NL8302902A - Transistorbeveiligingsschakeling. - Google Patents

Description

* EHN 10.753 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Trans is torbeveiligings schakeling.

De uitvinding heeft betrekking op een trans is torbeveiligings-schakeling omvattende: - een eindtransistor van een eerste geleidingstype voorzien van een kollektor, basis en emitter, 5 - een stuurtransistor van het eerste geleidingstype voorzien van een kollektor, basis en emitter, waarvan de emitter is gekoppeld met de basis van de eindtransistor, - een meettransistor van het eerste geleidingstype voorzien van een kollektor, basis en emitter, waarvan de basis en de emitter zijn 10 gekoppeld met respektievelijk de basis en emitter van de eindtransistor en waarvan de grootte van de kollektorstrocm een maat is voor de grootte van de kollektorstrocm van de eindtransistor, - en met de meettransistor gekoppelde middelen, die afhankelijk van de grootte van de kollektorstrocm van de meettransistor de grootte 15 van de stuurstrocm van de eindtransistor begrenzen.

Een dergelijke schakeling kan bijvoorbeeld worden toegepast in audio- en videoschakelingen en in motorregelschakelingen.

Een dergelijke schakeling is o.a. bekend uit het Amerikaanse octrooischrift 4,330,757. Daarbij wordt de stroom door de uitgangs-20 transistor gemeten met behulp van een met zijn basis-emitterovergang parallel aan die van de uitgangs trans is tor geschakelde meettransistor, waarvan de kollektorstroom een fraktie van de kollektorstrocm van de uitgangstransistor bedraagt. De kollektorstrocm van de meettransistor vrordt met behulp van een stroomspiegel gespiegeld naar een weerstands-25 element, waaraan parallel de bas is -emitterovergang van een z.g. klent-transistor is geschakeld, waarvan de kollektor is verbonden met de basis van de stuurtransistor. Bij een te grote kollektorstrocm van de meettransistor wendt de klemtransistor in geleiding gestuurd, waardoor een deel van de basisstroom van de stuurtransistor via de klemtransistor 30 wegvloeit.

Een bezwaar van deze bekende schakeling is, dat deze in geïntegreerde vorm in sterke mate instabiliteiten vertoont in de beveiligingslus. Deze worden veroorzaakt door fasedraaiingen in de in 8332202 EHN 10.753 2 *4 * de beveiligingslus aanwezige stroomspiegel, die is opgebouwd met ENP-trans is toren, die een betrekkelijk lage af snij frequentie bezitten.

Het is dan ook het doel van de uitvinding een transistorbe-veiligingsschakeling aan te geven, die een stabiele beveiligingslus 5 bezit en die geschikt is cm in geïntegreerde vorm te warden gerealiseerd. Een trans is torbeveiligingsschakeling van een in de aanhef genoemde soort wordt daartoe gekenmerkt, doordat de middelen zijn voorzien van - een stroomgenerator voor het leveren van een referentiestrocm waarvan de uitgang is gekoppeld met de kollektor van de meettransistor, 10 - en een halfgeleiderovergang, die is gekoppeld met de uitgang van de stroomgenerator en die in geleiding wordt gestuurd bij een grootte van de kollektorstroom van de meettransistor die nagenoeg gelijk is aan de grootte van de referentiestroom van de stroomgenerator.

De uitvinding maakt gebruik van het principe, dat bij een kollektor-15 stroom van de meettransistor groter dan de referentiestroom van de stroomgenerator de spanning qp de uitgang van de stroomgenerator van een hoge naar een lage waarde omslaat, waardoor een half geleiderovergang in geleiding wordt gestuurd met behulp waarvan de stuurstroom van de eindtransistor wordt begrensd. De beveiligingslus vertoont geen insta-20 biliteiten, doordat de beveiligingslus geen PNP-trans is toren bevat.

De schakeling' is daarbij tevens zeer geschikt cm geïntegreerd te worden.

