DE2819835A1 - Schutzschaltung gegen ueberlastung eines transistorschalters - Google Patents

Schutzschaltung gegen ueberlastung eines transistorschalters

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DE2819835A1
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DE19782819835
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Walter Ing Jaje
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Telephon und Telegraphen Fabriks AG Kapsch und Soehne
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Telephon und Telegraphen Fabriks AG Kapsch und Soehne
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/082Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
    • H03K17/0826Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit in bipolar transistor switches

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  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)

Description

  • Schutzschaltung gegen Überlastung eines Transistorschalters Es ergibt sich häufig das Problem, einen Transistorschalter gegen Uberlastung zu schützen, wobei die etwa durch eine Betriebsstörung ausgelöste ttberlastungsgefahr z.B. durch einen zu niedrigen wirksamen Lastwiderstand oder auch durch eine zu große wirksame Kapazität im Laststromkreis verursacht werden kann, die einen übermäßigen Einschaltstromstoß zur Folge hat. Insbesondere tritt dieses Problem in der Fernsprechvermittlungstechnik auf, wenn mit Hilfe von Transistorschaltern aus Stromquellen mit niedrigem Quellenwiderstand Zeichenströme an Leitungsadern angelegt werden sollen.
  • Zum Überlastungsschutz von Transistorschalterr sind zwei Möglichkeiten bekannt, nämlich die Anwendung von elektronischen Begrenzungs- oder Regelschaltungen für den Laststrom oder die Anwendung eines den Ansteuer- eingang des Schalttransistors bei Überschreiten des zulässigen Laststromes kurzschließenden Schaltelementes, z.B. eines Thyristors.
  • Bei Anwendung einer elektronischen Begrenzungs- oder Regelschaltung für den Last strom ergibt sich der Nachteil, daß diese elektronische Schaltung bei Sberlastungsgefahr während der gesamten Uberschreitungsdauer der zulässigen Last und je nach Höhe dieser Überschreitung eine relativ hohe Leistung aufnehmen muß, so daß die im Normalfall ohne Überlastungsgefahr schaltbare Leistung auf einen Wert begrenzt ist, der kleiner als jener ist, welcher durch die Grenzwerte der verwendeten Bauelemente, die auch bei dauernder und maximaler Ilberlastungsgefahr nicht überschritten werden dürfen, vorgegeben ist. Im Spezialfall der Zeichenstromgabe mittels Transistorschaltern kann es überdies nachteilig sein, daß bei Anwendung einer solchen Schaltung nicht eindeutig festliegt, ob während vorhandener Tendenz zur Überlastung oder unmittelbar nach Aufhören einer solchen Tendenz ein Zeichen bzw. ein Zeichenrest in auswertbarer Form abgegeben worden ist oder nicht.
  • In diesen Beziehungen ist die Anwendung eines den Eingang des Schalttransistors bei Überlastungsgefahr kurzschließenden Thyristors günstiger, weil dabei einerseits der Laststrom nach einer von der Zeitkonstante im Zündkreis des Thyristors abhängigen kurzen Zeitspanne rasch und zur Gänze unterbrochen wird, so daß der gleiche Transistor normalerweise eine wesentlich höhere Leistung schalten kann als im Rahmen einer Begrenzungs-oder Regelschaltung, bzw. im Falle einer Zeichenstromgabe diese aus einer Quelle mit wesentlich niedrigerem Quellenwiderstand vornehmen kann. Überdies wird bei der Zeichenstromgabe der Vorteil eindeutiger Verhältnisse gesichert, weil bei Überlastungsgefahr überhaupt kein Zeichenstrom abgegeben wird, insbesondere auch dann nicht, wenn die überlastungsgefahr während einer Zeichenstromgabe plötzlich verschwindet; der gezündete Thyristor bleibt nämlich jedenfalls bis zur Beendigung des betreffenden Zeichens gezündet.
