DE3619230C2 - Vorrichtung zum Schutz der Endstufe eines Verstärkers vor Kurzschlüssen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schutz vor Kurzschlüssen in der Endstufe von Niederspannungsver­ stärkern, die z. B. in Radiogeräte für Autos eingebaut werden.

Solche Kurzschluß- und Schutzschaltungen für Niederspannungsverstärker sind aus der US 38 98 532, der GB 2027307 A oder der EP 0132 863 A1 bekannt.

Die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung findet insbesondere An­ wendung für den Schutz einer Gegentakt-Stufe eines Verstärkers, dessen erster Transistor mit Kollektor und Emitter zwischen dem Pluspol der Versorgungsspannung und einer Lastklemme und dessen zweiter Transistor mit Kollektor und Emitter zwischen dem Mi­ nuspol der Versorgungsspannung und derselben Lastklemme ange­ schlossen ist, während die zweite Lastklemme mit Masse verbunden ist.

Bekanntlich sind diese Typen von Verstärkern oft an hauptsächlich ohmsche Lasten angeschlossen, deren Widerstand unter 2 Ohm ab­ fallen kann, um eine hohe Abgabeleistung zu erreichen. Folglich ist der Strom, den der Verstärker an die Last abgeben können muß, bekanntlich sehr hoch, muß aber gleichfalls innerhalb der durch die Transistoren vorgegebenen maximal zulässigen Grenzen bleiben, welche die Gegentakt-Stufe des Verstärkers darstellen.

Beim Stand der Technik erfolgt der Schutz vor Kurzschlüssen einer Gegentakt-Stufe eines Verstärkers des beschriebenen Typs durch eine Vorrichtung, die den aus dem Verstärker abgegebenen Strom zur Last mißt, wobei die Vorrichtung anspricht, wenn der Strom einen vorher festgelegten Schwellenwert erreicht, der in der Nähe des maximal zulässigen Stroms liegt.

Diese beim Stand der Technik bekannten Schutzvorrichtungen erfüllen die Schutzbedingungen nicht in vollkommen zufriedenstellender Weise, da sie sich auch im Normalbetrieb einschalten und den Verstärker ausschalten könnten; darüber hinaus können sich bei einem Kurzschluß zwischen der Lastklemme und dem Plus- oder Minuspol der Versorgung sehr hohe Stromspitzen ergeben, die eine Gefahr für die Endtransistoren des Verstärkers darstellen.

Eine weitere beim Stand der Technik bekannte Schutzvorrichtung basiert auf der Verwendung eines Fühlers, der ermittelt, wann an den Transistorausgängen der Endstufe eine Potentialdifferenz auftritt, die geringer ist als die geringste zulässige Spannung, was sich aufgrund eines Kurzschlusses zwischen dem Plus- bzw. Minuspol und dem Ausgang des Verstärkers ergibt.

Dieser Schutz erweist sich als risikoreich für die Transistoren, da der geringe Widerstand, der sich in unvermeidbarer Weise im kurzgeschlossenen Abschnitt ergibt, durch den starken durch­ fließenden Strom an den Enden eine Potentialdifferenz erzeugt, die über der geringsten zulässigen Spannung an den Enden der Endtransistoren liegen könnte und somit nicht gemessen würde. In diesem Fall würde ein Kurzschluß vorliegen, die Schutzvor­ richtung würde jedoch nicht ansprechen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Schutz vor Kurzschlüssen in der Gegentakt-Endstufe eines Verstärkers zu schaffen, bei dem eine klare Unterscheidung zwischen Normal­ betrieb des Verstärkers und Kurzschlußbedingungen möglich ist, ohne den im Normalbetrieb vorhandenen ausgesteuerten Strom des Verstärkers zu begrenzen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine anfänglich be­ schriebene Vorrichtung zum Schutz vor Kurzschlüssen in der Gegentakt-Endstufe eines Verstärkers gelöst, die dadurch ge­ kennzeichnet ist, daß sie folgende Teile umfaßt:

