DE2424759A1 - Ueberstromschutzschaltung - Google Patents
UeberstromschutzschaltungInfo
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Description
US Serial No. 363,599
Piled: May 24, 1973
Piled: May 24, 1973
RCA Corporation, Hew York. N. Y.. V.St.A.
Überstromschutzschaltung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Überstromschutzschaltung,
insbesondere für Transistoren, mit einem Leistungstransistor und einem Hilfstransistor, deren Basiselektroden
miteinander verbunden, deren Emitterelektroden an eine gemeinsame Klemme angeschlossen und deren Kollektorelektroden über
eine Verbindungs- oder Kopplungsschaltung gekoppelt sind.
Bei einer bekannten Überstromschutzschältung ist in die
Emitterleitung eines Leistungsverstärker-Ausgangstransistors ein Stromabfühlwiderstand geschaltet. Die Spannung an diesem
Widerstand steigt mit zunehmendem Emitterstrom des Ausgangstransistors
an und kann dem Basis-Emitter-Übergang eines Hilfstransistors zugeführt werden, dessen Kollektorelektrode
mit der Basiselektrode des Ausgangstransistors verbunden ist. Venn der Spannungsabfall am Stromabfühlwiderstand einen vorgegebenen
Schwellwert überschreitet, wird der Hilfstransistor in den leitenden Zustand ausgesteuert und klemmt dann die
Basis-Steuerspannung des Ausgangstransistors, wodurch der Strom
in dessen Ausgangskreis begrenzt wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Überstromschutz schaltung der eingangs genannten Art dadurch verbessert, daß
eine Einrichtung, die ein einen Überstromzustand anzeigendes Signal liefert, wenn der durch die Kopplungsschaltung fließende
Kollektorstrom des Hilfstransistors einen vorgegebenen Wert überschreitet, und eine vom Überstromsignal gesteuerte Klemmeinrichtung,
die die Spannung zwischen der Basis- und Emitterelektrode des Leistungstransistors auf einen .vorgegebenen Wert
klemmt, vorgesehen sind.
Bei der Überstromschutzschaltung gemäß der Erfindung sind
also die Basis-Emitter-Übergänge des Leistungstransistors und des Hilfstransistors parallelgeschaltet. Man kann dadurch den
kleineren Kollektorstrom des Hilfstransistors abgreifen und dadurch indirekt den größeren Kollektorstrom des Leistungstransistors.
Wenn durch das indirekte Abgreifen festgestellt wird, daß der Kollektorstrom des Leistungstransistors dazu neigt,
den zugelassenen Spitzenwert zu überschreiten, werden seine Basis- und Emitterelektroden geklemmt. Dies verhindert im wesent
liehen einen weiteren Anstieg der Basis-Emitter-Spannung des
Leistungetransistors und begrenzt die weitere Zunahme seines
Kollektor-Emitter-Stromes.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, deren Figuren
1 und 2 jeweils einen Verbundtransistor mit einer Überstromschutzschaltung
gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen.
In Figur 1 ist ein nVerbund"-Transistor dargestellt, dessen
Komponenten 10, 20, 25, 30 und 40 vorzugsweise in oder auf dem gleichen Halbleiterkörper gebildet sind. Es kann sich jedoch
auch um individuelle, diskrete Bauelemente, insbesondere Transistoren, handeln.
Mit 10 ist ein Leistungstransistor bezeichnet, dessen Basis-, Emitter- und Kollektorelektroden mit der Basis-,
Emitter- bzw. Kollektorklemme des Verbundtransistors verbunden
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sind. Der Leistungstransistor 10 kann in der Praxis aus mehreren, parallelgeschalteten Einzeltransistoren bestehen.
. Dem Basis-Emitter-Übergang des Leistungstransistors 10 ist der Basis-Emitter-Übergang eines Hilfstransistors 20 parallelgeschaltet.
Die Transistoren 10 und 20 sind thermisch miteinander gekoppelt.
