DE3409057C2

DE3409057C2 - Kurzschluß- und Überlastschutzschaltung für Endstufentransistoren

Info

Publication number: DE3409057C2
Application number: DE19843409057
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl.-Ing. 8056 Neufahrn Mahalek
Original assignee: Telefunken Electronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 1984-03-13
Filing date: 1984-03-13
Publication date: 1987-02-05
Also published as: DE3409057A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kurzschluß- und Überlastschutzschaltung für Endstufentransistoren basierend auf dem Prinzip der Leistungsüberwachung. Die Erfindung besteht darin, daß die Kollektor-Emitterspannung eines Leistungsendstufentransistors von einem Begrenzungs- und Schwellwertnetzwerk und einem Schutztransistor erfaßt wird, und sein Kollektor steuert die Basis des Endstufentransistors an und schützt diesen vor Überlastung. Dabei erfolgt die Ansteuerung des Endstufentransistors in getaktetem oder stetigem Betrieb. Durch eine Variation des Basisstroms des Endstufentransistors über eine Veränderung des Basiswiderstandes wird die Ansprechschwelle der Schutzvorrichtung in einem großen Bereich beeinflußt und somit eine Steuerung der Verlustleistung erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kurzschluß- und Überlastschutzschaltung für Endstufentransistoren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Schaltung ist für Strombegrenzungszwecke beispielsweise aus der DE-OS 22 53 808 bekannt.
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 teurer 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 durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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 Überlastschutzschaltung 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 sich aus den Unteransprüchen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 Ein Detailschaltbild der Kurzschluß- und Überlastschutzschaltung für Endstufentransistoren.
Fig. 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 Fig. 1 realisiert werden.
Das Ansteuersignal liegt am Spannungsteiler, bestehend aus den beiden Widerständen R ₂ und R ₃ an. An seinem Abgriff, dem Knotenpunkt von R ₂ und R ₃, ist die Basiselektrode des npn-Ansteuertransistors T ₂, dessen Emitter auf Massepotential liegt, angeschlossen. In seinem Kollektorkreis befindet sich der Arbeitswiderstand R ₄ der mit seinem anderen Ende mit dem Pluspol der Versorgungsspannung U _B verbunden ist. Der Kollektor des Transistors T ₂ ist über den Basiswiderstand R ₁ mit der Basis des Endstufentransistors T ₁ verbunden, dessen Emitter ebenfalls auf Massepotential liegt. Im Kollektorkreis des Endstufentransistors T ₁ liegt die zu betreibende Last L, deren anderes Ende ebenfalls mit dem Pluspol der Versorgungsspannung U _B verbunden ist.
Vom Kollektor des Endstufentransistors T ₁ führt eine Verbindung über den Widerstand R ₅ und die in Durchlaßrichtung gepolte Diode D ₁ an die Basis des Schutztransistors T ₃. Der Kollektor des Schutztransistors T ₃, dessen Emitter auf Massepotential liegt, ist direkt mit der Basis des Endstufentransistors T ₁ verbunden. Am Knotenpunkt von Widerstand R ₅ und Diode D ₁ ist ein Kondensator C ₁ angeschlossen, dessen anderes Ende auf Massepotential liegt. An diesem Knotenpunkt ist die Anode einer weiteren Diode D ₂ angeschlossen, deren Kathode direkt mit dem Kollektor des Ansteuertransistors T ₂ verbunden ist.
Der npn-Endstufentransistor T ₁ soll geschützt werden, wenn die in seinem Kollektorzweig liegende Last (L) kurzgeschlossen oder beispielsweise durch Leckströme niederohmig wird. Der Ansteuertransistor T ₂ für den Endstufentransistor T ₁ wird durch ein LOW-Signal an R ₂ gesperrt und somit wird T ₁ durchgeschaltet und über die Last L kann Strom fließen.
