DE2404850A1

DE2404850A1 - Elektronische sicherung fuer eine verstaerkerschaltung

Info

Publication number: DE2404850A1
Application number: DE2404850A
Authority: DE
Inventors: Dieter Herchner
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Telefunken Electronic GmbH
Priority date: 1974-02-01
Filing date: 1974-02-01
Publication date: 1975-08-14
Also published as: US3988642A; DE2404850B2; DE2404850C3

Description

Licentia Patent-VerwaOLtungs-GmbH

6 Frankfurt/Main, Theodor-Stern-Kai 1

Heilbronn, den 29. Jon PT-Ma/sr - HN

Elektronische Sicherung für eine Verstärkerschaltung

Die Erfindung betrifft eine elektronische Sicherung für eine Verstärkerschaltung als Schutz gegen einen zu hohen Laststroüi, wobei zum Abschalten der einen Grenzwert über steigende Laststrom direkt herangezogen wird. Dieser Last-Strom wird durch eine geeignete Schaltung in eine proportionale Spannung umgewandelt.

Da der Innenwiderstand von beispielsweise mehrstufigen Niederfrequenz-Verstärkerschaltungen aus dynamischen Gründen sehr gering sein soll, kann der entnommene Laststrom bei zu kleinen Lastwiderständen unzulässig hohe Vierte annehmen. Um die Zerstörung von Endstufentransistoren durch zu hohe Lastströme zu vermeiden, wurde bereits die Verwendung von

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Feinsicherungen vorgeschlagen. Der so erreichte Schutz ist jedoch unvollkommen, da die Abschaltzeit der Feinsicherungen im allgemeinen groß ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Sicherung anzugeben, die bei einem definierten Laststrom die Abschaltung des Verstärkers verursacht. Da der Laststrom direkt zur Bildung des Prüfwertes herangezogen wird- und nicht etwa der Basisstrom der Endstufentransistoren oder eines vorangehenden Transistors - werden Streuungen, die beispielsweise durch die Unterschiedlichkeit der Stromverstärkungsfaktoren gegeben sind, eleminiert.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird bei einer Schaltung der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß ein Differenzverstärker aus wenigstens zwei Transistoren vorgesehen ist, deren Steuerelektroden an die beiden Klemmen eines im Laststromkreis liegenden Meßwiderstandes angeschlossen sind, daß dieser Widerstand so geschaltet ist, daß an seinen beiden Klemmen die Ausgängsgleichspannung des Verstärkers liegt, daß die Transistoren des Differenzverstärkers über einen gemeinsamen Emittervo'rwxderstand an ein Potential angeschlossen sind, das sich mit dem dynamischen Ausgangspotential des Verstärkers gleichphasig verändert, daß der Differenzverstärker

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über eine Anpassungsstufe an eiil'e Schaltstiif e angeschlossen ist. durch die beim Überschreiten eines definierten Schwellwertes am Eingang der Schaltstufe eine oder mehrere nachge- -■ schaltete Stromquellen durchgesteuert werden, die mit der Verstärkerschaltung derart, verbunden ist, daß diese bei einem, überhöhten Laststrom abgeschaltet wird»

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltung ist eine Stromquelle vorgesehen, die bei jeder über der Basis- Emitter-Durchlaßspannung U_ß eines Transistors liegenden Versorgungsgleichspnnnung arbeitsfähig ist. Dies hat den Vorteil, daß auf <ien _an der Ausgangselektrode der Stromquelle anliegende/l· durch den angeschlossenen Punkt in der Verstärkerschaltung vorgegebenen Spannungsvert. keine Rücksicht genommen werden muß. Eine solche Stromquelle ist beispielsweise ein Transistor, der der Schaltstufe nachgeschaltet ist. '

Die Verstärkerschaltung ist vorzugsweise an einen Schaltungsteil angeschlossen, der nach dem Prinzip einer Bootstrap-Schaltung arbeitet. Durch diesen Schaltungsteil wird das an der Anschlußstelle des Emitterwiderstandes des Differenz-

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verstärlters anliegende Potential auf das gleiche dynamische Potential "wie die Ausgangsspannung des Verstärkers angehoben. Dieses angehobene Potential -wird gegebenenfalls über einen Widerstand mit der Ausgangselektrode des Treibentransistors in der Verstärkerschaltung verbunden, so daß eine
volle Aussteuerung der Verstärkerschaltung möglich ist.

