Begrenzungsregelung der Ausgangsleistung von Leistungstransistoren
Bei Gleichspannungs- und Gleichstromverstärkern ist man allgemein bestrebt, den
Verstärkerausgang niederohmig und damit steif gegen Belastungsschwankungen zu machen.
Diese Forderung kann man gut erfüllen, indem man die Endstufe als Emitterfolger
(Kollektorstufe) ausführt. Eine solche Stufe hat jedoch den großen Nachteil, daß
sie nicht kurzschlußfest ist, d..h., der Endtransistor wird infolge des großen Kurzschlußstromes
und der damit verbundenen Verlustleistung sofort zerstört, wenn der Verstärkerausgang
kurzgeschlossen wird.Limitation control of the output power of power transistors
In direct voltage and direct current amplifiers, one generally strives to the
To make amplifier output low-resistance and thus stiff against load fluctuations.
This requirement can be met by using the output stage as an emitter follower
(Collector stage). However, such a stage has the major disadvantage that
it is not short-circuit-proof, i.e. the output transistor becomes as a result of the large short-circuit current
and the associated power loss immediately destroyed when the amplifier output
is short-circuited.
Abhilfe kann für diesen Fall in bekannter Weise dadurch geschaffen
werden, daß man einen entsprechend hochohmigen Schutzwiderstand in den Kollektorkreis
einfügt. Hierdurch wird zwar ein Überschreiten der Verlustleistungsgrenze des Transistors
vermieden; zugleich aber geht der volle Aussteuerungsbereich verloren. Insofern
ist diese Maßnahme keine befriedigende Lösung.This can remedy this case in a known manner
that one has a correspondingly high-resistance protective resistor in the collector circuit
inserts. As a result, the power loss limit of the transistor is exceeded
avoided; at the same time, however, the full control range is lost. To that extent
this measure is not a satisfactory solution.
Auch sind bereits Schaltungen zur Begrenzungsregelung der Ausgangsleistung
von Leistungstransistoren bekanntgeworden, bei denen keine Beschränkung des Aussteuerungsbereichs
erfolgt. In der USA.-Patentschrift 3 102 241 und der deutschen Auslegeschrift 1110
231 sind Begrenzungsschaltungen angegeben, bei denen eine Vergleichsstufe vorgesehen
ist, die den vom Leistungstransistor aufgenommenen Strom und die über den Leistungstransistor
auftretende Spannung mit einem vorgegebenen Sollwert vergleichen und bei überschreitung
einer vorgegebenen Grenze des Produktes beider Größen den Leistungstransistor im
Sinne einer Verringerung der Ausgangsleistung ansteuern.Circuits for limiting control of the output power are also already in place
of power transistors that do not limit the modulation range
he follows. In U.S. Patent 3 102 241 and German Auslegeschrift 1110
231 limit circuits are specified in which a comparison stage is provided
is the current consumed by the power transistor and that through the power transistor
Compare the voltage that occurs with a specified target value and if it is exceeded
a predetermined limit of the product of both sizes the power transistor in the
Control the sense of a reduction in output power.
