DE2428366C3 - Schaltungsanordnung zum Schutz eines Schaltverstärkers gegen Fremdspannungen - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Schutz eines Schaltverstärkers gegen Zerstörung durch eine an seinem Ausgang anliegende Fremdspannung, die die Sperrspannung der Ausgangstransistoren des Schaltverstärkers nicht überschreitet, wobei dem Eingang des Schaltverstärkers über einen Vorwiderstand ein binäres Datensignal zugeführt wird, welches einen ersten bzw. zweiten Binärwert annimmt, welcher Schaltverstärker durch das Datensignal in eine erste bzw. zweite Lage gesteuert wird und an seinem Ausgang über die Ausgangstransistoren ein der ersten bzw. zweiten Lage zugeordnetes, binäres, strombegrenztes Ausgangssignal abgibt, das einen ersten bzw. zweiten Amplitudenwert annimmt und der Ausgang des Schaltverstärkers über einen Widerstand mit dem Eingang verbunden ist. Eine solche Schaltungsanordnung ist aus der DT-AS 12 46 804 bekannt.

Schaltverstärker für Datensignale sind im allgemeinen aus Transistoren aufgebaut, die als Schalter arbeiten. Die Schallverstärker haben üblicherweise einen niederohmigen Ausgang, so daß für die Transistoren die Gefahr der Zerstörung besteht, wenn am Ausgang ein Kurzschluß oder hohe Fremdspannung auftreten.

Ein bekannter Schaltverstärker für Datensignale ist in dem Buch »Datenübertragungstechnik«, Hamburg, R. v. Decker's Verlag, 1971, Seiten 47 und 48, als Ausgangsschaltung für Empfänger in Datenübertragungseinrichtungen beschrieben. Diesem Schaltverstärker ist am Ausgang als Sicherungseinrichtung eine Sicherungslampe nachgeschaltet, um den Strom zu begrenzen, der bei einem Kurzschluß oder bei Anliegen einer Fremdspannung am Ausgang fließt Außerdem enthält die Sicherungseinrichtung eine Gleichrichterbrücke mit einer in einem Querzweig angeordneten Zenerdiode, die die Spannung am Ausgang begrenzt, falls eine hohe Fremdspannung anliegt Dieser bekannte Schaltverstärker erfordert einen großen Stromverbrauch, da ein Teil des Stromes im Betriebsfall über die Zenerdiode fließt Außerdem kann der Ausgangsstrom wegen der großen Toleranzen der Ströme in der Sicherungslampe nicht genau eingestellt werden und die Sicherung spricht nur langsam an.

Eine Sicherungseinrichtung für einen Schaltverstärker für Datensignale ist außerdem aus der DT-PS 20 27 310 bekannt Diese Sicherungseinrichtung wird in Serie zu dem zu schützenden Transistor geschaltet Im Betriebszustand fließt der Strom über einen ersten Transistor, während ein ihn steuernder zweiter Transistor gesperrt ist Bei einem Kurzschluß oder einer Fremdspannung wird der zweite Transistor leitend gesteuert und dadurch der erste Transistor gesperrt. Diese Sicherungseinrichtung erfordert einen verhältnismäßig großen Aufwand, da sie zusätzlich zum Schaltverstärker erforderlich ist Außerdem ist für ein einwandfreies Arbeiten der Sicherungseinrichtung ein Abschlußwiderstand bestimmter Größe erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Schutz eines transistorisierten Schaltverstärkers gegen an seinem Ausgang anliegende Fremdspannungen anzugeben, die die Schalttransiütoren des Schaltverstärkers durch einen steuernden Eingriff schützt so daß auf eine Sicherungseinrichtung im Ausgangskreis verzichtet werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst daß ein aus dem Widerstand und dem Vorwiderstand gebildeter Spannungsteiler derart dimensioniert ist, daß das Verhältnis des Wertes des Widerstandes zum Wert des Vorwiderstandes gleich ist dem Verhältnis des Spannungswertes der Fremdspannung, bei dem die Schaltungsanordnung anspricht und der größer ist als der Amplitudenwert des Ausgangssignals zum Amplitudenwert des Datensignals.

Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung hat den Vorteil, daß nach dem Anlegen einer Fremdspannung an den Ausgang des Schaltverstärkers sichergestellt ist daß sich der Schaltverstärker immer in derjenigen der beiden möglichen Lagen befindet, bei der die Differenz zwischen der Fremdspannung und dem dieser Lage zugeordneten Amplitudenweit des Ausgangssignals kleiner ist und daß damit eine kleinere Verlustleistung in den Ausgangstransistoren des Schaltverstärkers umgesetzt wird, als wenn sich der Schahverstärker in der jeweils entgegengesetzten Lage befinden würde. Außerdem hat sie den Vorteil, daß sie sehr schnell und sehr zuverlässig anspricht. Weiterhin ist die Schaltungsanordnung in der Lage, im Betriebsfall sehr eng tolerierte Ausgangsströme zu liefern und sie erfordert einen besonders geringen Aufwand. Außerdem ist kein Abschlitßwiderstand bestimmter Größe am Ausgang erforderlich.

Eine besonders kleine Verlustleistung wird in den Ausgangstransistoren umgesetzt, wenn der zum Ansprechen führende Spannungswert der Fremdspannung

gleich ist der Betriebsspannung des Schaltverstärkers und wenn das Verhältnis des Wertes des Widerstandes zum Wert des Vorwiderstandes gleich ist dem Verhältnis der Betriebsspannung zum Amplituden vert des binären Datensignals.

Im folgenden wird an Hand von Zeichnungen ein Ausfuhrungsbeispiel der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung erläutert

Es zeigen:

F i g. 1 ein Flockbild der Schaltungsanordnung, F i g. 2 eiD Schaltbild der Schaltungsanordnung.

Das in F i g. 1 dargestellte Blockbild zeigt eine aus einem Schaltverstärker S, einem Vorwiderstand R1 und einem Widerstand R2 bestehende Schaltungsanordnung. Der Schaltungsanordnung wird am Eingang £ das Datensignal d zugeführt und sie gibt am Ausgang A ein bmäres Ausgangssignal a ab, dessen Binärwerte denen des Datensignals d zugeordnet sind. De- Schaltverstärker S besteht aus einer ersten elektronischen Schaltstufe S1 für Datensignale d mit dem Binärwert 1 und aus einer zweiten elektronischen Schaltstufe 52 für Datensignale c/mit dem Binärwert 0.

Das zu verstärkende Datensignal d wird über eine erste Klemme des Eingangs E und den Vorwiderstand R1 den Eingängen der beiden Schaltstufen 51 und 52 zugeführt Eine zweite Klemme des Eingangs E ist mit einer Klemme des Ausgangs A und mit einem Punkt verbunden, an dem ein Bezugspotential von beispielsweise 0 V anliegt. Die Ausgänge der Schaltstufen 51 und S 2 sind mit einer zweiten Klemme des Ausgangs A verbunden.

Es wird angenommen, daß das Datensignal d ein Doppelstromsignal ist. Der positiven Polarität wird beispielsweise der Binärwert 1 und der negativen Polarität der Binärwert 0 zugeordnet. Wenn das Datensignal α den Binärwert 1 annimmt, gibt die Schaltstufe 51 ein Signal mit dem Binärwert 1 am Ausgang A ab, während die Schaltstufe 52 gesperrt ist. Wenn das Datensignal α den Binärwert 0 annimmt, gibt die Schaltstufe 52 ein Signal mit dem Binärwert 0 am Ausgang A ab, während die Schaltstufe 51 gesperrt ist.

