DE3409058C2

DE3409058C2 - Kurzschluß- und Überlastschutzschaltung für Endstufentransistoren

Info

Publication number: DE3409058C2
Application number: DE3409058A
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl.-Ing. 8056 Neufahrn Mahalek; Egon Dipl.-Ing. 8070 Ingolstadt Vetter
Original assignee: Telefunken Electronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 1984-03-13
Filing date: 1984-03-13
Publication date: 1991-03-07
Also published as: US4695915A; DE3409058A1

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, dessen Kollektor die Basis des Ansteuertransistors der Endstufe ansteuert und diese vor Überlastung schützt. Dabei erfolgt die Ansteuerung des Endstufentransistors in getaktetem oder stetigem Betrieb. Durch eine Variation des Basisstromes des Endstufentransistors über eine Veränderung seines Basiswiderstandes kann die Ansprechschwelle der Schutzvorrichtung in einem großen Bereich beeinflußt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kurzschluß- und Überlastschutzschaltung für Endstufentransistoren, mit einem Ansteuertransistor für die Endstufe, mit einem Begrenzungs- und Schwellwertnetzwerk und einem an dieses Netzwerk angeschlossenen Schutztransistors. 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 üblicherweise 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 Schutzschaltung 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 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 aus der Emitter-Kollektorspannung des zu schützenden Endstufentransistors über das Begrenzungs- und Schwellwertnetzwerk an der Basis des Schutztransistors eine Steuerspannung abgeleitet wird, daß der Kollektor dieses Schutztransistors an die Basis des Ansteuertransistors für den Endstufentransistor angeschlossen ist und daß der Emitter des Schutztransistors an ein Bezugspotential angeschlossen ist.
Bei einer geeigneten Ausführungsform besteht das Begrenzungs- und Schwellwertnetzwerk aus einem Widerstand, der zwischen dem Emitter des Endstufentransistors und der Basis eines npn-Schalttransistors liegt, dessen Emitter mit dem Kollektor des Endstufentransistors verbunden ist. Zwischen dem Kollektor des npn-Schalttransistors und der Basis eines nachgeschalteten pnp-Schalttransistors liegt ein weiterer Widerstand. Der Emitter des pnp-Schalttransistors ist mit dem Pluspol der Versorgungsspannungsquelle verbunden. Der Kollektor des pnp- Schalttransistors führt an den einen Widerstand eines Spannungsteilers, dessen anderer Widerstand mit Masse verbunden ist. Am Abgriff des Spannungsteilers ist die Basis des Schutztransistors angeschlossen, dessen Emitter mit Massepotential verbunden ist und dessen Kollektor an der Basis des Ansteuertransistors des Endstufentransistors angeschlossen ist.
Die erfindungsgemäße Kurzschluß- und Überlastschutzschaltung für Endstufentransistoren hat den wesentlichen Vorteil, daß direkt über die Kollektor-Emitterstrecke des Endstufentransistors seine Verlustleistung erfaßt wird und 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 ergeben sich aus den Unteransprüchen.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Es zeigt
Fig. 1 Eine 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 ₃ und R ₄ an. An seinem Abgriff, dem Knotenpunkt von R ₃ und R ₄, ist die Basiselektrode des npn-Ansteuertransistors T ₂, dessen Emitter auf Massepotential liegt, angeschlossen. In seinem Kollektorkreis befindet sich der Arbeitswiderstand R ₂, der mit seinem anderen Ende mit dem Pluspol derVersorgungsspannungsquelle U _B verbunden ist. Der Kollektor des Transistors T ₂ ist über den Widerstand R ₁ mit der Basis des pnp-Endstufentransistors T ₁ verbunden, dessen Emitter mit dem Pluspol der Versorgungsspannungsquelle U _B verbunden ist. In seinem Kollektorkreis befindet sich die zu betreibende Last L, die mit ihrem anderen Ende auf Massepotential liegt. Vom Emitter des Endstufentransistors T ₁ führt eine Verbindung über den Widerstand R ₅ an die Basis des npn-Schalttransistors T ₃, dessen Emitter unmittelbar mit dem Kollektor des Endstufentransistors T ₁ verbunden ist und dessen Kollektor auf einen Widerstand R ₆ führt, dessen anderes Ende an der Basis eines pnp-Schalttransistors T ₄ angeschlossen ist.
Der Emitter des pnp-Schalttransistors T ₄ ist unmittelbar mit dem Pluspol der Versorgungsspannungsquelle verbunden, und sein Kollektor führt auf einen Spannungsteiler, bestehend aus den beiden Widerständen R ₇ und R ₈, wobei das andere Ende des Widerstands R ₈ auf Massepotential liegt. Am Abgriff des Spannungsteilers ist die Basis des Schutztransistors T ₅ angeschlossen, dessen Emitter auf Massepotential liegt und dessen Kollektor mit der Basis des Ansteuertransistors T ₂ unmittelbar verbunden ist. An diesem Abgriff ist außerdem eine Kapazität C ₁ angeschlossen.
Der pnp-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 HIGH-Signal an R ₃ leitend und somit wird auch T ₁ durchgeschaltet und über die Last L kann Strom fließen.
