NL192708C - Kortsluitbeveiliging. - Google Patents

Description

1 192708

Kortsluitbeveiliging

De uitvinding heeft betrekking op een kortsluitbeveiliging voor een versterker, en meer in het bijzonder op een inrichting voor het tegen kortsluiting beveiligen van de eindtrap van een vermogensversterker van het 5 balanstype ("push-pull”), welke vermogensversterker werkt op een laagspanningsbron en twee transistoren omvat, waarvan een eerste transistor is verbonden tussen de positieve pool van de voedingsspanning en een klem van de belasting, en waarvan een tweede transistor is verbonden tussen de negatieve pool van de voedingsspanning en genoemde klem van de belasting, terwijl de andere klem van de belasting aan massa of aarde ligt.

10 Zoals bekend zijn vermogensversterkers van het bovengenoemde type dikwijls verbonden met in hoofdzaak resistieve belastingen waarvan de weerstand minder dan 2 ohm kan bedragen, teneinde een hoog uitgangsvermogen te verschaffen. Bij gevolg moet de versterker aan die belasting een zeer hoge stroom kunnen leveren, welke stroom anderzijds moet blijven binnen de door genoemde transistoren maximaal toegelaten grenzen.

15 Om de versterker te beschermen tegen kortsluiting, is het bekend om deze te voorzien van een inrichting die is ingericht om een kortsluittoestand te detecteren en bij het optreden van een kortsluittoestand de spanningstoevoer naar de versterker vermindert of onderbreekt. Daarbij zijn verschillende principes bekend voor dergeiijke kortsluitbeveiligingen, die echter geen van alle bevredigend zijn. Zo is bijvoorbeeld een kortsluitbeveiliging bekend die de uitgangsstroom van de versterker naar de belasting meet en de voeding 20 van de versterker uitschakelt wanneer de gemeten stroom een ingestelde drempelwaarde nabij de maximaal toelaatbare stroomsterkte bereikt. Een nadeel van deze benadering is, dat de kortsluitbeveiliging zelfs onder normale omstandigheden in werking kan treden en de versterker uitschakelt bij weliswaar hoge uitgangs-stromen maar in een situatie dat er geen kortsluiting is. Anderzijds kan een kortsluitbeveiliging die volgens dit principe werkt, niet in werking treden indien de uitgang van de versterker zelf is kortgesloten naar de 25 positieve of negatieve pool van de voedingsspanning, waarbij hoge en gevaarlijke stroompieken in de eindtransistoren kunnen optreden.

Het Amerikaanse octrooischrift 4.644.288 beschrijft een kortsluitbeveiligingsinrichting voor een versterker van het genoemde type, die twee detectoren omvat voor het detecteren van de in elk van de transistoren van de versterker vloeiende stroom. De uitgangssignalen van die detectoren worden onderworpen aan een 30 EN-bewerking, en de voeding van de versterker wordt onderbroken indien in beide transistoren tegelijkertijd een te hoge stroom wordt gedetecteerd, hetgeen wordt aangeduid als ’’common mode”. Een dergelijke beveiliging is echter alleen maar geschikt voor het detecteren van ’’common mode” foutsituaties, en zal niet aanspreken indien genoemde klem van de belasting door externe oorzaken wordt kortgesloten.

De Britse octrooiaanvrage 2.027,307 beschrijft een kortsluitbeveiligingsinrichting voor een versterker van 35 het genoemde type, waarbij echter de tweede transistor niet is verbonden met een negatieve voedingsspanning maar met aarde. De kortsluitbeveiligingsinrichting omvat twee detectorketens: een eerste detectorketen detecteert de spanning over en de stroom door de eerste transistor teneinde het werkpunt van deze transistor te bepalen, en geeft een logisch uitgangssignaal ”1” of ”0” in afhankelijkheid daarvan, of dat werkpunt zich al dan niet binnen een voorafbepaald werkgebied bevindt. Een tweede detectorketen 40 detecteert het gelijkspanningsniveau bij de uitgangsklem van de versterker, en geeft een uitschakelsignaal indien dit gelijkspanningsniveau gelijk is aan aardpotentiaal. Een bezwaar van deze bekende inrichting is, dat de eerste detectorketen voor het bepalen of het werkpunt zich al dan niet binnen een voorafbepaald werkgebied bevindt, betrekkelijk complex is, terwijl de inrichting niet bruikbaar is voor versterkers die werken op positieve en negatieve voedingsspanning.