Bei einem Kurzschluß am Ausgang A oder beim Anliegen einer Fremdspannung, die einen vorgegebenen Betrag nicht überschreitet wird in der gerade angesteuerten Schaltstufe 51 bzw. 52 der am Ausgang A abgegebene Strom auf einen festgelegten Wert begrenzt, um eine Zerstörung von Transistoren in der Schaltstufe 51 bzw. 52 zu verhindern. Falls die Fremdspannung jedoch den vorgegebenen Betrag überschreitet werden die Schaltstufen 51 und 52 Ober den Widerstand R 2 derart angesteuert, daß nur diejenige Schaltstufe Sl bzw. 52 ein Ausgangssignal abgibt, deren Ausgangssignal die gleiche Polarität hat wie die Fremdspannung. Falls bereits vor dem Anlegen der Fremdspannung diejenige Schaltstufe 5 1 bzw. S 2 angesteuert wurde, deren Ausgangssignal die gleiche Polarität hat wie die Fremdspannung, wird die Lage des Schaltverstärkers 5 nicht geändert. In beiden Fällen fließt kein Strom am Ausgang A und in den Schaltstufen 51 und 52 wird damit keine Verlustleistung umgesetzt Die größte zulässige Fremdspannung, die an den Ausgang A angelegt werden darf, wird durch die zulässige Sperrspannung der Ausgangstransistoren in den Schaltstufen 51 und S2 bestimmt. Die Größe nV« «"·· gegebenen Betrags, bei dem der Schalt
beim Anliegen einer Fremdspannung gege
eine andere Lage umgeschaltet wird, wir
aus dem Vorwiderstand R 1 und aus dem

R 2 gebildeten Spannungsteiler bestimmt

Weitere Einzelheiten der Schaltungsanordnung werden zusammen mit dem in F t g. 2 dargestellten Schaltbild beschrieben.

Das in F i g. 2 dargestellte Schaltbild der Schaltungsanordnung zeigt einen aus den Transistoren Ti bis T4, den Dioden Di bis D6 und den Widerständen A3 bis R 9 gebildeten Schaltverstärker 5. Die Schaltstufe 51 gibt an ihrem Ausgang ein Ausgangssignal mit positiver Polarität ab, wenn das Datensignal dden Binärwert 1 annimmt und damit ebenfalls eine positive Polarität hat. Sie besteht aus den Transistoren Π und Tl, den Dioden Di bis D3 und den Widerständen A3 bis R5. Die Schaltstufe S 2 gibt an ihrem Ausgang ein Ausgangssignal mit negativer Polarität ab, wenn das Datensignal D den Binärwert 0 annimmt und damit ebenfalls negative Polarität hat Sie besteht aus den Transistoren Γ3 und TA, den Dioden D 4 bis Db und den Widerständen R6 bis R8. Die Ausgänge der Schaltstufen 51 und S2 sind miteinander verbunden und über den Widerstand R 9 wird das Ausgangssignal a an den Ausgang A der Schaltungsanordnung abgegeben. Weiterhin zeigt das Schaltbild den Vorwiderstand R \ und den zwischen dem Eingang Ei und dem Ausgang des Schaltverstärkers 5 angeordneten Widerstand R 2. Der Schaltstufe 51 wird eine positive Betriebsspannung UX und der Schaltstufe 52 wird eine negative Betriebsspannung U 2 zugeführt.

Wenn bei einem ungestörten Betrieb des Schaltverstärkers das Datensignal d den Binärwert 1 annimmt und über den Vorwiderstand R 1 eine positive Spannung an der Basis des Transistors Ti anliegt, wird dieser leitend gesteuert. Über einen aus den Widerständen R 3 und RA bestehenden Spannungsteiler wird der Transistor 7"2, dessen Leitfähigkeit komplementär zur Leitfähigkeit des Transistors 71 ist, leitend gesteuert. Gleichzeitig werden die Transistoren T3 und TA durch das Datensignal d gesperrt. Von der Spannungsquelle für die Betriebsspannung LJ1 fließt ein Strom über den Widerstand R 5, den Transistor T2, die Diode D 1 und den Widersvand R 9 zum Ausgang A. Am Ausgang A tritt eine positive Polarität auf.