Der Hilfstransistor 20, an dem die gleiche Basis-Emitter-Spannung
V,™ wie am Leistungstransistor 10 liegt, tendiert in
seinem Basis-Emitter-Übergang zu einer Stromdichte,die gleich
der im Leistungstransistor 10 ist. Gibt man dem Basis-Emitter-Übergang des Hilfstransistors 20 eine Fläche, die um den Paktor
K kleiner ist als die des Leistungstransistors 10, so ist der durch den Basis-Emitter-Übergang des Hilfstransistors 20
fließende Strom das 1/K-fache des den Basis-Emitter-Übergang
des Leistungstransistors 10 durchfließenden Stroms. Der Emitterstrom
des Hilfstransistors 20 ist also das 1/E-fache des
Emitterstroms des Leistungstransistors 10.
Die Kollektorelektrode des Hilfstransistors 20 ist über ein Widerstandselement 25 mit der Kollektor-Klemme des Verbundtransistors
verbunden. An dem Widerstandselement 25 tritt ein Spannungsabfall auf, der aufgrund des Ohmschen Gesetzes proportional
zum Kollektorstrom des Transistors 20 ist. Da die Emitterströme der Transistoren 10 und 20 im Verhältnis K:1
stehen, haben die Kollektorströme das selbe Verhältnis. Das Widerstandselement 25 fühlt also praktisch 1/K-tel des Kollektorstromes
des Leistungstransistors 10 ab. Da es nur einen Bruchteil des Kollektorstromes des Leistungstransistore 10
abfühlt, kann das Widerstandselement 25 den K-fachen Widerstands,
wert eines Widerstandes haben, der den Kollektor- oder Emitter-Strom des Leistungstransistors 10 direkt abgreift,und trotzdem
den gleichen Spannungsabfall erzeugen.
Das Widerstandselement 25 ist wegen seines größeren Widerstandswertes
leichter mit den Transistoren 10 und 20 in der gleichen monolithischen Struktur integrierbar als ein Wider-
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- H —
Standselement niedrigeren Widerstandes, da es auf einem HaIbleiterplättchen
weniger Fläche beansprucht. Da sich das Widerstandselement 25 im Kollektorkreis eines Transistors befindet,
kann es in der unter der Oberfläche liegenden Schicht oder "Taschen"-Zone hergestellt werden, die dazu verwendet wird,
eine Verbindung hoher leitfähigkeit zwischen den verschiedenen Teilen der Kollektorzone zu bilden, was ebenfalls zur Einsparung
von Schaltungsfläche beiträgt.
. Der Widerstandswert des Widerstandselements 25 wird so gewählt, daß der Spannungsabfall am Widerstandselement groß
genug wird, um den Basis-Emitter-Übergang eines Transistors 30 in den Flußbereich vorzuspannen, wenn der KcQLektorstrom des
leistungstransistors 10 einen vorgegebenen Stromwert überschreitet.
Wenn der Transistor 30 derart vorgespannt wird, läßt er einen Strom zur Basiselektrode eines Transistors 40 fließen.
Dieser Basisstrom spannt den Transistor 40 in den Flußbereich vor. Wenn der Transistor 40 leitet, klemmt er die Basisklemme
und die Emitterklemme des Verbundtransistors zusammen. Dies verhindert bei Schaltungsanordnungen, in denen die Impedanz der
nicht dargestellten, die Basis-Emitter-tibergänge der Transistoren 10 und 20 ansteuernden Steuersignalquelle nicht übermäßig
niedrig ist. Da der Anstieg der Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren 10 und 20 auf diese Weise begrenzt wird, findet
auch eine Begrenzung des Anstieges der Ströme in den Transistoren 10 und 20 statt.
Bei niedrigen Werten der Kollektorströme der Transistoren 10 und 20 ist der Spannungsabfall am Widerstandselement 25
nicht groß genug, um den Basis-Emitter-Übergang des Transistors 30 in den Flußbereich vorzuspannen. Der Transistor 30 leitet
dann nicht und läßt dementsprechend keinen Basisstrom zum Transistor 40 fließen. Der Transistor 40 leitet daher nicht und hat
dementsprechend auch keinen Einfluß auf die Signale, die zwischen der Basis- und Emitter-Klemme des Verbundtransistors
liegen.
