FI58414C - Kortslutnings- och oeverbelastningsskyddsanordning foer en med halvledarelement foersedd foerstaerkare - Google Patents

Description

f5HF^ rB] (11)KUULUTUSJULKAISU COAAA

l J ' ; UTLAGGNINGSSKRIFT 0 0 4 I 4

Patent mcJdelat (S1) Kv.ik?/!iK.ci.3 H 02 H 7/20 SUOMI —FINLAND (#) 750H65 (22) HtkaniitpUv· — Anaftlcnlnpdtg 19-02-75 (23) AHnipttvt—eiWgtimdaf 19-02-75 (41) Tulhit JulklMlcsl — Bllvlt offwtHf 02-09-75

Patentti· j. rekisterihallitus NfttMtoip™ kuuLjuliui^ pvm—

Patent- och registarstyrelsan AmBfam uttafd och uti.tkrMUn pubiinrad 30-09-80

(32)(33)(31) Pyydetty «tuolkaM—B«glrt priority 01.03.7U

Saks an Li itt ot as avalt a-Förbundsrepubliken Tyskland(DE) P 2U09798.1 (71) Neumann Elektronik GmbH, Biilowstrasse IOU-IIO, ^33 Miilheim/Ruhr,

Saksan Liittotasavalta-Förbundsrepubliken Tyskland(DE) (72) Lothar Bartoleit, Miilheim/Ruhr, Walter Herrmann, Miilheim/Ruhr,

Saksan Liittotasavalta-Förbundsrepubliken Tyskland(DE) (7*0 Oy Kolster Ab (5*0 Oikosulku- ja ylikuormitussuojalaite puolijohde-elementeillä varustettua vahvistinta varten - Kortslutnings- och överbelastningsskydds-anordning för en med halvledarelement försedd förstärkare

Keksinnön kohteena on oikosulku- ja ylikuormitussuojalaite puolijohde-elementeillä varustettua vahvistinta varten. Tällaiset laitteet ovat eri suoritusmuotoina sinänsä tunnettuja. Niiden täytyy yleensä olla hyvin herkkiä ja häiriötapauksessa reagoida nopeasti, jotta perään kytketty puolijohdevahvistin tai elektroninen kytkin kytkeytyy päältä, ennen kuin tehopuolijohteet vahingoittuvat.

Tunnettuja ovat laitteet, joissa vahvistimen virrantulojohtoon on kytketty kytkinelin, jota ohjataan histäbiilien kytkinelementtien avulla. Näillä laitteilla on se haitta, että ne laukeavat ja ne täytyy kytkeä uudelleen myös hyvin lyhytaikaisissa ylikuormitustapauksissa (kapasiteettejä, hehkulamppuja kytkettäessä tai vahvistimien ohjauksen lyhytaikaisesti lakatessa). Tämä on osoittautunut suureksi epäkohdaksi esim. ilman henkilökuntaa toimivissa vahvistinkeskuksissa, lähettiläissä jne., koska täytyy suorittaa joko käsinkytkentä tai turvautua kalliiseen aikaohjsukseen.

5841 4

Edelleen ovat tunnettuja ylikuormitussuojalaitteet, Jotka on varustettu virranrajoituslaitteella, Joka muuttaa koko hukkatehon lämmöksi. Sellaisissa lait" teissä tarvitaan kuitenkin suuria jäähdytyskappaleita, Joita ison kokonsa vuoksi on mahdoton käyttää esim. pienikokoisissa useilla suojattavilla virtapiireillä varustetuissa viestintäkeskuksissa.

Edelleen ovat tunnettuja laitteet, joiden tehopääteasteiden jäähdytyskap-paleet on varustettu lämmöntuntoelimillä, Ja Jotka alentavat vahvistimen sisääntulot asoa niin paljon, että vältetään pääteasteen liiallinen kuumeneminen. Tämän laitteen epäkohtana on se, että ylikuormitusta ei heti huomata, koska vahvistin toimii edelleen, jolloin ei voida havaita, onko ulkoinen vai sisäinen vika sisään" tulotason alenemisen syynä. Koska käyttöjännite on edelleen olemassa, ei pääteasteen täyskäyttöä varmasti voida estää, niin että suojalaitteista huolimatta voi seurata rikkoontuminen.

