DE3743453A1 - Schaltungsanordnung zum kurzschlussschutz eines halbleiterverstaerkerelementes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Kurzschlußschutz eines Halbleiterverstärkerelements der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Solche Halbleiterverstärkerelemente können z. B. Lei­ stungstransistoren beliebiger Art sein, die heute im großen Maße zum Schalten von Lastströmen erheblicher Stromstärke dienen.

Überschreitet der Laststrom einen für den Leistungs­ transistor zulässigen Arbeitsstrom für eine längere Zeit, so führt dies zur Beschädigung bzw. Zerstörung des Transistors.

Es sind verschiedene Schaltungen zum Kurzschlußschutz bekanntgeworden.

Mit geeigneten Schaltelementen läßt sich der Arbeits­ strom des Leistungstransistors begrenzen. Jedoch auch bei dieser Schutzschaltung entsteht im Kurzschlußfall am Transistor eine sehr hohe Verlustleistung, die letztendlich zur Zerstörung des Transistors führen kann.

Da häufig nur im Einschaltmoment hohe Lastströme zu schalten sind, die während der vergleichsweise kurzen Einschaltdauer für den Transistor unschädlich sind, kombiniert man die bekannten Schutzschaltungen mit einer der Ansprechverzögerung dienenden Schaltung. Bei diesen Schaltungen kann jedoch der Leistungstransistor bei einem starken Kurzschluß sofort zerstört werden, ehe der Stromkreis unterbrochen wird. Das ist z. B. dann der Fall, wenn der Transistor stark durchgesteuert werden muß und die Spannungsquelle der Last sehr nie­ derohmig ist. Solche niederohmigen Spannungsquellen werden z. B. gerade dann benötigt, wenn große Lastströ­ me geschaltet werden sollen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, bei welcher das Halbleiterverstärkerelement in allen denkbaren Fällen gegen Kurzschluß geschützt ist, ohne daß es sofort zu einer vollständigen Abschal­ tung kommt, wenn z. B. nur im Einschaltmoment ein hoher Laststrom auftritt.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Schaltungsanord­ nung, wie sie im einzelnen mit Anspruch 1 gekennzeich­ net ist.

Das besondere dieser Schaltung besteht in ihrer Mehr­ fachwirkung.

Überschreitet der Laststrom einen definierten Schwell­ wert, verhindert eine sofort wirksam werdende Strom­ begrenzung die Zerstörung des Halbleiterverstärker­ elementes.

Dauert die Überlast für längere Zeit an, erfolgt verzö­ gert, nämlich nach einer Einschaltzeit, eine Abschal­ tung des Halbleiterverstärkerelementes. Hierdurch wird verhindert, daß das Verstärkerelement wegen länger andauernder zu hoher Verlustleistung zerstört wird.

Während der Abschaltung kann das überlastete Verstär­ kerelement Wärme abgeben, also abkühlen. Nach einer de­ finierten Zeit, der sogenannten Abschaltzeit, die zweckmäßigerweise länger als die Einschaltzeit ist, wird das Verstärkerelement erneut eingeschaltet. Dauert die Überlast in diesem Zeitpunkt immer noch an, erfolgt wiederum nach einer Verzögerung, der Einschaltzeit, die Abschaltung. Dieser Vorgang wiederholt sich impulsartig so oft, bis der Laststrom des Verstärkerelementes auf einen zulässigen Wert gesunken ist.

Der besondere Vorteil dieser Schaltung besteht darin, daß sich die Einschaltzeit mit wachsendem Überstrom verkürzt, da die Ausgangsspannung des Schwellwertver­ stärkers in Verbindung mit der Referenzspannung des Schaltverstärkers die Verzögerungszeit des Verzöge­ rungsgliedes ändert.

Mit dieser Schaltung wird nicht nur eine Zerstörung des Verstärkerelementes verhindert. Vielmehr wird mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung die Stromversor­ gung eines Verbrauchers auch bei Überstrom, also bei Kurzschluß, wenn auch nur impulsartig, gewährleistet, was für bestimmte Anwendungsfälle, z. B. beim Anlaufen von Motoren, bei Kondensatoraufladung, vorteilhaft sein kann, wobei die Einschaltzeit umgekehrt proportional zum Überstrom verlängert wird.