• - einen ersten Stromfühler zur Messung des im ersten Transistor fließenden Stroms,
• - einen zweiten Stromfühler zur Messung des im zweiten Transistor fließenden Stroms,
• - jeweils einen Strom-Spannungs-Umformrer für die Erzeugung von Spannungssignalen, die den von den Fühlern gemessenen Stromstärken entsprechen,
• - einen ersten Spannungskomparator für den Vergleich des vom ersten Umformer erzeugten Spannungssignals mit einer ersten festgelegten positiven Bezugsspannung,
• - einen zweiten Spannungskomparator für den Vergleich des vom zweiten Umformer erzeugten Spannungssignals mit derselben festgelegten Bezugsspannung, wobei der erste und zweite Spannungskomparator entsprechende Ausgangssignale ausgeben, wenn eines der beiden Spannungssignale über der vorher festgelegten positiven Bezugsspannung liegt,
• - einen dritten und vierten Spannungskomparator für den Vergleich des aktuellen Wertes der Spannung an der Lastklemme mit dem positiven bzw. negativen Wert einer zweiten, festgelegten Bezugsspannung, wobei der dritte und vierte Spannungskomparator, je nachdem, ob der absolute, aktuelle Spannungswert an der Lastklemme höher ist als der absolute Wert der zweiten festgelegten Bezugsspannung, entsprechende Ausgangssignale ausgeben,
• - eine erste bistabile Kippschaltung, die durch die Ausgangssignale vom ersten und vom dritten Spannungskomparator aktiviert wird, wenn beide Ausgangssignale vorhanden sind,
• - eine zweite bistabile Kippschaltung, die durch die Ausgangssignale vom zweiten und vom vierten Spannungskomparator aktiviert wird, wenn beide Ausgangssignale vorhanden sind, und
• - einen Schalter im Versorgungskreis des Verstärkers, der durch die Ausgangssignale aus einer der beiden bistabilen Schaltungen kontrolliert wird.

Weitere Merkmale und die damit verbundenen Vorteile gehen aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung zum Schutz vor Kurzschlüssen hervor, die in der beigefügten Zeichnung dargestellt ist.

Es zeigt die einzige Figur
eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung.

In der Figur besteht die Endstufe des Verstärkers (1) aus den Transistoren (T₁) und (T₂), die in herkömmlicher Weise im Gegentakt-System angeschlossen sind. Der Transistor (T₁), bei­ spielsweise vom Typ NPN, ist mit Kollektor und Emitter zwischen dem Pluspol (+Vcc) der Versorgungsspannung und der Klemme 2 der Last (RL) angeschlossen, während die andere Klemme 3 in her­ kömmlicher Weise mit Masse verbunden ist.

Der andere Transistor (T₂), beispielsweise vom Typ PNP, ist mit Kollektor und Emitter zwischen dem Minuspol (-Vcc) der Versor­ gungsspannung und derselben Klemme 2 der Last (RL) ange­ schlossen.

Die Platinen der Transistoren (T₁) und (T₂) sind an die übrigen Schaltteile des Verstärkers angeschlossen; da diese Teile in herkömmlicher Weise ausgeführt und für das Verständnis der Er­ findung nicht notwendig sind, wurden sie nicht dargestellt.

Erfindungsgemäß umfaßt die Vorrichtung einen ersten Fühler (SI₁), der über die Leitung 4 den im Transistor (T₁) fließenden Strom mißt und einen zweiten Fühler (SI₂), der über die Leitung (5) den im Transistor (T₂) fließenden Strom mißt.

Dem ersten (SI₁) und zweiten (SI₂) Fühler sind entsprechende, herkömmlich konzipierte Strom-Spannungs-Umformer (CV₁) bzw. (CV₂) zugeordnet. Diese Umformer (CV₁) und (CV₂) sind dafür eingerich­ tet, daß sie Spannungssignale (V₁) bzw. (V₂) aussenden, die den von den Fühlern (SI₁) und (SI₂) in den Transistoren (T₁) bzw. (T₂) gemessenen Strömen entsprechen.

