-
Anordnung zum Schutz gegen Uberlastung eines als Ver-
-
stärker arbeitenden Leistungstransistors stärker arbeitenden Leistunnstransistors
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Schutz gegen Oberlastung eines als Verstärker
für unipolare Ansteuerimpulse arbeitenden Leistungstransistors, wobei als Kriterien
zur Festlegung des kritischen Belastungsfalls sowohl der durch den Transistor fliessende
Strom als Spannungsabfall über einen in seinem Hauptstromkreis angeordneten Widerstand
als auch der Wert der über den Transistor auftretenden Spannung berücksichtigt wird
und die Schutzwirkung durch AuSsteuerung eines den Eingangskreis des zu schützenden
Transistors zum Zwecke der Unwirksamschaltung des ihn steuernden Signales überbrückenden
Schutztransistors erzielt wird.
-
Schutzanordnungen, bei denen im kritischen Lastfalle ein Transistor
eine Schutzaufgabe übernimmt, sind in den verschiedensten Ausführungsformen bekannt.
In einigen Fällen wird mittels des Schutztransistors eine Verschiebung des Arbeitspunktes
vorgenommen. Dies erfolgt beispielsweise dadurch, dass diesem Schutztransistor eine
Differenzspannung zugeführt wird, die aus einer dem Strom durch den zu schützenden
Leistungstransistor proportionalen Spannung und einer dem Strom durch den die Vorstufe
bildenden Transistor proportionalen Spannung gebildet wird. Durch die über den Schutztransistor
erzeugte Korrekturspannung wird dann diese Vorstufe stabilisiert.
-
Bei einer anderen bekannten Schutzschaltung wird bei einer durch einen
Indikator festgestellten Uberlastung des Leistungstransistors diese Tatsache durch
Umsteuern
einer bistabilen Kippschaltung abgespeichert. Die Umsteuerung
dieser Kippstufe führt dann durch Beeinflussung einer entsprechenden Gatterschaltung
zur Sperrung des Ansteuersignals für den überwachten Lettungstransistor. Zur Umsteuerung
in'die ursprUngliche Betriebsstellung muss dann die Kippstufe durch ein besonderes
Rückstellsignal, das beispielsweise aus dem Ansteuersignal abgeleitet werden kann,
zurUckgesetzt werden.
-
Weiterhin ist eine Anordnung zum Schutz gegen Uberlastung eines Leistungstransistors
bekannt, bei der die Emitter-Kollektor-Strecke des Schutztransistors zwischen den
Emitter des Leistungstransistors und seine Basis bzw. die Basis eines ihn ansteuernden
Transistors geschaltet ist, während der Basis. dieses Schutztransistors ein bestimmter
Teil der Xollektorspannung des Leistungstransistors zugeführt wird1 Bei Kurzschluss
der Last bildet dann die Hauptstromstrecke dieses Schutztransistors einen Nebenschluss
für die Steuerspannung. Die Vorspannung des Schutztransistors hängt demnach nicht
nur von dem durch den Leistungstransistor fliessenden Strom sondern auch vom Spannungsabfall
am Leistungstransistor ab'.
-
Eine selbsttätige Wiederbereitschaft nach Aufhebung des Uberlastfalles
ist nicht gegeben, so dass ein den Schutztransistor beeinflussender Wiedereinschalteimpuls
erforderlich ist. über entsprechende Schaltmittel kann beispielsweise eine sperrende
Spannung an dem Schutztransistor gelegt werden. Es ist die Aufgabe der Erfindung,
eine Anordnung zum Uberlastungsschutz von Leistungstransistoren zu schaffen, bei
der dieser Schutz beim Überschreiten des durch den aufgenommenen Strom und die über
den Leistungstransistor auftretende Spannung festgelegten sicheren Arbeitsbereiches
unmittelbar eintritt und
die selbständige Wiederbereitschaft ermöglicht
wird.
