DE2854313C2 - Überlastungsschutzanordnung für Schalttransistoren - Google Patents

Description

die ursprungliche Betriebsstellung muß dann die Kippstufe durch ein besonderes Rückstellsignal, das beispielsweise aus dem Ansteuersignal abgeleitet werden kann, zurückgesetzt werden.

Es ist die Aufgabe der Erfindung bei einer Anordnung der eingangs genannten Art eine selbsttätige Rückführung in die Ausgangsstellung nach Aufhebung des Überlastfalles zu ermöglichen und gleichzeitig mit einfachsten Mitteln die Betriebssicherheit zu erhöhen.

Dies wird dadurch erreicht, daß dem Schutztransistor zusätzlich eine Aufsteuerspannung zugeführt wird, die von dem für den Leistungstransistor maßgebenden Steuersignal abgeleitet wird und die weiterhin vom Ausgangspotential des Leistungstransistors derartig abhängig ist, daß sie ausschließlich im kritischen Belastungszustand wirksam wird, und daß die genannten Aufsteuerspannungen für den Schutztransistor jeweils verzögert zur Wirkung kommen, derart daß der Schutztransistor im durchgeschalteten Zustand mittelbar oder unmittelbar den Eingangskreis des Leistungstransistors überbrückt.

Erfindungsgemäß kann die Durchschaltung des Schutztransistors über zwei Steuerkreise zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfolgen. Der zusätzliche Ansteuerkreis läßt sich so bemessen, daß unabhängig von der an dem Meßwiderstand angekoppelten Überwachungsanordnung die Durchschaltung des Schutztransistors möglich ist. Damit ist beispielsweise trotz eines Defektes in der den Siromfluß über die Hauptstromstrecke bewertenden Überwachungseinrichtung ein Schutz des Leistungstransistors sichergestellt. Durch eine entsprechend gewählte Ansprechempfindlichkeit ist gewährleistet, daß im Überlastfall zunächst immer die über den Meßwiderstand zu steuernde Schutzfunktion wirksam wird. Dadurch, daß erfindungsgemäß die zusätzliche Aufsteuerspannung für den Schutztransistor bei einem bestehenden Ansteuersignal vom Ausgangspotential des Leistungstransistors abhängig gemacht ist, läßt sich eine selbsttätige Verminderung des die Abschaltung bewirkenden Bezugswertes erreichen. Der Abschaltepunkt des zusätzlichen Steuerkreises wird herabgesetzt, wenn die Gesamtstromverstärkung einer zu überwachenden Leistungsstufe unter dem für den Nennbetrieb erforderlichen Wert liegt Dies kann z. B. bei einem Fehler in der Leistungsendstufe der Fall sein. Sollte infolge eines Defektes die Last ausschließlich am Treibertransistor der Endstufe anliegen, so wird dieser durch den zusätzlichen Steuerkreis weitergesehul/.t.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird die zusätzliche Aufsteuerspannung vom primären Steuersignal über eine Entkopplungsdiode mittelbar oder unmittelbar der Steuerelektrode des Schutziransistors zugeführt. Die Diode ist für die Polarität des primären Steuersignals in Durchlaßrichtung gepolt. An dem basisfernen Anschluß dieser Entkopplungsdiode wird das Ausgangspotential des Leistungstransistors über eine weitere Diode zugeführt, wobei diese weitere Diode für das im gesperrten Zustand des Leistungstransistors vorhandene Ausgangspotential in Sperrichtung bO gepolt ist. Dadurch wirk! ^:i:·· '.m durchgesteuerten Zustand des Leistungstransistors wirksam werdende andere Bezugspotential, beispielsweise das Erdpotential, dem aufgrund des primären Steuersignals am Verbindungspunkt der Entkopplungsdiodcn vorhande- b5 nen Potential entgegen.

