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Verfahren zum Schutz gegen Überlastung von transistorl-
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sierten Schaltstufen und Schaltungsanordnung zur Durchführung des
Verfahrens.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz gegen Uberlastung
einer transistorisierten Schaltstufe mit Hilfe einer für eine Mehrzahl derartiger
Schalt stufen zentral vorhandenen Überwachungsanordnung die nach dem Überschreiten
eines zugelassenen Grenzetromwertes im Laststromkreis wenigstens einer der Schaltstufen
anspricht, insbesondere für Schaltstufen deren Laststromkreis neben dem Lastwiderstand
eine Verbindungsleitung umfaßt sowie eine Schaltungsanordnizig zur Durchführung
dieses Verfahrens.
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Die Schaltstufe kann ein mehrstufiger Transistor-Schaltverstärker
sein, der zum Anschalten einer Versorgungsspannung z.B. an induktive und ohmsche
Lastkreise dient.
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Der Lastkreis kann z.B. aus einem Relaisvielfach bestehen und über
Leitungen mit der Verstärkerendstufe verbunden sein. Die eine vorgegebene Zeit bestehenden
Ansteuersignale für die Schaltverstärker werden in der Regel von einer elektronischen
Steuereinheit abgegeben.
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Insbesondere bei dem erwähnten Einsatz dieser Schaltverstärker besteht
beispielsweise durch einen Kurzschluß am.4usgang die gefahr, daß wegen der dabei
auftretenden unzulässigen Belastung der Endtransistor zerstört wird.
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Zum Schutz gegen Überlastung eines als Schalter betriebenen Transistors
sind unterschiedliche lain.hmen bekannt. Eine Schutzanordnung besteht beispielEveise
darin, zur Stromunterbrechung beim Auftreten von Toerströmen beim Überschreiten
des vorgegebenen Wertes den
Stromkreis durch einen Halbleiterwiderstand
zu sperren.
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Bei dieser wie ein Sicherungsautomat wirkenden Anordnung wird ein
bistabiler Kreis gebildet, um die einmal eingeleitete Stromunterbrechung beschleunigt
durchzuführen. Ein anderes Lösungsprinzip zur Sicherung eines Leistungstransistors
in einer Endstufe gegen Uberlastung oder Kurzschluß besteht darin, im Uberlastbereich
einen Schutztransistor aufzusteuern, so daß er für -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 geschaltet.
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Durch die Anschaltung seiner Basiselektrode an einen in der Hauptstromstrecke
des Leistungstransistors liegenden Widerstand wird er bei Betrieb des Leistungstransistors
außerhalb des zugelassenen Grenzwertes ieitend gesteuert. Es ist eine selbsttätige
Wie derbereitschaft nach Aufhebung des Uberlastfalles nicht gegeben, so daß ein
den Schutztransistor beeinflussender l.fiedereinschalteimpuls erforderlich ist.
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Es ist weiterhin bekannt zur Reduzierung des Aufwandes für Schutzmaßnahmen
mehreren Verstärkeranordnungen eine ihnen gemeinsame Schutzschaltung zuzuordnen.
Wird. einer oderbrswcen mehrere der Verstärker überlastet soührtder an einem Meßwiderstand
entstehende Spannungsabfall zu einet Ansprechen einer Aus.verteschaltung.Außerdem
kann muo nd eines von liner steuernden Einheit abgegebenen Impulses die Rücksetzung
der Abschaltung erfolgen. Wird vorgesehen, daß bei einer zentralen Schutzschaltung
mit ihrem Ansprechen alle damit gekoppelten Schaltverstärker abgeschaltet werden,
so ist der Bauteileaufwand gering.