In einer integrierten Schaltung wird ein pnp-Transistor,
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wie der Transistor 30, zweckmäßigerweise mit einer Lateralstruktur
gebildet. Seine Kollektorkapazität ist genügend groß, um die dominierende Zeitkonstante in der Rückkopplungsschleife
aus den Komponenten 20, 25» 30 und .40 zu bestimmen, wenn er, wie dargestellt, keinen kollektorwiderstand hat, oder einen
Kollektorwiderstand ausreichend großen Widerstandswertes. Hierdurch wird das Problem vermieden, daß die Rückkopplungsschleife
zu Störschwingungen bei !Frequenzen in der Nähe der oberen Grenzfrequenz
des Transistors 20, 30 oder 40 neigt.
Die Prinzipschaltung gemäß Figur 1 läßt sich offensichtlich in der verschiedensten Weise abwandeln. So kann z.B. eine
Transistorverstärkerstufe in Kollektorschaltung verwendet werden, um die Basis-Klemme des Verbundtransistors gegen Belastungen
durch die Basiselektroden der Transistoren 10 und 20 abzuschirmen. Die Kollektorelektrode des in Kollektorschaltung
arbeitenden Transistors kann mit der Kollektorelektrode des Transistors 10 oder des Transistors 20 verbunden werden. Der
Transistor 40 kann beispielsweise durch eine Darlington-Schaltung ersetzt werden. Das Widerstandselement 25 kann eine Temperaturkompensationsdiode
enthalten und der Transistor 30 kann beispielsweise mit einem Emittergegenkopplungswiderstand ver-
Ysrhältnis der Kollektorströme der Transistoren 10 und
20.kamm äureh. Einfügung @±bl©s Schaltüsgseleaentes geändert
werdens das die Emitterelektrode ©in©® eier fo@iden Transistoren
mit eier iMitter-lleraa© d©s Yerbradteansigtora koppelt oder
durch Einschalten von Soh&li\m,gs®l,<sm.®nt®ns die in entsprechender
¥@is@" b@id© Emitt©r@l©ktroiä@a mit der Emitterklemme koppela.
Diese Alternative ist in ä@r Praxis notwsaäig, wenn der Verbundtransistor
aus diskretaa Kompoaaatea aufgebaut wird, da es dann
wesentlich schwieriger istp die Betriebseigenschaften der Transistoren
eng aneinander anzupassen und eine enge thermische Kopplung der Transistoren zu gewährleisten, was die Realisierung
der Erfindung vereinfacht.
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— ο —
Figur 2 zeigt eine andere prinzipielle Ausführungsform der
Erfindung. Wie bei der Verbundeinrichtung gemäß Figur 1 ist dem Basis-Emitter-Übergang eines Leistungstransistors 10 der Basis-Emitter-Öbergang
eines Hilfstransistors 20 parallelgeschaltet. Der Kollektorstrom des Hilfstransistors 20 ist kleiner als der
proportional zum. Kollektorstrom des Leistungstransistors 10.
Der Kollektorstrom des Hilfstransistors 20 wird dem Eingang eines Stromverstärkers 50 zugeführt, dessen Ausgangskreis einen
diesem Kollektorstrom proportionalen Strom liefert. Der Ausgangsstrom des Stromverstärkers durchfließt einen Widerstand 55.
Wenn der Kollektorstrom des Hilfstransistors 20 groß genug ist, übersteigt der Spannungsabfall am Widerstand 55 die Basis-Emitter-Offsetspannung
eines Transistors 40 und steuert diesen Transistor in den leitenden Zustand aus. Wenn der Transistor 40
in den Flußbereich ausgesteuert ist, bewirkt er ein Klemmen der Basis-Emitter-Spannung der Transistoren- 10 und 20, wenn die der
Basiselektrode des Verbundtransistors dargebotene Impedanz rieht
so klein ist, daß diese Klemmwirkung verhindert wird. Das Klemmen der Basis-Emitter-Spannung der Transistoren 10 und 20 verhindert
im wesentlichen einen weiteren Anstieg der Kollektor-Emitter-Ströme dieser Transistoren.