Der Grad dieser Gegenwirkung ändert sich mit der Belastung. Bei einem beispielsweise durch einen Kurzschluß der Last eintretenden Überlastfall wird der Ausgang auf dem gegenüber dem genannten Bezugspotential negativen Potential der Versorgungsspannung festgehalten da die rückkoppelnde Diode für diese Polarität in Sperrichtung angeordr.et ist. Es wirkt also in diesem Grenzfall das Ausgangspotential dem Steuersignal des zusätzlichen Ansteuerkreises nicht mehr entgegen. Nach der vorgegebenen Verzögerungszeit wird dann durch die Wirkung des zusätzlichen Steuerkreises die Ansteuerung des Leistungstransistors unterbunden. Die Verzögerung kann durch einen mit dem basisseitigen Anschlußpunkt des Schutztransistors gekoppelten Kondensator realisiert werden.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird die Aufsteuerspannung, die zunächst unabhängig von dem zusätzlichen Ansteuerkreis die Durchschaltung des Schutztransistors veranlaßt, durch die Ausgangsspannung eines als Komparator geschalteten Operationsverstärkers gebildet. Der eine Eingang dieses Operationsverstärkers wird mit der am Meßwiaerstand abfallenden Spannung und dessen anderer Eingang mit einer den Grenzwert des Stromes der Hauptstromstrecke des zu schützenden Transistors festlegenden Vergleichsspannung beaufschlagt.

Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiei der Erfindung näher erläutert. Die beiden Transistoren Ti und T2 stellen die Endstufe einer Verstärkerschaltung dar. Diese beiden Transistoren sind nach Art einer Darlington-Schaltung unmittelbar miteinander gekoppelt. Es wird jedoch als Treibeuransistor ein PN P-Transistor und als Ausgangsleistungstransistor ein Transistor vom dazu komplementären Typ verwendet. Beim Einsatz der Verstärkerschaltung in Fernsprechanlagen ist es dadurch möglich, eine gegen die negative Amtsspannung geschaltete Last unmittelbar zu steuern. wobei der Verstärker ausschließlich mit der negativen Amtsspannung betrieben werden kann. Beim Einsat/ einer ausschließlich aus npn-Transistortypen bestehenden Endstufe wäre in dem genannten Anwendungsfall eine zusätzliche, beispielsweise durch einen Umrichter abgeleitete positive Betriebsspannung für die Verstärkerschaltung erforderlich. Die dargestellte und in der geschilderten Weise aus den Transistoren Ti und 7~2 gebildete Endstufe wird mit dem Durchschalten des Transistors TA wirksam angesteuert, da in diesem Fall das negative Potential über den aus den Widerständen R 7 und RS gebildeten Anpassungsteiler durchgreifen kann. Mit der Durchschaltung des Ausgangsleistungstransistors T2 wird die unmittelbar an der negativen Amtsspannung anliegende Last L geschaltet. Diese Last kann ein Relais darstellen, das über entsprechend betätigte Kontakte die gewünschten Folgefunktionen steuert. Die Ansteuerung der Endstufe soll vorzugsweise impulsmäßig erfolgen. Durch die Zenerdiode ZD 1 wird für den Treibertransistor T1 der Endstufe nur eine bestimmte Basisvorspannung zugelassen. In Verbindung mit dem in der Hauptstromstrecke des Ausgangsleistungstransistors TI liegenden Widerstand R 2 wird dadurch eine gewisse, insbesondere für kurzzeitige Überlastungsspitzen maßgebende Strombegrenzung erreicht. Die gegen Erdpotential geschaltete Zenerdiode ZD3 dient zum Schutz der Ausgangstransistoren gegen Spitzen der Abschaltespannung. Diese Diode begienzt in Zenerrichtung die auftretende Abschaltespannung auf den für die Transistoren zulässigen Wert der Spannung zwischen Kollektor und Emitter und verhindert andererseits bei der Beanspruchung in Durchlaßrichtung unzulässigen Inversbetrieb der End-

stufe. Dieser könnte durch positive Überschwinger hervorgerufen werden.