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Es findet aber eine gewisse Beeinträchtigung des ontinuierlichen Betriebes
der eine Gruppe bildenden Schaltverstärker statt.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung im Falle einer zentral angeordneten
Überwachungsanordnung eine Beeintrachtigu; der Betriebsmöglichkeitgering zu halten.Dies
wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß im Uberlastfall
mit dem Ansprechen der Uberwachungsanordnung gleichzeitig bei sämtlichen Schaltstufen
der Zugang eines jeweils von einer entsprechenden Ansteuereinheit kommenden Ansteuersign2ls
zum jeweiligen Steuereingang gesperrt wird, daß diese Sperrung zu dem Zeitpunkt
selbsttätig aufgehoben wird zu dem für keine der Schaltstufen ein Steuersignal anliegt
und daß iamit gleichzeitig die Ütberwachungsan ordnung erneut ansprechbereit ist.
Die selbsttätige Wiederbereitschaft wird also erfindungsgemäß im Ruhezustand der
einzelnen zur Gruppe gehörenden Schalter starker hergestellt. Damit ist mit großer
Wahrscheinlichkeit verhindert, daß das es mit der Wiederbereitschaft unmittelbar
zu einem weiteren Ansprechen wege des gleichen Uberlastungsfalls kommt, da in der
Regel das nachfolgend abgegebene Ansteuersignal einen anderen Schaltvesrstärker
betreffen wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird bewirkt, daß kurzzeitige
Überlastungsfälle nicht zu einem .4nsprechen der Überwachungsschaltung führen. Gleichzeitig
ist sichergestellt, daß in einem solchen Fall jedoch aufgrund einer vorgenommenen
Strombegrenzung es nicht zu einer Zerstörung des jeweiligen Endtransistors kommen
kann.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung betrifft eine vorteilhafte
Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.
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Nachstehend wird anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels
die Erfindung näher beschrieben.
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Es werde angenommen, daß die Steuereinheit St die Ansteuersignale
zumindest für eine Gruppe von n Schaltverstärkern liefert. Dies kann beispielsweise
über die mit den jeweiligen Schaltverstärkern individuell koppelbaren Ausgänge A1
bis An erfolgen. Es ist lediglich ein über den Ausgang An ansteuerbarer Schaltverstärker
S gezeigt. Jedem Schaltverstärker sind noch weitere Bauelemente zugeordnet, nämlich
die Gatter G1 und G2 sowie die Dioden D1 und D2. Mit dem Kondensator C2 und mit
der Zenerdiode D3 am Ausgang eines jeden Schaltverstarkers wird eine bestimmte Schutzwirkung
unter anderem gegen eingekoppelte Störspannungen erzielt. Mit Hilfe eines Schaltverstärkers
S kann ein Relais- und Signalstromkreis in Fernsprechvermittlungsanlagen über Verbindungsleitungen
angesteuert werden. Der Widerstand R11 soll den beispielsweise unter Zwischenschaltung
einer Verbindungsleitung anschaltbaren Lastwiderstand für den Schaltverstärker S
darstellen. Die übrigen n-1 Schaltverstärker und die ihnen jeweils in der erwähnten
eise zugehörigen Bauelemente sind nicht weiter dargestellt. Jeder der Schaltverstärker
zumindest einer Grupte ist ebenso wie dies für den Schaltverstärker S und die ihm
zugehörigen weiteren Bauelemente gezeigt ist mit einer zentralen t:rberwachungsanordnung
Ue gekoopelt.
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Als Last Ril, die über eine Kabelstrecke mit dem Verstärkerausgang
verbunden ist, kann ein Ptelals eines anzusteuernden Relaisvielfachs vorhanden sein.