Ist kein Kurzschluß oder keine Überlastung vorhanden, so ist die Emitter-Kollektorspannung U _EC des Endstufentransistors T ₁ kleiner als die zur Durchsteuerung des npn-Schalttransistors 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 Emitter-Kollektorspannung U _EC von T ₁ an. Wenn sie dem Betrag nach die Basis-Emitterspannung U _BE des npn- Schalttransistors T ₃ von ca. 0,7 V überschreitet, dann wird der Transistor T ₃ durchgeschaltet, wodurch auch der pnp- Schalttransistor T ₄ durchgeschaltet und der Schutztransistor T ₅ angesteuert wird.
Die Kollektor-Emitterspannung des Schutztransistors T ₅ zieht die Basis des Ansteuertransistors T ₂ auf nahezu Massepotential wodurch dieser gesperrt wird, was zur Folge hat, daß der Endstufentransistor T ₁ gleichfalls gesperrt und somit vor thermischer Zerstörung geschützt wird.
Beim Einschaltvorgang, wenn die Versorgungsspannungsquelle U _B eingeschaltet wird und wenn am Basiswiderstand R ₃ des Ansteuertransistors T ₂ ein High-Signal anliegt, hat der Endstufentransistor T ₁ - bedingt durch Laufzeitverzögerungen - im Anschaltmoment noch nicht durchgeschaltet, so daß seine Emitter-Kollektorspannung U _CE(T ₁₎ gleich der Versorgungsspannung U _B ist und damit die Schaltschwelle der Basis-Emitterspannung U _EB von T ₃ überschreitet. Damit würde unerwünschterweise der oben beschriebene Fall auftreten, der Endstufentransistor T ₁ bliebe gesperrt und durch die Last L könnte kein Laststrom fließen.
Um beim Einschaltvorgang der Versorgungsspannungsquelle U _B und bei angesteuertem Endstufentransistor T ₁ - wenn ein High-Signal am Basiswiderstand R ₃ anliegt - diesen auch tatsächlich durchzuschalten, ist der Kondensator C ₁ vorgesehen, dessen Ansteueranschluß durch das komplementäre Eingangsschaltsignal auf nahezu Massepotential gezogen wird, und der zusammen mit dem Widerstand R ₇ ein Tiefpaß-RC-Glied bildet und eine Zeitverzögerung für das Durchschalten des Schutztransistors T ₅ bewirkt. Diese Zeitverzögerung muß länger sein als die durch Laufzeiten bedingte Verzögerungszeit des Einschaltvorgangs des Endstufentransistors T ₁. Die Schutzschaltung wird auf diese Weise in einen definierten Anfangszustand gesetzt. Wenn der Endstufentransistor T ₁ durchgeschaltet hat, ist seine Emitter-Kollektorspannung kleiner als die zur Durchschaltung des npn-Schalttransistors T ₃ benötigte Spannung und damit kann der gesperrt bleibende Schutztransistor T ₅ die Ansteuerung des Endstufentransistors nicht beeinflussen.
Beim Einschaltvorgang der VersorgungsspannungsquelleU _B und bei gesperrtem Endstufentransistor, wenn ein Low- Signal am Basiswiderstand R ₃ anliegt, ist die Emitter- Kollektorspannung des Endstufentransistors gleich der Versorgungsspannung U _B, so daß der npn-Schalttransistor T ₃, der pnp-Schalttransistor T ₄ und der Schutztransistor T ₅ durchgeschaltet werden, wodurch über die Kollektor- Emitterstrecke des Schutztransistors T ₅ die Basis des Ansteuertransistors T ₂ auf nahezu Massepotential gezogen wird.
Beim Wechsel des Ansteuersignals an R ₃ von Low auf High würde ohne die komplementäre Ansteuerung des Kondensators C ₁, mit einem Wechsel von High auf Low, der Endstufentransistor T ₁ nicht durchschaltet, da das an R ₃ jetzt anliegende High-Signal über die Kollektor-Emitterstrecke des Schutztransistors T ₅ an der Basis von T ₂ auf nahezu Massepotential gezogen würde, was zur Folge hätte, daß der Endstufentransistor T ₁ die ganze Zeit gesperrt bliebe.
Durch die komplementäre Ansteuerung des Kondensators C ₁ wird dieser, wenn zunächst an R ₃ ein Low-Signal anliegt, über einen nicht dargestellten Pull-Up-Widerstand auf eine definierte Spannung aufgeladen. Sein anderer Anschluß ist am Abgriff des Spannungsteilers R ₇, R ₈angeschlossen und liegt auf ca. 0,7 V, da der pnp-Schalttransistor T ₄ in diesem Fall durchgeschaltet ist und die Basis von T ₅ über den Widerstand R ₇ angesteuert wird. Wechselt nun das Eingangsschaltsignal an R ₃ von Low auf High, welchselt das an C ₁ anliegende Signal von High auf Low und der Kondensator C ₁ wird über den Widerstand R ₈ entladen, der zusammen mit dem Kondensator C ₁ ein differenzierendes Hochpaß-RC-Glied bildet. Dadurch liegt im Augenblick der Pegelumschaltung an R ₃ von Low auf High an der Basis-Emitterstrecke des Schutztransistors T ₅ eine negative nadelimpulsförmige Spannung an, deren Abklingzeitkonstante sich aus dem Wert von C ₁ und dem Widerstand R ₈ ergibt. Der Schutztransistor T ₅ wird dadurch gesperrt und sein Kollektor gibt die Basis des Ansteuertransistors T ₂ frei, so daß der Endstufentransistor durchgeschaltet wird und über die Last L Strom fließen kann. Die Ansteuerung von T ₅ über T ₃ und T ₄ wird dadurch unterbunden. 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 der RC-Glieder, bestehend aus dem Kondensator C ₁ und den Widerständen R ₇ und R ₈ ist bei einer geeigneten Ausführungsform wie folgt zu wählen