Die Strom-Spannungs-Umformer (CV₁) und (CV₂) sind über entspre­ chende Leitungen 6 und 7 an die jeweiligen Arbeitskreise von Spannungskomparatoren (CMV₁) bzw. (CMV₂) angeschlossen, wo die Spannungssignale (V₁) und (V₂) mit einer ersten, vorher festgelegten positiven Bezugsspannung (+VREF₁) verglichen werden. Die Bezugsspannung (VREF₁) wird so ausgewählt, daß sie der bei einem Kurzschluß des einen Transistors maximal vom anderen Transistor (T₁) oder (T₂) abgegebenen Stromstärke (Imax) entspricht.

Die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung schließt außerdem eine dritte und vierte Arbeitsschaltung von an sich herkömmlichen Spannungskomparatoren ein, die mit (CMV₃) und (CMV₄) bezeichnet werden.

Die Spannungskomparatoren (CMV₃) und (CMV₄) sind über die Leitungen 8 und 9 an der Klemme 2 der Last (RL) angeschlossen, so daß der aktuelle Wert der an der Last (RL) anliegenden Spannung (V₀) gemessen werden kann.

Dieser Spannungswert (V₀) wird, wie im folgenden noch näher gezeigt werden wird, je nach seinem Vorzeichen über einen der Spannungskomparatoren (CMV₃) bzw. (CMV₄) mit einer zweiten Be­ zugsspannung (VREF₂) verglichen. Der Absolutwert der Bezugs­ spannung (VREF₂) übersteigt den Wert der Versorgungsspannung des Verstärkers nicht.

Die Komparatoren (CMV₁) und (CMV₃) sind über entsprechende Lei­ tungen 10 und 11 an eine erste bistabile Kippschaltung (Flip­ flop) (FF₁), die Komparatoren (CMV₂) und (CMV₄) über entspre­ chende Leitungen 12 und 13 an eine zweite bistabile Kipp­ schaltung (Flipflop) (FF₂) angeschlossen.

Die Ausgänge der Flipflops (FF₁) und (FF₂) sind über entspre­ chende Leitungen 14 und 15 mit einem Schalter (SW) verbunden, der seinerseits über eine Funktionsschaltung (16) im Versorgungskreis des Verstärkers 1 integriert ist.

Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird im folgenden beschrieben.

Angenommen, der Transistor (T₂) ist kurzgeschlossen. Der Fühler (SI₁) mißt also den durch den Transistor (T₁) fließenden Strom. Dieser Strom wird durch den Umformer (CV₁) in ein Spannungssignal umgeformt, und das vom Umformer (CV₁) erzeugte Spannungssignal (V₁) gelangt über die Verbindung (6) zum Spannungskomparator (CMV₁), wo es mit der Bezugsspannung (+VREF₁) verglichen wird.

Da die Bezugsspannung (+VREF₁) die Stromstärke (Imax) darstellt, die vom Transistor (T₁) im Fall eines Kurzschlusses im Verstärker abgegeben werden kann, erzeugt der Spannungskomparator (CMV₁) ein Ausgangssignal (S₁), das über die Leitung 10 zum Flipflop (FF₁) gelangt, wenn das Spannungssignal (V₁) größer ist als die Bezugs­ spannung.

Die Bezugsspannung (+VREF₁), die, wie schon gesagt, dem Strom entspricht, der von den Transistoren im Falle eines Kurzschlusses im Verstärker abgegeben werden kann, kann so gewählt werden, daß ihr Wert deutlich niedriger ist als der Strom, der im Normalbetrieb maximal von der Gegentakt-Stufe an die Last abgegeben werden kann. Dadurch wird verhindert, daß die Vorrichtung, wie dies bei den bisher bekannten Vorrich­ tungen geschieht, auch bei hohen Lastströmen anspricht, die jedoch auf normale Betriebsbedingungen zurückzuführen sind.