Für den Ausgangsleistungstransistor ist ein Schutz gegen Überlastung vorgesehen. Eine Überlastung kann beispielsweise lann auftreten, wenn der Lastwiderstand einen bestimn-.ten Wert unterschreitet bzw. im Extremfall ein Kurzschluß der Last entsteht. In diesen Fällen wurde der Spannungsabfall an der Emitter-Kollektorstrecke des Transistors ansteigen und einen kritischen Spannungswert überschreiten, der multipliziert mit dem Wert des Kollektorstromes ein Produkt ergibt, dessen Wert größer ist als der Wert der für den Transistor maximal zulässigen Verlustleistung. Zum Schutz des Ausgangsleistungstransistors wird der an dem Widerstand R 2 durch den Laststrom bewirkte Spannungsabfall durch den als Komparator geschalteten Operationsverstärker OP bewertet. Der an dem niederohmigen Meßwiderstand R 2 auftretende Spannungsabfall wird dem Operationsverstärker zugeführt, der diese Spannung mit einer durch die Widerstände R 3 und /?4 festgelegten Referenzspannung vergleicht. Diese Referenzspannung wird so gewählt, daß ein definierter .Schaltpunkt über dem Nennstrom eingestellt wird. Erst bei Überschreiten dieses vorgegebenen Stromwertes im Lastkreis jedoch noch vor Erreichen des maximal /u ässigen Stromes für den Ausgangsleistungstransistor übersteigt der Spannungsabfall am Widerstand R 2 den Wert der vorgegebenen Referenzspannung. Mit dem dadurch entstehenden Ausgangssignal des Operationsverstärkers wird der Transistor Γ3 über die ein .Schwellwertglied darstellende Zenerdiode ZD 2 angesteuert. Der Widerstand R 1 stellt den Basiswiderstand dieses Transistors dar. über den sichergestellt wird, daß bei fehlender Ansteuerung der Transistor 7*3 im gesperrten Zustand verharrt.

Mit dem Ausgangssignal des Operationsverstärkers wird der Transistor 7*3 nicht unmittelbar mit Überschreiten der durch die Zenerdiode vorgegebenen .Schaltschwelle durchgesteuert. Dies erfolgt mit einer vorgegebenen, durch den Widerstand R 5 und den Wert de Kondensators C bestimmten Verzögerungszeit. Dadurch wird verhindert, daß kurzzeitige Stromspitzen, die beispielsweise bei der Anwendung der Verstärkerschaltung in der Fernsprechtechnik durch Leitungskapa/-itäten bedingt sein können, zur Durchsteuerung des Transistors 7*3 führen. Neben dem über den Operationsverstärker verlaufenden Ansteuerkreis für den Transistor Γ3 ist noch ein zusätzlicher Ansteuerkreis vorgesehen. Dieser zusätzliche Ansteuerkreis wird durch den Widerstand R6 und die Diode Dl gebildet. Über diesen Kreis kann ein vom wirksamen Ansteuersignal für die Endstufe abgeleitetes Steuersignal verzögert an der Basis des Schutztransistors Γ3 wirksam werden. Die maßgebende Verzögerungszeit ist durch den Wert des Widerstandes R 6 und den Kapazitätswert des unmittelbar mit der Diode DI verbundenen Kondensators C bestimmt. Das über den zusätzlichen Ansteuerkreis für den Schutztransistor 7*3 basisseitig zu'ührbare Signal wird vom Ausgangspotential des Ausgangstransistors T2 beeinflußt. Der Ausgang ist über eine Diode D1 mit dem Verbindungspunkt des Widerstandes /?6 und der Diode DX gekoppelt. Die Diode D2 ist für das im gesperrten, d.h. im ho;hohmigen Zustand des Transistors 7*2 an seinem Ausgang liegende Versorgungspotential in Sperrich- tung gepolt. Mit der Durchschaltung des Transistors 7*4 wi-d in der bereits geschilderten Weise die aus den Transistoren 7Ί und 72 bestehende Endstufe durchgesteuert, das heißt der Ausgangslrunsistor T2 wird vom hochohmigen in den niederohmigen Zustand geschaltet. Dadurch greift das dem anderen Pol der Versorgungsspannungsquelle entsprechende und im Ausfiihrungsbeispiel mit dem Erdpolential übereinstimmende Potential durch. Dies führt zur Wirksamschaltung der Last L Gleichzeitig wird durch die über die Diode D 2 vorgenommene Rückkopplung des Ausgangspotentials die Wirkung des zusätzlichen Ansteuerkreises ausgeschaltet. In der Zeitspanne bis zur wirksamen Durch schaltung des Ausgangstransistors T2 kann sich dieser zusätzliche Ansteuerkreis ebenfalls nicht auswirken, da eine entsprechende Verzögerung des abg leiteten Steuersignals über den Widerstand R 6 ι ^d den Kondensator C vorgenommen wird. Im normalen Betriebsfall schaltet der Ausgangstransistor vor Abiaul dieser Verzögerungszeit durch, so daß dessen rückgeführtes Ausgangspotential dem Ansteuersignal entgegenwirkt. Diese Wirkung der Rückkopplung wird mit wachsender Belastung im Ausgangskreis vermindert Dies hat dann gleichzeitig, bezogen auf den zusätzlicher Ansteuerkreis, eine Herabsetzung des Ansprechpunktes zur Folge.

