DE2424759B2 - Ueberstromschutzschaltungsanordnung - Google Patents

Ueberstromschutzschaltungsanordnung

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Oberstromschutzschaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs L
Es ist bereits eine Oberstromschutzschaltungsanordnung für einen Leistungstransistor bekannt, die einen in die Emitterleitung des Leistungstransistors geschalteten Stromabfühlwiderstand enthält Die Spannung an diesem Stromabfühlwiderstand steigt mit zunehmendem Emitterstrom des Leistungstransistors an und wird dem Basis-Emitter-Übergang eines Transistors zugeführt, dessen Kollektorelektrode mit der Basiselektrode des Leistungstransistors verbunden ist (DT-AS 11 52 480). Wenn die Spannung am Stromabfühlwiderstand einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt, beginnt der Transistor zu leiten und begrenzt dadurch einen weiteren Anstieg der Basis-Emitter-Spannung des Leistungstransistors. Diese Beschränkung des weiteren Ansteigens der Basis-Emitter-Spannung wird als Begrenzung bezeichnet. Die Basisspannung des Leistungstransistors kann dadurch einen bestimmten Wert bezüglich der Emitterspannung nicht überschreiten und dieser Wert wird entsprechend dem maximal zulässigen Kollektorstrom bemessen. Der Leistungstransistor kann also wegen der Begrenzung seiner Basis- Emitter-Spannung keine Ströme an den Ausgangskreis liefern, die den maximal zulässigen Strom nennenswert überschreiten.
Die oben beschriebene bekannte Überstromschutzschaltungsanordnung läßt sich jedoch nicht ohne weiteres als monolithische integrierte Schaltung aufbauen. Wenn nämlich der zulässige Ausgangsstrom des Leistungstransistors relativ groß ist, muß der die Begrenzung auslösende Stromabfühlwiderstand einen sehr kleinen Widerstandswert haben, der typischerweise nur wenige Zehntel eines Ohms beträgt und in einer integrierten Schaltung praktisch nicht realisiert werden kann. Widerstände mit so kleinen Widerstandswerten beanspruchen nämlich eine verhältnismäßig große Fläche auf dem Substrat der integrierten Schaltung und da die Gesamtfläche für die verschiedenen Komponenten der integrierten Schaltung bekanntlich äußerst beschränkt ist, sind Widerstände mit kleinen Widerstandswerten, die viel Raum beanspruchen, praktisch nicht tragbar
Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine Überstromschutzschaltungsanordnung anzugeben, bei der Stromabfühlwiderstand einen verhältnismäßig großen Widerstandswert haben kann.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Überstromschutzschaltungsanordnung der im Anspruch 1 gekennzeichneten Art gelöst.
Die Überstromschutzschaltungsanordnung gemäß der Erfindung enthält also einen Hilfstransistor, der mit einem Leistungstransistor und dem Stromabfühlwiderstand integriert ist. Der Basis-Emitter-Übergang des Hilfstransistors hat eine kleinere Fläche als der des Leistungstransistors und ist letzterem parallelgeschaltet, so daß die Basis-Emitter-Spannungen des Leistungstransistors und des Hilfstransistors gleich sind. Wegen der gleichen Basis-Emitter-Spannung sind die Kollektorströme des Leistungstransistors und des Hilfstransistors im wesentlichen proportional, der Kollektorstrom
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des Hilfstransistors ist jedoch wegen der kleineren Fläche seines Basis-Emitter-Oberganges entsprechend kleiner als der Kollektorstrom des Leistunfcstransistors. Der StromabfOhlwiderstand ist mit dem Kollektorstrom des Hilfstransistors gleichstromgekoppelt Der Spannungsabfall am Stromabfühlwiderstand entspricht daher dem Kollektorstrom des Hilfstransistors und, wegen der praktischen Proportionalität zwischen den KoUektorströmen c"ts Leistungstransistors und Hilfstransistors, im wesentlichen auch dem die Kollektor-Emitter-Strecke des Leistungstransistors durchfließenden Strom. Der Spannungsabfall am Stromabfühlwiderstand steuert eine Begrenzungsvorrichtung, z. B. einen Transistor, wie bei der oben erwähnten bekannten Schaltungsanordnung, die beim Oberschreiten eines bestimmten Wertes der Spannung am Stromabfühlwiderstand ein weiteres Ansteigen der Basis-Emitter-Spsinnung des Leistungstransistors im wesentlichen verhindert und damit einen Überstromschutz ergibt Der Stromabfühlwiderstand kann bei der Überctromschutzschaltungsanordnung gemäß der Erfindung einen höheren Widerstandswert haben als bei der bekannten Überstromschutzschaltung, da er nur auf den relativ kleinen Kollektorstrom des Hilfstransistors und nicht auf den relativ großen Kollektorstrom des Leistungstransistors anzusprechen braucht. Der Stromabfühlwiderstand läßt sich daher ohne Schwierigkeiten in einer integrierten Schaltung realisieren.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine Überstromschutzschaltungsanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
