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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher
erläutert.
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Fig. 1 zeigt einen bekannten Transistorschalter, der mittels eines
Thyristors gegen Überlastung geschützt ist und von dem die Erfindung ausgeht.
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Fig. 2 zeigt den erfindungsgemäß verbesserten Transistorschalter.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Verbesserung des Transistorschalters
nach Fig. 1, durch welche die vorstehend aufgezeigten Schwierigkeiten vermieden
werden.
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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.
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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.
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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.
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Der Kurzschluß des Ansteuereinganges des Schalttransistors T1 bleibt
nach einer Überlastungsgefahr so lange bestehen, wie der Ansteuerschalter S geschlossen
ist.
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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.
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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.
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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.
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