Tunnettujen laitteiden lisähaittana on myös se, etteivät ne toimi vahvistimen sisäisillä oikosuluilla, millä seikalla useimmiten on vahingolliset seuraukset .

Käytännössä on ilmennyt, ettei varsinkaan vahvistimissa, jotka on sovitettu liikennevälineiden ohjauslaitteisiin ja teollisuudessa, aina päde tarkasti nimel-liskuormitus että ylikuormituksen täytyy olla mahdollinen (hätäkutsut, kouluttamaton henkilökunta jne.); ja että pitkät käyttökohteeseen johtavat tulojohdot synnyttävät suuria kapasitiivisia kuormituksia. Nämä ominaisuudet johtavat tunnetuissa laitteissa myös silloin, kun yllämainitussa ylikuonnitustapauksessa pääteasteet eivät vielä ole saavuttaneet termisiä ylikuormitusrajojaan, tunnettujen ylikuormi-tussuojalaitteiden laukeamiseen ja siten tarpeettomiin käyttöhäiriöihin. Ainoa tunnettu mahdollisuus käyttöhäiriöiden estämiseksi on käyttää hyvin korkean loppute-hon omaavaa vahvistinta, mutta se tuo mukanaan suuremman tilantarpeen ja kohonneet käyttökustannukset.

Keksinnön tarkoituksena on tunnetuista laitteista lähtien saada aikaan oikosulku- ja ylikuormitussuojalaite, jolla vältetään tunnettujen laitteiden edellä mainitut epäkohdat, ta. laite, joka toimii korkealla laukeamisherkkyydel-lä jatkuvasti niin, että vielä häiriötapauksessakin vahvistin pysyy sikäli toimintakykyisenä, että erittäin tärkeät ja lyhyet tiedonannot (hätäkutsut) voidaan antaa eivätkä tilapäiset oikosulut johda laitteiston toiminnan katkeamiseen, vaan että laitteisto jonkin ajan kuluttua laitteen avulla otetaan jälleen täysin käyttöön. Edelleen laitteen tulee olla rakenteeltaan yksinkertainen ja mahdollinen koota tilansäästämiseksi erittäin pieneen tilaan ja sen tulee olla varmakäyttöi-nen.

3 58414 Tämän tehtävän ratkaiseminen oikosulku- ja ylikuormitussuojalaitteella puolijohde-elementeillä varustettua vahvistinta varten, joka on varustettu vahvistimen virransyöttöjohtoon kytketyllä säätötransistorilla, jonka emitteri-kollektori liitoksen eteen on sovitettu mittavastus, jonka jännitteen pudotus virran voimakkuudesta riippuvaisesti toimii säätötransistorin ohjauksena ja johon on rinnan vahvistimen virtajohtimien kanssa kytketty kaksi jännitteenjakajaa, joista ensimmäisen yhdessä haarassa on säätötransistorin kanssa termisesti kytketty korkean lämpötila-kertoimen omaava vastus ja jonka ensimmäisen jännitteenjakajan molempien haarojen yhtymäkohta on yhdistetty ohjaustransistorin yli säätötransistorin kannalle, jolloin toisen jännitteenjakajan molempien haarojen yhtymäkohta, jonka jännitteenjakajan yli mittavastuksen jännitteen pudotus vaikuttaa, on yhdistetty toisaalta säätö-transistorin kannalle ja toisaalta ohjaustransistorin ulostuloon. Tälle laitteelle on tunnusomaista, että mittavastus on sovitettu säätötransistorin ja molempien jän-nitteenjakajien virtajohtimen kanssa muodostamien yhtymäkohtien väliin, että toisen jännitteenjakajan ainakin toisessa haarassa on diodi tai diodiketju ja että ensimmäisen ja toisen jännitteenjakajan molempien haarojen yhtymäkohdat on ohjaus-asteen yli kytketty säätötransistorin kannalle.