Volgens een uitvoeringsvorm kan de half geleiderovergang met de uitgang van de stroomgenerator worden gekoppeld via een volgertran-s is tor van het eerste geleidingstype voorzien van een kollektor, basis 25 en emitter, waarvan de basis is gekoppeld met de uitgang van de stroomgenerator en de emitter is gekoppeld met de half geleiderovergang. Daarbij kan volgens een verdere uitvoeringsvorm de half geleiderovergang worden gevormd door de kollektor-bas isovergang van de stuurtran-s is tor, waarbij de kollektor van de stuurtransistor met de emitter 30 van de volger trans is tor is gekoppeld. Bij het in werking treden van de beveiligingsschakeling wordt de stuurtransistor in verzadiging gestuurd, waardoor de basisstrocm van de eindtransistor wordt begrensd. Volgens een andere verdere uitvoeringsvorm kan de halfgeleiderovergang ook worden gevormd door een diode of een als diode geschakelde tran-35 sis tor, waarvan de kathode met de emitter van de volgertransistor en de anode met de basis van de stuurtransistor is gekoppeld.

Bij het in werking treden van de beveiligingsschakeling wordt via de diode een deel van de basisstrocm van de stuurtransistor 83 0 2 902 ' ¢- % ΕΉΝ 10.753 3 afgevoerd, waardoor de stroom door de eird.trans is tor wordt begrensd.

Volgens een andere uitvoeringsvorm kan de kathode ook rechtstreeks met de uitgang -wan de stroomgenerator werden gekoppeld.

De stroomgenerator voor het leveren van de referentiestroom 5 kan zowel gevormd warden door een stroombron als door een referentie-weerstand in serie met een referentiespanningsbron. Om bij het in verzadiging geraken van de eindtransistor de basisstroem van de eind-transistor te begrenzen kan verder in de kollektorleiding van de volgertransistor een begrenzingsweerstand warden qpgenomen.

10 De uitvinding wordt nader toegelicht aan de hand van bijgaande tekening, waarvan: figuur 1 een eerste uitvoeringsvorm van een transistarbevei- ligingsschakeling volgens de uitvinding toont, % figuur 2 een eerste nadere uitvoeringsvorm van de schakeling 15 van figuur 1 toont, figuur 3 een tweede nadere uitvoeringsvorm van de schakeling van figuur 1 toont, figuur 4 een derde nadere uitvoeringsvorm van de schakeling van figuur 1 toont, 20 figuur 5 een tweede uitvoeringsvorm van een trans istor- beveiligingsschakeling volgens de uitvinding toont, en figuur 6 een derde uitvoeringsvorm van een transistor-25 teveiligingsschakeling volgens de uitvinding toont.

In figuur 1 is een eerste uitvoeringsvorm van een schakeling volgens de uitvinding weergegeven. Hierin is transistor de te beveiligen uitgangstransistor, die aan de kollektoraansluiting 2 een 30 stroom IQ kan leveren aan een gestippeld weergegeven belasting 3.

De emitter van transistor is gekoppeld met liet negatieve voedings-aansluitpunt 4, dat in dit voorbeeld aan massa is gelegd. De transistor T wordt aangestuurd door een stuurtransistor T2, waarvan de emitter is gekoppeld met de basis van transistor . Aan de basis van transistor 35 T2 wordt een ingangsstroom 1^ toegevoerd. Cm beschadiging van de uitgangstransistor door een te grote stroom te voorkeuren dient de uitgangsstroom I op een maximale waarde begrensd te worden.