Die erfindungsgemäße Schaltung hat den Vorteil, daß der für die Auslösung der Sicherung vorgesehene Laststromgrenzwert
temperaturunabhängig ist. Dies wird durch die Verwendung
eines Differenzverstärkers erzielt.

Der Ausgangswiderstand der Sicherung ist in der erwünschten Weise hochohmig. Dies ergibt sich aus dem hochohmigen Kollektorinnenwiderstand des die Stromquelle bildenden Anschlußtransistors.

Beim Überschreiten des Laststromgrenzwertes kann der Verstärker erst wieder in Betrieb gesetzt werden, wenn die
Versorgungsspannung zuerst abgeschaltet und dann erneut zugeschaltet wird. Dies erreicht man bei einer bevorzugten Ausführungsform der Schaltung dadurch, daß beim Überschreiten
eines bestimmten Schwellwertes ein Thyristor gezündet wird.

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An diesen Thyristor ist der die Stromquelle bildende Transistor so angeschlossen, daß dieser Transistor dann durchgesteuert wird, wenn über den Thyristor ein begrenzter Strom fließt. Der Thyristor erhält seine Zündspannung von einer Zenerdiode, die den Schwellwert bestimmt. Der Thyristorstrom läßt sich nur dadurch unterbrechen, daß die Versorgungsspannung abgeschaltet wird.

Der Laststroni bedingt eine an der Ausgangselektrode des Differenzverstärkers auftretende Spannung, die einen Gleich- und einen Wechselspannungsanteil aufweist. Der Schwellwert wird der Einfachheit halber von einer Zenerdiode bestimmt. Nun ist verständlich, daß der Schwellwert der Zenerdiode nicht unbedingt dem Gleich- und Wechselspannungsabfall am Ausgang des Differenzverstärkers beim Laststromgrenzwert entspricht. Zwischen die Zenerdiode und den Differenzverstärker muß daher eine Anpassungsstufe geschaltet werden. Diese Anpassungsstufe, die auch als Pegelschieber bezeichnet wird, erl.-iubt die voneinander unabhängige Anpassung der Gleichspannungs- und der Vechselspannungsanteile.

Die erfindungsgemäße Schaltung soll im weiteren noch anhand eines Ausfuhrungsbeispiel.es näher erläutert werden.

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In der Figur ist eine Schaltung dargestellt, die im wesentliehen aus 8 Teilen besteht. Der erste Teil ist die Verstärkerschaltung V herkömmlicher Art, die aus mehreren Stufen besteht und besonders für Niederfrequenzverstärkungen verwendet wird.

Der Verstärker besteht aus den Transistoren T , T , ¹S und T, mit den zugehörigen Dioden D , D zwischen den Steuerelektroden der Endstufentransistoren T und T,. Diese beiden Dioden wirken als Spannungsquelle und sichern eine temperaturstbilisierte Gleichstromarbeitspunkteinsteilung für die Eruistufentransistoren. Die Transistoren T und T^ sind Komplernentärtransistoren und arbeiten in Kollektorschaltung. Die beiden Transistoren sind so zwischen die Pole der Versorgungsspannungsquelle U in Reihe geschaltet, daß die Emitterelektroden beider Transistoren miteinander verbunden sind und damit auf gleichem Potential liegen. Beim Betrieb der Schaltung stellt sich ein Gleichgewicht derart ein, daß ntn Punkt P zwischen den beiden Transistoren T und Ty₁ die halbe Versorgungsspannung ^n/o 1^χβδ*· Da die ¥echselspannungsverstärkung von der Basis zur Emitterelektrode der Endstufentransistoren T , T, kleiner als 1 ist, kann bei voller symmetrischer Aussteuerung des Treibertransistors, für den ja auch nur der Versorgungsspannung U_R zur Verfügung steht, am Ausgang P der Endstufentransistoren nicht die volle Wechsel-

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spannungsatnplitude U = _B liegen. Es ist daher notwendig,

. 2

das Ausgangspotential der Treiberstufe ' bei einem vorhandenen Eingangssignal so gleichphasig mit der Ausgangsspannung an P anzuheben, daß der Verstärker voll ausgesteuert werden kann.