45 De uitvinding beoogt een kortsluitbeveiligingsinrichting voor een versterker van het eerder genoemde type te verschaffen, die tijdens normale bedrijfsomstandigheden geen beperkingen oplegt aan de optredende uitgangsstroom, en die met hoge betrouwbaarheid een scherp onderscheid maakt tussen normale bedrijfsomstandigheden en een kortsluitsituatie.

Daartoe omvat de kortsluitbeveiligingsinrichting volgens de uitvinding: een eerste stroomaftastinrichting 50 die responsief is op de door de eerste transistor vloeiende stroom; een eerste stroom/spanningomzetter voor het verschaffen van een eerste spanningssignaal dat indicatief is voor de door de eerste stroomaftastinrichting gemeten stroomsterkte; een tweede stroomaftastinrichting die responsief is op de door de tweede transistor vloeiende stroom; een tweede stroom/spanningomzetter voor het verschaffen van een tweede spanningssignaal dat indicatief is voor de door de tweede stroomaftastinrichting gemeten stroomsterkte; een 55 eerste spanningsvergelijkingsinrichting voor het vergelijken van het eerste spanningssignaal van de eerste stroom/spanningomzetter met een eerste ingestelde positieve referentiespanning en voor het verschaffen van een eerste uitgangssignaal indien het eerste spanningssignaal de eerste ingestelde positieve referentie- 192708 2 spanning overschrijdt; een tweede spanningsvergelijkingsinrichting voor het vergelijken van het tweede spanningssignaal van de tweede stroom/spanningsomzetter met de genoemde eerste ingestelde positieve referentiespanning en voor het verschaffen van een tweede uitgangssignaal indien het tweede spanningssignaal de eerste ingestelde positieve referentiespanning overschrijdt; derde en vierde spanningsvergelij-5 kingsinrichtingen voor het vergelijken van de instantane waarde van de aan de belasting aangelegde spanning met respectievelijk de negatieve en de positieve waarde van een tweede ingestelde positieve referentiespanning, en voor het verschaffen van derde respectievelijk vierde uitgangssignalen in overeenstemming met de situatie of de absolute waarde van genoemde instantane waarde al dan niet de absolute waarde van genoemde tweede ingestelde positieve referentiespanning overschrijdt; een eerste bistabiele 10 keten die is verbonden om te worden geactiveerd door de eerste en derde uitgangssignalen van respectievelijk de eerste en derde spanningsvergelijkingsinrichtingen wanneer beide verschaft worden; een tweede bistabiele keten die is verbonden om te worden geactiveerd door de tweede en vierde uitgangssignalen van respectievelijk de tweede en vierde spanningsvergelijkingsinrichtingen; en een in de voedingsketen van de te beveiligen versterker opgenomen omschakelaar die kan worden bestuurd door één van de uitgangs-15 signalen van de bistabiele ketens.

De uitvinding zal onderstaand nader worden toegelicht onder verwijzing naar de tekening waarin schematisch een voorkeursuitvoeringsvorm van een beveïligingsinrichting tegen kortsluiting volgens de uitvinding is weergegeven.

20

In de tekening is de eindtrap van de versterker 1 weergegeven als omvattende de transistoren T, en T2, die volgens een normale balansschakeling zijn verbonden. De transistor T, bijvoorbeeld van het n-p-n-type is met de collector en emitter daarvan tussen de positieve pool +Vcc van de voedingsspanning en de klem 2 van een belasting RL verbonden, waarvan de andere klem 3 op een conventionele wijze is geaard.

25 De andere transistor T2 bijvoorbeeld van het type p-n-p-type, is met de collector en emitter daarvan tussen de negatieve pool -Vcc van de voedingsspanning en dezelfde klem 2 van de belasting RL verbonden.

De bases van de transistoren T-, en T2 zijn verbonden met de resterende schakeling van de versterker, welke hier niet is weergegeven omdat deze conventioneel is en voor de uitvinding niet van belang is.