De beveiligingsschakeling bevat een meettransistor Ty waarvan de 5 3 Γ; * f} 0 ? ΕΉΝ 10.753 4 4 * basis-emitterovergang parallel aan die van transistor is geschakeld. Het basis-emitteroppervlak van transistor is kleiner dan het basis^emitteroppervlak A^ van transistor T-j, zodat de kollektorstrocm van transistor T3 gelijk is aan een fraktie A^A^ van de kollektorstroom 5 van transistor . De kollektor van transistor is door middel van een stroomgenerator 5, die een referentiestroom 1^^ levert, gekoppeld met het positieve voedingsaansluitpunt 6. De kollektor van transistor T3 is verder verbonden met de basis 7 van een volgertrans is tor T4, waarvan de emitter is verbonden met de kollektor van s tuurtrans is tor 10 T2 en de kollektor met het positieve voedingsaansluitpunt 6 is verbonden. Indien de beveiligingsschakeling niet in werking is, vloeit door transistor een uitgangsstrocm IQ die wordt bepaald door de ingangs-s troom 1^ en de stroomversterkingsfaktoren van de trans is toren T2 en . De kollektorstroom van transistor is dan gelijk aan een fraktie 15 van de uitgangsstrocm IQ. Zolang de kollektorstroom van transistor T3 kleiner is dan de referentiestrocm Ire^ van stroomgenerator 5, vormt transistor een belasting voor de stroomgenerator 5. Hierdoor bezit de spanning op basis 7 van transistor een betrekkelijk hoge waarde.

De spanning op de emitter van transistor volgt de spanning op de 20 basis 7 op één basis-emitterspanning. Hierdoor voert de kollektor van transistor een zodanige spanning, dat transistor in de normale geleidingstoestand staat ingesteld. De beveiligingsschakeling treedt in werking op het moment, dat de kollektorstroom van transistor groter wordt dan de referentiestroom 1^. De stroomgenerator 5 vormt 25 dan een belasting voor transistor T3· De spanning op de basis 7 van transistor T4 slaat qp dat moment cm naar een betrekkelijk lage waarde.

De spanning qp de emitter van transistor T4 en dus qp de kollektor van transistor T2 wordt daardoor zo laag, dat de basis-kollektorovergang van transistor T2, die normaal gesperd is, in geleiding wordt gestuurd.

30 Hierdoor komt transistor T2 in de verzadigingstoestand waardoor transistor T2 nauwelijks meer als stroomversterker funktioneert.

De emitters troom van transistor T2 is dan in orde van grootte gelijk aan de ingangsstrocm 1^. Doordat bij het in werking treden van de beveiligingsschakeling de kollektorstroom van transistor T3 gelijk 35 is aan de referentiestrocm I f en de kollektorstroom van transistor T<j gelijk is aan een fraktie A^/A^ van de kollektorstroom van transistor T3, bedraagt de maximale uitgangsstrocm IOTax = |“ · I^^.

In het voorgaande is de basisstrocm verwaarloosd die 33 32 302

, V

Jfc EHN 10.753 5 transistor T. aan de stroom l_ onttrekt. Deze basisstrocm is echter 4 rer veelal zo klein, dat de invloed daarvan op de maximale uitgangsstrocm gering is. De trans is toren en T^ bezitten iraners stroamversterkings- faktaren, die in praktijk een waarde bezitten in de orde van grootte

s van |3 w 100. Bij een maximale uitgangsstrocm. van bijvoorbeeld I

I___ = 500 mfi. bedraagt de maximale toUektor-emitterstroon, van de oroax transistaren T2 en T^ ongeveer 5 m&, zodat de basisstrocm van transistor ongeveer mA bedraagt. Bij een verhouding van de emitter-oppervlakken A^/i^ ^ 500 bedraagt de kollektorstrocm van transistor 10 T3 nagenoeg 1mA, hetgeen groot is t.o.v. de basisstrocm van transistor T4«

De verhouding van de kollektorstranen van de trans is toren en T3 kan behalve door de verhouding van de emittercppervlakken ook worden ingesteld door het opnemen van een weerstand in één van de emitterleidingen van de transistaren of of door in beide emitter-15 leidingen een weerstand op te nonen. Door het opnemen van weerstanden in de emitterleidingen wordt, behalve in het geval de verhoi.idi.ng van de weerstandswaarden omgekeerd evenredig is aan de verhouding van de emittercppervlakken, de verhouding wel teirperatuurafhanke--' lijk.

