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Schaltungsanordnung zum Schutz der Transistoren in
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Schaltstufen.
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur zentralen Kurzschlußsicherung
mit Strombegrenzung für mehrere Schaltstufen mit Transistoren. Unter Schaltstufen
sind z. B. Schaltverstärker zu verstehen, die aus einer Eingangsstufe, Anpassungsstufe,
Pegelanpassung und einer Endstufe bestehen. Der Eingangskreis des Verstärkers wird
von einer Ansteuerstufe geschaltet. Der Verstärkerausgang schaltet den Lastkreis,
welcher z. B. aus einem Relaisvielfach besteht und über Leitungen mit der Verstärkerendstufe
verbunden ist. Vor den Lastrelais befinden sich Steuerkontakte, die stromlos die
zu schaltenden Relais an die Verstärker legen.
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Zum Schutz elektronischer Netzgeräte gegen fiberlastung und Kurzschluß
ist es im allgemeinen nicht möglich, Schmelzsicherungen zu verwenden. Der Grund
dafür ist vor allem die verhältnismäßig lange Abschaltzeit, die zu dem von der Größe
des Uberstromes stark abhängig ist.
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Wenn Kurzschlüsse zu erwarten sind, braucht man aber eine Kurzschlußsicherung,
da ohne sie sonst die Ausgangsstufe zerstört würde. Es sind bereits verschiedene
als elektronische Sicherung arbeitende Schutzschaltungsanordnungen bekannt, die
gegenüber den Schmelzsicherungen wesentliche Vorteile
aufweisen.
In dem Buch S. W. Wagner: -Stromversorgung elektronischer Schaltungen und Geräte,
1964, Seite 475, Bild 7.2/44 wird bei Kurzschluß mittels einer als bistabile Flip-Flop-Schaltungsanordnung
ausgebildeten Steuerschaltungsanordnung ein ebenfalls im Laststromkreis befindlicher
Stabilisierungstransistor gesperrt und damit der Kurzschlußstrom unterbrochen. Der
Aufwand, den diese Schutzschaltungsanordnung erfordert, ist verhältnismäßig groß
und verbietet daher die Anwendung wenigstens in einfacheren Stromversorgungsgeräten.
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Zum Schutz der in Stromversorgungsgeräten verwendeten Halbleiter gegen
unzulässig hohe Belastung, die durch Kurzschluß in einem Verbraucher oder durch
Verringerung des Lastwiderstandes auftreten kann, sind in der schweizerischen--Patentschrift
458 496 Maßnahmen zur Begrenzung des Laststromes auf einen maximal zulässigen Wert
oder zur Unterbrechung des Laststromes durch einen Abschaltvorgang vorgesehen. Beide
Maßnahmen weisen jedoch in der praktischen Anwendung den Nachteil auf, daß sie den
gefährdeten Schaltungsteilen nicht in allen in der Praxis auftretenden Betriebsfällen
ausreichenden Schutz gewähren können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit moglichst einfachen
Mitteln die eingangs genannte Schaltungsanordnung zu realisieren, bei der die Vorteile
von zwei bekannten Anordnungen, nämlich der t'Kurzschlußsicherung durch Abschalten"
und der IKurzschlußsicherung durch Strombegrenzung11 miteinander verbunden werden,
ohne deren Nachteile - nicht Wiedereinschalten bei Aufheben der Überlast bzw. hohe
Verlustleistung - in Kauf zu nehmen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im Lastkreis
zwischen dem Emitter der Ausgangsstufe und der Versorgungsspannung ein Meßwiderstand
und parallel zur Basis der Ausgangsstufe und der Versorgungsspannung ein Referenzelement
vorgesehen sind, und daß sich ferner in Reihe zu dem Referenzelement ein weiterer
Meßwiderstand befindet, dessen Spannungsabfall beim Überschreiten eines vorbestimmten
Wertes
zur Ansteuerung einer Auswerteschaltung mit anschließender zeitlich verzögerter
Kurzschlußabschaltung dient und daß zur Entkopplung weiterer Kreise eine Diode vorgesehen
ist.
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Die Ausgangs stufen werden vor Zerstörung gesichert und bei kapazitiver
Last (z. B. Leitungskapazität), was am Ausgang des Verstärkers ein tfberschreiten
des zulässigen Kollektorstromes bedingt, durch die Zeitverzögerung nicht gleich
abgeschaltet. Außerdem ist die Wiedereinschaltung auch bei kapazitiver Belastung
möglich.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung besteht die Auswerteschaltung
aus einem Operationsverstärker, der über die nachfolgende Zeitverzögerung die Ansteuerstufen
der Schaltstufen abschaltet. Die Anwendung eines Operationsverstärkers ist ein sehr
zweckmäßiges Lösungsmittel, das eine besonders genaue Auswertung ermöglicht.
