-
-
Kurzschluß- und Überlastschutzschaltung
-
für Endstufentransistoren Die Erfindung betrifft eine Kurzschluß-
und Überlastschutzschaltung für Endstufentransistoren.
-
Endstufentransistoren dürfen in ihrem Arbeitsbereich eine bestimmte
vorgegebene Verlustleistung nicht überschreiten, um Schaden an ihnen zu vermeiden.
Wenn die zu treibende Last kurzgeschlossen ist oder wenn die Last aus einem anderen
Grund (als Ersatzschaltung betrachtet) niederohmig wird, z.B. durch Leckströme usw.,
steigt der Kollektorstrom des Endstufentransistors in unzulässiger Weise an. Damit
verbunden ist, daß auch seine Kollektor-Emitterspannung ansteigt was zu einer unzulässigen
Erhöhung seiner Verlustleistung und damit zur Beschädigung oder Zerstörung des Endstufentransistors
führt.
-
Um den Kollektorstrom des Endstufentransistors auf einen zulässigen
Wert zu begrenzen, wird ein Widerstand in Reihe mit der Schaltstrecke des Transistors
und dem Verbraucher geschaltet. Nachteilig bei dieser Anordnung ist die Tatsache,
daß der Endstufentransistor im Kurzschlußfall Strom führt. Auch verursacht der strombegrenzende
Widerstand in vielen Anwendungsfällen einen unzulässigen hohen Spannungsabfall,
so daß elektrische Verbraucher nicht mehr die volle Betriebsspannung erhalten.
-
Aus der DE-AS 23 10 448 ist eine Schutzbeschaltung für den Endstufentransistor
bekannt, bei der dieser im Kurzschlußfall abgeschaltet wird, so daß er sich nicht
aufheizt. Bei dieser Schutzschaltung wird jedoch eine relativ teure Zenerdiode und
ein mit der Schaltstrecke in Reihe geschalteter ebenfalls relativ teuerer Meßwiderstand
benötigt, der die Spannung für den Verbraucher reduziert.
-
Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
Kurzschluß- und Überlastschutzschaltung für Endstufentransistoren anzugeben, bei
der auf sehr einfache Weise und ohne einen zusätzlichen Spannungsabfall an einem
in Reihe zur Schaltstrecke geschalteten Meßwiderstand eine Verlustleistungsbegrenzung
bewirkt wird.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kollektor-Emitterspannung
des zu schützenden Endstufentransistors über ein Begrenzungs- und Schwellwertnetzwerk
von einem Schutztransistor erfaßt wird und daß der Kollektor dieses Schutztransistors
an die Basis des Endstufentransistors angeschlossen ist.
-
Bei einer geeigneten Ausführungsform besteht das Begrenzungs- und
Schwellwertnetzwerk aus einem Widerstand und einer in Reihe zu ihm und zur Basis-Emitterstrecke
des Schutztransistors in Durchlaßrichtung geschalteten ersten Diode.
-
Am Knotenpunkt von Basiswiderstand und erster Diode ist ein Kondensator
angeschlossen, der mit seinem anderen Ende unmittelbar mit dem Emitter des Endstufentransistors
verbunden ist. Am Knotenpunkt von Basiswiderstand, erster Diode und Kondensator
ist die Anode einer zweiten Diode angeschlossen, deren Kathode mit dem Kollektor
des Ansteuertransistors des Endstufentransistors verbunden ist.
-
Die erfindungsgemäße Kurzschluß- und Oberlastschutzschaltung für Endstufentransistoren
hat den wesentlichen Vorteil, daß direkt über die Kollektor-Emitterstrecke des Endstufentransistors
seine Verlustleistung erfaßt wird, daß nahezu die gesamte Betriebsversorgungsspannung
im durchgeschalteten Zustand des Endstufentransistors am Verbraucher anliegt. Die
Schaltung funktioniert über einen großen Spannungs- und Temperaturbereich für ohmsche,
induktive und kapazitive Lasten. Ferner wird auf einfache Weise und ohne teure Bauelemente
eine Leistungsbegrenzung für den Endstufentransistor bewirkt, wobei die erforderlichen
Bauelemente in vorteilhafter Weise integriert werden können.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sie aus
den Unteransprüchen.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben.
