DE2603263A1

DE2603263A1 - Treiberschaltung mit ueberlastungsschutz

Info

Publication number: DE2603263A1
Application number: DE19762603263
Authority: DE
Inventors: Rafael Pelc
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-02-03
Filing date: 1976-01-29
Publication date: 1976-08-05
Also published as: JPS5739091B2; NL7600576A; JPS51105736A; SE7600978L; DE2603263B2; US3979643A; DE2603263C3; CA1055574A; FR2310039B1; IT1051058B; BE837251A; SE404860B; BR7600657A; GB1476853A; CH589972A5; ES444642A1; FR2310039A1

Description

Böblingen, den 27- Januar 1976

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: RO 974 014

Treiberschaltung mit überlastungsschutz

Die Erfindung bezieht sich auf eine Treiberschaltung, die auf ein niedriges Eingangssignal hin ein starkes Ausgangssignal erzeugt.

Solche Treiberschaltungen werden allgemein benutzt, um die Signal pegel binärer Signale anzuheben ₃ wenn lange Leitungen oder mehrere Verbraucher gespeist werden sollen. Häufig ist ein Stecker zwi sehen dem Ausgang der Treiberstufe und den Verbrauchern, die er speist, eingefügt. Dabei besteht die Gefahr, daß der Ausgang der Treiberstufe bei Prüfvorgängen oder anderen Manipulationen zufällig kurzgeschlossen wird. Wenn dieser Möglichkeit nicht beim Entwurf Rechnung getragen wird, wird die Treiberstufe durch die übermäßige Verlustleistung zerstört.

Eg war allgemein üblich, einen Ausgangstransistor so hoher Leistung auszuwählen, daß er zufälligen Kurzschlüssen seiner Ausgangsklemmen standhalten konnte. Da die Verlustleistung im Kurzschlußfall normalerweise mindestens ein Mehrfaches der bei voller Last auftretenden Verlustleistung beträft, führt dieses Verfahren zu erhöhten Kosten und erhöhtem Platzbedarf. Gewöhnlich ist es beispielsweise erforderlich, daß der Ausgan^stransistor getrennt von der übrigen Treiberschaltung aufgebaut wird. Gemäß dem Stand der Technik wurden Steuerschaltungen vorgesehen, um den Ausgangstransistor bei überlastung abzuschalten. Diese Steuerschaltungen haben stets den Ausgang der Treiberstufe ab gefühlt, was eine .Her-

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absetzung des Ausgangssignals, komplizierte Abfühlsehaltungen und/oder eine ungenaue Steuerung der Verlustleistung zur Folge hatte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Treiberschaltung anzugeben, die die erwähnten Nachteile nicht besitzt und als integrierte Baugruppe ausgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Treiberschaltung mit überlastungsschutz, die dadurch gekennzeichnet ist, daß

a) in der Ansteuerleitung für die Ausgangsstufe ein vom Steuerstron durchflossener Widerstand vorgesehen ist, der mit den Basis-Emit ter-Anschlüssen eines normalerweise gesperrten Transistors verbunden ist, dessen Kollektorwiderstand als Spannungsteiler ausgebildet ist, über dessen mit der Betriebsspannungsquelle direkt verbundenen Teilwiderstand, der parallel zu den Basis-Emitter-Anschlüssen eines weiteren Transistors angeordnet ist, beim Leiten des ersten Transistors infolge eines übermäßigen Steuerstromes eine Spannung abfällt, die den normalerweise gesperrten zwei ten Transistor leitend macht und daß

b) der Kollektorwiderstand des zweiten Transistors ebenfalls als Spannungsteiler ausgebildet ist, dessen einer mit dem zweiten Pol der Betriebsspannungsquelle verbundener Teilwiderstand mit den Basis-Emitter-Anschlüssen eines dritten normalerweise gesperrten Transistors verbunden ist, der beim Leiten des zweiten Transistors ebenfalls leitend wird und den Steuerstrom für die Ausgangsstufe bis zur Beseitigung der Ursache für seinen übermäßigen Wert von dieser fernhält und nach Masse ableitet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert, von denen zeigen;"

Pig. 1 eine Treiberstufe nach dem Stand der Technik,

die zur Erläuterung der Erfindung nützlich ist,

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Pig. 2 , ein Schaltbild einer Treiberstufe nach der Erfindung.