Ist kein Kurzschluß oder keine Überlastung vorhanden, so ist die Kollektor-Emitterspannung U _CE des Endstufentransistors T ₁ kleiner als die zur Durchsteuerung des Schutztransistors T ₃ erforderliche Spannung, so daß die Schutzschaltung nicht aktiviert wird.
Durch Auftreten einer Überlast steigt der Kollektorstrom (I _C) des Endstufentransistors (T ₁) an und damit verknüpft steigt auch die Kollektor-Emitterspannung U _CE von T ₁ an. Wenn sie dem Betrag nach die Basis-Emitterspannung U _BE des Schutztransistors T ₃ und die Diodenschwellspannung der Diode D ₁ von ca. 0,7 V überschreitet, gilt die Beziehung: U _CE(T ₁₎ ≤(U _BE(T ₃₎ + 0,7 V). Dann wird der Transistor T ₃ durchgeschaltet und dadurch wird das Basispotential am Endstufentransistor T ₁, 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 U _B eingeschaltet wird und wenn am Basiswiderstand R ₂ des Ansteuertransistors T ₂ ein LOW-Signal anliegt, hat der Endstufentransistor T ₁, bedingt durch Laufzeitverzögerungen im Anschaltmoment noch nicht durchgeschaltet, so daß seine Kollektor-Emitterspannung U _CE(T ₁₎ gleich der Versorgungsspannung U _B ist und damit die Schaltschwelle der Basis-Emitterspannung von T ₃ und die Diodenschwellspannung der Diode D ₁ von 0,7 V überschreitet. Damit würde der oben beschriebene Fall auftreten, der Endstufentransistor T ₁ bliebe gesperrt und durch die Last L könnte kein Laststrom fließen.
Um beim Einschaltvorgang der Versorgungsspannung U _B und bei angesteuertem Endstufentransistor T ₁ diesen auch tatsächlich durchzuschalten, ist der Kondensator C ₁ vorgesehen, der zusammen mit dem Basiswiderstand R ₅ ein Tiefpaß-RC-Glied bildet und eine Zeitverzögerung für das Durchschalten des Schutztransistors T ₃ bewirkt. diese Zeitverzögerung muß länger sein als die durch Laufzeiten bedingte Verzögerungszeit des Endstufentransistors T ₁. Die Schutzschaltung wird auf diese Weise in einen definierten Anfangszustand gesetzt.
Wenn dann der Endstufentransistor T ₁ durchgeschaltet hat, gilt die Beziehung:
U _CE(T ₁₎ < (U _BE(T ₃₎ + 0,7 V). Daraus folgt, daß der Schutztransistor T ₃ gesperrt ist und die Ansteuerung des Endstufentransistors T ₁ nicht beeinflußt.
Liegt an R ₂ ein HIGH-Signal an, d. h. T ₂ wid durchgeschaltet, so daß der Endstufentransistor T ₁ gesperrt wird, dann wird die Basis von T ₃ über die Diode D ₂ durch die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors T ₂ auf nahezu Massepotential gezogen, so daß T ₃ gesperrt bleibt und C ₁ über T ₂ entladen wird, wodurch T ₃ seine Schutzwirkung verliert. Somit wird über D ₂ die Ansteuerung des Endstufentransistors T ₁abgetastet und nur wenn der Transistor T ₁ angesteuert wird, kann die Schutzschaltung aktiv werden.
Bei periodischer Ansteuerung des Endstufentransistors T ₁ durch den Transistor T ₂ könnte ohne Zuschaltung der Diode D ₂ bei hohen Frequenzen der Fall eintreten, daß T ₁ die ganze Zeit gesperrt bleibt, weil sich der Kondensator C ₁ nicht entlädt und dadurch den Transistor T ₃mit seiner Spannung ansteuert, der T ₁ sperrt. Dies wird durch die Diode D ₂ verhindert, die während jeder HIGH- Phase des Ansteuersignals an R ₂ innerhalb einer Periode den Kondensator C ₁ entlädt.
Durch Verändern des Basisstroms von T ₁, d. h. durch Ändern von R ₁ kann man die Ansprechschwelle der Schutzschaltung in einem großen Bereich variieren.
Die Dimensionierung des Tiefpaß-RC-Gliedes, bestehend aus dem Widerstand R ₅ und dem Kondensator C ₁ ist bei einer geeigneten Ausführungsform wie folgt zu wählen:

