DE2603263B2 - Leistungsverstärker mit Überlastungsschutz - Google Patents

Description

2. Leistungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Transistor (Γ25) von zu den übrigen Transistoren komplementärem Leitungstyp ist.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Leistungsverstärker mit einer Vorverstärker- und einer Endverstärkerstufe und mit einer bei Überstrom ansprechenden, den Leistungsverstärker abschaltenden Schutzeinrichtung.

Leistungsverstärker werden allgemein als Impedanzwandler benutzt und dienen in der Digitaltechnik dazu, die bei der Verknüpfung und dem Transport von Signalen über lange Leitungen auftretenden Verluste auszugleichen sowie die Verzweigung und A.uffächerung von Signalen zur Speisung mehrerer Verbraucher zu ermöglichen. Häufig ist ein Stecker zwischen dem Ausgang des Leistungsverstärkers und den Verbrauchern, die er speist, eingefügt. Dabei besteht die Gefahr, daß der Ausgang des Leistungsverstärkers bei Prüfvorgängen oder anderen Manipulationen zufällig kurzgeschlossen wird. Wenn dieser Möglichkeit nicht beim Entwurf Rechnung getragen, wird, wird der Leistungsverstärker durch die übermäßige Verlustleistung zerstört.

Eine Möglichkeit zur Verhinderung der Zerstörung eines Leistungsverstärkers dutch übermäßige Verlustleistung besteht darin, daß er zufälligen Kurzschlüssen seiner Ausgangsklemmen standhalten kann. Da die Verlustleistung im Kurzschlußfall normalerweise ein Mehrfaches der bei voller Last auftretenden Verlustleistung beträgt, führt dieses Verfahren zu erhöhten

ίο Kosten und erhöhtem Platzbedarf. Gewöhnlich ist es beispielsweise erforderlich, daß der Ausgangstransistor getrennt von der übrigen Verstärkerschaltung aufgebaut wird.

Eine andere Maßnahme zum Schutz eines Leistungs-Verstärkers ist in der Nachrichtentechnischen Zeitschrift NTZ 1961, Heft 12, Seiten 606 und 607, beschrieben. Danacn wird eine Schutzschaltung auf der Versorgungsseite des Gerätes hinzugefügt Sie verhindert die Zerstörung des Gerätes durch Abschalten des Speisestromes, wenn dieser einen vorgegebenen Wert überschreitet

In der deutschen Offenlegungsschrift 14 88 885 ist eine Schutzanordnung für eine stabilisierte Spannungsversorgung mit Transistoren beschrieben, bei der ein Widerstand zwischen die Basis des einen Transistors eines Differenzverstärkers und dem Kollektoranschluß eines l.eistungstransistors angeschlossen ist. Dadurch wird die Verlustleistung des Leistungstransistors bei abnehmendem, an die stabilisierte Spannungsversor-

jo gung angeschlossenen Lastwiderstand begrenzt bzw. vermindert.

Schließlich ist es aus den US-Patentschriften 34 47 035,34 35 295 und 35 59 042 bekannt, Schutzschaltungen im Verstärker selbst vorzusehen, um den

J5 Ausgangstransistor bei Überlastung abzuschalten. Diese Schutzschaltungen haben stets den Ausgang des Leistungsverstärkers abgefühlt. Das Abfühlen des Ausgangskreises von Transistoren hat jedoch eine Herabsetzung des Ausgangssignals, komplizierte Ab-

Hilfschaltungen und/oder eine ungenaue Überwachung der Verlustleistung zur Folge.

Der Etfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen einfach aufgebauten Leistungsverstärker mit Überlastungsschutz anzugeben, dessen Ausgangssignal voll für den angeschlossenen Verbraucher zur Verfügung steht und der durch Begrenzung der Verlustleistung des Ausgangstransistors vollständig in der Technik der monolithisch integrierten Halbleiterschaltungen ausgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch einen Leistungsverstärker

mit Überlastungsschutz gelöst, der durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale charakterisiert ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, die ein Schaltbild eines Leistungsverstärkers nach der Erfindung zeigt.
Der Basis des Eingangstransistors 721 des Leistungs-Verstärkers 20 wird über eine Leitung 21 ein Signal zugeführt. Der Kollektorwiderstand R2i ist zwischen der positiven Klemme 22 der Versorgungsspannung und dem Kollektor des Transistors Γ21 angeordnet. Am Kollektor des Transistors 21 wird ein invertiertes Signal auf der Steuerleitung 23 abgenommen. Der Eingangstransistor T2I dient zur Polaritätsumkehr. In einigen Fällen ist es möglich, ihn und den Widerstand R 21 fortzulassen und das Steuersignal für den Leistungsvcr-

stärker 20 direkt Ober die Leitung 23 zu empfangen.