Unter den bis jetzt beschriebenen Voraussetzungen aktiviert das Flipflop (FF₁) den Schalter (SW) noch nicht. Hierfür ist noch eine weitere Voraussetzung erforderlich. Wenn, wie im vorange­ gangenen angenommen, der Kurzschluß im Transistor (T₂) besteht, wird das Potential der Klemme 2 denselben Wert wie das Poten­ tial des Minuspols der Versorgung (-Vcc) annehmen.

Die an dieser Klemme tatsächlich vorhandene Spannung wird über die Verbindung 8 am Spannungskomparator (CMV₃) angelegt, wo sie mit dem Negativwert (-VREF₂) der zweiten Bezugsspannung vergli­ chen wird. Der Absolutwert dieser zuletzt genannten Bezugsspan­ nung wird so gewählt, daß er nicht über der Versorgungsspannung (Vcc) des Verstärkers liegt.

Wenn sich aus dem Vergleich der Spannung (V₀) und der zweiten Bezugsspannung (VREF₂) ein Absolutwert der zuerst genannten Spannung ergibt, der den Absolutwert der zweiten übersteigt, wird im dargestellten Fall, wenn (V₀) kleiner ist als (-VREF₂), am Ausgang des Komparators (CMV₃) ein Signal (R₃) erzeugt, das über die Verbindung 11 zum Flipflop (FF₁) gelangt.

Wenn beide Signale (S₁) und (R₃) vorhanden sind, modifiziert das Flipflop (FF₁) seinen Zustand. Durch das von ihm ausgehende Signal wird über die Verbindung 14 der Schalter (SW) betätigt, der seinerseits über die Verbindung 16 auf die Versorgung des Verstärkers 1 einwirkt und diese unterbricht oder in eine Wartestellung versetzt.

Der Zustand des Flipflops (FF₁) verändert sich nicht, auch wenn das dem Strom entsprechende Signal (S₁) ausbleiben würde, weil z. B. der abgegebene Strom auf null absinkt, da sich die Strom­ generatoren des Verstärkers aufgrund des anhaltenden Kurzschluß­ zustands ausschalten. Das Flipflop (FF₁) schaltet nur auf den anderen Zustand um und aktiviert dadurch über den Schalter (SW) den Verstärker, wenn er den Befehl für die Wiedereinschaltung erhält. Dieser Befehl erfolgt im dargestellten Fall dann, wenn die Spannung (V₀) geringer wird als die Bezugsspannung (VREF₂), d. h. wenn der Kurzschluß beseitigt ist. Die Vorrichtung arbeitet in analoger Weise, wenn der Kurzschluß im Transistor (T₁) ent­ steht. In diesem Fall, wenn der durch den Transistor (T₂) fließende Strom größer ist als der maximal zulässige Strom, dem die erste Bezugsspannung (VREF₁) entspricht, und wenn die Spannung (V₀) der Last (RL) größer ist als der positive Wert (+VREF₂) der zweiten Bezugsspannung, bedingen das Ausgangs­ signal (S₂) vom Komparator (CMV₂) und das Ausgangssignal (R₄) vom Spannungskomparator (CMV₄) die Zuschaltung der bistabilen Kippschaltung (FF₂) und also über die Verbindung 15 wieder die Betätigung des Schalters (SW).

Aus dem oben genannten geht hervor, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Schutz vor Kurzschlüssen deutlich zwischen einem Kurzschluß und dem Normalbetrieb unterscheidet und dabei keine Begrenzungen des Ausgangsstroms vom Verstärker im Normalbetrieb erfordert.

Wie dies von Technikern sehr geschätzt werden wird, kann die Vorrichtung auch dann verwendet werden, wenn die Last (RL) zum Teil reaktiv ist, wobei in diesem Fall nur die Werte der ersten Bezugsspannung (VREF₁), die mit dem in den Transistoren maximal zulässigen Strom (Imax) bei Kurzschlüssen zusammenhängt, und der zweiten Bezugsspannung (VREF₂) entsprechend gewählt werden müs­ sen, um nicht gewollte Eingriffe der Schutzvorrichtung auszu­ schließen.