  • Anderseits hat diese Art des Überlastungsschutzes in der Praxis den Mangel, daß - bedingt durch die Möglich keit der Zündung des Thyristors durch raschen Spannungsanstieg an seiner Anoden-Eathoden-Strecke - eine Fehlzündung dadurch entstehen kann, daß Störspannungsspitzen vom Lastkreis her, z.B. durch plötzliche Ladung oder Entladung einer Lastkapazität, und unter Umständen auch Störspannungsspitzen von der Versorgungsspannungsquelle zur an der Anoden-Eathoden-Strecke des Thyristors wirksam werden.
  • Die Erfindung befaßt sich nun mit der Aufgabe, eine Schutzschaltung gegen Überlastung eines Transistorschalters, die aus einem an den Ansteuereingang des Transistorschalters angeschlossenen Kurzschlußstromkreis besteht, in dem ein bei Überschreiten des zulässigen Laststromes des Transistorschalters zündbarer Thyristor liegt, so zu verbessern, daß der Transistorschalter die gewünschten Schaltfunktionen unbeeinflußt von störenden Störspannungsspitzen ausüben kann, aber doch durch den Thyristor wirksam gegen Überlastung geschützt wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Kurzschlußstroskreis in serie mit dem Thyristor die Eollektor-Emitter-Strecke eines Hilfstransistors angeordnet ist, der nur bei gezündetem Thyristor leitend ist.
  • Um zu gewährleisten, daß der Hilfstransistor jeweils nur bei gezündetem Thyristor leitend ist, besteht die dem Fachmann geläufige Möglichkeit, die Basis des Hilfstransistors an den Verbindungspunkt zweier Spannungsteilerwiderstände anzuschließen, die zwischen dem Thyristor und dem Ansteuerkreis des Schalttransistors liegen und daher das Basispotential des Hilfstransistors unmittelbar in Abhängigkeit vom Stromfluß über den Thyristor steuern.
  • Vorteilhafter ist es, im Basisstromkreis des Hilfstransistors eine gleichzeitig mit dem Ansteuerkreis des Schalttransistors geschaltete, eigene (also nicht der Gefahr des Auftretens von Störspannungsspitzen unterworfene) Potentialquelle vorzusehen, weil dann Störspannungsspitzen aus dem Lastkreis und aus der Versorgungsquelle des Schalttransistors praktisch wirkungslos bleiben.
  • Wenn die Verwendung einer eigenen Potentialquelle im Basisstroskreis des Hilfstransistors nicht möglich oder nicht erwünscht ist, kann zur Abflachung von gegebenenfalls in der Versorgungsstromquelle des Schalttransistors auftretenden Störspannungsspitzen sowie von besonders starken Störspannungsspitzen aus dem Lastkreis des Schalttransistors parallel zum Thyristor ein Eondensator, gegebenenfalls mit seriengeschaltetem Schutzwiderstand, angeordnet werden, wobei durch die mittels des Hilfstransistors im Normalbetrieb bewirkte Entkopplung des Thyristors vom Schalttransistor zugleich auch eine unerrrrünschte Beeinflussung der Flankensteilheit im Ansteuerkreis des Transistorschalters durch den erwähnten Parallelkondensator verhindert wird.
  • Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
  • Fig. 1 zeigt einen bekannten Transistorschalter, der mittels eines Thyristors gegen Überlastung geschützt ist und von dem die Erfindung ausgeht.
  • Fig. 2 zeigt den erfindungsgemäß verbesserten Transistorschalter.
  • Der Transistorschalter nach Fig. 1 kann dazu dienen, die Spannung -U über die Emitter-Eollektor-Strecke des (beispielsweise dem npn-Typ angehörenden) Schalttransistors T1 wahlweise, z.B. zwecks Zeichengabe, an einen Lastwiderstand RL, z.B. an eine Leitungsader in einer Vermittlungseinrichtung, abzugeben; zum Lastwiderstand RL kann eine Kapazität CL, beispielsweise die Leitungskapazität, parallel liegen. Im Ansteuerkreis des Transistorschalters liegt zu diesem Zweck ein Ansteuerschalter S, mit dem über einen Ansteuerwiderstand R1 Erdpotential an die Basis des Schalttransistors T1 gelegt werden kann, so daß dieser leitend wird.