In Pig. 1 ist eine übliche Treiberschaltung dargestellt, um einen Hintergrund für eine Beschreibung der Schaltung gemäß der Erfindung zu geben. Der Block 11 stellt einen Inverter mit herausgeführtem Kollektor dar und enthält die Transistoren T11-T13 und die Widerstände R11-R13. Der Inverter 11 empfängt ein Signal auf der Eingangsleitung 12 und erzeugt ein invertiertes Signal auf der Leitung 13. Eine Versorgungsspannung von+5 Volt ist mit der Klemme 14 verbunden. Der herausgeführte Kollektor des Transistors TI3 ist bei 17 mit einer höheren Versorgungsspannung, nämlich +8 Volt über den Widerstand R14 verbunden, aber durch die Diode DIl wird die am Transistor liegende Versorgungsspannung auf den niedrigeren Wert von +5 Volt begrenzt.

Das Treibersignal auf Leitung 13 wird der Basis des Leistungstransistors T14 zugeführt, dessen Kollektor über den Lastwiderstand RI5 an der Versorgungsspannung von +8 Volt liegt. Die Ausgangsleistung wird an der Klemme 15, d. h. zwischen dem Emitter von T14 und Masse abgenommen.

Die Schaltung 10 ist so entworfen, daß sie andere Schaltungen speisen kann, die über relativ lange Leitungen oder über Steckontakte mit der Ausgangsklemme 15 verbunden sind. Daher besteht ie Möglichkeit, daß der Emitter von Tl4 nach Masse kurzgeschlosen wird, wie das durch die gestrichelte Linie 16 angedeutet ist. Der normale Emitterstrom von T14 liegt beispielsweise in der 3rößenordnung von 70 mA. Aber dieser Strom kann bei einem direkten Kurzschluß nach Masse auf -I60 mA oder mehr ansteigen. Um eine Beschädigung der Schaltung zu vermeiden, muß T14 so ausgelegt sein, laß die gesamte Verlustleistung, die durch diesen höheren Strom hervorgerufen wird, bewältigt wird. Für viele Anwendungen erfor- · lert dies die Verwendung eines Transistors, der zu große Abmessungen hat als daß er mit der übrigen Schaltung im gleichen Auf- >au integriert werden kann.

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j Figc 2 zeigt siae Treiberschaltung 20 gemäß der Erfindung, über eine Leitung 21 wird der Basi? des Eingangstransistors T2I ein Signal auge führt. Der LastriCii'stand H2i ist swischen der posi-

j tiven Klemme 22 der "^rc „Vorgangs spannung and den Kollektor von T21 angeordnet. Am Kollektor- von Ί21 wird ein invertiertes Treibersi-■ gnal auf der Treiberleitunp 23 abgenommen. Der Eingangstransistor

i T21 dient dei¹ Isolation des Signals und der Umkehr seiner Polarität. In einigen Fällen ist es möglich, ihn und den Widerstand !

^: ?.2i fortzulassen und das Treibersiicnal für die Schaltung 20 direkt!