zur das dargestellte Prinzipschaltbild werde angenommen, daß im Ruhezustand eines
jeden Schaltverstärkers als Ansteuersignal von der Steuereinheit St ein dem Zustand
H (High) entsprechendes Potential am Eingang E0 anliegt. ;uer den Inverter G1 besteht
dann am Eingang El des Nand-Gatters
der Zustand L(Low). Am Eingang
E2 dieses Gatters G2 soll bei bestehendem Bereitschaftszustand der Überwachungsanordnung
Ue über den Ausgang Ak der Zustand H vorliegen. Am Ausgang des Gatters tritt somit
der Zustand H auf, so daß die aus den Widerständen Rl und R2 und dem Transistor
Tl bestehende Vorstufe des Schaltverstarkes infolge des fehlenden Basisstromes nicht
aktiviert ist. Der Schaltverstärker S, der neben der erwåhnten Vorstufe - aus der
durch die Widerstände R3 bis P7 und den Transistoren T2 und T3 gebildeten Endstufe
besteht, ist demnach gesperrt. Im Ausführungsbeispiel soll mit Uv die in einem Fernssrechvermittlungssystem
vorhandene Versorgungsspannung von beispielsweise -48 Volt bezeichnet sein, während
U die Versorgungsspannung für die elektronischen Einheiten bzw. Bauelemente darstellt
Unter der Voraussetzung einer TTL-Schaltkreistechniv beträgt diese beispielsweise
5 Volt.
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Der Schaltverstärker wird in den Aktiv-Zustand versetzt wenn durch
die Steuereinheit St an dem jeweiligen Eingang E0 der Zustand L bewirkt wird. Damit
besteht an den beiden Eingängen El und E2 des Nand-Gatters G2 der Zustand H, so
daß mit den sich dadurch ergebenden Ausgangssignal dieses Gatters ein Basis strom
für den Transistor Tl fließen kann. Damit wird der Schaltverstärker S leitend gesteuert,
wodurch bei wirksam angeschalteter Last R11 der Laststrom über den Endtransistor
des betreffenden Verstärkers fließt. Der Spannungsanfall, der an den im Lastkreis
liegenden Widerstand R7 auftritt, wird nun für eine Strombegrenzung und für die
Beeinflussung der zentral für eine Gruppe von Schaltverstärkern vorhandenen SberwachungsanordnXmg
T genutzt. Bis zu einem vorgegebenen Nennwert des Laststromes bleibt der Spannungsabfall
über den ?fiderstand R7 und damit das Potential an der Basis des Transnsscrs T2
unter dem Schwellwert der als Referenzelement dienen-
den Zenerdiode
D1. Es fließt also über den Widerstand R10 in der Überwachungsanordnung kein Strom
so daß der Transistor T4 gesperrt ist. über diesen Meßwiderstand R10 führen jeweils
entkoppelt durch eine Diode D2 die Gegenkopplungszweige aller Schaltverstärker.
Bei steigendem Laststrom kann das Potential an der Basis des Transistors T2 einen
Wert erreichen, der über den Schwellenwert der Zenerdiode D1 liegt. Damit fließt
über die Zenerdiode ein Strom, wodurch der Basisstrom im Endtransistor abnimmt.
Da daraufhin der Kollektorstrom zumindest nicht mehr weiter ansteigt, ergibt sich
ein Strombegrenzungseffekt. Eine derartige Strombegrenzung ist insbesondere auch
dann von Bedeutung, wenn infolge der durch das Verbindungskabel zwischen dem Schaltverstärker
und dem Lastwiderstand vorhandenen kapazitiven Belastung im Einschaltmoment ein
erhöhter Strom verursacht wird, der den zulässigen Spitzenwert des Kollektorstromes
des Endtransistors übersteigen würde.
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Wird aufgrund eines entsprechenden Laststromes der Schlrellenwert
der Zenerdiode Dl erreicht so fließt auch ein Strom über den Meßwiderstand RIO,
wodurch der als Indikator für diesen Betriebsfall vorhandene Transistor T4 leitend
gesteuert wird. Anstelle eines Transistors könnte auch eine aus einem Operationsverstärker-bestehencle
Auswerteschaltung verwendet werden.