Keksinnön kohteen erittäin edullisessa suoritusmuodossa on ensimmäisen jännitteenjakajan korkean lämpötilakertoimen omaava vastus lisäksi kytketty termisesti vähintään vahvistimen kuormitusasteen tai vahvistimen kuormitusasteiden puolijohde-elementtien yhden osan kanssa. Korkealla lämpötilakertoimella varustettuna vastuksena voidaan tällöin käyttää esim. PTC-vastusta tai NTC-vastusta.

Edelleen on osoittautunut tarkoituksenmukaiseksi , että ylikuormitustilan ilmaisemiseksi ohjaustransistorin ja kytkinelimen ohjaussisääntulon väliin on sovitettu luminisenssidiodi·

Edelleen voi ylikuormitustilan ilmaisimena toimia toiseen jännitteenjakajaan sovitettu luminisenssidiodi.

On osoittautunut, että keksinnön mukaisesti voidaan keksinnön mukaista laitetta käyttää lisäksi katkaisijana vahvistinta tai kulutuslaitetta varten.

Tämä tapahtuu siten, että ainakin yhteen jannitteenjakajien kulloinkin siihen haaraan, joka ylikuormitustapauksessa osoittaa korkeamman vastusarvon, on sovitettu virrankulun katkaiseva kytkin.

Kytkimen sijoittamisesta on tässä tapauksessa se suuri etu, että kytkimen kautta virtaa ainoastaan murto-osa virrasta, jota virtaa virransyöttöjohdossa.

Yllä selitetyllä kytkimen järjestelyllä simuloidaan kytkimen toimiessa ylikuor-mitustapaus ja laitteisto kytkeytyy pois toiminnasta. Tämä suoritusmuoto on sangen edullinen, koska hyvin heikosti kuormitettavilla kytkimillä voidaan kaikissa olosuhteissa kytkeä toimintaan ja toiminnasta pois hyvin suuria tehoja. Luonnollisesti voidaan kytkin korvata elektronisella kytkinpiirillä, esim. magneto-elektronisella tai optielektronisella kytkinpiirillä.

k 58414

Keksinnön mukaisella laitteella on se suuri etu, että vahvistinta voidaan käyttää ihanteellisessa käyttölaajuudessa, koska impulssien, purkauksien jne. aiheuttamat virtahuiput jäävät tehottomiksi. Laite kestää tilapäisen ylikuormituksen. Lyhytaikaisesti voidaan antaa korkeampi, lähes kaksinkertainen teho. Kapa-sitiivinen tai induktiivinen lisäkuormitus, jota ei voida estää ohjauskäytössä ei johda tarpeettomaan irtikytkeytymiseen.

Keksinnön mukaista laitetta voidaan käyttää sekä matalajaksoisissa että myös suurjaksoisissa vahvistimissa, kytkinvahvistimissa ja muissa puolijohteilla varustetuissa elektronisissa laitteissa.

Seuraavassa selitetään lähemmin keksinnön kohteen suoritusmuotoesimerkkejä oheiseen piirustukseen viitaten.

Kuvio 1 esittää kytkentäkaaviota oikosulku- ja ylikuormituslaitetta varten.

Kuviot 2 ja 3 esittävät kuvion 1 mukaisen suoritusmuodon muunnelmia.

Kuten kuviosta 1 havaitaan, vahvistimena 1 esitettyä kulutuslaitetta ohjaa puolijohdevahvistin 2, joka virransyöttöjohdon 3 kautta on liitetty virtalähteeseen 6. Virransyöttöjohtoon 3 on kytkinelimeksi kytketty transistori H ja vastus 5. Transistoria k ohjataan ohjausasteen 9 avulla. Rinnan virransyöttöjohdon kanssa on kytketty ensimmäinen diodiketjun 13 ja vastuksen 10 käsittävä jän-nitteenjakaja ja toinen vastukset 7 ja 12 käsittävä jännitteenjakaja. Vastus 7 on tällöin tehty lämpötilantuntoelimeksi , ja tuntoelimen, transistorin U ja vahvistimen 2 välillä on terminen kytkentä, mikä kuviossa 1 on esitetty pistekat-koviivalla 8. "Termisellä kytkennällä" tulee tässä tapauksessa ymmärtää rakenneosien välitöntä lämpöliitosta. Siten voivat esim. vahvistin 2, transistori 1+ ja tuntoelin 7 olla sovitetut yhteiselle kuparilaatalle. Osat voivat olla sovitetut myös erillisille lämmönjohtoelimille, jolloin lämmönsiirto toimii termisten integroitujen elinten avulla.