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! über die Leitung ?3 au ernpfangen.

j Das Treibereienal auf dar Leitung 23 gelangt über den Abfühlwider- ! 3t-and R22 au einer Hoehleistun-s-Ausgan^sstufe. Das Signal wird I der Basis des Transistors T22 über die Leitung 23 angeführt, I dessen Kollektor mit" einer Kiemir.s 24 der Speisespannung verbunden ist. die mit de?³ Klemme 22 verbunden sein kann. Der Emitter von I T22 ist mit einem Lastwiderst and R23 urid cer Basis des Ausgangsjtransistors T23 verbunden. Der Kollektorwiderstand R2Ü ist mit der j Klemme 2*4 der Vers er gun gs spannung verbunden. Die Begrenzerdiode ;D21 verhindert., daß die ilollektorspannung von T23 unter die Treijberspannung an der Basis von T23 abfällt und vernsidet so den ein 'schnelles Schalten von T23 verhindernden Sättigungsbetrieb. Die !Ausgangsleistung der Schaltung 20 wird am Emitter von T23 über die Leitung 25 abgenommen.

Der Abfühlwiderstand R22 erzeugt zwischen den Leitungen 2b und '27 eine Steuerspannung, die proportional dem auf der Leitung 23 ■fließenden Treiber-3trom ist» !fahrend des normalen Betriebes der !Schaltung 20 ist diese Stsuerspannung verhältnismäßig niedrig. jWenn das Eingangssignal auf der Leitung 21 in der Nähe der Ver-Isorgungsspannung liegt, (Binärsignal "1") ist T21 leitend und |T22 und T23 sind gesperrt. In diesem Zustand fließt nur ein Restjstrom von T22 durch R22. Wenn das Eingangssignal in der Nähe des Mässepotentials liegt (Binärsignal "0") ist T21 gesperrt, T22 auf- !grund des über den Widerstand R2I sugeführten Basisstromes leijtend und T23 ist ebenfalls leitend aufgrund der am Widerstand

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R23 abfallenden Spannung. In diesem Fall ist der Treiberstrom auf der Leitung 23 grundsätzlich durch den Widerstand R21 und den Ersatzwiderstand RL einer (nicht dargestellten) an die Ausgangsleitung 25 angeschlossenen Schaltung begrenzt.

Der Abfühltransistor T24 ist unter den vorher erwähnten normalen Bedingungen gesperrt. Wenn jedoch RL auf einen Wert abnimmt, der eine übermäßige Verlustleistung in dem Hochleistungs-Ausgangstransistor T23 erzeugen würde, erzeugt der erhöhte Treiberstrom in.der Leitung 23 eine Spannung zwischen den Leitungen 26 und 27, die ausreicht, um T24 leitend zu machen (etwa 0,6 Volt für einen Siliziumtransistor). Diese Bedingung veranlaßt T24, aus der Klemme 28 der Speisespannungsquelle Strom über die Widerstände R25 und R26 zu ziehen, der über die Basis-Emitterdioden von T22 und T23 und den Lastwiderstand (oder die kurzgeschlossene Schaltung) RL nach Masse fließt. Der Spannungsabfall an R25 ist ausreichend, um den normalerweise gesperrten Transistor T25 leitend zu machen., so daß ein Strom durch die Widerstände R27 und R28 fließen kann. Die Spannung an R28 ex"scheint dann zwischen der Basis und dem Emitter des Steuertransistors T2ö und veranlaßt ihn, Strom von der Basis des Treibertransistors T22 nach Masse zu ziehen. Dieser niederohmige Weg durch T26 schließt das Steuersignal an T22 kurz, wodurch T22 und T23 sperren, wodurch unmittelbar die eine hohe Verlustleistung verursachende FehIerbedingung am Transistor T23 beseitigt wird. D. h., daß die Treiberleitung 23 von T22 entkoppelt ist, da der Treiberstrom nach Masse abgeleitet wird. Die Spannungsquellen 28 und 22 oder 2*1 können natürlich, wenn das erwünscht ist, miteinander verbunden sein.