-
Dies wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art dadurch erreicht,
dass für jedes der genannten Kriterien Jeweils der ihnen zuzuordnende momentane
Spannungszustand auf das Uberschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes in einer,
dieses überschreiten durch ein entsprechendes Ausgangssignal kennzeichnenden Vergleichsanordnung
überwacht wird, das in den Fällen, in denen die Vergleichsanordnungen gleichzeitig
ein Ausgangssignal abgeben, mit Beginn der sich zeitlich überlappenden Ausgangssignale
ein Aufsteuersignal für den Schutztransistor gebildet wird, dessen Dauer durch die
Zeitspanne bis zum Erreichen eines, mit einer Vergleichsanordnung feststellbaren
und sich aufgrund des von einem vorgegebenen Spannungswert ausgehenden Entladevorganges
eines Speichergliedes ergebenden definierten Spannungswertes bestimmt wird.
-
Es wird erfindungsgemäss der kritische Betriebsfall, bei dem eine
Spannung über den Transistor auftritt und er gleichzeitig vom'Strom durchflossen
wird, überwacht. Es wird erst in den Ansteuerkreis des Leistungstransistors in einem
die Ansteuerung begrenzenden Sinne eingegriffen, wenn sowohl die genannte Spannung
als auch der Strom durch den Leistungstransistor zur gleichen Zeit eine vorgegebene
Grenze überschreitet. Ist dies nur für eines der genannten Kriterien der Fall, so
wird der normale Betriebsablauf aufrechterhalten. Sowohl die Uberwachung der einzelnen
Kriterien als auch die überwachung daraufhin, ob eine gleichzeitige überschreitung
der vorgegebenen Grenzen eingetreten ist, wird jeweils durch Vergleichsanordnungen,
denen die Sollwerte zugeführt werden, vorgenommen. Als Vergleichsanordnungen tonnen
in einer Baueinheit zusammengefasste integrierte Operationsverstärker, die als Komparatoren
beschaltet sind, verwendet werden.
-
Gemäss einer.Weiterbildung der Erfindung wird die Zeitdauer für das
im kritischen Belastungsfall gebildete Aufsteuersignal für den Schutztransistor
durch die Entladung eines als Speicherglied verwendeten Kondensators bestimmt. Das
AuSsteuersignal wird dabei durch eine Vergleihsanordnung erzeugt.
-
Die Erfindung wird durch die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
-
Die FIG 1 zeigt die grundsätzliche Anordnung der erfindungsgemässen
Schutzschaltung und die FIG 1 Impulsdiagramme zur Erläuterung der Schutzfunktion.
-
Mit T1 ist ein zu schützender Leistungstransistor bezeichnet, der
auch durch zwei parallelgeschaltete Transistoren ersetzt sein könnte. Der Transistor
Tl kann beispielsweise die eine Hälfte einer Gegentaktanordnung bilden. Unter der
Voraussetzung einer Wechselspannung als Ansteuerspannung würde dann der Transistor
T1 beispielsweise mit den Halbwellen positiver Polarität und der nicht dargestellte
andere Transistor der Gegentaktanordnung mit den Halbwellen negativer Polarität
ausgesteuert werden. Für die wechselweise angesteuerten Transistoren kann als ihnen
gemeinsamer Lastwiderstand ein komplexer Widerstand angeordnet sein. Als Mass für
den den Transistor Ti durchfliessenden Strom dient der Spannungsabfall U1 an dem
in der Hauptstromstrecke liegenden Widerstand Ri. Zur mittelbaren Abbildung der
Spannung über den Transistor T1 dient der Widerstand R3, der zusammen mit dem Widerstand
R2 einen an die Versorgungsspannung UE angeschalteten Teiler bildet. Die momentane
Spannung Ul, die also ein Mass für den Strom durch den Leistungstransistor bildet,
wird in gleicher Weise wie die Spannung U2,
die ein Mass für die
Spannung über den Leistungstransistor ist, jeweils dem einen Eingang eines als Komparator
geschalteten Operationsverstärkers 11 bzw.
