SE441487B - Skyddsanordning - Google Patents

Description

8401092-5 ß Uppfinningen skall nu beskrivas i anslutning till figurerna.

I fig.l visas de grundläggande enheter som alltid ingår, nämligen en N-kanals FET-transistor (l), en spänningskälla (2), en P-kanals FET-transistor (3), två zenerdioder (4) och (5) och en förspänning (6). Dessutom kan en ytterligare diod (7) inkopplas. En tänkt in- koppling av en belastning (8) visas även.

Funktionssätzet i riga är följande: N-kanal-transistorn (1) är med sin kollektor ansluten till spän- ningskälians (2) positiva pel, betecknas A. sina 'snurrar mr transistorerna (1) och (2) sammankopplade till en punkt betecknad D, som samtidigt är förbunden med ena änden av belastningen (8).

P-kanal-transistorn (3) är med sin kollektor ansluten till spän- ningskällans negativa pol, betecknad E. Belastningen (8) är med sin andra ände ansluten till A eller B eller till något uttag C på' spänningskällan (2). Transistorerna behöver en för-spänning (6) för att deras arbetspunkt skall vara definierad genom sin vilo- ström - inklusive förspänningen noll eller viloströmmen noll. På denna förspänning överlagras styrspänningen för effektsteget i fig.l som kommer från en drivförstärkare, ej visad här. Det förut- sättes även att denna drivförstärkares avgivna ström ej är så stor att den förstör zener-díoderna (4) eller (5). Dessa är kopplade som beskrivits ovan.

Vid utstyrning sker följande: Drivfór-stärkaren utstyr effektsteget. Då spänningen in är positiv ökas strömmen i transistor (l) och spänningen över (l) minskas, medan spänningen ökas över transistorn (3). Härvid antages att spänningen från (2) föga ändras. Då spänningen över (3) uppnått ungefärligen Vz kommer zenerdiod (4) att börja leda en ström i riktning mot B vilken eventuellt övervinner den begränsade ström- men från drivförstärkaren. Därvid förblir spänningen över (3) kons- tant lika med Vz, som väljes något lägre än transistorns genom- brottspänning.

Enahanda gäller vid negativ inspänníng. Då blir spänningen över (1) ungefär lika med Vz. 8401092-5 _33- I fig.2 visas ett spännings-ström-diagram för spänningskällan (2) om denna är utförd med ett mittuttag C. Streckall är högsta möjliga spänningen Dm på uttag D i fig.l, under förutsättning att man för- summar spänningen :åtyre-emitter. Approximationen är utan betydelse för skyddkretsens kvalitativa funktion. Likspänningen från spän- ningskällan betecknas Vdc. Zsner-spänningen betecknas Vz.

Vp är den högsta möjliga spänningen över belastningen (8). Det antages att spänningen A och/eller B varierar med strömmen I från spänningskällan (2) på grund av dennas oundvikliga inre resistans.

I fig.2 är I en ström som flyter genom en av transistorerna (1) eller (3) och genom spänningskällan (2) och belastningen (8) och orsakar ett spänningsfall hos matningsspänningen Vdc. Den maximala spänningen på uttag D bestäms av zenerdioden (4), som enligt be- skrivningen av fig.2 ovan begränsar spänningen mellan D och B till det konstanta beloppet Vz. Fig.2 visar då att spänningen Vp mellan D och C varierar. Denna utgör spänningen över belastningen och har ettänaxvärae då vac = va.

I fig.3 visas spännings-tid-diagram för en trapetz-formad spänning som approximerar en sinus-spänning, som klíppes därför att skydds- kretsen begränsar minimispänningen Vs över den ena transistorn.

Maximispänningen över den andra kan inte överstiga ett visst värde, approximativt Vz. Därvid är (ekml) Vdc š Vz + Vs där likhetstecknet gäller vid begränsning med (4) eller (5).