Das Steuersignal auf der Leitung 23 gelangt über den Abfühlwiderstand R 22 und die Leitung 29 zu dem Transistor 722. Dessen Kollektor ist mit einer Klemme 24 der Speisespannung verbunden. Die Klemme 24 kann auch mit der Klemme 22 verbunden sein. Der Emitter des Transistors Γ22 ist mit einem Widerstand R 23 und der Basis des Ausgangstransistors 723 verbunden. Der Kollektorwiderstand Ä24 ist an die Klemme 24 der Versorgungsspannung angeschlossen. Die Begrenzer- ι ο diode D 21 verhindert, daß die Kollektorspannung des Transistors 723 unter die Steuerspannung an der Basis dieses Transistors abfällt, was dazu führen würde, daß auch die Basis-Kollektor-Diode des Transistors 723 leitend würde. Dadurch käme es zu einer Überschwemmung der Basiszone mit Ladungsträgern. Dies würde das Schaltverhalten des Transistors 723 verschlechtern, da er erst nach dem Abfließen aller Ladungsträger in der Basiszone in den nichtleitenden Zustand gelangen könnte. Damit wäre ein schnelles Umschalten des Transistors T23 vom leitenden in den nichtleitenden Zustand nicht möglich. Die Diode D 21 verhindert jedoch, daß die Kollektordiode des Transistors 723 leitend wird, indem sie bei Absinken des Kollektorpotentials des Transistors 723 unter das Basispotential des ?^r> Transistors 722 leitend wird und dadurch das Kollektorpotential des Transistors 723 nicht unier das Basispotential des Transistors Γ22 absinken kann. Die Ausgangsleistung des Verstärkers 20 wird am Emitter des Transistors Γ23 über die Leitung 25 abgenommen.

Der den Abfühlwiderstand Ä22 durchfließende Steuerstrom für den Transistor 722 erzeugt an diesem Widerstand, an den Leitungen 26 und 27 angeschlossen sind, eine Steuerspannung, die proportional zu dem den Widerstand R 22 durchfließenden Steuerstrom ist. J5 Während des normalen Betriebes des Leistungsverstärkers 20 ist diese Steuerspannung verhältnismäßig niedrig. Wenn das Eingangssignal auf der Leitung 21 in der Nähe der Versorgungsspannung liegt (Binärsignal »1«) ist der Transistor 721 leitend und die Transistoren Γ22 und 723 sind gesperrt. In diesem Zustand fließt nur der Reststrom des Transistors T22 durch den Widerstand R 22. Wenn das Eingangssignal in der Nähe des Massepotentials liegt (Binärsignal »0«) ist der Transistor Γ21 gesperrt, der Transistor 722 aufgrund des über den Widerstand R 22 zugeführten Basisstromes leitend und d«r Transistor Γ23 ist ebenfalls leitend aufgrund der am Widerstand R 23 abfallenden Spannung. In diesem Fall ist der Steuerstrom auf den Leitungen 23 und 29 grundsätzlich durch den Widerstand R2i und den gestrichelt gezeichneten, den Lastwiderstand RL bildenden Ersatzwiderstand einer an die Ausgangsleitung 25 angeschlossenen, nicht dargestellten Schaltung begrenzt.

Der Abfühltransistor 724 ist unter den vorher erwähnten normalen Bedingungen gesperrt. Wenn jedoch der Lastwiderstand RL auf einen Wert abnimmt, der eine übermäßige Verlustleistung in dem Ausgangstransistor 723 erzeugen würde, erzeugt der den Widerstand R 22 durchfließende erhöhte Steuerstrom eine Spannung zwischen den Leitungen 26 und 27, die ausreicht, um den Transistor 724 leitend zu machen (etwa 0,6 V für einen Siliciumtransistor). Diese Bedingung veranlaßt den Transistor 724, aus der Klemme 28 der Speisespannungsquelle Strom über die Widerstände *>5 R 25 und /?26 zu ziehen, der über die Basis-Emitter-Dioden der Transistoren 722 und 723 und den Lastwiderstand RL (oder die kurzgeschlossene Schaltung) nach Masse fließt. Der Spannungsabfall am Widerstand R 25 ist ausreichend, um den normalerweise gesperrten Transistor 725 leitend zu machen, so daß ein Strom durch die Widerstände R 27 und R 28 fließen kann. Die Spannung am Widerstand R 28 erscheint dann zwischen der Basis und dem Emitter des Steuertransistors 726 und veranlaßt ihn, Strom von der Basis des Transistors 722 nach Masse zu ziehen. Dieser niederohmige Weg durch den Transistor 726 schließt das Steuersignal am Transistor 722 kurz, wodurch die Transistoren 722 und 723 sperren. Durch das Sperren des im Ausgangs-Stromkreis liegenden Transistors 723 wird dieser Stromkreis unterbrochen und damit im Transistor 723 keine Verlustleistung mehr erzeugt. Die Spannungsquellen 28 und 22 oder 24 können natürlich, wenn das erwünscht ist, miteinander verbunden sein.