Die Erfindung gibt eine sehr vorteilhafte und zweckmäßige Anordnung
zur Begrenzungsregelung der Ausgangsleistung eines in Kollektorschaltung betriebenen
Leistungstransistors (Endtransistor) an. Gemäß der Erfindung wird die gestellte
Aufgabe dadurch gelöst, daß zur mittelbaren Abbildung der Spannung über dem Endtransistor
(Tr3) ein weiterer Transistor (Tr 1) gleichen Leitfähigkeitstyps vorgesehen
ist, dessen Basis-Emitter-Strecke parallel zum Ausgang des Endtransistors liegt
und dessen Kollektor mit dem Abgriff eines zwischen die Versorgungsspannung geschalteten
Widerstand-Spannungsteilers (R2, R4) verbunden ist, und daß zur Erfassung des Stromes
durch den Endtransistor in dessen Kollektorkreis ein Widerstand (R1) vorgesehen
ist, dessen kollektorseitiger Anschluß mit der Basis eines zusätzlichen, die Vergleichsstufe
bildenden Transistors entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps verbunden ist, dessen
Emitter mit dem Spannungsteilerabgriff in Verbindung steht und über dessen Kollektor
der Endtransistor bei Überschreitung der Leistungsgrenze mittelbar oder unmittelbar
zugesteuert wird.The invention provides a very advantageous and expedient arrangement for limiting control of the output power of a power transistor (output transistor) operated in a collector circuit. According to the invention, the object is achieved in that a further transistor (Tr 1) of the same conductivity type is provided for the indirect mapping of the voltage across the end transistor (Tr3), the base-emitter path of which is parallel to the output of the end transistor and its collector with the tap of a resistor-voltage divider (R2, R4) connected between the supply voltage, and that a resistor (R1) is provided for detecting the current through the final transistor in its collector circuit, the collector-side connection of which with the base of an additional, the comparison stage forming Transistor of opposite conductivity type is connected, the emitter of which is connected to the voltage divider tap and the collector of which the output transistor is directly or indirectly controlled when the power limit is exceeded.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung zeigt die
Zeichnung. An Hand dieser Zeichnung sei im folgenden die Erfindung näher erläutert.An embodiment of the circuit according to the invention is shown in
Drawing. The invention is explained in more detail below with reference to this drawing.
Die Zeichnung zeigt zunächst einmal einen einfachen Rechenverstärker,
bestehend aus der Differenzstufe am Eingang, einer nachgeschalteten Verstärkerstufe
und einer abschließenden Endstufe in Kollektorschaltung. Der Transistor dieser Endstufe
wird normalerweise bei Kurzschluß am Ausgang (RL -- 0) zerstört, und es ist deswegen
für diesen Transistor eine Begrenzungsregelung seiner Ausgangsleistung in Abhängigkeit
von der Belastung am Ausgang vorgesehen.The drawing shows first of all a simple computing amplifier,
consisting of the differential stage at the input, a downstream amplifier stage
and a final output stage in a collector circuit. The transistor of this output stage
is normally destroyed in the event of a short circuit at the output (RL - 0), and that's why it is
for this transistor a limiting control of its output power as a function of
provided by the load at the output.
Die Regelung der Leistung des Endtransistors Tr3 wird durch den Vergleich
der beiden Spannungen Ui und U2 bewirkt, wobei die Spannung U2 als Sollwert anzusehen
und durch die Ausgangsspannung U" veränderbar ist. Über einen zwischen die Versorgungsspannung
geschalteten Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen R2 und R4, kann ein
Grundsollwert U21 über dem Widerstand R2 vorgegeben werden. Zu diesem Grundsollwert
addiert sich ein veränderlicher Sollwert U22, der sich aus dem Strom I, herleitet.
Am Widerstand R1 wird der Strom durch den Transistor Tr3 als Istwert Ui abgebildet.
Beide Spannungen werden über die Basis-Emitter-Strecke des Transistors Tr2 verglichen.
Dieser Vergleich ist bekannt und wird beispielsweise bei spannungsstabilisierten
Netzgeräten oft angewandt (Prinzip der Referenzspannungen). Es ist ein wesentliches
Merkmal der Erfindung, daß sich der Sollwert U2 in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung
U" verändert. (U2 = U21 + U22).
Um die Wirkungsweise der
Begrenzungsregelung näher zu erläutern, sei beispielsweise der Fall angenommen,
daß der Abschlußwiderstand (Lastwiderstand RL) entfernt und der Ausgang kurzgeschlossen
wird (RL -> 0). In diesem Fall fällt die gesamte Versorgungsspannung, beispielsweise
50 V, abzüglich der kleinen Vergleichsspannung Ul, an dem Endtransistor Tr
3 ab. Wird der Strom 1C nicht auf einen bestimmten Wert begrenzt, so wird
der Transistor zerstört. Um dies zu vermeiden, ist die Basis eines Transistors Trl
mit dem Emitter des Endtransistors Tr 3 verbunden. An dem Emitterwiderstand
des Transistors 1 bildet sich dann die Ausgangsspannung U" ab. Sie ist lediglich
um die Basis-Emitter-Spannung von der tatsächlichen Ausgangsspannung verschieden.
