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Schaltungsanordnung zum Überlastungsschutz von Transistoren bei Transistorverstärkerstufen
Die Erfindung betrifft eine Transistorverstärkerstufe mit als überlastungsschutz
wirkender Begrenzerschaltung, bei der die Emitter-Kollektor-Strecke eines Schutztransistors
derart in Reihe zu einer der beiden von der Gleichstromquelle kommenden Stromversorgungsleitungen
der Transistorverstärkerstufe geschaltet ist, daß der Kollektor des Schutztransistors
mit dem von der Gleichstromquelle kommenden und der Emitter mit dem zur Transistorstufe
führenden Ende der einen Versorgungsleitung verbunden sind, und bei der ein Gleichrichter,
dessen Ausgangsspannung proportional zur Ausgangswechselspannung der Transistorverstärkerstufe
ist, mit dem einen Pol seines Ausgangs an die Basis des Schutztransistors geführt
ist.
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Es sind bereits Begrenzerschaltungen bekannt, in denen durch geeignete
Maßnahmen der Strom in einer Transistorverstärkerstufe auf einen maximal zulässigen
Wert begrenzt wird.
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In F i g. 1 ist die bekannte Schaltung eines selektiven Transistorverstärkers
mit einer Endstufe in Gegentakt-B-Betrieb dargestellt, wie er vorzugsweise bei Trägerstromquellen
zur Speisung von Vielkanal-Trägerfrequenzsystemen verwendet wird. Die an der Wicklung
1 am Ausgangsübertrager 2 des Verstärkers 'anstehende Teilwechselspannung wird durch
den Gleichrichter 3 gleichgerichtet, mittels Ladekondensator 4 geglättet und über
die Zenerdiode 5 als versteilerndes Glied der Basis-Emitter-Strecke des Trantistors
6 der Eingangsstufe zugeleitet. Dadurch ist die Ausgangsamplitude des Verstärkers
selbsttätig geregelt, so daß sie in gewissen Grenzen unabhängig ist vom Lastwiderstand
des Verstärkers, von Schwankungen seiner Versorgungsspannung und der Aussteuerung
der Eingangsstufe. Da die selbsttätige Regelung den Endverstärker bei Kurzschluß
so weit aussteuern würde, wie es der Verstärkungsreserve der Vorstufe entspricht,
muß man die Aussteuerung der Endstufe definiert begrenzen, um die Transistoren 7,
8 der Endstufe zu schützen. Durch den Widerstand 9 in der Kollektorleitung des Transistors
6 der Vorstufe kann die Aussteuerung und damit der Strom in der Endstufe scharf
auf den für maximale Last zulässigen Wert begrenzt werden.
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Der Nachteil dieser Schaltung liegt jedoch darin, daß in Fällen, in
denen mit einem länger anhaltenden Kurzschluß am Ausgang des Verstärkers zu rechnen
ist, der Strom in der Endstufe auf denjenigen Wert begrenzt werden muß, der auch
beim totalen Kurzschluß am Ausgang des Verstärkers die Transistoren der Ausgangsstufe
bei der maximal vorkommenden Batteriespannung nicht überlastet. Dadurch ist die
maximal entnehmbare Ausgangsleistung auf einen Wert beschränkt, der weit unterhalb
dem liegt, der zugelassen werden könnte, wenn nur auf die Verlustleistung Rücksicht
genommen zu werden brauchte, die im Normalbetrieb auftritt.
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Es ist außerdem eine Schaltungsanordnung bekannt, die für Regelzwecke
einsetzbar ist. Die Transistoren sind dabei mit ihrer Emitter-Kollektor-Strecke
in eine Versorgungszuleitung eingeschaltet. Der Gleichrichter ist unmittelbar mit
dem Ausgang des Transistorverstärkers über eine Ausgangsspule der letzten Stufe
verbunden. Die Regelschaltung dient dazu, die Ausgangswechselspannung des Transistorverstärkers
trotz verschiedener Einflüsse konstant zu halten. Die Regelschaltung ist deshalb
so ausgelegt, daß beim Anwachsen der Spannung am Ausgang des Transistorverstärkers
die Kollektor-Emitter-Strecke der Transistoren immer hochohmiger wird, wodurch die
den Transistoren des Transistorverstärkers zugeführte Kollektorgleichspannung verringert
wird. Man erreicht dadurch, daß beim Anwachsen der Ausgangswechselspannung der Verstärkungsfaktor
kleiner wird und erhält als Ergebnis eine konstante Ausgangsspannung. Die Ausgangswechselspannung
wird hierbei annähernd proportional zur Versorgungsgleichspannung des Transistorverstärkers
geregelt. Da die Verstärkertransistoren bei Anwachsen der überlast, bzw. Kurzschluß
immer weiter geöffnet werden, tritt schließlich eine überlastung dieser Transistoren
ein, die zu ihrer vollständigen Zerstörung führen kann.