Im Rahmen des Schutzumfangs der Ansprüche können die Materialien und Komponenten der Schutzvorrichtung und die Schutzvorrichtung selbst durch Varianten und Änderungen an einsatzspezifische Erfordernisse angepaßt werden.

Claims (3)

1. Vorrichtung zum Schutz vor Kurzschlüssen in der Gegentakt- Endstufe von Niederspannungsverstärkern, bei denen ein erster Transistor (T₁) zwischen dem Pluspol (+Vcc) der Versor­ gungsspannung und einer Lastklemme (2) und ein zweiter Transistor (T₂) zwischen dem Minuspol (-Vcc) der Versor­ gungsspannung und derselben Lastklemme (2) und die andere Lastklemme an Masse angeschlossen sind, gekennzeichnet durch einen ersten Stromfühler (SI₁) zur Messung des Stroms im ersten Transistor (T₁), einen zweiten Strom­ fühler (SI₂) zur Messung des Stroms im zweiten Transistor (T₂), jeweils einen Strom-Spannungs-Umformer (CV₁ bzw. CV₂) für die Erzeugung von Spannungssignalen (V₁ bzw. V₂), welche den von den Fühlern (SI₁, SI₂) gemessenen Stromstärken entsprechen, einen ersten Spannungskomparator (CMV₁) für den Vergleich des vom ersten Umformer (CV₁) erzeugten Spannungssignals (V₁) mit einer festgelegten positiven Bezugsspannung (+VREF₁), einen zweiten Spannungskomparator (CMV₂) für den Vergleich des vom zweiten Umformer (CV₂) erzeugten Spannungssignals (V₂) mit derselben festgelegten Bezugsspannung (+VREF₁), wobei der erste und der zweite Spannungskomparator entsprechende Ausgangssignale (S₁, S₂) ausgeben, wenn eines der beiden Spannungssignale (V₁, V₂) über der vorher festgelegten positiven Bezugsspannung (+VREF₁) liegt, einen dritten (CMV₃) und vierten (CMV₄) Spannungskomparator für den Vergleich des aktuellen Werts der Spannung (V₀) an der Lastklemme (2) mit dem negativen oder positiven Wert einer zweiten festgelegten Bezugsspannung (VREF₂), wobei der dritte und vierte Spannungskomparator (CMV₃, CNV₄) je nachdem, ob der absolute, aktuelle Spannungswert (V₀) an der Lastklemme (2) höher ist als der absolute Wert der zweiten festgelegten Bezugsspannung (VREF₂), entsprechende Ausgangssignale (R₃, R₄) ausgeben, eine erste bistabile Kippschaltung (FF₁), die durch die Ausgangssignale (S₁, R₃) vom ersten (CMV₁) und vom dritten (CMV₃) Spannungs­ komparator aktiviert wird, wenn beide Ausgangssignale vor­ handen sind, eine zweite bistabile Kippschaltung (FF₂), die durch die Ausgangssignale (S₂, R₄) vom zweiten (CMV₂) und vom vierten (CMV₄) Spannungskomparator aktiviert wird, wenn beide Ausgangssignale vorhanden sind und einen Schalter (SW) im Versorgungskreis des Verstärkers (1), der durch die Ausgangssignale aus einer der beiden bistabilen Kippschaltungen kontrolliert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der ersten festgelegten Bezugsspannung (+VREF₁) des ersten und zweiten Spannungskomparators den Wert des maximalen Stroms (Imax) angibt, der von einem der Tran­ sistoren (T₁, T₂) der Gegentakt-Endstufe des Verstärkers bei einem Kurzschluß des anderen Transistors abgegeben werden kann.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der absolute Wert der zweiten festgelegten Bezugsspannung (VREF₂) des dritten und vierten Spannungskomparators den Wert der Versorgungsspannung in der Endstufe des Verstärkers nicht übersteigt.