Wenn das Datensignal d den Binärwert 0 annimmt und am Eingang £eine negative Spannung anliegt, sind in entsprechender Weise die Transistoren Tl und T2 gesperrt und die Transistoren T3 und TA leitend. In diesem Fall fließt ein Strom vom Ausgang A über den Widerstand R9, die Diode DA, den Transistor TA und den Widerstand RS zur Spannungsquelle für die Betriebsspannung U2. Das Ausgangssignal a am Ausgang A hat eine negative Polarität.

Falls am Ausgang A der Schaltungsanordnung ein Kurzschluß zwischen den beiden Klemmen auftritt, wird der Strom auf einen festgelegten Wert begrenzt. Es wird angenommen, daß das Datensignal d den Binärwert 1 hat und die Transistoren Ti und T2 leitend sind. Über den Transistor T2 fließt ein Strom zum Ausgang A. Dabei entsteht ein Spannungsabfall am Widerstpnd R 5. Falls der Spannungsabfall am Widerstand R5 einen Wert übersteigt, der den Durchlaßspannungen der Dioden D 2 und D3 zugeordnet ist, wird die Spannung an der Basis des Transistors T2 durch die Dioden D2 und D3 konstant gehalten und der Trans,i stör T2 wirkt als Konstantstromquelle. Durch die Begrenzung des Stromes auf einen vorgegebenen konstanten Wert wird der Transistor T2 nur mit einer vorgegebenen Verlustleistung belastet und eine Zerstörung wird vermieden.

In ähnlicher Weise wird der Strom durch den Transistor 74 begrenzt, wenn das Datensignal d den Binärwert 0 hat und am Ausgang A ein Kurzschluß vorhanden ist. In diesem Fall sorgen die Dioden D 5 und D6 für eine konstante Spannung an der Basis des Transistors 74.

Falls am Ausgang A eine Fremdspannung anliegt, ist der Strom und damit die Belastung der Transistoren 72 und 74 abhängig von der Polarität und dem Betrag der Fremdspannung. Die größte Belastung tritt auf, ι ο wenn die Schaltungsanordnung derart angesteuert wird, daß sie am Ausgang A ein Ausgangssignal a mit einer Polarität abgeben würde, die der der Fremdspannung entgegengesetzt ist. Auch in iiesem Fall wird der Strom am Ausgang A begrenzt, jedoch liegt an dem «5 den Strom begrenzenden Transistor T2 bzw. 74 eine größere Spannung als im Fall des Kurzschlusses.

Falls die Fremdspannung größer ist als ein vorgegebener Betrag, der beispielsweise gleich dem der Betriebsspannung Ui oder U 2 ist, werden die Schalter S1 und S 2 über den Widerstand R 2 so angesteuert, daß die Polarität des Ausgangssignals a mit der Polarität der Fremdspannung übereinstimmt.

Wenn das Datensignal d den Binärwert 1 hat und damit die Transistoren 7*1 und TI leitend sind und an den Ausgang A eine anwachsende positive Fremdspannung angelegt wird, wird der Strom am Ausgang A immer kleiner. Falls die Fremdspannung die Betriebsspannung UX überschreitet, sperrt die Diode Dl. Am gesperrten Transistor 74 liegt eine Kollektor-Emii'er-Spannung, die gleich ist der Summe aus der Betriebsspannung U 2 und der Größe der Fremdspannung.

In entsprechender Weise wird die Diode D4 gesperrt, wenn das Datensignal datn Binärwert 0 hat und am Ausgang A eine negative Fremdspannung anliegt.