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Es gibt bereits Schutzschaltungen, die eine bessere Ausnutzung der
Transistoren gestatten und bei denen Kurzschlußsicherheit gewährleistet ist. Sie
beruhen alle darauf, daß kurzzeitig ein höherer Strom in der
Endstufe
zugelassen wird als der Nennlast entspricht. Tritt Überstrom auf, so dient er als
Kriterium für Überlast oder Kurzschluß am Verstärkerausgang und schaltet die Versorgungsspannung
ab (Sicherung, Schutzrelais). Abgesehen davon, daß bei diesen Schutzschaltungen
zuerst geprüft werden inuß, ob die Überlast oder der Kurzschluß entfernt ist, und
dann von Hand auf Betrieb geschaltet werden muß, ist die Ausnutzung des Verstärkers
bei Anwendung dieser Schutzschaltungen dadurch begrenzt, daß einerseits mit Schwankungen
der Versorgungsspannung gerechnet werden muß und andererseits damit, daß im Betrieb
die Ausgangsspannung nicht immer genau auf den Sollwert eingestellt ist. Der Wirkungsgrad
des Verstärkers fällt aber sehr schnell ab, wenn das Verhältnis aus dem Scheitelwert
der Kollektorwechselspannung zurVersorgungsgleichspannung von 100 % aus zu kleineren
Werten absinkt. Dieses Absinken des Wirkungsgrades muß bei den bisherigen Verstärkern
trotz aller Schutzschaltungen um so mehr in Kauf genommen werden, je größer die
genannten Toleranzen sind.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine bessere Ausnutzung
der jeweils eingesetzten Transistoren zu erreichen, ohne dabei auf einen Überlastschutz,
der auch noch im Kurzschlußfalle wirksam ist, verzichten zu müssen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung
so ausgebildet, daß die Emitter-Kollektor-Strecke eines Schutztransistors derart
in Reihe zu einer der beiden von einer Gleichstromquelle kommenden Stromversorgungszuleitungen
der Transistorverstärkerstufe geschaltet ist, daß der Kollektor des Schutztransistors
mit dem von der Gleichstromquelle kommenden und der Emitter mit dem zur Transistorstufe
führenden Ende der einen Versorgungsleitung verbunden ist, während ein Gleichrichter,
dessenAusgangsspannung proportional zur Ausgangswechselspannung der Transistorverstärkerstufe
ist, mit dem einen Pol seines Ausgangs mit der Basis des Schutztransistors und mit
dem anderen Pol seines Ausgangs mit der anderen von der Gleichstromquelle kommenden
Versorgungszuleitung der Transistorverstärkerstufe und die Basis des Schutztransistors
mit dem Emitter desselben durch einen Widerstand verbunden ist, so daß beim Anwachsen
der Überlast am Ausgang der Transistorverstärkerstufe die Kollektor-Emitter-Strecke
des Schutztransistors immer hochohmiger und die zwischen dem Emitter des Schutztransistors
und der gegenpoligen Versorgungszuleitung der Transistorverstärkerstufe liegende,
als Versorgungsspannung der Transistorverstärkerstufe dienende Spannung annähernd
proportional zur Ausgangswechselspannung heruntergeregelt wird.
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Durch diese Maßnahmen wird die gestellte Aufgabe in einfacher Weise
gelöst. Ein wesentlicher Vorteil der Anordnung liegt darin, daß durch die annähernd
proportionale Regelung der Versorgungsspannung der Transistorstufe zur Ausgangswechselspannung
die zulässige Verlustleistung der jeweiligen Transistoren in sämtlichen Betriebsfällen
einschließlich des Kurzschlußfalles niemals überschritten wird, so daß eine solche
Transistorstufe stets für die bei einem bestimmten Betriebsfall maximal erreichbare
Ausgangsleistung ausgelegt werden kann. Hinzu kommt noch, daß die Transistorverstärkerstufe
stets mit annähernd konstantem, genau bestimmbarem Wirkungsgrad arbeitet, demjenigen
hohen Wirkungsgrad nämlich, der durch das Verhältnis des Scheitelwerts der Kollektorwechselspannung
zur Versorgungsgleichspannung gegeben ist. Wegen des geringen Durchgriffes des Kollektorkreises
auf dem Emitterkreis werden bei der Art der Anordnung der vorliegenden Schutzschaltung
auch Batteriespannungsschwankungen weitgehend ausgeregelt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann ein Widerstand parallel
zur Emitter-Kollektor-Strecke des Schutztransistors geschaltet werden. Dadurch wird
erreicht, daß auch in Betriebsfällen, in denen noch keine Ausgangswechselspannung
vorhanden ist - z. B. bei Übergang vom Kurzschlußfall zum Normalbetrieb oder beim
Einschalten der Batteriespannung - und deshalb die Emitter-Kollektor-Strecke des
Schutztransistors sehr hochohmig ist, eine selbsttätige Einregelung auf den gewünschten
Betriebsfall erfolgt. Die Schaltungsanordnung ist völlig unabhängig von der Kurvenform
der Ausgangsspannung und gleichermaßen für den A-, B- und C-Betrieb geeignet, gleichgültig,
ob es sich um Ein- oder Gegentaktstufen handelt. Die spezielle Schutzschaltung kann
mit gleichem Erfolg auch bei Oszillatorschaltungen oder ähnlichen Anordnungen benutzt
werden.