I fig.3 åskådliggöres detta enligt ovan för en spänning som varierar i tiden. Samtidigt varieras matningsspänningen Vdc. Man finner att då zenerdioden (4) eller (5) begränsar är minimivärdet av spän- ningen över en transistor, Vs, bestämt av ekv. (1) med likhetstecken.

När Vdc är så låg att begränsning ej sker (olikhetstecknet) bestäms Vs av det inre motståndet i transistor (1) och (3). För maximal spänning över belastningegvp, gäller: (ekv.2) 2 Vp é Vz -- Vs Ur ekv. (1) och (2) erhålles (ekv.3) 2 Vpš 2 Vz - Vdc.

Ekv. (3) ger ett optimalt värde på Vdc.

I fig.4 är (9) och (10) dioder, som insatts i serie med zener- dioderna (4) och (5) resp., för att spänningen på resp. transistors 8401092-5 4 styre skall kunna bli numeriskt högre än på dess kollektor. Detta är en praktisk åtgärd för att erhålla lägsta Vs då .<1 -tecknet gäl- ler i ekv.(l). Dioderna förhindrar att zenerdioderna kan leda i framriktningen, t.ex. att (5) leder när man försöker göra spänningen styret på (l) högre än spänningen på dess kollektor. Det kan vara nödvändigt att göra styret mer positivt än kollektorn för att ut- styra transistorn (1) tillräckligt vid låg spänning kollektor- emitter.

Detta exemplifieras av följande tänkta fall. Antag att spänningen på (6) är 2 V, och att spänningen kollektor-emitter är 5 V vid en ström av 5 A, som då kräver att spänningen är 15 V mellan styre och emitter. Om man försummar framspänningsfallct i zenerdiodcn (t.ex. 5) skulle denna begränsa spänningen på styret till 2 + 5 = 7 V, vilket ej skulle ge erforderlig ström.

I fig.4 är (ll) och (12) zenerdioder, som kan utgöra en del av zener-diodsträcliorna (4) och (5), vilka tekniskt sett med fördel kan utgöras av flera seriekopplade zenerdioder. Dioderna (13) och (14) resp. medför att spänningen styre-emitter begränsas via (9) och (ll) resp. (10) och (12). Detta är fördelaktigt vid transistorer med isolerat styre. Isoleringen är mycket tunn, med åtföljande låg genombrottspänning, mellan styre och katod. Åtgärden är tillämp- lig endast då man ändå har dioder (ll) och (12) med lämplig spän- ning tillgängliga í zenerdiodsträckan (-4) eller (5), varav (ll) och (12) då utgör en del.

En förutsättning för att förstärkaren över huvud taget skall fungera är att Vdc .é 2 Vz. Normal dimensionering av skyddskretsen innebär att VdcxLl - 1.2 gånger Vz, varför en avsevärd höjning av matning- spänningen jämfört med i konventionell teknik kan tolereras. Detta är en av fördelarna med skyddskretsen.

En annan, mer markant fördel. är att man 'med givna transistorer (l) och (3) kan uppnå_ en 50-100 % högre Uteffekt än med konventio- nell teknik. Uppfinningen möjliggör att man kan arbeta med högre spänning hos spänníngskällan (2) utan att risk finnes för genombrott av någon av transistorerna. Detta skulle annars bli fallet då Vdc7Vb >Vz, där Vb = transistorns genombrottspänning. Genombrotts- mekanismen består i att transistor (l) utan zenerdioder då kan -5- 8401092~5 orsaka för hög spänning över transístor (3), särskilt vid spännings- motkoppling över förstärkaren, vilket ger en låg ekvivalent impedans och följaktligen stor ström i transistorn (3). Faran är särskilt stor då belastningen (8) ej är ansluten, eftersom Vdc därvid tenderar att ökas.

Med uppfinningen har man alltså i stort sett fördubblat spännings- tåligheten. En dimensionering visar att transistorn då kan ge 25- 40 % högre spänning ut, vilket betyder 50-100 % högre effekt.