30 Volgens de uitvinding omvat de inrichting een eerste stroomaftastinrichting SI,, welke via de schematische functionele koppeling 4 de stroom aftast, welke door de eerste transistor T, vloeit, en een tweede stroomaftastinrichting Sl2, welke de stroom aftast, die door de transistor Tz vloeit en wel door middel van de schematische functionele koppeling 5.

Met de eerste stroomaftastinrichting SI, en de tweede stroomaftastinrichting Sl2 werken respectieve 35 stroom-spanningsomzetters van bekende type samen, welke zijn aangegeven bij CV! en CV2. De omzetters CV., en CV2 emitteren respectieve spanningssignalen V, en V2, welke indicatief zijn voor de stroomwaarden, die bij de respectieve transistoren T-, en T2 door de aftastinrichtingen SI, en Sl2 zijn afgetast.

De bovengenoemde stroom-spanningsomzetters CV, en CV2 zijn via respectieve schematische functionele koppelingen 6 en 7 verbonden met respectieve operationele spanningsvergelijkingsketens CMV, 40 en CMV2, waarin de spanningssignalen V, en V2 worden vergeleken met een eerste ingestelde positieve referentiespanning +VREF., welke zodanig is gekozen dat deze indicatief is voor de maximale stroom Imax, die vanuit een van de transistoren T, of T2 wordt geleverd wanneer de andere wordt kortgesloten.

De beveïligingsinrichting volgens de uitvinding omvat voorts derde en vierde operationele spanningsvergelijkingsketens, welke op zichzelf bekend zijn en bij CMV3 en CMV4 zijn aangegeven.

45 De spanningsvergelijkingsinrichtingen CMV3 en CMV4 zijn via respectieve koppelingen 8 en 9 met de klem 2 van de belasting RL verbonden, waardoor zij de instantane waarde van de aan de belasting RL aangelegde spanning Vo aftasten.

De spanningswaarde Vo wordt wat betreft het teken daarvan, zoals later zal worden toegelicht, en via de spanningsvergelijkingsinrichting CMV3 of CMV4 vergeleken met een tweede referentiespanning VREF2, 50 waarvan de absolute waarde de waarde van de voedingsspanning van de versterker niet overschrijdt.

De vergelijkingsinrichtingen CMV, en CMV3 zijn via respectieve lijnen 10 en 11 verbonden met een eerste bistabiele keten of flip-flop FF,, terwijl de spanningsvergelijkingsinrichtingen CMV2 en CMV4 via respectieve lijnen 12 en 13 zijn verbonden met een tweede bistabiele keten of flip-flop FF2.

De uitgangen van de flip-flops FF, en FF2 zijn via respectieve lijnen 14 en 15 verbonden met een 55 omschakelaar SW, die op zijn beurt via de schematische functionele koppeling 16 met de voedingsketen van de versterker 1 is verbonden.

De inrichting volgens de uitvinding werkt als volgt.

3 192708

Wanneer wordt aangenomen, dat de transistor T2 wordt kortgesloten, tast de aftastinrichting SI-, de stroom af, welke door de transistor T, vloeit. Deze stroom wordt door de omzetter CV, omgezet in een overeenkomstig spanningssignaal en het spanningssignaal V,, dat uit de omzetter afkomstig is, wordt via de koppeling 6 toegevoerd aan de spanningsvergelijkingsinrichting CMV,, waarin het signaal met de referentie-5 spanning +VREF, zal worden vergeleken.

Aangezien de referentiespanning VREF, de stroomwaarde Imax voorstelt, welke door de transistor T, in het geval van een kortsluiting in de versterker kan worden geleverd, indien het spanningssignaal V, groter is dan deze referentiespanning, zal de vergeiijkingsinrichting CMV, een uitgangssignaal S, leveren, dat via de lijn 10 aan de flip-flop FF, wordt toegevoerd.

10 De referentiespanning +VREF,, welke zoals vermeld, de toelaatbare stroom uit de transistoren in het geval van een kortsluiting in de versterker voorstelt, kan zodanig worden gekozen, dat deze een stroomwaarde voorstelt, die aanmerkelijk lager ligt dan de maximale stroom, welke vanuit de balanstrap aan de belasting onder normale bedrijfsomstandigheden moet worden toegevoerd. Derhalve wordt belet, dat de beveiligingsinrichting wordt getriggerd zoals het geval is bij de conventionele inrichtingen, zelfs in aanwezig-15 heid van grote belastingsstromen tengevolge van normale bedrijfsomstandigheidsfactoren.