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Die Erfindung wird an Hand der in den F i g. 2 bis 6 schematisch dargestellten
Ausführungsbeispiele und an Hand des Diagramms nach F i g. 7 näher erläutert.
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Die Schaltung nach F i g. 2 unterscheidet sich von derjenigen nach
F i g. 1 durch die zusätzliche Wicklung 11 des Ausgangsübertragers
2, durch eine Gleichrichterschaltung, bestehend aus der Diode 12
und
dem Kondensator 13, den Schutztransistor 10,
dessen Kollektor-Emitter-Strecke
in Reihe zur negativen Versorgungszuleitung geschaltet ist, und den parallel zur
Kollektor-Emitter-Strecke des Schutztransistors 10 liegenden Widerstand
17. Durch die parallel zur Batterie B liegende Reihenschaltung des Widerstandes
der Kollektor-Emitter-Strecke des Schutztransistors 10 und des an den Klemmen
14-15
sich als Quotient der Verstärkerspeisespannung U= zwischen den Klemmen
14-15 und dem Versorgungsgleichstrom I= darstellenden Widerstandes wird die
Batteriespannung B im Verhältnis dieser beiden Widerstände aufgeteilt.
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Die Schaltungsanordnung arbeitet folgendermaßen: Bei Änderung der
Ausgangswechselspannung U.-durch Laständerungen oder andere Einflüsse folgt die
Spannung an der Wicklung 11 und damit die am Kondensator 13 anstehende
Gleichspannung, die als Steuerspannung für den Schutztransistor 10 dient,
getreu der Ausgangswechselspannung der Endstufe. An den Klemmen 14-15 stellt
sich dabei eine Spannung ein, die um den nur wenige zehntel Volt betragenden Spannungsabfall
an der Emitter-Basis-Strecke des Schutztransistors 10 geringer ist als die
Steuerspannung. Die an den Klemmen 14-15 anstehende, als Verstärkerversorgungsspannung
dienende Gleichspannung ist durch diese Steuerung in jedem Augenblick proportional
der Ausgangswechselspannung. Durch geeignete Übersetzung im Ausgangsübertrager
2 zwischen der an dem Transistor 7, 8 liegenden Kollektorwicklung
22 und der Steuerwicklung 11
wird erreicht, daß die Verstärkerspeisespannung
geringfügig größer ist, als der Scheitelwert der Kollektorwechselspannung.
Der
Verlauf des Versorgungsstromes, der Versorgungsspannung und der Verstärkerausgangswechselspannung
in Abhängigkeit vom Lastwiderstand des Verstärkers ist aus dem Diagramm nach F i
g. 7 zu ersehen. Bei der Aufnahme der Kurven des Diagramms wurde die Ausgangswechselspannung
hierbei innerhalb des Betriebsbereiches zur Unterstützung der Verstärkerregelung
auf den Nennwert 10 Volt nachgestellt, um die Wirkungsweise der Schutzschaltung
übersichtlich darzustellen.
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Bei überlast tritt die Begrenzung durch den Widerstand 9 in Kraft.