R ₅ = 12 k
C ₁ = 2,2 µF

Fig. 2 zeigt eine mit dem Endstufentransistor T ₁ integrierte Schutzschaltung. Die Basis des Endstufentransistors T ₁ ist an den Pin 1 herausgeführt und wird dort über den Widerstand R ₁ mit dem Kollektor des Ansteuertransistors T ₂ verbunden. Der Kollektor des Endstufentransistors T ₁ ist an den Pin 2 herausgeführt, wo die zu betreibende Last L angeschlossen wird. Im integrierten Schaltkreis führt eine Verbindung vom Kollektor von T ₁ über den Widerstand R ₅ und die Diode D ₁ an die Basis des Schutztransistors T ₃, dessen Emitter mit dem Emitter von T ₁ verbunden ist. Dieser Knotenpunkt ist an Pin 3 herausgeführt und wird extern mit Masse verbunden. Der Kollektor des Schutztransistors T ₃ ist im integrierten Schaltkreis mit der Basis des Endstufentransistors unmittelbar verbunden. Der Knotenpunkt der Verbindung des Widerstands R ₅ mit der Diode D ₁ ist an den Pin 4 herausgeführt, wo der Kondensator C ₁ und die Diode D ₂ angeschlossen werden. Es besteht auch die Möglichkeit, zusätzlich die Diode D ₂ mit in den Fig. 2 gemäßen Schaltkreis zu integrieren.

Claims

1. Kurzschluß- und Überlastschutzschaltung für Endstufentransistoren mit einem Begrenzungs- und Schwellwertnetzwerk und einem an dieses Netzwerk angeschlossenen Schutztransistor (T ₃) dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektor-Emitterspannung des zu schützenden Endstufentransistors (T ₁) über das Begrenzungs- und Schwellwertnetzwerk (R ₅, D ₁) an der Basis des Schutztransistors (T ₃) erfaßt wird, dessen Kollektor an die Basis und dessen Emitter an den Emitter des Endstufentransistors (T ₁) angeschlossen ist, und daß im Kollektorzweig des Endstufentransistors die Last (L) angeordnet ist.

2. Kurzschluß- und Überlastschutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Begrenzungs- und Schwellwertnetzwerk aus einem Widerstand (R ₅) und mindestens einer zum Widerstand (R ₅) in Reihe geschalteten Diode (D ₁) besteht.

3. Kurzschluß- und Überlastschutzschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Knotenpunkt zwischen Widerstand (R ₅) und der nachfolgenden Diode (D ₁) ein Kondensator (C ₁) angeschlossen ist, der mit seinem anderen Ende unmittelbar mit dem Emitter des Endstufentransistors (T ₁) verbunden ist.

4. Kurzschluß- und Überlastschutzschaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den Knotenpunkt des Widerstands (R ₅), der nachfolgenden Diode (D ₁) und dem Kondensator (C ₁) die Anode einer zweiten Diode (D ₂) angeschlossen ist, deren Kathode mit dem Kollektor eines Ansteuertransistors (T ₂) für den Endstufentransistor (T ₁) verbunden ist.

5. Kurschluß- und Überlastungsschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Endstufentransistor (T ₁), der Widerstand (R ₅), zumindest eine der Dioden (D ₁, D ₂) und der Schutztransistor (T ₃) als integrierter Schaltkreis ausgeführt sind.

6. Kurzschluß- und Überlastungsschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das RC -Glied (R ₅, C ₁) so dimensioniert ist, daß beim Anschalten der Versorgungsspannung (U _B) die Spannung am Kondensator (C ₁) in der durch die Ansteuerung bedingten Verzögerungszeit unter dem für die Durchsteuerung des Schutztransistors (T ₃) erforderlichen Wert bleibt.

7. Kurzschluß- und Überlastungsschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansteuertransistor (T ₂), der Endstufentransistor (T ₁) und der Schutztransistor (T ₃) Transistoren vom npn-Leitungstyp sind.

8. Kurzschluß- und Überlastschutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansprechschwelle der Schutzschaltung durch den Basiswiderstand (R ₁) des Endstufentransistors (T ₁) eingestellt wird.

9. Kurzschluß- und Überlastschutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung in der Kfz-Elektronik.