In de bovenbeschreven situatie wordt de flip-flop FF, nog niet in een toestand gebracht, waarbij de schakelaar SW wordt beïnvloed; in wezen moet aan een verdere voorwaarde worden voldaan. Indien, zoals boven is vermeld, de kortsluiting optrad bij de transistor T2, zal de potentiaal in het knooppunt 2 de neiging hebben om dezelfde waarde aan te nemen als die van de negatieve pool van de voedingsbron -Vcc.

20 De werkelijke spanning, die in dat knooppunt optreedt, wordt via de koppeling 8 toegevoerd aan de vergeiijkingsinrichting CMV3, waarin de spanning wordt vergeleken met de negatieve waarde -VREF2 van de tweede referentiespanning. Laatstgenoemde referentiespanning wordt zodanig gekozen, dat deze in absolute waarde niet groter is dan de waarde van de versterkervoedingsspanning Vcc.

Wanneer bij het vergelijken van de spanning Vo met de tweede referentiespanning VREF2 de absolute 25 waarde van de eerste de absolute waarde van de laatste overschrijden - bij het weergegeven voorbeeld Vo<-VREF2 - dan zal op de uitgang van de vergeiijkingsinrichting CMV3 een signaal R3 optreden, dat via de koppeling 11 aan de flip-flops FF, wordt toegevoerd.

In aanwezigheid van de beide signalen S, en R3 zal de flip-flop FF, van toestand veranderen. Het uitgangssignaal daarvan zal via de koppeling 14 de werking van de schakelaar SW besturen, welke op zijn 30 beurt de voedingsbron van de versterker 1 via het verbindingsorgaan 16 beïnvloedt teneinde deze uit te schakelen of in een wachttoestand te brengen.

De toestand van de flip-flop FF, blijft ongewijzigd zelfs in afwezigheid van het signaal S,, dat met de stroom is gerelateerd, tengevolge van het feit, dat de voedingsstroom tot nul afneemt doordat bij kortsluit-toestand voort duurt. De flip-flop FF, zal in feite alleen dan naar de andere toestand overgaan, waardoor de 35 versterker via de omschakelaar SW wordt bekrachtigd, indien een terugstelcommando wordt ontvangen, dat, bij het weergegeven voorbeeld, optreedt wanneer de spanning Vo onder de referentiespanning VREF2 afneemt, dat wil zeggen wanneer de kortsluittoestand is opgeheven. Een soortgelijke bedrijfsmode vindt plaats in het geval, dat de kortsluittoestand de transistor T, beïnvloedt. In dat geval zal wanneer wordt voldaan aan de voorwaarde, dat de stroom door de transistor T2 de maximaal toelaatbare stroom over-40 schrijdt, waarmede de eerste referentiespanning VREF, overeenkomt, en de spanning Vo op de belasting RL de positieve waarde +VREF2 van de tweede referentiewaarde overschrijdt, het uitgangssignaal S2 uit de vergeiijkingsinrichting CMV2 en het uitgangssignaal R4 uit de spanningsvergelijkingsinrichting CMV4 de bistabiele keten FF2 in werking stellen en derhalve de schakelaar SW via de koppeling 15 aandrijven.

Uit het bovenstaande blijkt, dat de beveiligingsinrichting volgens de uitvinding tegen kortsluiting werkt in 45 een toestand, waarbij een duidelijke scheiding bestaat tussen de kortsluittoestand en de normale bedrijfs-toestand, en geen beperkingen aan de uitgangsstroom van de versterker oplegt wanneer laatstgenoemde op de juiste wijze werkt.

De inrichting kan ook worden toegepast bij een gedeeltelijk reactieve belasting RL, waarbij het in dit geval slechts nodig is, dat, zoals de vakman duidelijk zal zijn, een geschikte keuze plaatsvindt ten aanzien 50 van de waarden voor de eerste referentiespanning VREF,, welke met de toelaatbare stroom Imax door de transistoren in het geval dat kortsluitingen optreden, is gekoppeld, en de tweede referentiespanning VREF2 teneinde een ongewenst ingrijpen van de beveiligingsinrichting te vermijden.

De materialen en componenten voor de inrichting kunnen in overeenstemming met specifieke constructieve eisen binnen het kader van de uitvinding worden gekozen.