Die Anhebung des Kollektor-Potentials des Treibertransistors T erfolgt mit Hilfe der Schaltelemente C , R im Schal-2 JJ

tungsteil B ., die nach dem Prinzip einer Bootsstrap-Schaltung arbeiten. In diesem Schaltungsteil ist auch der L.-iststrdni·= kreis enthalten, der über den Meßwiderstand R^. an den Punkt P des Verstärkers angeschlossen ist. Die zweite Klemme Q des Meßwiderstandes R., ist über den Kondensator C und den Lastwiderstand R₁ mit dem negativen Pol bzw. dem Masseanschluß und über einen weiteren Kondensator C und den Widerstand R„ mit dem positiven Pol der Versorgungsspannungsquelle verbunden. Die Verbindung S zwischen dem Kondensator C und dem Widerstand R ist einmal über den Widerstand R₀ mit der Kollektorelektrode des Transistors T und zum anderen über den Emittervorwiderstand R. mit den beiden Emitterelektroden der Transistoren T_ und T-- des Differenzverstärkers D verbunden. Die Basiselektrode des Transistors T ist an Q ange-

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schlossen, während die Basiselektrode des Transistors T,-an P angeschlossen ist.

Solange kein Wechselstromsignal vorhanden ist, ist R,. praktisch gleichspannungsfrei und damit stromlos, da weder über G noch C ein Gleichstrom fließen kann und der Basisstrom " des Transistors T_ vernachlässigbar klein ist. Λη Q liegt somit das mit P übereinstimmende¹ Gleichspannungspotential IJ, . « Beim Auftreten eines Wechselstromsignals und angeschlossenem Lastwiderstand KL fließt über R, der Laststrom. Gleichzeitig ändert sich am Punkt S über die Kapazität C das Potential derart, daß auch eine volle Aussteuerung der Ausgangstransistoren T und Ti bis zur Spannung U„/2 möglich ist.

Der Aufbau des an den Meßwiderstand Rw angeschlossenen Differenz-Verstärkers D wurde bereits weitgehend erläutert. Der Kollektor des Transistors T_n. ist direkt mit Masse verbunden, während der Kollektor des Transistors T,- über den Kollektorwiderstand R_ on die Masseelektrode angeschlossen ist.

Über R fällt dann eine bestimmte Gleichspannung ab, der eine Wechselspannung überlagert ist, die von dem an IL·. gemessenen Laststrom abhängig ist. IL. kann praktisch beliebig klein gewählt werden, da der an iL abgegriffene Spannungswert am

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Differenzverstärker D verstärkt wird und dieser verstärkte ¥ert noch über die Anpassungsstufe auf den gewünschten 'wert transformiert werden kann.

Die Anpas.sc.iigsstufe A besteht aus den beiden Konplecientär-

transistoren T_ und T₀· Die Emitterelektrode von T„ ist 7 ^ö (

über den Emitterwiderstand Rn art Masse uzid der Kollektor . über den Kollektorwiderstand R_ an den positiven Pol dar Versorgungsspannungsquelle angeschlossen. Der Kompleraentärtransistor To, dessen Basiselektrode an die Kollektorelektrode von T führt, ist über den Kollektowiderstaud Rq an Messe und über den Emitterwiderstand R_q an den positiven Pol der Versorgungsspannungsquelle angeschlossen. An Rp füllt die angepasste Spannung an, die beim Überschreiten eines. Grenzwertes die nachgeschaltete Zenerdiode Z duz-chsv7h0.ltet.