C ₁ = 1 µF
R ₇ = 220 k
R ₈ = 100 k

Fig. 2 zeigt eine mit dem Endstufentransistor T ₁ integrierte Schutzschaltung. Die Basis des Endstufentransistors T ₁ ist an den Pin 1 herausgeführt und ist dort über den Widerstand R ₁ mit dem Kollektor des Ansteuertransistors T ₂ verbunden. Der Kollektor des Endstufentransistors T ₁ ist an den Pin 3 herausgeführt, wo die zu betreibende Last L angeschlossen ist. Sein Emitter ist an Pin 2 angeschlossen, wo die Vesorgungsspannungsquelle anliegt. Im integrierten Schaltkreis führt eine Verbindung vom Emitter des Endstufentransistors T ₁, über den Widerstand R ₅ an die Basis des npn-Schalttransistors T ₃, dessen Emitter mit dem Kollektor von T ₁ verbunden ist. Der Kollektor von T ₃ führt über den Widerstand R ₆ an die Basis des pnp-Schalttransistors T ₄, dessen Emitter mit dem Emitter des Endstufentransistors T ₁ verbunden ist. Der Kollektor von T ₄ führt auf den Spannungsteiler R ₇, R ₈, an dessen Abgriff die Basis des Schutztransistors T ₅ angeschlossen ist. Sein Kollektor ist an Pin 4 herausgeführt, wo die Basis des Ansteuertransistors T ₂ angeschlossen ist. Der Emitter von T ₅ und das andere Ende des Spannungsteilerwiderstandes R ₈ sind unmittelbar verbunden und liegen auf Massepotential, dessen Anschluß an Pin 6 herausgeführt ist. Der Abgriff des Spannungsteilers R ₇, T ₈ ist an Pin 5 herausgeführt, wo der Kondensator C ₁ angeschlossen ist.