-
I2 zugeführt. Dem anderen Eingang wird Jeweils eine über den Spannungsteiler
R4 und R5 gewonnene Vergleichsspannung, durch die die einzuhaltenden Grenzwerte
für den Strom bzw. für die Spannung über den Transistor festgelegt sind, zugeführt.
Ergibt sich für die Spannung Ul ein momentaner Wert,durch den die zugeführte Vergleichsspannung
überschritten wird, so ändert der Komparator 11 seine Ausgangsspannung U3. Diese
Änderung kann in einem Wechsel der Ausgangs spannung vom Werte 0 auf den Wert der
Versorgungsspannung U bestehen. Dies trifft in gleicher Weise für die Ausgangs spannung
U4 des Komparators I2 zu, wenn die Spannung U2 den Wert der zugeführten Vergleichs
spannung überschreitet. Die Ausgangsspannungen U3 und U4 werden über den Widerstand
R7 und R6 dem einen Eingang einer weiteren Vergleichsanordnung zugeführt. Diese
kann in gleicher Weise.wie die beiden bereits genannten Vergleichsanordnungen durch
einen als Komparator beschalteten Operationsverstärker I3 gebildet sein. Die notwendige
Vergleichsspannung wird durch den aus den Widerständen R8 und R9 bestehenden Teiler
gebildet und dem Komparator als Spannungsabfall über den Widerstand R9 zugeführt.
Die Vergleichsspannung ist so festgelegt, dass der Komparator.I3 nur dann seine
Ausgangsspannung sprunghaft ändert, wenn sowohl für den Komparator 11 als auch für
den Komparator I2 eine Änderung der Ausgangsspannung auftritt. Das bedeutet nämlich,
dass für den zu-schützenden LeXtungstransistor T1 der kritische Belastungsfall eingetreten
ist, da sowohl der durch ihn fliessende Strom als auch die über ihn anstehende Spannung
jeweils den vorgegebenen Grenzwert überschritten hat.
-
Der Transistor ist demnach durch den dadurch möglicherweise auftretenden
sogenannten zweiten Durchbruch ge-
fährdet. In einem solchen Fall
wird aufgrund der geänderten Ausgangs spannung des Komparators I3 über die Diode
D der Kondensator C rasch aufgeladen. Der Wert der am Kondensator sich ausbildenden
Ladespannung überschreitet die für die Vergleichsanordnung I4 vorgegebene Vergleichs
spannung. Diese Vergleichsspannung' wird durch den aus den Widerständen Rl 1 und
Rl 2 be--stehenden Spannungsteiler für die Vergleichsanordnung geliefert. Diese
kann wiederum durch einen als Komparator beschalteten Operationsverstärker gebildet
sein. Aufgrund des geänderten Ausgangssignals des Komparators I4 wird über den Widerstand
R13 ein Strom Ib in die Basis des Schutztransistors T2 eingespeist. Dies erfolgt
solange, bis die Spannung des Kondensators während des über den Widerstand R10 vorgenommenen
Entladevorganges den für den Komparator I4 vorgegebenen Vergleichswert unterschreitet.-
Zu diesem Zeitpunkt wird das- Aufsteuersignal für den Transistor T2-beendet. Während
der Zeitdauer dieses Aufsteuersignals wird durch den Transistor T2 die Basis des
Transistors Tl auf das Bezugspotentiål O Volt gelegt, so dass in dieser Zeit der
Transistor T1 gesperrt ist. Diese Sperrzeit wird durch die Zeitkonstante, die durch
den Wert des Kondensators C und den Widerstandswert des Widerstandes R1Q vorgegeben
werden kann, bestimmt. Sie wird nach den Erfordernissen des Jeweiligen Einzelfalles
festgelegt. Nach Ablauf der Sperrzeit setzt wieder der normale Betriebsfall ein.
Besteht die Gefährdung weiterhin, wird der zu schützende Transistor erneut während
der durch die Zeitkonstante vorgegebenen Zeitdauer gesperrt und danach folgt dann
die erneute Wiederinbetriebsetzung.