Außer dem Fernhalten des Steuerstromes vom Transistor 722 verbindet der Transistor 726 auch den Emitter des Transistors 724 mit Masse. Solange daher infolge einer im Ausgangs-Stromkreis vorliegenden Fehlerbedingung ein übermäßiger Steuerstrom durch den Widerstand R 22 fließt halten die Transistoren 724— 726 einander in leitendem Zustand. Die Beseitigung der Fehlerbedingung führt zu einer Verringerung des Ausgangsstromes auf den normalen Wert Diese Verringerung des Ausgangsstromes bedingt auch eine Verringerung des vom Transistor 722 benötigten Steuerstromes. Damit wird die am Widerstand R 22 abfallende Steuerspannung für den Transistor 724, die dem verringerten Steuerstrom für den Transistor 722 proportional ist, so gering, daß dieser Transistor ebenso wie der Transistor 726 nichtleitend wird, was die Rückkehr zum normalen Betriebszustand dieser Transistoren bedeutet. Ein Übergang des Eingangssignals vom Binärwert »0« zum Binärwert »1« sperrt ebenfalls die Transistoren 724- 726 in der Steuerschaltung. Dies stellt jedoch keinen Nachteil dar, da für diesen Binärwert des Eingangssignals im Transistor 723 keine übermäßige Verlustleistung auftritt, unabhängig davon, ob am Ausgang eine Fehlerbedingung vorliegt oder nicht, weil in diesem Fall der Transistor 722 keinen Steuerstrom erhält. Wenn das Eingangssignal wieder den Binärwert »0« annimmt während die Fehlerbedingung im Ausgangskreis noch vorhanden ist würde die Schutzschaltung sofort wieder wirksam, um das Steuersignal vom Transistor 722 fernzuhalten.

Typische Werte für die Widerstände des Leistungsverstärkers 20 sind folgende:

Λ 21 = 1,5 Kiloohm,
R 22 = 500 Ohm,
Λ 23 = 3 Kiloohm,
R 24 = 30 Ohm,
Ä25 = 1,5 Kiloohm,
Λ 26 = 2 Kiloohm,
R 27 = 5 Ohm und
Λ 28 = 2 Kiloohm.

Die Transistoren 721 - 724 und 726 sind NPN-Transistorv_n, während der Transistor 725 ein lateraler PNP-Transistor sein kann. Der Transistor 723 kann für einen Ausgangsstrom (Emitterstrom) von 60 mA ausgelegt sein, bei einer Versorgungsspannung an den Klemmen 22,24 und 28 von + 6 V.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Leistungsverstärker mit einer Vorverstärker- und einer Endverstärkerstufe und mit einer bei Oberstrom ansprechenden, den Leistungsverstärker abschaltenden Schutzeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß

a) in der Ansteuerleitung (23,29) für die Vorstufe (T22) ein vom Steuerstrom durchflossener Widerstand (R22) vorgesehen ist, von dem ein Signal zur Abschaltung des Leistungsverstärkers bei Überstrom abgreifbar ist,

b) die Anschlüsse des Widerstandes (R 22) mit den Basis-Emitter-Anschlüssen eines normalerweise gesperrten ersten Transistors (T24) verbunden sind, dessen Kollektorwiderstand als Spannungsteiler (R 25, R 26) ausgebildet ist, über dessen mit der Betriebsspannungsquelle direkt verbundenen Teilerwiderstand (R 25), der parallel zu den Basis-Emitter-Anschlüssen eines zweiten Transistors (Γ25) angeordnet ist, beim Leiten des ersten Transistors (Γ24) infolge eines übermäßigen Steuerstromes eine Spannung abfällt, die den normalerweise gesperrten zweiten Transistor (T25) leitend macht und

c) der Kollektorwiderstand des zweiten Transistors (T25) ebenfalls als Spannungsteiler (R 27, R 2S) ausgebildet ist, dessen einer mit dem zweiten Pol der Betriebsspannungsquielle verbundener Teilwiderstand (R 28) mit den Basis-Emitter-Anschlüssen eines dritten normalerweise gesperrten Transistors (T26) verbunden ist, dessen Kollektor-Emitter-Strecke zwischen dem Widerstand (R 22) und Massepotential liegt, der beim Leiten des zweiten Transistors (Γ25) 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