Claims (3)

192708 4

1. Inrichting voor het tegen kortsluiting beveiligen van de eindtrap van een vermogensversterker van het balanstype ("push-pull”), welke vermogensversterker werkt op een laagspanningsbron en twee transistoren 5 omvat, waarvan een eerste transistor is verbonden tussen de positieve pool van de voedingsspanning en een klem van de belasting, en waarvan een tweede transistor is verbonden tussen de negatieve pool van de voedingsspanning en genoemde klem van de belasting, terwijl de andere klem van de belasting aan massa of aarde ligt; welke kortsluitingbeveiligingsinrichting omvat: - een eerste stroomaftastinrichting (SI-,) die responsief is op de door de eerste transistor (T,) vloeiende 10 stroom; - een eerste stroom/spanningomzetter (CV,) voor het verschaftten van een eerste spanningssignaal (V,) dat indicatief is voor de door de eerste stroomaftastinrichting (SI,) gemeten stroomsterkte; - een tweede stroomaftastinrichting (SI,) die responsief is op de door de tweede transistor (T2) vloeiende stroom; 15. een tweede stroom/spanningomzetter (CV,) voor het verschaffen van een tweede spanningssignaal (V2) dat indicatief is voor de door de tweede stroomaftastinrichting (Sl2) gemeten stroomsterkte; - een eerste spanningsvergelijkingsinrichting (CMV,) voor het vergelijken van het eerste spanningssignaal (V,) van de eerste stroom/spanningsomzetter (CV,) met een eerste ingestelde positieve referentiespanning (+VREF,) en voor het verschaffen van een eerste uitgangssignaal (S,) indien het 20 eerste spanningssignaal (V,) de eerste ingestelde positieve referentiespanning (+VREF,) overschrijdt; - een tweede spanningvergelijkingsinrichting (CMV2) voor het vergelijken van het tweede spanningssignaal (V2) van de tweede stroom/spanningomzetter (CV2) met de genoemde eerste ingestelde positieve referentiespanning (+VREF,) en voor het verschaffen van een tweede uitgangssignaal (S2) indien het tweede spanningssignaal (V2) de eerste ingestelde positieve referentiespanning (+VREF,) overschrijdt; 25. derde en vierde spanningsvergelijkingsinrichtingen (CMV3, CMV4) voor het vergelijken van de instantane waarde (V) van de aan de belasting (RL) aangelegde spanning met respectievelijk de negatieve en de positieve waarde van een tweede ingestelde positieve referentiespanning (-VREF2 resp. +VREF2), en voor het verschaffen van derde respectievelijk vierde uitgangssignalen (R3, R4) in overeenstemming met de situatie of de absolute waarde van genoemde instantane waarde (V) al dan niet de 30 absolute waarde van genoemde tweede ingestelde positieve referentiespanning (VREF2) overschrijdt; - een eerste bistabiele keten (FF,) die is verbonden om te worden geactiveerd door de eerste en derde uitgangssignalen (S,. R3) van respectievelijk de eerste en derde spanningsvergelijkingsinrichtingen (CMV,, CMV3) wanneer beide verschaft worden; - een tweede bistabiele keten (FF2) die is verbonden om te worden geactiveerd door de tweede en 35 vierde uitgangssignalen (S2, R4) van respectievelijk de tweede en vierde spanningsvergelijkingsinrich- tingen (CMV2, CMVJ; - en een in de voedingsketen van de te beveiligen versterker (1) opgenomen omschakelaar (SW) die kan worden bestuurd door één van de uitgangssignalen van de bistabiele ketens (FF,, FF2).

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de waarde van de eerste ingestelde referentie- 40 spanning (+VREF,) van de eerste en tweede spanningsvergelijkingsinrichtingen indicatief is voor de waarde van de maximale stroom (Imax), welke door één van de transistoren (T, en T2) in de versterkerbalanstrap moet worden geleverd in het geval dat de andere van de transistoren wordt kortgesloten.

3. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de absolute waarde van de tweede ingestelde referentiespanning (VREF2) van de derde en vierde spanningsvergelijkingsinrichtingen niet groter is dan de 45 waarde van de voedingsspanning van de eindtrap van de versterker. Hierbij 1 blad tekening