Transistorin 9 kanta on liitetty toisaalta diodiketjun 13 ja vastuksen 10 väliseen pisteeseen ja toisaalta transistorin 11 kollektoriin, jonka transistorin kanta on liitetty vastuksien 7 ja 12 väliseen pisteeseen. Transistorin 11 emitteri on liitetty virransyöttöjohtoon.

Vastus 10 on niin mitoitettu, että transistori 9 ja siten myös transistori U ovat virtaa johtavassa tilassa. Transistori 11 on lepotilassa virtaajohtamaton koska tuntoelin 7 normaalitilassa, ts. vahvistimen 2 ja kytkinelementin H ollessa kylminä, on pienohminen, ts. vastus 12 on mitoitettu niin suurohmiseksi, että transistorin 11 kantajännite ei riitä saattamaan transistoria 11 virtaajohtavaan tilaan.

Jos vahvistimessa 2 syntyy oikosulku, niin virtalähteestä 6 tulee transistorin H ja vastuksen 5 kautta liian korkea virta, joka aiheuttaa vastuksessa 5 jännitteenputoamisen, joka on suurempi kuin diodiketjun 13 kynnysjännite. Täten 5 58414 muuttuu transistorin 9 kannassa oleva jännite niin, että transistori 9 ja siten myös transistori U muuttuvat sen verran johtamattomiksi, että suurinta sallittua virtaa transistorin U läpi ei ylitetä. Transistorissa b ei ole erikoisen suurta jäähdytyspintaa ja siksi se lämpenee nopeasti, mistä seuraa, että termisen kytkennän 8 välityksellä tuntoelin 7 lämpenee, joten sen vastus suurenee. Saavutettaessa tietty, kytkennän rakenteen määräämä arvo transistori 11 kytkeytyy virtaajohtavaan tilaan, mistä seuraa, että transistorit 9 ja b tulevat täydelliseen stabiiliin sulkutilaan. Transistorin t jäähdyttyä tutkii kytkentä, onko oikosulkua vielä olemassa, ja koko tapahtuma alkaa uudestaan.

Jos vahvistinta 2 jatkuvasti ylikuormitetaan jälleen kytkemisellä tai kuorman 1 liian pienellä impedanssilla, niin vahvistimen 2 pääteasteen jäähdytyskap-pale lämpenee. Termisen kytkennän 8 avulla lämmitetään tuntoelin 7 ja jälleen transistorit 11, 9 ja kytkevät vahvistimen toiminnasta mahdollisesti niin pitkäksi aikaa, kunnes sen lämpötila on laskenut annetun ylimmän arvon alapuolelle.

Jotta ulkopuolelta voidaan havaita, toimiiko laite ylikuormituskäytössä vai onko se jo kytkeytynyt pois toiminnasta, on tarkoituksenmukaista sovittaa ilmaisin-laitteita, jotka ilmaisevat nämä molemmat tilat.

Kuviossa 2 on esitetty kuvion 1 mukaisen kytkennän osa, jolloin kuvion 1 mukaisen kytkennän diodiketju 13 on korvattu luminisenssidiodilla lU.

Kuvio 3 esittää samoin kuvion 1 mukaisen kytkennän osaa, jolloin diodiket-jun 13 toiseen jännitteenjakajaan on lisätty toinen diodiketju 15, ja transistori 11 on luminisenssidiodin 16 kautta liitetty vastukseen 10. Tällöin diodiketjulla 15 kompensoidaan potentiaaliero, jonka luminisenssidiodi 16 tuottaa transistorin 11 kollektorin ja vastuksen 10 välillä.