Bei einer Anpassungsstufe der geschilderten Art gilt:

^R8 = V J Uein - 1 ] - Uaus ( l) und

\ - üau;

1 ^

^R7 = V . ^R9 (2)
^ΰ 8

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- ίο -

Dabei ist V die Wechselspannungsverstärkung der Anpsssungsti fe also V = V .Vo, wobei V und Vn die Verstärkungsfaktoren der beiden Stufen mit den Transistoren T und Tg sind. U ist die gewünschte Gleichspannung an R_fl, während

aUS O

U . die Gleichspannung an R_ ist.

Angenommen die Zenßrdiode Z hat eine Zenerspannung von 5,5 Volt, dann wird durch die Anpassungsstufe sichergestellt, daß an Ro bei dem gewünschten Laststromgrenzwert diese Zenerspannung abfällt. Wenn an R beispielsweise eine Gleichspannung von 2 Volt abfällt, dann wird U beispielsweise mit einem Gleichspannungswert von 4 Volt in die obige Gleichung eingesetzt. Bis zur Zenerspannung von 5>5 Volt verbleiben dann nocht 1,5 Volt. Ergibt sich, daß bei dem Laststromgrenzwert an R_ eine Wechselspannung mit dem Spitzenwert 0,5 Volt abfällt, muß V den Wert 3 haben, damit die noch fehlenden 1,5 Volt an Z erreicht werden. Wenn somit die Werte für

V und U gewählt sind, ergibt sich» daraus mit Gleichung u aus

(1) das Widerstandsverhältnis Ro/R« und damit aus Gleichung

(2) auch das Widerstandsverhältnis R_n

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Parallel zum Ausgangswiderstand Ro der Anpassungsstufe A ist die -ßeiliienschaltung Z aus der Zenerdiode Z und dem Widerstand JR geschaltet.

An der Zenerdiode Z fällt somit die Zenerspannung dann ab, wenn der Laststromgrenzwert erreicht ist. Der an die Zenerdiode Z angeschlossene Thyristor aus den Transistoren T und T zündet dann. Dieser 'Thyristorstrom im Thyristorschaltteil T wird durch den zum Thyristor in Reihe geschalteten Widerstand R begrenzt. Er erzeugt an dem gleichfalls in Reihe geschalteten Transistor T einen Spannungsabfall der Größe ^Jüp*· Bei dieser Spannung wird der nachgeschaltete, als Stromquelle dienende Transistor T , immer dann durchsteuert, -wenn die Spannung an der Kollektorelektrode von T zwischen den Werten Uj,_E und TL. liegt, wobei U„ die Versorgungsgleichspannung ist. Die Stromquelle kann daher fast an jeden beliebigen Punkt der Verstärkerschaltung angeschlossen werden. Der Kollektor von T wird beispielsweise an die Basiselektrode des Treibertransistors T angeschlossen. Wenn der Laststromgrenzwert erreicht wird, wird der Transistor T durchgesteuert und der Basisstrom des Transistors T abgeleitet« Der Verstärker schaltet ab und kann nur durch eine Abschaltung und wieder Zuschaltung der Versorgungsgleichspannung erneut

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in Betrieb genommen vrerden. Der Transistor ist beispielsweise als Diode geschaltet. An die kurzgeschlossene Kollektor-Basisstrecke ist die Stromquelle St angeschlossen. In manchen Fällen können auch mehrere Stromquellentransistoren parallel geschaltet werden.

Der Transistor T _ kann beispielsweise auch an die Eingangselektrode von T oder T, oder an die Emitterelektrode von T angeschlossen werden.

Erwähnt sei noch, daß der Widerstand R_ sehr viel größer ist als der Widerstand R., um den über R- abfließenden Wechselstrom klein zu halten.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind T , T,, T_, T

1 * P ο

Tq und T pnp-Transistoren, während die übrigen Transistoren npn-Transistoren sind.

Die Schaltung kann in -einem oder in mehreren Halbleiterkörpern als integrierte Festkörperschaltung untergebracht werden. D nn wird der niederohmige Meßwiderstand IL, vorzugsweise durch eine Leitbahn oder einen diffundierten Widerstand realisiert.