-
Unter der Voraussetzung, dass der Leistungstransistor Tl als Teil
einer Gegentaktanordnung halbwellenweise mit einer sinusförmigen Basisspannung angesteuert
wird,
ergibt sich für die Spannung U1 der in &e'r' Zeile -der
FIG 2 dargestellte Verlauf. Wird die Schwellspannung Usl, die für den Komparator
I1 als Vergleichsspannung vorgegeben ist, überschritten, so ändert sich gemäss Zeile
c während der Uberschreitungszeit die Ausgangsspannung U3 des Komparators II. Die
Zeile b zeigt eine Halbwelle der Spannung U2, die ein Abbild der sich über den Transistor
ausbildenden Spannung darstellt. überschreitet diese Spannung die für den Komparator
I2 vorgegebene Schwelle Us2, so ändert sich während der überschreitungszeit in gleicher
Weise, wie dies für den Komparator I1- erläutern wurde, gemäss Zeile d die Ausgangsspannung
U4 des Komparators I2. Tritt dieses überschreiten der für die beiden Kriterien vorgegebenen
Schwellspannungen nicht zur gleichen Zeit auf, so hat dies keine weiteren Folgen,
da ein derartiger Betriebsfall keine Gefährdung für den jeweiligen Transistor zur
Folge hat.
-
Wird Jedoch sowohl durch den den Transistor durchfliessenden Strom
als auch durch die Spannung über den Transistor zur gleichen Zeit der Jeweils vorgegebene
Grenzwert überschritten, so wird'der sichere Arbeitsbereich des Transistors verlassen
und es würde ohne Schutzmassnahme der sogenannte zweite Durchbruch eintreten. In
der Zeile e ist der Spannungsverlauf U5 dargestellt, der sich ergibt, wenn aufgrund
einer überschreitung beide Komparatoren I1 und I2 ihre Ausgangsspannungen ändern.
Während der zeitlichen überlappung wird gemäss Zeile e die für den Komparator I3
vorgegebene Schweilspannung Us3 überschritten, so dass während dieses kritischen
Betriebsfalles durch die geänderte Ausgangsspannung des Komparators I3 der Kondensator
C kurzzeitig auf eine bestimmte Ladespannung aufgeladen wird. Anschliessend setzt
der Entladevorgang ein. Der Spannungsverlauf ist in der Zeile f dargestellt. Mit
Beginn
der zeitlichen Uberlappung wird ein Strom in die Basis des Transistors T2 eingespeist.
Unterschreitet die Spannung des Kondensators die für den Komparator I4 vorgegebene
Schwelle Us4, so wird die den Transistor T2 aufsteuernde Einspeisung des Stromes
Ib beendet. Die Jeweilige Zeitdauer .für den Strom Ib ist in der Zeile g dargestellt.
Mit Beginn des Zeitraumes, in dem der sichere Arbeitsbereich des Transistors gleichzeitig
durch Spannung und Strom überschritten wird, ist somit der Transistor T1 gesperrt.
Diese Tatsache ist im Diagramm gemäss Zeile.a und Zeile b dadurch angedeutet, dass
die beispielhaft dargestellte Halbwelle der auftretenden Spannungen ab dem Zeitpunkt
der angenommen gleichzeitigen überschreitung strichliert dargestellt ist.
-
Ein derartiger kritischer Betriebsfall kann insbesondere bei Lasten
auftreten, die überwiegend kapazitiv oder induktiv ausgebildet sind. Bei der dadurch
auftretenden Phasenverschiebung zwischen dem Strom' durch den Transistor und der
an ihm auftretenden Spannung fallen grössere Spannungswerte mit grösseren Stromwerten
zusammen. Bei rein ohmscher Last geschieht eine derartige überschneidung bei relativ
kleinen Werten, die im Regelfall keine Gefährdung für den Transistor ergeben.
-
4 Patentansprüche 2 Figuren