Im Überlastfalle, der beispielsweise durch einer Kurzschluß in der Last L gegeben ist, überschreitet dei am Widerstand R 2 entstehende Spannungsabfall der eingestellten Referenzspannungswert. Somit wird durch das aus dem Widerstand R 5 und dem Kondensator C bestehende Verzögerungsglied der Schutztransistor 7"j leitend gesteuert. Dadurch wird der Eingangskreis füt die Endstufe überbrückt, so daß die beiden Transistorer Π und T2 hochohmig geschaltet werden. Dadurch entfällt die die Überwachung auslösende Spannung arr Meßwiderstand R 2, so daß der Operationsverstärkei OP in die Ruhelage zurückschaltet. Über den zusätzlichen Steuerkreis für den Transistor 7*3 wird nun be weiterhin bestehendem Ansteuersignal sichergestellt daß der Schutztransistor 7*3 durchgesteuert bleibt Dadurch wird also das erneute Niederohmigwerden dei

ίο Ausgangstransistoren verhindert. Mit der als Schalt schwelle dienenden Zenerdiode ZD2 und der mit Hilfe des Widerstandes R β und des Kondensators ( vorbestimmten Zeitverzögerung ist der zusätzliche Steuerkreis so bemessen, daß das abgeleitete Ansteuer signal erst bei Überlast zur Wirkung kommt. Irr normalen Belastungsfall wirkt das Ausgangspotentia des Ausgangstransistors 7*2 über die entkoppelnde Diode D 2 dem Ansteuersignal entgegen. Über dieser zusätzlichen Ansteuerkreis ist eine von der an der

so Meßwiderstand gekoppelten Überwachung unabhängi ge Abschaltung der Endstufe möglich. Der jeweilige Abschaltepunkt kann so eingestellt werden, daß er iibei dem Ansprechpunkt des der ursprünglichen Überwa chung dienenden Operationsverstärkers liegt Bei einen Defekt in dieser ursprünglichen Oberwachungseinrich tung ist dadurch ein weiterer Schutz der Endstufe gewährleistet. Über den zusätzlichen Ansteuerkrei; wird die Endstufe auch in den Fällen unwirksan geschaltet, in denen die Gesamtstromverstärkung diese:

Endstufe unter den für den Nennbetrieb erforderlicher Wert liegt Dies kann beispielsweise bei einem Defekt ii der Leistungsendstufe auftreten. Dadurch wirkt zeitlicl gesehen das rückgekoppelte Ausgangspotential verspä tet, so daß der Schutztransistor bereits durchgesteuer wird.

Mit Beendigung des Ansteuersignales für du Endstufe entfällt die negative Aufsteuerspannung an de Basis des Schutztransistors TZ, so daß die Oberbrük

kung des Eingangskreises der Endstufe aufgehoben wird und somit die Endstufe wieder betriebsbereit ist. Ist unter der Voraussetzung einer impulsmäßigen Ansteuerung beim nachfolgenden Ansteuerimpuls für die Endstufe die Überlast nicht mehr vorhanden, so kann der Norma'betrieb ohne Rücksetzung der Überwachungsschaltung fortgesetzt werden.