20 In figuur 2 is een eerste nadere uitvoeringsvorm van de schakeling uit figuur 1 weergegeven, waarbij gelijke onderdelen met dezelfde verwijzingscijfers zijn weergegeven. De stroomgenerator 5 voor het leveren van de referenties troon wordt gevormd door een stroombron. Deze is cpgebouwd uit een referentieweerstand 8 die 25 in serie met een als diode geschakelde ENP-transistor T_ tussen het

O

negatieve en positieve voedingsaansluitpunt 4 en 6 is geklemd. Bij een voldoend grote weerstandswaarde van weerstand 8 wordt de stroon in deze tak bijna volledig door deze weerstand bepaald. Met behulp van een transistor Tg waarvan de basis-emitterweg parallel aan die van 30 transistor Tg is geschakeld, wordt deze stroom naar de kollektor van transistor T^ gespiegeld. Weliswaar worden bij deze uitvoeringsvorm ENP-trans is toren Tg en Tg toegepast, maar deze hebben geen invloed op de stabiliteit van de schakeling, aangezien deze transistoren geen deel uitmaken van de terugkoppellus, die gevormd wordt door de 35 transistaren T^, T4 en T^.

De werking van de schakeling is dezelfde als die van figuur 1. Is de kollektorstrocm van transistor T^ kleiner dan de kollektorstrocm van transistor Tg, dan vormt transistor Tg met

So 0 2 0 02

' IT

PHN 10.753 6 zijn grote kollektorimpedantie de belasting voor s troornhrontrans is tor Tg en is de spanning op punt 7 relatief hoog. Is de kollektorstroam van transistor T^ echter groter dan de kollektorstroam 1^^ van transistor Tg, dan vormt omgekeerd transistor Tg met zijn grote kollektor-g impedantie de belasting voor de dan als stroombrontrans is tor fungerende transistor T^. De spanning op punt 7 is dan relatief laag, waardoor transistor T2 in verzadiging wordt gestuurd.

Een tweede nadere uitvoeringsvorm van de schakeling van figuur 1 wordt toegelicht aan de hand van figuur 3, waarin gelijke 10 onderdelen met dezelfde verwijzingscijfers als in figuur 1 zijn weergegeven. De stroomgenerator 5 wordt bij deze uitvoeringsvorm gevormd door een referentieweerstand 9, die met zijn ene aansluiting is vertonaen net de kollektor van transistor T3 en met zijn andere aan-sluiting is verbonden met een referentiespanning . De referentie-15 stroom Ire£ is voor niet al te kleine referentiespanningen en voor voldoende grote waarden van weerstand 9 nagenoeg gelijk aan het quotient van de referentiespanning en de weerstandswaarde. De werking van de schakeling is verder dezelfde als die van figuur 1 en 2, waarbij bij het in werking treden van de beveiligingsschakeling'de referentie-20 «erstaol als telasttag voor transistor T3 optreedt, waardoor de spanning op punt 7 omklapt en transistor ^ in verzadiging wordt gestuurd. Door een juiste keuze van de referentiespanning kan de werking van de beveiligingsschakeling en daarmee de maximale uitgangsstroom I nagenoeg onafhankelijk van de temperatuur worden gemaakt. Over de 25 referentieweerstand staat een spanning met een positieve temperatuurs·-koëfficiënt, die dan nagenoeg gelijk is aan de positieve temperatuurs-koëfficiënt van de referentieweerstand, zodat de referentiestroom dan nagenoeg onafhankelijk van de temperatuur is.

Een derde nadere uitvoeringsvorm van de schakeling uit 30 figuur 1 is in figuur 4 weergegeven, waarbij gelijke onderdelen met dezelfde verwijzingscijfers zijn weergegeven. De stroomgenerator wordt bij deze uitvoeringsvorm gevormd door een referentieweerstand 9 waarop een referentiespanning ^ref is aangesloten. Bij integratie van de schakeling bezit de NPN-transistor T^ een parasitaire ENP-35 transistor T^', waarvan de kollektor met het substraat van de geïntegreerde schakeling, de basis met de kollektor van transistor T^ en de emitter met de basis van transistor T^ is verbonden. In de figuur is deze transistor T^ ’ gestippeld weergegeven.