F i g. 2 eine Überstromschutzschaltungsanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Überstromschutzschaltungsanordnung gemäß F i g. 1 kann als »Verbund-Transistor« bezeichnet werden, da sie als Ganzes wie ein (überstromgeschützter) Transistor wirkt Ihre Schaltungskomponenten 10, 20, 25, 30 und 40 sind im allgemeinen in oder auf dem gleichen Halbleiterkörper gebildet
Die Überstromschutzschaltungsanordnung gemäß F i g. 1 enthält einen Leistungstransistor 1O, dessen Basis-, Emitter- und Kollektor-Elektrode mit der Basis-, Emitter- bzw. Kollektorklemme des »Verbund-Transistors« verbunden sind. Der Leistungstransistor 10 kann auch aus mehreren, parallelgeschalteten Einzeltransistoren bestehen.
Dem Basis-Emitter-Übergang des Leistuiigstransistors 10 ist der Basis-Emitter-Übergang eines Hilfstransistors 20 parallelgeschaltet. Die Transistoren 10 und 20 sind thermisch miteinander gekoppelt
Der Hilfstransistor 20, an dem die gleicht Basis-Emitter-Spannung Vbe wie am Leistungstransistor 10 liegt, tendiert in seinem Basis-Emitter-Übergang zu einer Stromdichte, die gleich der im Leistungstransistor 10 ist. Gibt man dem Basis-Emitter-Übergang des Hilfstransistors 20 eine Fläche, die um den Faktor K kleiner ist als die des Leistungstransistors 10, so ist der durch den Basis-Emitter-Übergang des Hilfstransistors 20 fließende Strom das 1/ZC-fache des den Basis-Emitter-Übergang des Leistungstransisiors 10 durchfließenden Stroms. Der Emitterstrom des Hilfstransistors 20 ist also das 1/K-fache des Emitterstroms des Leistungstransistors 10.
Die Kollektorelektrode des Hilfstransistors 20 ist über ein Widerstandselement 25 mit der Kollektor-Klemme des Verbundtransistors verbunden. An dem Widerstandselement 25 tritt ein Spannungsabfall auf, der aufgrund des Ohmschen Gesetzes proportional zum Kollektorstrom des Transistors 20 ist Da die Emitterströme der Transistoren 10 und 20 im Verhältnis K: 1 stehen, haben die Kollektorströme dasselbe Verhältnis. Das Widerstandselement 25 fühlt also praktisch 1//C-tel des Kollektorstromes des Leistungstransistors 10 ab. Da es nur einen Bruchteil des Kollektorstromes des Leistungstransistors 10 abfühlt, kann das Widerstandselement 25 den AC-fachen Widerstandswert eines Widerstandes haben, der den Kollektor- oder Emitter-Strom des Leistungstransistors 10 direkt abgreift, und tro^adem den gleichen Spannungsabfall erzeugen.
Das Widerstandselement 25 ist wegen seines größeren Widerstandswertes leichter mit den Transistoren 10 und 20 in der gleichen monolithischen Struktur integrierbar als ein Widerstandselement niedrigeren Widerstandes, da es auf einem Halbleiterplättchen weniger Fläche beansprucht Da sich das Widerstandselement 25 im Kollektorkreis eines Transistors befindet, kann es in der unter der Oberfläche liegenden Schicht oder »Taschen«-Zone hergestellt werden, die dazu verwendet wird, eine Verbindung hoher Leitfähigkeit zwischen den verschiedenen Teilen der Kollektorzone zu bilden, was ebenfalls zur Einsparung von Schahungsfläche beiträgt
Der Widerstandswert des Widerstandselementes 25 wird so gewählt, daß der Spannungsabfall am Widerstandselement groß genug wird, um den Basis-Emitter-Übergang eines Transistors 30 in den Flußbereich vorzuspannen, wenn der Kollektorstrom des Leistungstransistors 10 einen vorgegebenen Stromwert überschreitet. Wenn der Transistor 30 derart vorgespannt wird, läßt er einen Strom zur Basiselektrode eines Transistors 40 fließen. Dieser Basisstrom spannt den Transistor 40 in den Flußbereich vor. Wenn der Transistor 40 leitet, verbindet er die Basisklemme mit der Emitterklemme des Verbundtransistors. Dies verhindert bei Schaltungsanordnungen, in denen die Impedanz der nicht dargestellten, die Basis-Emitter-Übergänge der Transistoren 10 und 20 ansteuernden Steuersignalquelle nicht übermäßig niedrig ist, einen weiteren Anstieg der Basis-Emitter-Spannungen dieser Transistoren. Da der Anstieg der Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren 10 und 20 auf diese Weise begrenzt wird, findet auch eine Begrenzung des Anstieges der Ströme in den Transistoren 10 und 20 statt.