-
Es zeigen: Figur 1 Ein Detailschaltbild der Kurzschluß- und Überlastschutzschaltung
für Endstufentransistoren.
-
Figur 2 Einen Endstufentransistor mit Kurzschluß- und Überlastschutzschaltung,
ausgeführt als.
-
integrierter Schaltkreis oder als Hybrid.
-
Eine Kurzschluß- und Überlastschutzschaltung für Endstufentransistoren
kann entsprechend dem Detailschaltbild in Figur 1 realisiert werden.
-
Das Ansteuersignal liegt am Spannungsteiler, bestehend aus den beiden
Widerständen R2 und R3 an. An seinem Abgriff, dem Knotenpunkt von R2 und R3, ist
die Basiselektrode des npn-Ansteuertratsistors T2, dessen Emitter auf Massepotential
liegt, angeschlossen. In seinem Kollektorkreis befindet sich der Arbeitswiderstand
R4 der mit seinem anderen Ende mit dem Pluspol der Versorgungsspannung UB verbunden
ist. Der Kollektor des Transistors T2 ist über den Basiswiderstand R1 mit der Basis
des Endstufentransistors T1 verbunden, dessen Emitter ebenfalls auf Massepotential
liegt. Im Kollektorkreis des Endstufentransistors T1 liegt die zu betreibende Last
L, deren anderes Ende ebenfalls mit dem Pluspol der Versorgungsspannung UB verbunden
ist.
-
Vom Kollektor des Endstufentransistors T1 führt eine Verbindung über
den Widerstand R5 und die in Durchlaß richtung gepolte Diode D1 an die Basis des
Schutztransistors T3. Der Kollektor des Schutztransistors T3, dessen Emitter auf
Massepotential liegt, ist direkt mit der Basis des Endstufentransistors T1 verbunden.
-
Am Knotenpunkt von Widerstand R5 und Diode D1 ist ein Kondensator
C1 angeschlossen, dessen anderes Ende auf Massepotential liegt. An diesem Knotenpunkt
ist die Anode einer weiteren Diode D2 angeschlossen, deren Kathode direkt mit dem
Kollektor des Ansteuertransistors T2- verbunden ist.
-
Der npn-Endstufentransistor T1 soll geschützt werden, wenn die in
seinem Kollektorzweig liegende Last (L) kurzgeschlossen oder beispielsweise durch
Leckströme niederohmig wird. Der Ansteuertransistor T2 für den Endstufentransistor
T1 wird durch ein LOW-Signal an R2 gesperrt und somit wird T1 durchgeschaltet und
über die Last L kann Strom fließen.
-
Ist kein Kurzschluß oder keine Überlastung vorhanden, so ist die Kollektor-
Emitterspannung UCE des Endstufentransistors T1 kleiner als die zur Durchsteuerung
des Schutztransistors T3 erforderliche Spannung, so daß die Schutzschaltung nicht
aktiviert wird.
-
Durch Auftreten einer Überlast steigt der Kollektorstrom (Ic) ) des
Endstufentransistors (T1) an und damit verknüpft steigt auch die Kollektor-Emitterspannung
UCE von T1 an. Wenn sie dem Betrag nach die Basis-Emitterspannung UBE des Schutztransistors
T3 und die Diodenschwellspannung der Diode D1 von ca. 0,7 V überschreitet, gilt
die Beziehung: UCE(T1) - > ( BE(T3) Dann wird der Transistor T3 durchgeschaltet
und dadurch wird das Basispotential am Endstufentransistor T1, nahezu auf Massepotential
abgesenkt, wodurch dieser gesperrt wird, so daß kein Kollektorstrom durch ihn fließen
kann und er vor thermischer Zerstörung geschützt wird.
-
Beim Einschaltvorgang, wenn die Versorgungsspannung UB eingeschaltet
wird und wenn am Basiswiderstand R2 des Ansteuertransistors T2 ein LOW-Signal anliegt,
hat der Endstufentransistor T1, bedingt durch Laufzeitverzögerungen im Anschaltmoment
noch nicht durchgeschaltet, so daß seine Kollektor-Emitterspannung UCE(T ) gleich
der Versorgungsspannung UB ist und damit die Schaltschwelle der Basis-Emitterspannung
von T3 und die Diodenschwellspannung der Diode D1 von 0,7 V überschreitet. Damit
würde der oben beschriebene Fall auftreten, der Endstufentransistor T1 bliebe gesperrt
und durch die Last L könnte kein Laststrom fließen.