Außer dem Fernhalten des Treiberstromes von der Ausgangsstufe verbindet der Steuertransistor T26 auch den Emitter von T2*J mit Masse. Solange daher ein übermäßiger Treiberstrom durch R22 fließt, halten die Transistoren T24-T26 einander in leitendem Zustand. Die Beseitigung der Fehlerbedingung am Ausgang; 25 verursacht eine Abnahme des Treiberstromes, wodurch T24-T26 sperren und augenblick lieh zum normalen Betriebszustand zurückkehren. Ein Übergang des

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ί Eingangs signals vom Binärwert ^I!O" zum Binärwert "1" sperrt
j ebenfalls T24-T26 in der Steuerschaltung:, da keine übermäßige Veri lustleistung in T23 auftritt, ob eine Fehlerbedingung am Ausgang 25 vorhanden ist oder nicht. Wenn aber das Eingangssignal zu dem Binärwert "O" zurückkehrt , i-zährend ein Fehler am Ausgang vorhanden ist, würde die Steuerschaltung sofort wieder wirksam, um das Treibersignal von der Ausgangsstufe fernzuhalten.

Typische Werte für die Widerstände in der Schaltung 20 sind folgende: R21 = I₃5flk , R22 = 500 Q₅ R23 = 3 kft₃ R24 = 30 Ω, R25 =
1,5 kß, R26 = 2 kfi, R27 = 5 kfl und R28 = 2 kß.. Die Transistoren
T21-T24 und T26 sind integrierte HPW Transistoren, während T25
ein lateraler PlJP-Transistor sein kann, der auf dem gleichen HaIbleiterplättchen integriert ist. T23 kann für einen Ausgangsstrom (EmitterstroRi) von 60 mA ausgelegt sein bei einer Versorgungsspannung an den Klemmen 22, 24 und 28 von +6 Volt.

Die Begrenzung der Verlustleistung im Ausgangstransistor T23 ermöglicht es, daß er zusammen mit dem Rest der Schaltung 20 integriert wird. Das Abfühlen des niederpegeligen Treibersignals anstelle des hochpegeligen Ausgangssignals erlaubt es, die Verlustleistung zu begrenzen ohne Hinzufügen weiterer Wärme, die durch
ein den Ausgangsstrom abfühlendes Element verursacht wird und
ohne die Eigenschaften des Ausgangssignals durch Serien oder"
Parallelelemente zu verschlechtern. Die Schaltung 20 arbeitet
durch Abfühlen des Treiberstromes und Pesthalten der Treiberspannung auf Massepotential.

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Claims

PATENTA N S PRÜC H E

Treiberschaltung mit überlastungsschutz, dadurch gekennzeichnet, daß

a) in der Ansteuerleitung (23) für die Ausgangsstufe ein vom Steuerstrom durchflossener Widerstand vorgesehen ist_; der mit den Basis-Emitter-Anschlüssen eines normalerweise gesperrten Transistors (T24) verbunden ist, dessen Kollektorwiderstand als Spannungsteiler (R25, R26) ausgebildet istj über dessen mit der Betriebsspannungsquelle direkt verbundenen Teilerwiderstand (R25)> der parallel zu den Basis-Emitter-Anschlüssen eines weiteren Transistors (T25) angeordnet ist, beim Leiten des ersten Transistors infolge eines übermäßigen Steuerstromes eine Spannung abfällt, die den normalerweise gesperrten zweiten Transistor leitend macht und daß

b) der Kollektorwiderstand des zweiten Transistors ebenfalli als Spannungsteiler (R27_S R28) ausgebildet ist, dessen einer mit dem zweiten Pol der Betriebsspannungsquelle verbundener Teilwiderstand (R28) mit den Basis-Emitter-Anschlüssen eines dritten normalerweise gesperrten Transistors (T26) verbunden ist, der beim Leiten des zweiten Transistors ebenfalls leitend wird und den Steuerstrom für die Ausgangsstufe bis zur Beseitigung der Ursache für seinen übermäßigen Wert von dieser fernhält und nach Masse ableitet.
2. Treiberschaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß der weitere Transistor (T25) von zu den übrigen Transistoren komplementärem Leitungstyp ist.

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