Koko laitteen katkaisemiseksi ja kytkemiseksi voi toimia kytkin, jota ei ole esitetty ja joka on kytketty vastuksen 10 tulojohtoon tai tuntoelimen 7 tulojoh-toon.

Helposti havaitaan, että esitetyssä laitteessa tilapäiset oikosulut eivät voi johtaa laitteiston toiminnan lopulliseen katkeamiseen, koska laite jonkin ajan kuluttua, joka aika pienten jäähdytyspintojen vuoksi voi olla erittäin lyhyt, kytkee laitteiston jälleen toimintaan.

Sen vuoksi, ettei transistori b tarvitse erityisen suuria jäähdytyspintoja, laite voi olla useassakin muodossa koottu erittäin pieneen tilaan tarvitsematta pelätä laajojen lämpönapojen syntymistä, mikä tiivisrakenteisissa viestintäko-jeissa on erityinen etu.

Claims (5)

1. 6 58414
2. 1. Oikosulku- ja ylikuormitussuojalaite puolijohde elementeillä varustettua vahvistinta (2) varten, joka on varustettu vahvistimen virransyöttöjohtoon kytketyllä säätötransistorilla (U), jonka emitteri-kollektori liitoksen eteen on sovitettu mittavastus (5)» jonka jännitteen pudotus virran voimakkuudesta riippuvaisesti toimii säätötransistorin ohjauksena ja johon on rinnan vahvistimen virtajohtimien kanssa kytketty kaksi jännitteenjakajaa (7, 12 ja 13, 10), joista ensimmäisen yhdessä haarassa on säätötransistorin [h) kanssa termisesti kytketty korkean lämpötilakertoimen omaava vastus (7) ja jonka ensimmäisen jännitteenjakajan molempien haarojen yhtymäkohta on yhdistetty ohjaustransistorin (li) yli säätötransistorin (1*) kannalle, jolloin toisen jännitteenjakajan (13, 10) molempien haarojen yhtymäkohta, jonka jännitteenjakajan yli mittavastuksen (5) jännitteen pudotus vaikuttaa, on yhdistetty toisaalta säätötransistorin (1+) kannalle ja toisaalta ohjaustransistorin (li) ulostuloon, tunnettu siitä, että mittavastus (5) on sovitettu säätötransistorin (H) ja molempien jännitteenjakajien (7, 12 ja 13, 10) virtajohtimen (3) kanssa muodostamien yhtymäkohtien väliin, että toisen jännitteenjakajan ainakin toisessa haarassa on diodi tai diodiketju (13, li*) ja että ensimmäisen ja toisen jännitteenjakajan (7, 12 ja 13, 10 tai lU, 10) molempien haarojen yhtymäkohdat on ohjausasteen (9) yli kytketty säätötransistorin (1*) kannalle .
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että ensimmäisen jännitteenjakajan korkean lämpötilakertoimen omaava vastus (7) on lisäksi kytketty termisesti vähintään vahvistimen ( 2) kuormitusasteen tai vahvistimen kuormitusasteiden puolijohde-elementtien yhden osan kanssa.
4. 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen laite, tunnettu siitä, että ylikuormitustilan ilmaisimena sinänsä tunnetulla tavalla toimii ohjaustransistorin (li) ja säätötransistorin (1+) kännein väliin kytketty luminisenssidiodi (l6). 1*. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen laite, tunnettu siitä, että ylikuormitustilan ilmaisimena sinänsä tunnetulla tavalla toimii toiseen jännitteen jakajaan sovitettu luminisenssi diodi (lM.
5. 5. Jonkin patenttivaatimuksen l-i+ mukainen laite, tunnettu siitä, että ainakin yhteen jännitteenjakajien (10, 13 tai 7, 12) kulloinkin siihen haaraan, joka ylikuormitustapauksessa osoittaa korkeamman vastusarvon, on sovitettu virrankulun katkaiseva kytkin.