Zusammenfassung
Überlastungsschutzanordnung für Schalttransistoren

Die Erfindung betrifft eine Überlastungsschutzanordnung für Schalttransistoren.

Bei Überschreiten eines zugelassenen Grenzspan-

nungswertes an einen in der Hauptstromstrecke des Leistungstransistors (T 2) angeordneten Widerstand (R 2) wird über einen Operationsverstärker (OP) ein Schutztransistors (T3) aufgesteuert. Dieser überbrückt mittelbar oder uninittelbar den Eingangskreis des zu schützenden Transistors. Es ist ein zusätzlicher Steuerkreis (R6, Dl) für den Schutztransistor vorgesehen. Das zusätzliche Aufsteuersignal für diesen Transistor wird vom Ansteuersignal für den Leistungstransistor abgeleitet und ist weiterhin in seiner Wirksamkeit vom Ausgangspotential des Leistungstransistors derart abhängig, daß es ausschließlich im kritischen Belastungszustand wirksam wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

030 233/494

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Schutz gegen Überlastung eines als Schalter betriebenen Leistungstransistros in dessen Hauptstromkreis ein Meßwiderstand angeordnet ist und bei Überschreiten des zugelassenen Grenzstromwertes durch den an dem Widerstand auftretenden Spannungsabfall eine die Durchschaltung eines Schutztransistors veranlassende Aufsteuerspannung gebildet wird, wodurch das Steuersignal für den Leistungstransistor unwirksam wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schutztransistor (T3) zusätzlich (R6, Dl) eine Aufsteuerspannung zugeführt wird, die von dem für den Leistungstransistor maßgebenden Steuersignal (T-I) abgeleitet wird und die weiterhin vom Aufgangspotential des Leistungstransistors (Tl) derart abhängig ist, daß sie ausschließlich im kritischen Belastungszustand wirksam wird, und daß die genannten Aufsteuerspannungen für den Schutztransistor jeweils verzögert (R6, Cbzw. R5, C)zur Wirkung kommen, derart daß der Schutztransistor im durchgeschalteten Zustand mittelbar oder unmittelbar den Eingangskreis des Leistungstransistors überbrückt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Aufsteuerspannung vom primären Steuersignal über eine Entkopplungsdiode (Di) mittelbar oder unmittelbar der Steuerelektrode des Schutztransistors (T3) zugeführt wird, wobei die Diode für die Polarität des Steuersignals in Durchlaßrichtung gepolt ist. daß an dem basisfernen Anschluß dieser Entkopplungsdiode das Ausgangspotential des Leistungstransistors (T2) über eine weitere Diode (D2) zugeführt wird, wobei diese weitere Diode für das in gesperrtem Zustand des Leistungstransistros vorhandene und polaritätsmällig mit dem Steuersignal übereinstimmenden Ausgangspotenlial in Sperriehmng gepolt ist, so daß das im geöffneten Zustand des Leistungstransistors wirksam werdende andere Bezugspotential dem aufgrund des Steuersignals am Verbindungspunkt vorhanden Potential entgegenwirkt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß /um verzögerten Wirksamwerden der beiden Aufsteuerspannungen ein mit dem basisseitigen Anschlußpunkt gekoppelter Kondensator (C') dient, dessen andere Belegung bezogen auf die Polarität des Ansleuersignals an dem der dazu entgegengesetzten Polarität entsprechenden Bezugspotential (Erde) liegt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zunächst die Durchschaltung des Sehut/.transisiors veranlassende Aufsteuerspannung durch die Ausgangsspannung eines als Komparator geschalteten Operationsverstärkers (OP) gebildet wird, dessen einer Eingang mit der am Meßwiderstand (R 2) abfallenden Spannung und dessen anderer Eingang mit einer den Grenzwert festlegenden Vergleichsspannung (Spannungsteiler R 3. /?4) beaufschlagt wird und dessen Ausgang über einen Widersland (R 5) mit dem basisseiligen Anschluß des Kondensators (C) verbunden ist.