Besondere Schaltmaßnahmen sind Gegenstand der weiteren Ansprüche.

Die Schaltung eignet sich zum Kurzschlußschutz ver­ schiedenartiger Halbleiterverstärkerelemente, wie z. B. von bipolaren Leistungstransistoren oder auch MOS-Feld­ effekttransistoren. Ferner kann die Schaltung so aufge­ baut sein, daß mit ihr ganze Transistorgruppen abge­ schaltet werden.

Anhand von Ausführungsbeispielen, die in den Zeichnun­ gen veranschaulicht sind, ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in ihrer Wirkungsweise nachstehend noch im einzelnen erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1a - schematische Darstellung zur Erläuterung des Regelverhaltens der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig. 1b - Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig. 2a - Lasttrom des Halbleiterverstärkerele­ mentes bei kleiner den definierten Ab­ schaltstrom übersteigender Überlast,

Fig. 2b - Laststrom des Halbleiterverstärkerele­ mentes bei größerer Überlast bzw. Kurz­ schluß,

Fig. 3 - Schaltbild der erfindungsgemäßen Schal­ tungsanordnung nach einem ersten Aus­ führungsbeispiel und

Fig. 4 - Schaltbild der erfindungsgemäßen Schal­ tungsanordnung nach einem zweiten Aus­ führungsbeispiel.

Die grundsätzliche Arbeitsweise der mit der Erfindung vorgeschlagenen Schaltungsanordnung ist anhand der Fig. 1a und 1b erläutert, wobei Fig. 1a das Regel­ verhalten allgemein und Fig. 1b ein Blockschaltbild der Schaltungsanordnung zeigen.

Das zu überwachende bzw. zu schützende Halbleiterver­ stärkerelement ist mit Tr _L beeichnet und liegt in ei­ nem aus der Spannung U _L gespeisten Laststromkreis. Außer dem Lastwiderstand R _L ist ein Meßwiderstand R _m im Laststromkreis angeordnet. Die am Meßwiderstand R _m ab­ fallende Spannung ist ein Maß für die Belastung des Halbleiterverstärkerelementes Tr _L . Diese Spannung wird einem Differenzverstärker V ₁ zugeführt. Überschreitet die dem Laststrom entsprechende Spannung einen vorgege­ benen Schwellwert, so erzeugt der Verstärker V ₁ ein Regelsignal, das über ein Übertragungsglied V ₃ der Steuerelektrode des zu überwachenden Halbleiterver­ stärkerelementes Tr _L derart zugeführt wird, daß der Laststrom selbst bei Kurzschluß im Laststromkreis auf einen maximal zulässigen Strom begrenzt wird. Das am Augang von V ₁ erzeugte Steuersignal wird gleichzeitig über ein Verzögerungsglied V _τ einem Schaltverstärker V ₂ zugeleitet. Nach einer vorgegebenen Verzögerungszeit, der Einschaltzeit, wird der Schaltverstärker V ₂ akti­ viert und erzeugt an seinem Ausgang ein Signal, mit welchem das Übertragungsglied V ₃ ganz gesperrt wird, was zum Abschalten des Laststromkreises durch Sperrung des Halbleiterverstärkerelemenes Tr _L führt.

Wie nachstehend noch näher erläutert ist, ist das Ver­ zögerungsglied V _τ so aufgebaut, daß es nach einer Zeit, der Abschaltzeit, die in der Regel, insbesondere im Kurzschlußfall, länger ist als die Einschaltzeit, den Schaltverkehr V ₂ wieder freigibt.

Soweit in diesem Zeitpunkt die Überlast im Laststrom­ kreis noch besteht, wiederholt sich der oben erläuterte Schaltvorgang.

Damit ergibt sich für den Laststrom im Laststromkreis bei Überschreiten des Abschaltstromes ein Stromverlauf, wie er mit den Stromzeitdiagrammen gemäß Fig. 2a und 2b dargestellt ist.