Bei niedrigen Werten der Kollektorströme der Transistoren 10 und 20 ist der Spannungsabfall am Widerstandselement 25 nicht groß genug, um den Basis-Emitter-Übergang des Transistors 30 in den Flußbereich vorzuspannen. Der Transistor 30 leitet dann nicht und läßt dementsprechend keinen Basisstrom zum Transistor 40 fleßen. Der Transistor 40 leitet daher nicht und hat dementsprechend auch keinen Einfluß auf die Signale, die zwischen der Basis- und Emitter-Klemme des Verbundtransistors liegen.
In einer integrierten Schaltung wird ein pnp-Transistor, wie der Transistor 30, zweckmäßigerweise mit einer Lateralstruktur gebildet. Seine Kollektorkapazität ist genügend groß, um die dominierende Zeitkonstante in der Rückkopplungsschleife aus den Komponenten 20,
25, 30 und 40 zu bestimmen, wenn er, wie dargestellt, keinen Kollektorwiderstand hat, oder einen Kollektorwiderstand ausreichend großen Widerstandswertes. Hierdurch wird das Problem vermieden, daß die
Rückkopplungsschleife zu Störschwingungen bei Frequenzen in der Nähe der oberen Grenzfrequenz des Transistors 20,30 oder 40 neigt.
Die Prinzipschaltung gemäß F i g. 1 läßt sich offensichtlich in der verschiedensten an sich bekannten S Weise abwandeln. So kann z. B. eine Transistorverstärkerstufe in Kollektorschaltung verwendet werden, um die Basis-Klemme des Verbundtransistors gegen Belastungen durch die Basiselektroden der Transistoren 10 und 20 abzuschirmen. Die Kollektorelektrode des in Kollektorschaltung arbeitenden Transistors kann mit der Kollektorelektrode des Transistors 10 oder des Transistors 20 verbunden werden. Der Transistor 40 kann beispielsweise durch eine Darlington-Schaltung ersetzt werden. Das Widerstandselement 25 kann eine Temperaturkompensationsdiode enthalten und der Transistor 30 kann beispielsweise mit einem Emittergegenkopplungswiderstand versehen sein.
Das Verhältnis der Kollektorströme der Transistoren 10 und 20 kann durch Einfügen eines Schaltungselementes geändert werden, das die Emitterelektrode eines der beiden Transistoren mit der Emitter-Klemme des Verbundtransistors koppelt oder durch Einschalten von Schaltungselementen, die in entsprechender Weise beide Emitterelektroden mit der Emitterklemme koppein.
F i g. 2 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung. Wie bei der Verbundeinrichtung gemäß F i g. 1 ist dem Basis-Emitter-Übergang eines Leistungstransistors 10 der Basis-Emitter-Übergang eines Hilfs- transistors 20 parallelgeschaltet Der Kollektorstrom des Hilfstransistors 20 wird dem Eingang eines Stromverstärkers 50 zugeführt, dessen Ausgangskreis einen diesem Kollektorstrom proportionalen Strom liefert. Der Ausgangsstrom des Stromverstärkers durchfließt einen Widerstand 55.
Wenn der Kollektorstrom des Hilfstransistors 20 groß genug ist, übersteigt der Spannungsabfall am Widerstand 55 die Basis-Emitter-Offsetspannung eines Transistors 40 und steuert diesen Transistor in den leitenden Zustand aus. Wenn der Transistor 40 in den Flußbereich ausgesteuert ist, bewirkt er ein Begrenzen der Basis-Emitter-Spannung der Transistoren 10 und 20, wenn die der Basiselektrode des Verbundtransistors dargebotene Impedanz nicht so klein ist, daß diese Wirkung verhindert wird. Das Begrenzen der Basis-Emitter-Spannung der Transistoren 10 und 20 verhindert im wesentlichen einen weiteren Anstieg der Kollektor-Emitter-Ströme dieser Transistoren.