  • Um zu verhindern, daß bei zu niedrigem Lastwiderstand RL, etwa in einem Störungsfall, ein unzulässig hoher Laststrom über den Schalttransistor T1 fließt, liegt im Emitterkreis desselben ein Widerstand R2, der über ein kurzzeitige Uberströme integrierendes RC-Glied mit einem Widerstand R3 und einem Kondensator Cl kurz nach Uberschreiten des zulässigen Laststromes Zündpotential an die Zündelektrode eines Thyristors Th legt, der seinerseits an den Ansteuereingang des Schalttransistors T1, nämlich über den Ansteuerwiderstand R1 zwischen der Basis und dem Emitter desselben, angeschlossen ist und im normalen Betriebsfall wirkungslos bleibt, bei übermäßigem Laststrom jedoch, wie schon erwähnt, gezündet wird und den Ansteuereingang kurzschließt, so daß der Schalttransistor 1 gesperrt und der Laststromfluß rasch unterbrochen wird. Der Thyristor Th bleibt dann so lange gezündet, bis der Ansteuerschalter S wieder geöffnet wird, und wird nicht mehr gezündet, wenn inzwischen die Überlastursache verschwunden ist.
  • Die beschriebene Schaltung hat noch den Nachteil, daß bei starken Störspannungsspitzen am Lastwiderstand RL ein rascher Spannungsanstieg am Thyristor Th auftritt, wodurch dieser über seine Anoden-Kathoden-Strecke zünden und den Last strom bzw. die Zeichenstromgabe fälschlich unterbrechen kann.
  • Die in unterbrochenen Linien in Fig. 1 angedeutete Parallelschaltung eines Kondensators C2 und gegebenenfalls eines Schutzwiderstandes R4 zwecks Abflachung des möglichen Spannungsanstieges am Thyristor hätte den Nachteil, daß der Kondensator C2 dann auch parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Schalttransistors 1 läge, und - da der Kondensator C bei geringem wirksamen Lastwiderstand relativ groß gewählt werden muß, um die gewünschte Abflachung des Spannungsanstieges zu erreichen - im ZusPmmenwirken mit dem viel größeren Ansteuerwiderstand R1 flache Schaltflanken am Eingang des Schalttransistors T1 zur Folge hätte, wodurch dieser bei stärkerem Last strom durch das langsame Durchfahren der Leistungshyperbel erst recht und vor allem schon im Normalfall überlastet werden würde.
  • Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Verbesserung des Transistorschalters nach Fig. 1, durch welche die vorstehend aufgezeigten Schwierigkeiten vermieden werden.
  • Die schon in Fig. 1 aufscheinenden Bauelemente des Transistorschalters sind in Fig. 2 mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen. Erfindungsgemäß liegt in dem den Thyristor h enthaltenden, an den Ansteuereingang des Schalttransistors T1 angeschlossenen Kurzschlußstromkreis in Serie mit dem Thyristor Th die Kollektor-Emitter-Strecke eines Hilfstransistors T2, dessen Basis mit dem Verbindungspunkt V zweier Spannungsteilerwiderstände R5, R6 verbunden ist, die ihrerseits zwischen dem Thyristor Th und der vom Ansteuerschalter S kommenden Ansteuerleitung angeordnet sind. Die Spannungsteilerwiderstände R5, R6 sind so gewahlt, daß bei gezündetem Thyristor an der Basis des Hilfstransistors T2 ein diesen in den leitenden Zustand versetzendes Potential wirksam ist, so daß der Ansteuereingang des Schalttransistors T1 durch den gezündeten Thyristor Th und den leitenden Hilfstransistor T2 kurzgeschlossen wird, wogegen der Thyristor Th im Normalfall vom Schalttransistor T1 entkoppelt ist und daher auch nicht durch von der Lastseite her kommende Störspannungsspitzen beeinflußt werden kann. Um gegebenenfalls auch eine unerwünschte Zündung des Thyristors durch in der Versorgungsstromquelle des Schalttransistors T1 auftretende Störspannungsspitzen sowie bei besonders starken Störspannungsspitzen aus dem Lastkreis des Schalttransistors, wenn die Spannungsteilerwiderstände für den Hilfstransistor direkt mit dem Ansteuerkreis des Schalttransistors verbunden sind, zu vermeiden, kann parallel zum Thyristor ein Kondensator C2, gegebenenfalls in Serie mit einem Schutzwiderstand R4, geschaltet werden, wobei diese Schaltelemente allfällige rasche Spannungsänderungen am Thyristor abflachen. Im Gegensatz zu der bekannten Schaltung nach Fig. 1 übt der Kondensator C2 keinen störenden Einfluß mehr auf die Flankensteilheit des Schaltvorganges im Ansteuerkreis aus, weil der Thyristor Th und damit der Kondensator C2 durch den Hilfstransistor T2 vom Schalttransistor T1 entkoppelt ist. Die Spannungsteilerwiderstände R5 und R6 sind natürlich hochohmig zu wählen.