Der in Figur 2 beispielsweise dargestellte Stromverstärker 50 enthält einen in Emitterschaltung arbeitenden Transistor 52,
dessen Stromverstärkungsfaktor gegen Schwankungen seines Emitter
epannimgs-Torwärtsstromverstärkungsfaktor® h~ durch einen als
JL &
Mode geschalteten Transistor 51 stabilisiert wird^ der dem
Basis-Emitter-Übergang äes Transistors 52 parallelgeschaltet
ist,. Der Transistor 51 kann durcli and@s?© Halbleiterdioden ersstst
werden vnä. dgr als Moo,® geschaltet© Transistor 54 oder
die stattdessen verwendeten wirkungsgleichen Komponenten können mit einem Widerstandselement in Heihe geschaltet sein. Da der
Stromverstärkungsfaktor des Stromverstärkers 50 nicht sehr gut gegen Schwankungen des h£ des Transistors 52 stabilisiert ist,
kann sein Verstärkungsfaktor geringfügig ansteigen. Die Stromverstärkung
des Stromverstärkers beträgt typischerweise -1,
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sie kann aber auch kleiner oder größer sein.
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Claims (7)
- PatentansprücheV1. JUberstromschutzschaltung mit einem Leistungstransistor und einem Hilfetransistor, deren Basiselektroden miteinander verbunden, deren Emitterelektroden an eine gemeinsame Klemme angeschlossen, deren Kollektorelektroden über eine Kopplungsschaltung gekoppelt sind, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (30, 52), die ein einen Überstromzustand anzeigendes Signal (Oberstromsignal) liefert, wenn der durch die Kopplungsschaltung (25, 51) fließende Kollektorstrom des Hilfstransistors (20) einen vorgegebenen Wert überschreitet; und durch eine vom Überstromsignal gesteuerte Klemmeinrichtung (40), die die Spannung zwischen der Basiselektrode und der Emitterelektrode des Leistungstransistors (10) festzuhalten strebt.
- 2. Oberstromschutzschaltung nach Anspruch 1, d a d u r ch gekennzeichnet, daß die Kopplungs schaltung (25 oder 51) zwischen den Kollektorelektroden ein Widerstandselement enthält.
- 3. Überstromschutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Oberstromzustand ansprechende Einrichtung (30 oder 52) einen dritten Transistor (30 oder 52) eines dem Leistungstransistor (10) und dem Hilfstransistor (20) entgegengesetzten Leitungstyps enthält, dessen Emitterelektrode und Basiselektrode mit der KolLektorelektrode des Leistungstransistors (10) bzw. der Kollektorelektrode des Hilfstransistors (20) gekoppelt sind und dessen Kollektorelektrode das Überstromsignal liefert.
- 4. Überstromschutzschaltung nach Anspruch 3» d a d u r ch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zum Klemmen der Spannung zwischen der Basiselektrode und der Emitterelektrode des. Leistungstransistors (10) einen Klemmtransistor (40) des gleichen Leitungstyps wie der Leistungstransistor (10) und der Hilfstransistor (20) enthält, dessen Kollektorelektrode409851/0756und Emitterelektrode mit der Basiselektrode bzw. Emitterelektrode des Leistungstransistors (10) verbunden ist und dessen Basiselektrode das Überstromsignal zugeführt ist.
- 5. Überstromschutzschaltung nach Anspruch 1, d a d u r ch gekennzeichnet , daß der Leistungstransistor (10) und der Hilfstransistor (20) thermisch miteinander gekoppelt sind.
- 6. Überstromschutzschaltung nach Anspruch 5, d a d u r ch gekennzeichnet, daß die effektive Fläche des Emitter-Basis-Überganges des Leistungstransistors (10) wesentlich größer als die des Hilfstransistors (20) ist.
- 7. Überstromschutzschaltung nach Anspruch 3, d a d u r ch gekennzeichnet , daß das Widerstandselement einen Transistor (51) enthält, dessen Basis- und Kollektorelektrode zusammen an die Basis des Hilfstransistors (20) angeschlossen sind und dessen Emitterelektrode mit der Kollektorelektrode des Leistungstransistors (10) verbunden ist.409851/0756Leerseite
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