Wenn das Datensignal ti den Binärwert 1 hat und am Ausgang A eine anwachsende negative Fremdspannung angelegt wird, wird der durch den Transistor 72 fließende Strom begrenzt, aber die Kollektor-Emitter-Spannung steigt in gleichem Maße wie die Fremdspannung an, da der Transistor 72 nicht gesättigt ist. Wenn die Fremdspannung den Betrag der Betriebsspannung U 2 überschreitet, werden über den aus den Widerständen R1 und R 2 gebildeten Spannungsteiler die Schaltstufe 51 gesperrt und die Schaltstufe S 2 leitend gesteuert. Am Ausgang A wird damit ein Ausgangssignal a abgegeben, das dem Binärwert 0 des Datensignals d zugeordnet ist. In diesem Fall ist der Transistor 72 gesperrt und seine Kollektor-Emitter-Spannung ist gleich der Summe aus der Fremdspannung und der Betriebsspannung Ui. Der Transistor 74 ist zwar an der Basis leitend gesteuert, aber da die am Ausgang A liegende Fremdspannung negativer als die Betriebsspannung U 2 ist, sperrt die Diode D 4 und es fließt auch in diesem Zweig kein Strom.

In entsprechender Weise wird der Schaltverstärker S mit Hilfe des Widerstandes R 2 an seinem Eingang E1 so angesteuert, daß er die Lage annimmt, die dem Binärwert 1 des Datensignals d zugeordnet ist, wenn das Datensignal d den Binärwert 0 hat und eine positive Fremdspannung angelegt wird.

Durch die Dimensionierung des Vorwiderstandes R 1 und des Widerstandes R 2 wird der Betrag eingestellt, den die Fremdspannung überschreiten muß, um den Schaltverstärker gegebenenfalls in eine andere Lage umschalten zu können.

Falls als Datensignal d ein Einfachstromsignal mit nur einer Polarität anliegt, kann auf eine der beiden Schaltstufen 51 bzw. 52 verzichtet werden. In diesem Fall wird der Schaltverstärker 5 beim Anliegen einer hohen Fremdspannung ebenfalls in diejenige Lage umgeschaltet, bei der eine geringere Spannungsdifferenz zwischen der Fremdspannung und der dieser Lage zugeordneten Ausgangsspannung vorhanden wäre.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Schutz eines Schaltverstärkers gegen Zerstörung durch eine an seinem Ausgang anliegende Fremdspannung, die die Sperrspannung der Ausgangstransistoren des Schalt verstärkers nicht überschreitet wobei dem Eingang des Schaltverstärkers über einen Vorwidersiand ein binäres Datensignal zugeführt wird, welches einen ersten bzw. zweiten Binärwert annimmt welcher Schaltverstärker durch das Datensignal in eine erste bzw. zweite Lage gesteuert wird und an seinem Ausgang über die Ausgangstransistoren ein der ersten bzw. zweiten Lage zugeordnetes binäres strombegrenztes Ausgangssignal abgibt das einen ersten bzw. zweiten Amplitudenwert einnimmt und bei der der Ausgang des Schaltverstärkers über einen Widerstand mit dem Eingang verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus dem Widerstand (R 2) und dem Vorwiderstand (R 1) gebildeter Spannungsteiler derart dimensioniert ist, daß das Verhältnis des Wertes des Widerstandes (R 2) zum Wert des Vorwiderstandes (R 1) gleich ist dem Verhältnis des Spannungswertes der Fremdspannung, bei dem die Schaltungsanordnung anspricht und der größer ist als der Amplitudenwert des Ausgangssignals (a) zum Amplitudenwert des Datensignals (d).

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zum Ansprechen führende Spannungswert der Fremdspannung gleich ist der Betriebsspannung (Ui, t/2) des Schaltverstärkers (S) und daß das Verhältnis des Wertes des Widerstandes (R 2) zum Wert des Vor-Widerstandes (Ri) gleich ist dem Verhältnis der Betriebsspannung (Ui, U2) zum Amplitudenwert des binären Datensignals (d).