83 0 2 3 0 2

, 9 I

mi 10.753 7

Bij het in verzadiging raken van transistor daalt de kollektor- I

spanning beneden de basisspanning, waardoor de basis-emitterovergang van de parasitaire transistor 1 in geleiding wordt gestuurd.

De stuurstroom van transistor , die geleverd wordt door transistor 5 T2 kan hierdoor vrij hoog oplopen, hetgeen onnodig veel energie kost.

Om deze stuurstroom te begrenzen is in de kollektorleiding van transistor T4 een begrenzingsveerstand 10 opgencmen, die via een tran- I

sistar Ty, waarvan de basis de referentiespanning voert, net het positieve voedingsaansluitpunt 6 is gekoppeld. Cpgeraerkt wordt, I

10 dat de begrenzingsweerstand ook rechtstreeks met het positieve voe- I

dingsaansluitpunt 6 kan worden verbonden. I

Een tweede uitvoeringsvorm van een beveiligingsschakeling I

volgens de uitvinding wordt toegelicht aan de hand van figuur 5, waarin I

gelijke onderdelen met dezelfde verwij zingscij fers als in figuur 1 15 zijn weergegeven. De emitter van transistor is nu niet met de kollektor van transistor T2 gekoppeld, maar is als emittervolger geschakeld, waarbij in de emitterleiding een stroombron 12 is opgencmen.

Met de emitter van transistor T, is verder de kathode van een diode

4 I

13 verbonden, waarvan de anode met de basis van transistor T2 is ver- I

20 bonden. In plaats van een diode kan ook een transistor met kortgesloten

basis-kollektorovergang worden toegepast. Is de kollektorstroom van I

transistor T3 Idetaer dan de stroom van de stroomgenerator 5, dan is de spanning op de basis 7 en daarmee op de emitter van transistor I

relatief hoog en wel zodanig, dat deze spanning hoger is dan pp de basis 25 van stuurtransistor T2· De diode 13 is dan gesperd. Wordt de kollektorstroom van transistor groter dan de stroom Xre£' dan treedt de beveiligingsschakeling in werking doordat de spanning op de basis 7 van transistor sterk daalt. De spanning op de emitter van transistor komt hierdoor beneden de spanning pp de basis van de stuurtransistor 30 T2, zodat de diode 13 gaat geleiden. Hierdoor wordt een deel van de basisstrocm van de stuurtransistor via de diode 13 af gevoerd.

De uitgangsstrocm van transistor wordt hierdoor weer begrensd pp een maximale waaide 1^ = VV

Een derde uitvoeringsvorm van een trans is torbeveiligings-35 schakeling volgens de uitvinding wordt toegelicht aan de hand van figuur 6, waarin gelijke onderdelen met dezelfde verwij zingscij f ers zijn weergegeven als in figuur 5. De kathode van diode 13 is hierbij niet via een volgertrans is tor maar rechtstreeks op de uitgang 7 van de

8? ", ft Λ ft I

O u i d Ü ΡΗΝ 10.753 8 ψ t stroomgenerator 5 aangesloten. De werking van de schakeling is hetzelfde als die van figuur 5. Bij het in werking treden van de beveiliging vloeit een deel van de basisstroom van transistor via diode 13 naar de kollektor van transistor T^. Deze stroom is klein t.o.v. 5 de referentiestroom , zodat de invloed daarvan op de maximale waarde van de uitgangsstrocm van transistor verwaarloosd kan worden.

De uitvinding is niet beperkt tot de getoonde uitvoeringsvormen, maar binnen het kader van de uitvinding zijn vele variaties mogelijk. Zo is het mogelijk cm de volgertransistor als een darlington-10 transistor uit te voeren of in serie met de basis-emitterovergang van de volgertransistor een diode te schakelen. Voorts kan de stroomgenerator op velerlei wijzen worden gerealiseerd.