Die Ausgangsspannung U" bestimmt den Strom 13 des Transistors Tr 1, und dieser
Strom wiederum beeinflußt die Vergleichsspannung U2, wie man sehr leicht der Zeichnung
entnehmen kann. Die Vergleichsspannung U2 wird also nicht allein durch den"fest
einstellbaren Strom 14 über den Spannungsteiler R2, R4, bestimmt, sondern auch noch
durch den Strom 13 mitbestimmt, der wiederum von der Ausgangsspannung U" und damit
von dem Lastwiderstand RL abhängig ist. Im Falle des Kurzschlusses geht U" gegen
0 Volt. Dadurch erhalten sowohl die Basis als auch der Emitter des Transistors Trl
gleiches Potential und er wird gesperrt. Infolge des Fehlers des Stromes 13 vermindert
sich die Spannung U2. Da nun die Spannung U2 mit der Spannung U1 mit Hilfe des Transistors
Tr 2 verglichen wird, muß sich der- Kollektorstrom I, des Endtransistors
3 verringern, damit die Spannung Ui wiederum der Spannung U2 angeglichen wird. Die
Regelung der beiden Spannungen U1, U2 auf Gleichheit übernimmt der Transistor 2.
Sinkt die Ausgangsspannung U" und damit der Strom I3, so verringert sich die Spannung
U2. Dadurch wird der Emitter des NPN-Transistors 3 negativ gegenüber seiner Basis,
und er zieht mehr Strom. Der Kollektor dieses Transistors ist mit den Emittern der
Eingangs-Differenzstufe verbunden und wirkt bei zunehmender Aussteuerung sperrend
auf die (Differenz,) Eingangsstufe des Verstärkers. Dadurch kommen aber auch die
nachgeschaltete Verstärkerstufe und die Kollektorstufe (Endstufe) mehr in den Sperrzustand,
so daß eine Zerstörung des Endtransistors vermieden wird.The power of the output transistor Tr3 is regulated by comparing the two voltages Ui and U2, the voltage U2 being regarded as the setpoint value and being changeable by the output voltage U ". Via a voltage divider connected between the supply voltage, consisting of the resistors R2 and R4 , a basic setpoint value U21 can be specified via the resistor R2. A variable setpoint value U22, which is derived from the current I, is added to this basic setpoint value. The current through the transistor Tr3 is mapped as the actual value Ui at the resistor R1 The base-emitter path of the transistor Tr2 is compared. This comparison is known and is often used, for example, in voltage-stabilized power supplies (principle of reference voltages). It is an essential feature of the invention that the setpoint U2 changes as a function of the output voltage U " . (U2 = U21 + U22). In order to explain the mode of operation of the limitation control in more detail, let us assume, for example, that the terminating resistor (load resistor RL) is removed and the output is short-circuited (RL -> 0). In this case, the entire supply voltage, for example 50 V, minus the small comparison voltage U1, drops across the output transistor Tr 3 . If the current 1C is not limited to a certain value, the transistor will be destroyed. In order to avoid this, the base of a transistor Trl is connected to the emitter of the end transistor Tr 3 . The output voltage U "is then reproduced at the emitter resistor of the transistor 1. It differs from the actual output voltage only by the base-emitter voltage. The output voltage U" determines the current I3 of the transistor Tr 1, and this current in turn influences the Comparison voltage U2, as you can easily see from the drawing. The comparison voltage U2 is not only determined by the "permanently adjustable current 14 via the voltage divider R2, R4, but also determined by the current 13, which in turn depends on the output voltage U" and thus on the load resistance RL. In the event of a short circuit, U "goes to 0 volts. As a result, both the base and the emitter of the transistor Trl receive the same potential and it is blocked. As a result of the error in the current 13, the voltage U2 decreases U1 is compared with the aid of the transistor Tr 2 , the collector current I, of the output transistor 3 must be reduced so that the voltage Ui is again adjusted to the voltage U2 Output voltage U "and thus the current I3, the voltage U2 is reduced. This makes the emitter of the NPN transistor 3 negative with respect to its base, and it draws more current. The collector of this transistor is connected to the emitters of the input differential stage and has a blocking effect on the (difference,) input stage of the amplifier as the level increases. As a result, however, the downstream amplifier stage and the collector stage (output stage) are more in the blocking state, so that destruction of the output transistor is avoided.