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Mit dem Leitendwerden des Transistors T4 entsteht an dem mit dem Widerstand
R9 verbundenen Eingang des Nand-Gatters G4 nach Ablauf einer kurzen Verzögerungszeit
der Logikzustand L. Damit wird die aus den Nandgattern G3 und G4 gebildete bistabile
Kippstufe in die der Ausgangslage entgegengesetzte andere stabile Lage geschaltet.
damit entsteht am Ausgang Ak der Zustand L, der auch bei 3.rerschlArinden der Uberlast
zunächst bestehen bleibt. Da nun jeweils am Eingang tz2 der für jeden
Schaltverstärker
vorhandenen Gatter 2 der Loglkzustand L besteht wird somit die Vorstufe eines jeden
Schaltverstärkers gesperrt. Da innerhalb einer Gruppe glechzeitig mehrere Schaltverstärker
durchgesteuert sein können, führt ein Überstrom bei einem oder bei mehreren Verstärkern
zum Sperren aller Schaltverstärker der jeweiligen Gruppe.
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Durch die über den Kondensator C1 bewirkte Verzögerung des Ansprechens
der Kippstufe wird erreicht, daß in den Fällen, in denen eine Überlast kurzzeitig,z.B
infolge Kabel aufladung entsteht,die Sperrung der Schalt-verstårker unterbleibt.
Dies erfolgt dann nur bei einer z.B. aufgrund eines entstandenen Kurzschlusses länger
andauernden Uberlast.
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Durch eine über die Gatter GS und G5 gebildete Verknüpfungsschaltung
wird der Auslösezustand der Überwachungseinrichtung Ue erst dann wieder aufgehoben,
wenn jeder Schaltverstarker der betreffenden Gruppe den Ruhezustand einnimmt. In
einem solchen Fall muß also aufgrund der entsprechenden Ansteuerung durch die Steuereinheit
St an jedem Eingang EO eines Verstärkers der Logikzustand H bestehen. Der Ausgang
eines jeden Inverters G1 ist jeweils mit einem der negierenden vlngänge des Gatters
G6 verbunden. Das Gatter G6 hat also die Funktion eines NOR-G-tters und es entsteht
an seinem Ausgang der Zustand H, wenn die Ansteuerung bei allen Verstärkern der
Gruppe weggenommen ist.
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In einem solchen Fall erfolgt dann über G5 das Rücksetzen der aus
den Gattern G3 und G4 gebildeten Kippstufe. Dadurch ergibt sich am Ausgang Ak dieser
Kip»-stufe erneut der Zustand H, so daß dadurch alle Gatter G2 freigegeben werden.
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Durch den Kondensator C2 am Ausgang eines jeden Verstärkers wird unter
anderem erreicht, daß sich Spannungsspitzen eingekoppelter Störspannungen nicht
störend auswirken können. Dieser Kondensator kann auch gleichzeitig die Aufgabe
der Flankenabflachung erfüllen, wodurch Störüberkopplungen der Ausgangssignale auf
benachbarte Logikleitungen unterbunden werden. Der Erdanschluß darf nicht gleichzeitig
Erdanschiuß für andere Schaltungsteile sein, damit nicht Störungen auf galvanischem-
Wege in diese Schaltungsteile gelangen.
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Beim Abschalten induktiver Last treten Spannungsspitzen auf, die über
der zulässigen Sperrspannung der Transistoren liegen können. Durch die Zenerdiode
D3 zwischen Verstänkerausgang und dem geschalteten Potential werden derartige Spannungsspitzen
auf einen unschädlichen ert begrenzt.Gleichzeitig begrenzt diese Zenerdiode die
Spannung, auf die sich der Kondensator 52 am Ausgang bei kurz hintereinander auftretenden
Externstörungen aufladen könnte.
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Die im Gegenkopplungszweig einer jeden Endstufe vorhandene Zenerdiode
D1 könnte auch gemeinsam für mehrere Verstärker zentral angeordnet sein. Die Zweige
der einzelnen Verstärker wären in einem solchen Fall vermittels Dioden entsprechend
zu entkoppeln.
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7 Patentansprüche 1 Figur