15 20 25 30 35 83 02 902

Claims (10)

1. Transistorbeveiligingsschakeling omvattende: I - een eindtransistor van een eerste geleidingstype voorzien van een I kollektor, basis en emitter, I - een stuurtransistor van het eerste geleidingstype voorzien van I 5 een kollektor, basis en-emitter, waarvan de emitter is gekoppeld I met de basis van de eindtransistor, I - een meettransistor van het eerste geleidingstype voorzien van een I kollektor, basis en emitter, waarvan de basis en de emitter zijn I gekoppeld met respektievelijk de basis en anitter van de eindtran- I 10 sistor en waarvan de grootte van de kollektorstroom een maat is voor de grootte van de kollektorstroom van de eindtransistor, I - en met de meettransistor gekoppelde middelen, die afhankelijk van I de grootte van de kollektorstroom van de meettransistor de grootte van de stuurstrocm van de eindtransistor begrenzen, 15 met het kenmerk, dat de middelen zijn voorzien vans I - een stroomgenerator voor het leveren van een referentiestrocm waar- I van de uitgang is gekoppeld met de kollektor van de meettransistor, I - en een halfgeleiderovergang, die is gekoppeld met de uitgang van de I stroomgenerator en die in geleiding wordt gestuurd bij een grootte I 20 van de kollektorstroom van de meettransistor die nagenoeg gelijk is I aan de grootte van de referentiestrocm van de stroomgenerator. I

2. Transistorbeveiligingsschakeling volgens conclusie 1, met I het kenmerk, dat de half geleiderovergang met de uitgang van de stroom- I generator is gekoppeld via een volgertrans is tor van het eerste gelei- I 25 dingstype voorzien-van een kollektor, basis en anitter, waarvan de I basis is gekoppeld met de uitgang van de stroomgenerator en de emitter is gekoppeld roet de half geleiderovergang. I

3. Transistorbeveiligingsschakeling volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de half geleiderovergang wordt gevormd door de 30 basis-kollektorovergang van-de stuurtransistor, waarbij de kollektor van de stuurtransistor met de anitter van de volgertrans is tor is gekoppeld.

4. Transistorbeveiligingsschakeling volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de half geleiderovergang wordt gevormd door een diode, 35 waarvan de kathode met de emitter van de volgertrans is tor en de anode met de basis van de stuurtransistor is gekoppeld.

5. Transistorbeveiligingsschakeling volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de half geleiderovergang wordt gevormd door een diode, S3 C 2 ü Ü 2 PHN 10.753 10 « / waarvan de kathode net de uitgang van de stroomgenerator en de anode met de basis van de stuurtransistor is gekoppeld..

6. Trans istorbeveiligingsschakeling volgens conclusie 4 of 5, met het kenmerk, dat de diode wordt gevormd door een als diode geschakel-5 de transistor.

7. Transistorbeveiligingsschakeling volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de stroomgenerator wordt gevormd door een stroombron.

8. Trans istorbeveiligingsschakeling volgens één der voorgaande 10 conclusies 1 t/m 6, met het kenmerk, dat de stroomgenerator wordt gevormd door een referentieweerstand, waarvan de ene aansluiting is gekoppeld met de kollektor van de meettransistor en waarvan de andere aansluiting een referentiespanning voert.

9. Trans is torbeve iligingsschakeling volgens één der voorgaande 15 conclusies, met het kenmerk, dat in de koUektorleiding van de stuurtransistor een begrenzingswserstand is opgenomen voor het begrenzen van de kollektorstroom van deze transistor.

10. Trans is torbeve iligingsschakeling volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat in serie met de begrenzingsweerstand de kollektor-emitterweg 20 van een transistor is geschakeld, waarvan de basis een referentieweer-spanning voert. 25 30 35 Π " Γ C, η 9