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Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung arbeitet zuerst mit Strombegrenzung
und anschließend mit Abschaltung. Es wird jedoch periodisch geprüft, ob die Überlastung
aufgehoben ist und in diesem Fall wieder eingeschaltet. Zu diesem Zweck ist gemäß
weiterer Erfindung eine Alarmleitung vorgesehen, über dieidie Abschaltung angezeigt
wird. Außerdem ist eine Rücksetzleitung angeordnet, über die die Rücksetzung der
Abschaltung vorzugsweise rechnergesteuert erfolgt.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.
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In der Figur ist im rechten oberen Teil in dem strichpunktiert umrandeten
Feld eine Schaltstufe dargestellt, die aus einem Transistor T1 als Vorstufe besteht,
über den sich über einen Widerstand R1 die Ausgangsstufe mit einem Transistor T2
anschließt. Mit L ist schematisch die Last bezeichnet und mit G1 eine Entkopplungsdiode
und mit R2 ein Widerstand im Emitterzweig.
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Zur zentralen Kurzschlußsicherung mit Strombegrenzung mehrerer derartiger
Schaltstufen, von denen eine strichpunktiert umrandet ist, dient der übrige Teil
der in der Figur dargestellten Schaltungsanordnung. Parallel zur Basis der Ausgangsstufe
mit dem Transistor T2 und der Versorgungsspannung -Uv ist als Referenzelement eine
Zenerdiode G3 mit einem fleß widerstand R3 in Reihe vorgesehen. Zur Erzeugung einer
stabilisierten Vergleichs spannung dient ferner eine weitere Zenerdiode G2 mit einem
Widerstand R6. Der Wert des Widerstandes R6 wird so festgelegt, daß die Zenerdioden
im MeP-strombereich liegen, so daß keine zusätzlichen Spannungstoleranzen für die
Zenerdioden berücksichtigt werden müssen.
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Parallel zu der Zenerdiode G2 liegen die Widerstände R4 und R5, die
lediglich zur Erzeugung einer genauen Vergleichsspannung dienen. An R4 tritt die
Vergleichsspannung Uv2 auf, während an der Zenerdiode G3 die Vergleichs spannung
Uv1 anliegt. Eine Kurzschlußabschaltung mit Zeitverzögerung K wirkt direkt auf die
Ansteuerleitung der einzelnen Schaltstufen ein. Mit AL ist eine Alarmleitung und
mit RS eine Rücksetzleitung bezeichnet.
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Wenn einer oder mehrere dieser Schaltverstärker so weit überlastet
wird, daß der Spannungsabfall am Meßwiderstand R2 einschließlich der Basis-Emitter-Spannung
des Transistors T2 die Vergleich'sspannung Uvl erreicht, so fließt ein Teil des
Ansteuerstromes über die Entkopplungsdiode G1, den Meßwiderstand R3 und die Zenerdiode
G3 nach der Versorgungsspannung -Uv.
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Durch die Entkopplungsdiode Gl, den Meßwiderstand R3 und die Zenerdiode
G3 wird der Kollektorstrom des Transistors T2 auf eine bestimmte Höhe begrenzt.
Diese Strombegrenzung hat den Vorteil, daß auch während der Zeit bis zum Wirksamwerden
der Kurzschlußabschaltung über die Auswerteschaltung durch die Strombegrenzung,
die von der Zenerdiode G3 und dem Widerstand R3 gebildet wird, ein Schutz für den
Transistor T2 vorhanden ist.
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Der über die Entkopplungsdiode G1 fließende Strom bewirkt
am
Meßwiderstand R3 einen Spannungsabfall. Überschreitet diese Spannung am Widerstand
R3 die Vergleichsspannung Uv2, so schaltet der als Komparator vorgesehene Operationsverstärker
OP über eine nachfolgende Zeitverzögerung die Ansteuerstufe des Verstärkers ab.
Über die Alarmleitung AL wird die abschaltung angezeigt. Eine Rücksetzug der Abschaltung
erfolgt auf der Rücksetzleitung RS.
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Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel
beschränkt. Dieses Prinzip derStrombegrenzung und Kurzschlußsicherung läßt sich
analog auch für Schaltverstärker mit Erdausgabe anwenden.
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3 Patentansprüche 1 Figur