Claims

1. Kurzschluß- und Überlastschutzschaltung für Endstufentransistoren, mit einem Ansteuertransistor für die Endstufen, mit einem Begrenzungs- und Schwellwertnetzwerk und einem an dieses Netzwerk angeschlossenen Schutztransistor dadurch gekennzeichnet, daß aus der Emitter-Kollektorspannung des zu schützenden Endstufentransistors (T ₁) über das Begrenzungs- und Schwellwertnetzwerk (R ₅, T ₃, R ₆, T ₄, R ₇, R ₈) an der Basis des Schutztransistors (T ₅) eine Steuerspannung abgeleitet wird, daß der Kollektor dieses Schutztransistors (T ₅) an die Basis des Ansteuertransistors (T ₂) für den Endstufentransistor angeschlossen ist und daß der Emitter des Schutztransistors (T ₅) an ein Bezugspotential angeschlossen ist.

2. Kurzschluß- und Überlastschutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Begrenzungs- und Schwellwertnetzwerk einen Widerstand (R ₅) enthält, der zwischen dem Emitter des Endstufentransistors (T ₁) und der Basis eines zu diesem komplementären Schalttransistors (T ₃) liegt, dessen Emitter unmittelbar mit dem Kollektor des Endstufentransistors (T ₁) verbunden ist, daß ein weiterer Widerstand (R ₆) vorgesehen ist, der zwischen dem Kollektor des Schalttransistors (T ₃) und der Basis eines zum ersten Schalttransistor komplementären zweiten Schalttransistor (T ₄) liegt, dessen Emitter mit einem Pol der Versorgungsspannungsquelle und dessen Kollektor mit einem Spannungsteiler (R ₇, R ₈) verbunden ist.

3. Kurzschluß- und Überlastschutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Endstufentransistor (T ₁) und der zweite Schalttransistor (T ₄) pnp-Transistoren sind, während der erste Schalttransistor (T ₃), der Schutztransistor (T ₅) und der Ansteuertransistor (T ₂) npn-Transistoren sind.

4. Kurzschluß- und Überlastschutzschaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des zum Endstufentransistor (T ₁) komplementären Schutztransistor (T ₅) mit dem Abgriff des Spannungsteilers (R ₇, R ₈) verbunden ist, und daß sein Emitter auf Massepotential liegt.

5. Kurzschluß- und Überlastschutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Abgriff des Spannungsteilers (R ₇, R ₈) ein Kondensator (C ₁) angeschlossen ist.

6. Kurzschluß- und Überlastschutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu treibende Last zwischen Kollektor des Endstufentransistors (T ₁) und Massepotential liegt.

7 Kurzschluß- und Überlastschutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Basis des Endstufentransistors (T ₁) und dem Kollektor des Ansteuertransistors (T ₂) ein Widerstand (R ₁) liegt.

8. Kurzschluß- und Überlastschutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kollektor des Ansteuertransistors (T ₂) und dem Pluspol der Versorgungsspannungsquelle (U _B) ein Arbeitswiderstand (R ₂) liegt.

9. Kurzschluß- und Überlastschutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselektrode des Ansteuertransistors (T ₂) an den Abgriff eines weiteren Spannungsteilers (R ₃, R ₄) angeschlossen ist und daß sein Emitter auf Massepotential liegt.

10. Kurzschluß- und Überlastschutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangstaktsignal der Basiselektrode des Ansteuertransistors (T ₂) über einen Widerstand (R ₃) des weiteren Spannungsteilers (R ₃, R ₄) zugeführt wird.

11. Kurzschluß- und Überlastschutzschaltung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem anderen Anschluß des Kondensators (C ₁) ein zum Eingangsschaltsignal am Widerstand (R ₃) anliegendes komplementäres Signal zugeführt wird.

12. 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.

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