-
Um beim Einschaltvorgang der Versorgungsspannung Uß und bei angesteuertem
Endstufentransistor T1 diesen auch tatsächlich durchzuschalten, ist der Kondensator
C1 vorgesehen, der zusammen mit dem Basiswiderstand R5 ein Tiefpaß-RC-Glied bildet
und eine Zeitverzögerung für das Durchschalten des Schutztransistors T3 bewirkt.
-
Diese Zeitverzögerung muß länger sein als die durch Laufzeiten bedingte
Verzögerungszeit des Endstufentransistors T1. Die Schutzschaltung wird auf diese
Weise in einen definierten Anfangszustand gesetzt.
-
Wenn dann der Endstufentransistor T1 durchgeschaltet hat, gilt die
Beziehung: UC(T1) (UBE(T3) + 0,7 V) . Daraus folgt, daß der Schutztransistor T3
gesperrt ist und die Ansteuerung des Endstufentransistors T1 nicht beeinflußt.
-
Liegt an R2 ein HIGH-Signal an, d.h. T2 wird durchgeschaltet, so daß
der Endstufentransistor T1 gesperrt wird, dann wird die Basis von T3 über die Diode
D2 durch die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors T2 auf nahezu Massepotential
gezogen, so daß T3 gesperrt bleibt und C1 über T2 entladen wird, wodurch T3 seine
Schutzwirkung verliert. Somit wird über D2 die Ansteuerung des Endstufentransistors
T1 abgetastet und nur wenn der Transistor T1 angesteuert wird, kann die Schutzschaltung
aktiv werden.
-
Bei periodischer Ansteuerung des Endstufentransistors T1 durch den
Transistor T2 könnte ohne Zuschaltung der Diode D2 bei hohen Frequenzen der Fall
eintreten, daß T1 die ganze Zeit gesperrt bleibt, weil sich der Kondensator C1 nicht
entlädt und dadurch den Transistor T3
mit seiner Spannung ansteuert,
der T1 sperrt. Dies wird durch die Diode D2 verhindert, die während jeder HIGH-Phase
des Ansteuersignals an R2 innerhalb einer Periode den Kondensator C1 entlädt.
-
Durch Verändern des Basisstroms von T1, d.h. durch Ändern von R1 kann
man die Ansprechschwelle der Schutzschaltung in einem großen Bereich variieren.
-
Die Dimensionierung des Tiefpaß-RC-Gliedes, bestehend aus dem Widerstand
R und dem Kondensator C1 ist bei einer geeigneten Ausführungsform wie folgt zu wählen:
R5 = 12 k C1 = 2,2 ßF Figur 2 zeigt eine mit dem Endstufentransistor T1 integrierte
Schutzschaltung. Die Basis des Endstufentransistors T1 ist an den Pin 1 herausgeführt
und wird dort über den Widerstand R1 mit dem Kollektor des Ansteuertransistors T2
verbunden. Der Kollektor des Endstufentransistors T1 ist an den Pin 2 herausgeführt,
wo die zu betreibende Last L angeschlossen wird. Im integrierten Schaltkreis führt
eine Verbindung vom Kollektor von T1 über den Widerstand R5 und die Diode D1 an
die Basis des Schutztransistors T3, dessen Emitter mit dem Emitter von T1 verbunden
ist. Dieser Knotenpunkt ist an Pin 3 herausgeführt und wird extern mit Masse verbunden.
Der Kollektor des Schutztransistors T3 ist im integrierten Schaltkreis mit der Basis
des Endstufentransistors unmittelbar verbunden. Der Knotenpunkt der Verbindung des
Widerstands R5 mit der Diode D1 ist an den Pin 4 herausgeführt, wo der Kondensator
C1 und die Diode D2 angeschlossen werden. Es besteht auch die Möglichkeit, zusätzlich
die Diode D2 mit in den Fig. 2 gemäßen Schaltkreis zu integrieren.
-
- L e e r s e i t e -