  • Der Widerstand R6 in Serie mit der Basis-Emitter-Strecke des Hilfstransistors T2 und der zu dieser parallel geschaltete Widerstand R5 sind zusammen mit dem Eondensator C2, gegebenenfalls im Zusammenwirken mit dem Schutzwiderstand R4, maßgebend für die mögliche Steilheit eines Spannungsanstieges am Thyristor, soferne die auftretende Störspannungsspitze von der Versorgungsstromquelle herkommt. Kommt die Störspannungsspitze aus dem Lastkreis des Schalttransistors T1, z.B. einer Leitungsader, so ist zusätzlich zu RG auch der Widerstand R1 wirksam.
  • Die erläuterte Entkopplung des Thyristors und die vorstehend erwähnten RC-Kombinationen bewirken somit zusammenfassend, daß einerseits Störspannungsspitzen unterdrückt werden, anderseits aber bei tatsächlicher berlastungsgefahr die Emitter-Kollektor-Strecke des Schalttransistors 1 mit großer Flankensteilheit und daher geringer Verlustleistung gesperrt wird, und sichert überdies, daß auch die Ansteuerung des Transistorschalters mit großer Flankensteilheit und daher geringer Verlustleistung erfolgen kann.
  • Der Kurzschluß des Ansteuereinganges des Schalttransistors T1 bleibt nach einer Überlastungsgefahr so lange bestehen, wie der Ansteuerschalter S geschlossen ist.
  • Ist die tberlastungsgefahr nur auf Grund eines kurzzeitigen Fehlers aufgetreten, so ist beim nächsten Ansteuerversuch ohne Überlastungsgefahr die niederohmige Anschaltung der Spannung -U (oder der Spannung +U bei Verwendung eines pnp-Transistors) an den Lastwiderstand bzw. an die Leitungsader wieder möglich.
  • Die beschriebene Schaltung kann noch dadurch ergänzt werden, daß zur Erhöhung der Sperrsicherheit in dem gemeinsamen Teil des Ansteuerkreises des Schalttransistors T1 und des Kurzschlußstromkreises eine Zenerdiode ZD1 angeordnet wird. Zur noch besseren Abblockung von lastseitig eingekoppelten hohen Störspannungsspitzen mit einer Polarität, bei welcher die Kollektor-Basisstrecke des Hilfstransistors T2 leitend werden könnte und daher die betreffenden Störspannungsspitzen über den Hilfstransistor T2 und den Widerstand R5 zum Thyristor Th gelangen könnten, kann in Serie zur Emitter-Kollektor-Strecke des Hilfstransistors T2 eine Diode D2 angeordnet werden. Auch im Laststromkreis kann eine besonders hohe Störspannungsspitzen unterdrückende Diode Dl vorgesehen werden.
  • Schließlich kann im Zündkreis des Thyristors hinter dem bereits erwähnten RC-Glied aus dem Widerstand R3 und dem Kondensator Cl eine Zenerdiode ZD2 mit einem Ableitwiderstand R7 vorgesehen erden. Schließlich ist in Fig. 2 durch unterbrochene Linien noch angedeutet, daß die Spannungsteilerwiderstände R5, R6 an einen Schalter S' geführt sein können, der mit dem Ansteuerschalter S gekoppelt ist und an einer eigenen Potentialquelle U' liegt, wodurch der Thyristor Th vollständig dem Einfluß des Lastkreises und der Versorgungsstromquelle des Schalttransistors entzogen wird. Leerseite

Claims (4)

  1. Patentansprüche: e Schutzschaltung gegen Uberlastung eines Transistorschalters, bestehend aus einem an dem Ansteuereingang des Transistorschalters angeschlossenen KurzschluRstromkreis, in dem ein bei Uberschreiten des zulässigen Laststromes des Transistorschalters zündbarer Thyristor liegt, dadurch gekennzeichnet, daß im Eurzschlußstromkreis in Serie mit dem Thyristor (Th) die Kollektor-Emitter-Strecke eines Tfilfstransistors (T2) angeordnet ist, der nur bei gezündetem Thyristor (th) leitend ist.
  2. 2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Basisstromkreis des Hilfstransistors (g2) eine gleichzeitig mit dem Ansteuerkreis des Schalttransistors geschaltete, eigene Potentialquelle (Ut) vorgesehen ist.
  3. 3. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Thyristor (Th) ein Kondensator (C2), gegebenenfalls in Serie mit einem Schutzwiderstand (R4), geschaltet ist.
  4. 4. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im kurzschlußstromkreis in Serie zur Emitter-Kollektor-Strecke des Hilfstransistors (T2) eine Diode -(D2) angeordnet ist,
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