Der in F i g. 2 dargestellte Stromverstärker 50 enthält einen in Emitterschaltung arbeitenden Transistor 52, dessen Stromverstärkungsfaktor gegen Schwankungen seines Emitter-Spannungs-Vorwärtsstromverstär-
kungsfaktors hfe durch einen als Diode geschalteten Transistor 51 stabilisiert wird, der dem Basis-Emitter-Übergang des Transistors 52 parallelgeschaltet ist. Der Transistor 51 kann durch andere Halbleiterdioden ersetzt werden und der als Diode geschaltete Transistor 51 oder die stattdessen verwendeten wirkungsgleichen Komponenten können mit einem Widerstandselement in Reihe geschaltet sein. Da der Stromverstärkungsfaktor des Stromverstärkers 50 nicht sehr gut gegen Schwankungen des hfe des Transistors 52 stabilisiert ist, kann sein Verstärkungsfaktor geringfügig ansteigen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Oberstromschutzschaltungsanordnung mit einem Leistungstransistor und einem Stromabfühlwiderstand, an dem eine dem Strom in der Emitter-Kollektor-Strecke des Leistungstransistors entsprechende Spannung abfällt, und mit einer durch diese Spannung gesteuerten Anordnung zur Begrenzung, die bei Überschreiten eines vorgegebenen Wertes des Emitter-Kollektor-Stromes des Leistungstransistors und damit der Spannung am Stromabfühlwiderstand einen weiteren Anstieg der Basis-Emitter-Spannung und damit des Emitter-Kollektor-Stromes des Leistungstransistors begrenzt, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Leistungstransistor (10) und dem Stromabfühlwiderstand (25; 55) ein Hilfstransistor (20) integriert aufgebaut ist; daß dessen Basis-Emitter-Übergang eine um den Faktor K kleinere Fläche hat als der des Leistungstransistors (10); daß der Basis-Emilter-Übergang des Hilfstransistors (20) dem des Leistungstransistors (10) parallelgeschaltet ist; daß der Stromabfühlwiderstand (25; 55) in den Kollektorstromweg des Hilfstransistors (20) geschaltet ist und einen Spannungsabfall erzeugt, der dem Kollektorstrom des Hilfstransistors (20) und wegen der parallelgeschalteten Basis-Emitter-Strecken des Leistungs- und Hilfstransistors auch im wesentlichen dem 1/K-fachen des Emitter-Kollektor-Stromes des Leistungstransistors (10) proportional ist, und der bei unzulässig hohem Ansteigen ein weiteres Ansteigen der Basis-Emitter-Spannung des Leistungstransistors (10) verhindert.
2. Überstromschutzschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Begrenzung in bekannter Weise einen Transistor (40) enthält, dessen Kollektor-Emitter-Strecke parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Leistungstransistors liegt; daß der Stromabfühlwiderstand (25) zwischen die Kollektorelektrode des Leistungstransistors (10) und die des Hilfstransistors (20) geschaltet ist und daß die Basiselektrode des Transistors (40) mit der Kollektorelektrode eines weiteren Transistors (30) verbunden ist, dessen Basis-Emitter-Strecke dem Stromabfühlwiderstand (25) mit solcher Polung parallelgeschaltet ist, daß der durch den Kollektorstrom des Hilfstransistors (20) verursachte Spannungsabfall am Stromabfühlwiderstand (25) die Basis-Emitter-Strecke des weiteren Transistors (30) in Flußrichtung vorzuspannen strebt.
3. Überstromschutzschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Begrenzung einen Transistor (40) enthält, dessen Kollektor-Emitter-Strecke parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Leistungstransistors (10) liegt und daß der Stromabfühlwiderstand (55) zwischen die Basis- und die Emitter-Elektrode des Transistors (40) geschaltet ist (F i g. 2).
4. Überstromschutzschaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungstransistor (10), der Hilfstransistor (20) und der Transistor (40) dem gleichen Leitungstyp angehören und mit ihren Emitterelektroden miteinander verbunden sind, und daß die Kollektorelektrode des Hilfstransistors (20) mit dem Eingang eines Stromverstärkers (50) verbunden ist, dessen Aus
gang an die Basiselektrode des Transistors (40) angeschlossen ist (F i g. 2).
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