Dioden (7) behövs normalt inte, men kan motverka att förspänningen från (6) reverseras på grund av zenerdiodströmmar.

Uppfinningen uppfyller också ett annat viktigt krav, nämligen att förspänningen från (6) inte får ökas, utan snarare skall minskas, vid olika skyddsingripanden. l-ied nu känd teknik är förhållandet det motsatta. Detta medför en farligt ökande viloström.

I alla praktiska fall varierar matningsspänningen vid varierande belastning t.ex. med 2'AVdc. Högsta utspänning erhålles inom hela effektområdet om tomgångspänningen är Vdc + AVdc och fullastspänning~ en är Vdc -AVdc. Fördelen är enligt uppfinningen att dessa värden kan väljas vid typisk matningsspänning, motsvarande t.ex. nominell nätspänning, medan man i lconventionell teknik måste dimensionera efter högsta förekommande spänning i tomgång och då ändå inte har några marginaler för ökning av matningsspänningen vid t.ex. fel på elnätet. Med föreliggande uppfinning erhålles en spänningsmarginal av 75-80 % oaktat den mycket högre uteffekten.

Ehuru endast ett utförande har visats är det underförstått att flera variationer är tänkbara, som då faller inom uppfinningens ram. Sådan är t.ex. att lysdioder kopplas i serie med (9) och (10) för att indikera funktion av skyddet. En annan är att verkan av zenerdioderna förstärks av t.ex. emitterföljare arbetande på tran~ SiSfïOPGPHEIS (l) eller (3) Styren. En tredje användning av parallell- kopplade transistorer.

Det skall utan frångående av uppfinningens grundtanke vara möjligt att i serie med nämnda zenerdioder (4) eller (5) insätta olika element som endast ruodifierar den totala zenerspänrxingen i mindre grad, men fortfarande tillåter skyddet att fungera. t.ex. styre-emit~ ter-sträckor i efterföljande effektförstärkande tr ansistorexu

Claims (4)

84010-92-5 Patentkrav

1. Skyddsanordníng för komplímentära fälteffekttransistorer (1) och (3) i en effektförstärkare bestående av en N-kanal transistor (1) som är med sin kollektor ansluten till positiva polen A 'av en spänningskälla (2) och med sin emitter ansluten till en utgångs- klämma D och till emittern av en P-kanal transístor (3) vars kollek- tor är ansluten till negativa polen B av nämnda spänningskälla (2) och varvid en andra utgångsklämma C är ansluten till nämnda spänningskälla (2) medan styret på nämnda transistorer (1) och (3) är anslutna till en i huvudsak konstant förspänningskälla (6) inklusive spänningen noll, k ä n n e t e c k n a d a v att till skydd mot över-spänning och -ström zenerdioder eller strängar av zenerdioder (4), (5) med arbetsspänningar mindre än eller lika med maximalt tillåten arbetsspänning för nämnda transis- torer (1) och (2) är inkopplade: J _ den första (4) med sin katod till styret på transistorn (l) och med sin anod till kollektorn av transistorn (3); den andra (5) med sin anod till styret på transistorn (3) och med sin katod till kollektorn av transistorn (1).

2. Skyddsanordning enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a d a v att en diod (7) är kopplad med sin katod till styret av transistorn (F och med sin anod till styret av transistorn (3).

3. Skyddsanordning enligt patentkrav l eller 2 k ä n n e t e c k n a d a v att dioder (9) och (10) är kopplade i serie med och motriktade nämnda zenerdioder (4) resp. (5).

4. Skyddsanordning enligt patentkrav 1, 2 eller 3 k ä n n e t e c k n a d a v att dioder (13) och (14) är kopplade mellan nämnda transistorers (1) och (3) gemensamma katod till delar av zenerdiodsträngarna (4) resp. (5) så att spänningen på styret av transistor (l) och (3), refererad till deras katoder, begränsas, så att genombrott i styret förhindras.