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Claims

240A8S0

Patentansprüche

( l))Elektronische Sicherung für eine Verstärkerschaltung als Schutz gegen einen zu hohen Läststrom, wobei zum Abschalten der einen Grenzwert übersteigenden Laststrom direkt herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Differenzverstärker (D) aus wenigstens zwei Transistoren (T_r,T^-) vorgesehen ist, deren Steuerelektroden an die beiden Klemmen eines im Laststromkreis liegenden Meßwiderstandes (l\;) angeschlossen sind, daß dieser Widerstand (^w) so geschaltet ist, daß an .seinen beiden Klemmen die Ausgangsgleichspannung des Verstärkers (V) liegt, daß die Transistoren (T_r,Tg) des Bifferenzverstärkers über einen gemeinsamen Emittervorwiderstnnä (Rj₁) an ein Potential (S) angeschlossen sind, das sich mit dem dynamischen Ausgangspotential (P) des Verstärkers gleichphasig · verändert, daß der Differenzverstärker (D) über eine Anpassungsstufe (A) en eine Schaltstufe (Z,Ty* angeschlossen ist, durch die beim Überschreiten eines definierten Schwellwertes rin Eingrng der Schaltstufe eine oder mehrere nachgeschaltete Stromquellen (T ) durchgesteuert werden, die mit der Verstärkerschaltung (V)

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derart verbunden ist, daß diese bei einem überhöhten Laststrom abgeschaltet wird.

2) Elektronische Sicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stromquelle (T _) vorgesehen ist, die bei jeder über der Basis-Emitter-Durchlaßrichtung U„„ eines Transistors liegenden Versorgungsgleichspannurtg arbeitsfähig ist.

3) Elektronische Sicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein nach dem Prinzip einer Bootstrap-Schaltung arbeitender Schaltungsteil (B) vorgesehen ist, durch das da.~ an der Anschlußstelle (S) des Emittervorwiderstandes (^4) des Differenzverstärkers (D) anliegende Potential auf das gleiche dynamische Potential wie die Ausgangsspannung des Verstärkers (V) angehoben wird, und daß dieses Potential mit der Ausgnngselektrode des Treibertransistors (T ) des Ver-

iw

stärkere (V) verbunden ist.

k) Elektronische Sicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstand (R»_f) niederohmig ist.

5) Elektronische Sicherung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassungsstufe (A)

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aus zwei einander nachgeschalteten Komplerr.en tärtrfxr.si stören (T ,Tq) besteht, wobei die Emitterelektrode des ersten Transistors (T_) über einen Emitterwiderstand (R,-) mit dem ersten Pol und der Kollektor über einen Kollektowiderstand (ΐΐ_) mit dem zweiten .Pol der Versorgungsspannungsquelle verbunden ist, während der Emitter des zweiten Transistors (Tn) über einen Emitterwiderstand (R_Q) mit dem zweiten Pol und der Kollektor über einen Kollektorvriderstand (Ro) mit dem ersten Pol der Versorgungsspannungsquelle verbunden ist.

6) Elektronische Sicherung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem Kollektorwiderstand (Ro) des zweiten Transistors (Tn) der Anpassungsstufe (A) ein den Sclrwellwert bestimmendes- Scheltungsteil (Z) geschaltet ist, das aus der Reihenschaltung einer Zenerdiode (Z ) und einem Widerstand (R _n) besteht.

7) Elektronische Sicherung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die Zenerdiode (Z ) ein Thyristor (T , T) angesch lossen ist, der beim Überschreiten eines bestimmten Schwellwertes gezündet wird, daß diesem Thyristor ein eine Stromquelle bildender Transistor (T )

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nachgeschaltet ist, der bei durchgeschaltetem Thyristor durchgesteuert wird, und daß die Kollektorelektrode dieses Transistors an einer Stelle an die Verstärkerschaltung derart angeschlossen ist, daß diese Verstärkerschaltung beim Überschreiten eines maximal zulässigen Laststroms abgeschaltet wird.

8) Elektronische Sicherung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung in einem oder in mehreren Halbleiterkörpern als integrierte Festkörperschaltung realisiert ist.

9) Elektronische Schaltung nach Anspruch 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstand (&>.) in der integrierten Schaltung durch eine auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers verlaufende Leitbahn oder durch einen diffundierten niederohmigen Widerstand realisiert ist.

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