Der Versorgungsstrom 1-steigt nicht mehr weiter an. Da nun die Ausgangswechselspannung
U;:::#- abfällt, regelt die Schutzschaltung die Versorgungsspannung U= annähernd
proportional mit herunter. Die Tatsache, daß die Versorgungsgleichspannung U= rascher
als die Ausgangswechselspannung Urz# abfällt, liegt in den Kennlinien des Transistors
10 begründet und führt dazu, daß bei sehr kleinen Lastwiderständen 20 am
Verstärkerausgang, wie sie bei Kurzschlüssen auftreten, die Steuerspannung am Transistor
10 nicht mehr ausreicht, um die Versorgungsspannung an den Klemmen 14-15 zu erhalten,
die dem bestimmten überlastfall entspricht; dadurch sinkt die Ausgangswechselspannung
U,-: und damit die Steuerspannung für den Schutztransistor 10 noch mehr, so daß
der Schutztransistor die Versorgungszuleitung fast völlig sperrt, womit der im Diagramm
ersichtliche, von einem bestimmten Zeitpunkt an sehr rasche Abfall des Versorgungsstromes
1= seine Erklärung findet. Ein gewisser Reststrom und damit auch eine Restspannung
bleiben erhalten, da der Widerstand der Emitter-Kollektor-Strecke des Schutztransistors
10 nicht unendlich groß ist. Würde die Schutzschaltung die Versorgungssspannung
U= genau proportional zur Ausgangswechselspannung U.-; steuern, dann würde die Schutzschaltung
im überlastbereich bis zum totalen Kurzschluß den beim Begrenzungsfall maximal erreichbaren
konstanten Versorgungsstrom 1= beibehalten. In diesem Falle bleiben die Endtransistoren
7, 8 voll ausnutzbar, da sie im Kurzschluß nur eine sehr geringe Versorgungsspannung
speisen würde. Der Schutztransistor 10 nimmt dabei die volle Verlustleistung auf,
die die Endtransistoren in einem Gegentakt-B-Verstärker aufnehmen müßten, der keinerlei
Schutzschaltung außer dem Begrengungswiderstand 9 besitzt. Es erfolgt also eine
Verlagerung der Verlustleistung von den teuren Hochfrequenztransistoren der Endstufe
zu einem Transistor sehr niedriger Grenzfrequenz, der mit hoher zulässiger Verlustleistung
günstiger herstellbar ist. Im Diagramm nach F i g. 7 ist die Verlustleistung des
Transistors 10 für diesen Fall mit N"' bezeichnet. Im Gegensatz zu dieser theoretischen
Betrachtung entsteht jedoch im Betrieb, wegen der nur annähernd proportionalen Regelung
der Versorgunsgleichspannung U= in Abhängigkeit von der Ausgangswechselspannung
U@ und der damit . verbundenen weitgehenden Sperrung der Versorgungszuleitung beim
Erreichen desienigen Belastungsfalles, von dem ab die Steuerspannung nicht mehr
ausreicht, um die für den Betriebszustand notwendige Versorgungsgleichspannung U=
aufrechtzuerhalten, der zusätzliche Vorteil, daß von diesem Zeitpunkt an die Verlustleistung
am Schutztransistor 10 ebenfalls abnimmt. Der Verlauf der bei der Schaltungsanordnung
nach F i g. 2 auftretenden Verlustleistung N" in Abhängigkeit von der Belastung
des Verstärkerausganges ist im Diagramm 7 ebenfalls ersichtlich. Der Widerstand
17 parallel zur Kollektor-Emitterstrecke des Schutztransistors garantiert in den
Fällen, in denen keine Ausgangswechselspännung existiert und dadurch die Kollektor-Emitter-Strecke
des Schutztransistors praktisch nicht leitend ist, den Mindeststrom in der Versorgungszuleitung,
der nötig ist, um den Verstärker selbsttätig auf den Betriebsfall einzuregeln. Der
Strom, der im FaJ1 des Kurzschlusses am Verstärkerausgang durch den Widerstand 17
fließt, ist weitaus kleiner als der in diesem Fall für die Transistoren 7,
8 der Ausgangsstufe zulässige: In F i g. 3 ist die Schaltungsanordnung der
Schutzschaltung nochmals gesondert herausgezeichnet. Der Widerstand 16 ist dabei
der Ersatzwiderstand für den im Betrieb auftretenden, sich aus dem Quotienten der
Versorgungsgleichspannung U= an den Klemmen 14-15 und den den Versorgungsgleichstrom
1= darstellenden Widerstandes.
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In F i g. 4 ist eine Begrenzerschaltung gezeigt, bei der dem Schutztransistor
10 eine Gleichstromverstärkerstufe mit dem Transistor 18 vorgeschaltet ist.
Dadurch wird eine wesentlich geringere Belastung der Gleichrichterstufe 11, 12,
13 und damit des Verstärkerausganges erreicht.
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Bei der Schaltungsanordnung nach F i g. 5 erfolgt die Einspeisung
der Steuerspannung parallel zur Emitter-Basis-Strecke des Schutztransistors 10.
Besonders vorteilhaft ist dabei im Vergleich zur Schaltungsanordnung nach F i g.
3, daß nur die geringe Emitter-Basis-Spannung zur Steuerung aufgebracht zu werden
braucht.
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Bei der Schaltungsanordnung nach F i g. 6 ist die Zenerdiode 19 zwischen
den Ausgang des einen Pols der Gleichrichterschaltung und der Basis des Schutztransistors
10 geschaltet.
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Auch hierbei ist die Steuerspannung für den Schutztransistor 10, trotz
des zusätzlichen Spannungsabfalles an der Zenerdiode 19, kleiner als bei der Schaltungsanordnung
nach F i g. 3.