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schutz gegen Überlastung eines als Schalter betriebenen Leistungstransistors, in dessen Hauptstrornkreis ein Meßwiderstand angeorndet ist und bei Oberschreiten des zugelassenen Grenzstrom wertes durch den an dem Widerstand auftretenden Spannungsabfall eine die Durchschaltung eines Schutztransistors veranlassende Aufsteuerspannung gebildet wird, wodurch das Steuersignal für den Leistungstransistor unwirksam wird.

to Derartige Schutzanordnungen, bei denen ein Hilfstransistor eine Regel- oder Schutzaufgabe durch Aufsteuern dieses Transistors im Überlastfalle übernimmt, sind in den verschiedensten Ausführungsformen bekannt. In vielen Fällen wird mittels des Hilfstransistors eine Verschiebung des Arbeitspunktes vorgenommen. Dies erfolgt beispielsweise dadurch, daß dem Hilfstransistor eine Differenzspannung zugeführt wird, die aus einer dem Strom durch den Leistungstransistor proportionalen Spannung und einer dem Strom durch den die Vorstufe bildenden Transistor proportionalen Spannung gebildet wird. Durch die über den Hilfstransistor erzeugte Korrekturspannung wird dann die Vorstufe stabilisiert.

Weiterhin ist eine Schaltung zur Stromunterbrechung

beim Auftreten von Überströmen bekannt, bei der ein Halbleiterwiderstand beim Überschreiten des vorgegebenen Nennwertes den Stromkreis sperrt. Diese wie ein Sicherungsautomat wirkende Anordnung erfordert mindestens zwei Transistoren, die einen bistabilen Kreis bilden, um die einmal eingeleitete Stromunterbrechung beschleunigt durchzuführen. Weiterhin ist es bekannt, zur Erfassung des Überlastfalles eine Vergleichsstufe vorzusehen, durch die die Spannung über den Leistungstransislor und die zur Erfassung des Stromes durch den Leistungstransistor an einem entsprechenden Widerstand abfallende Spannung miteinander verglichen werden. Ein derartiges Prinzip erfordert für den zu schützenden Leistungstransistor zwei zusätzliche Hilfstransistoren.

Ein bekanntes Lösungsprinzip zur Sicherung des Leistungstransistors in einer Endstufe gegen Überlastung oder Kurzschluß besteht darin, im Überlastbereich einen .Schutztransistor aufzusteuern, so daß er für den die den Leistungstransistor ansteuernde Spannung einen Nebenschluß bildet. Der Schutztransistor ist dabei mit seiner Hauptelektrodenstrecke zwischen die Basis des zu schützenden Leistungstransistors bzw. eines Vorstufentransistors und festes Bezugspotential geschallet. Durch die Anschaltung seiner Basiselektrode an einen in der Hauptstromstreckc des Leistungstransistors liegenden Widerstand wird er bei Betrieb des Leistungstransistors außerhalb des zugelassenen Grenzwertes leitend gesteuert. Insbesondere bei der zuletzt genannten Schutzmaßnahme ist eine selbsttätige

Wiederbereitschaft nach Aufhebung des Überlaslfalles nicht gegeben, so daß ein den Schutztransistor beeinflussender Wiedereinschalteimpuls erforderlich ist. Über entsprechende Schaltmittel kann beispielsweise eine sperrende Spannung an den Schutztransistor gelegt werden.

Ein Rückstellimpuls ist auch in denjenigen Fällen erforderlich, in denen durch einen die Überlastung feststellenden Indikator diese Tatsache durch Umsteuern einer bistabilen Kippschaltung abgespeichert

h"· wird. Die Umsteuerung dieser Kippstufe führt dann lurch Beeinflussung einer entsprechenden Gatterschaltung zur Sperrung des Anstcucrsignals Tür den überwachten Leistungstransislor. Zur Umsteuerung in