich daher das
Ansprechverhalten der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung einstellen.
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Bei einer komplexen Bürde darf bei Uce = Uv die Begrenzung erst bei
Strömen le> 0 einsetzen.
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Bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung ist die Bürde 20 auf einen vom Bezugspotential der Schaltungsanordnung
abweichende Potential angeordnet.
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Eine Anordnung 25 zur Gewinnung eines von der Spannung am zu schützenden
Halbleiter-Bauelement 22 abhängigen Signals besteht aus einem einzigen Widerstand
26, der zwischen dem Emitteranschluß des Halbleiter-Bauelementes 22 und dem Emitteranschluß
eines den elektronischen Steuerteil bildenden weiteren Transistors 27 angeordnet
ist. Der Emitter des weiteren Transistors 27 ist über einen weiteren Widerstand
28 mit Bezugspotential verbunden. Durch den Widerstand 26 wird die Spannung Ua an
der Bürde als Gegenkopplungsspannung dem weiteren Transistor 27 zugeführt. Da jedoch
die Eollektor-Emitter-Spannung Uce am Halbleiter-Bauelement 22 der Differenz aus
Versorgungsspannung Uv und der Spannung Ua unter
Vernachlässigung
des geringen Spannungsabfalles am Strom erfassenden Widerstand 24 entspricht, bedeutet
dies bezüglich der Spannung Uce eine Mitkopplung. Da die Basis des weiteren Transistors
27 mit dem Strom erfassenden Widerstand 24 verbunden ist, ergibt sich auch bei diesem
Ausfuhrungsbeispiel eine Ansprechwelle der Schaltungsanordnung ip Abhängigkeit von
der Kollektor-Emitter-Spannung Uce und vom Strom durch das Halbleiter-Bauelement
22.
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Bei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung ist das zu schützende Halbleiter-Bauelement 30 wiederum von
einem Transistor gebildet. Im Arbeitskreis des Halbleiter-Bauelementes 30 liegt
ein Strom erfassender Widerstand 33 und eine Bürde 35. An Eingangsklemmen 36 und
-37, von denen die Eingangsklemme 36 mit dem Kollektoranschluß des Halbleiter-Bauelementes
30 und die Anschlußklemme 37 mit Bezugspotential verbunden ist, liegt die Versorgungsspannung
Uv. An eine mit der Basis des Halbleiter-Bauelementes 70 verbundene Eingangsklemme
38 steht ein Eingangssignal an.
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Die Anordnung zur Gewinnung einer von der Spannung Uce am zu schützenden
Halbleiter-Bauelement 30 abhängigen Spannung enthält einen Spannungsteiler 40 mit
Widerständen 41 und 42, der einerseits an den Emitteranschluß des Halbleiter-Bauelement-es
30 und andererseits an Bezugspotential und damit an die Eingangsklemme 37 angeschlossen
ist. Der Abgriff 43 des Spannungsteilers 40 ist an einen Eingang 44 eines Operationsverstärkers
45 angeschlossen. Der andere Eingang 46 des Operationsverstärkers 45 ist an das
mit dem Strom erfassenden Widerstand 33 verbundene Ende des Strom erfassenden Widerstandes
33 angeschlossen. Durch den Spannungsteiler 40 läßt sich die Anspruchschwelle des
Operationsverstärkers 45 in Abhängigkeit von der Spannung Uce am zu schützenden
Halbleiter-Bauelement 30 einstellen.
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Die Anordnung 39 enthält ferner-einen Hilfswiderstand 47,
der
zwischen dem Kollektoranschluß des Halbleiter-Bauelementes 30 und dem einen Eingang
44 des Operationsverstärkers 45 angeordnet ist. Der Hilfswiderstand 47 bildet mit
dem Widerstand 42 des Spannungsteilers 40 einen weiteren Spannungsteiler, mit dem
die Ansprechschwelle des Operationsverstärkers 45 um einen festen Wert verschiebbar
ist.
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Es läßt sich damit erreichen, daß bei einer Spannung Uce - Uv noch
ein Strom durch die Bürde bzw. den Strom erfassenden Widerstand 33 fließen kann,
um eine unerwünschte vorzeitig einsetzender Begrenzung bei einer Phasenverschiebung
bei nicht rein ohmscher Bürde.35 zu vermeiden.
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Dem Operationsverstärker 45 ist ausgangsseitig über einen Widerstand
48 ein elektronisches Steuerglied nachgeordnet, das von einem Transistor 49 gebildet
ist. Der als npn-Uransistor ausgebildete Transistor 49 ist mit seinem Kollektor
an die Basis des zu schützenden Halbleiter-Bauelementes 30 und mit seinem Emitter
an die Eingangsklemme 37 bzw. an Bezugspotential angeschlossen.
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Die in den Figuren 1 bis 3 im einzelnen beschriebenen Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung arbeiten alle in der Weise, daß in Abhängigkeit
vom Strom durch das zu schützende Bauelement und in Abhängigkeit von der Spannung
an dem zu schützenden Bauelement über Widerstände einstellbar ein elektronisches
Steuerteil dann anspricht, wenn das Verhältnis beider Größen einen zulässigen Maximalwert
überschreitet. Es wird dann von dem elektronischen Steuerteil dem zu schützenden
Halbleiter-Bauelement Steuerleistung entzogen, so daß dieses nicht überlastet werden
kann.
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Bei Gegentaktschaltungen, bei denen auch ein Trennwandler am AunCan,n
angeschlossen werden kann, sind die Anordnung zur Gewinnung eines spannungsabhängigen
Signals und der
elektronische Steuerteil zweimal in spiegelsynimetrischer
Ausführung vorzusehen; dabei ist dafür zu sorgen, daß eine Entkopplung der beiden
Schaltungsteile vorhanden ist.
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Mit der Erfindung wird eine Schaltungsanordnung zum Schutz eines steuerbaren
Halbleiter-Bauelementes vor Überlastung vorgeschlagen, bei der aufgrund einer spannungsabhängigen
Strombegrenzung die Verlustleistung im Störungsfalle nur unwesentlich höher als
im normalen Betriebsfall gehalten wird, so daß eine Überdimensionierung der Halbleiter-Bauelemente
und deren Kühlkörper vermieden wird.
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3 Figuren 9 Patent ansprüche