Bei geringerer Überlastung wird der Laststrom für eine längere Dauer, bei großer Überlastung dagegen für eine kürzere Dauer eingeschaltet.

Dies rührt daher, daß die Größe der am Ausgang des Ver­ stärkers V ₁ liegenden Spannung, die ein Maß für die Last des Halbleiterverstärkerelementes ist, sich auf den Einschaltzeitpunkt des Schaltverstärkers V ₂ aus­ wirkt.

Bei dem mit Fig. 3 veranschaulichten Schaltungsbei­ spiel besteht das zu überwachende bzw. zu schützende Halbleiterverstärkerelement aus einem Transistor TRL, in dessen Arbeitsstromkreis einerseits der Lastwider­ stand R _L und andererseits der Meßwiderstand R _m angeord­ net sind. Die am Meßwiderstand R _m abfallende und der Belastung entsprechende Spannung wird über den Vorwi­ derstand R ₁ dem Eingang E ₁ des Operationsverstärkers OP ₁ zugeführt. Der Eingang E ₁ ist ferner über einen veränderbaren Widerstand R ₃ mit einer Bezugsspannungs­ quelle U _OP , deren Spannung größer ist als die Versor­ gungsspannung U _L für den Transistor, verbunden. Mit diesem Widerstand R ₃ ist eine der Meßspannung entge­ genwirkender Vorspannung, also der Einsatzpunkt des Operationsverstärkers OP ₁, einstellbar.

Der zwsichen Ausgang A ₁ und E ₁ angeordnete Widerstand R ₄ sorgt für eine Schalthysterese. Der Verstärkungsgrad des Operationsverstärkers ist mittels des zwischen Aus­ gang A ₁ und dem zweiten Eingang E ₂ angeordneten Wider­ standes R ₅ einstellbar, wobei der Eingang E ₂ ferner über den Widerstand R ₂ mit der Versorgungsspannung U _L verbunden ist.

Hiernach ist der Operationsverstärker so geschaltet, daß seine Ausgangsspannung bei A ₁ nach Überschreiten des eingestellten Schwellwertes umgekehrt proportional zur Belastung des Transistors ist. Diese Ausgangsspan­ nung bei A ₁ wird mittels des Verstärkertransistors TR ₁ verstärkt und über den nachstehend noch erläuterten Opto-Koppler OK ₁ der Basis des zu überwachen­ den Leistungstransistors TRL zugeführt. Die Schaltung ist so aufgebaut, daß mit abnehmender Spannung am Aus­ gang A ₁ des Operationsverstärkers OP ₁, also mit zuneh­ mender Belastung des Transistors TRL, dieser über seine Basis derart angesteuert wird, daß sein Laststrom einen vorbestimmten Wert nicht überschreitet.

Der zweite Teil der in der Fig. 3 dargestellten Schal­ tung dient der Abschaltung des Laststromes bei länger anhaltender Last.

Der Ausgang A ₁ des Operationsverstärkers OP ₁ ist über ein Verzögerungsglied V _τ mit dem Eingang E ₃ eines zwei­ ten Operationsverstärkers OP ₂ verbunden. Dieser Opera­ tionsverstärker, dessen Ausgang A ₂ über den die Schalt­ hysterese bewirkenden Widerstand R ₁₀ mit dem Eingang E ₃ und dessen zweiten Eingang E ₄ über den Spannungs­ teiler R ₈, R ₉ eine Referenzspannung zugeführt wird, wirkt als Schaltverstärker, nämlich als Schmitt-Trig­ gerkomparator. Beim Abfallen der Spannung am Eingang E ₃ unter einem vordefinierten Wert schaltet der Ausgang A ₂ auf das Signal "0" um und somit wird über die Opto- Koppler OK ₂ und OK ₁ die Ansteuerung des Transistors TRL unterbrochen, was ein Sperren des Transistors TRL be­ wirkt.

Da zwischen Ausgang A ₁ und Eingang E ₃ ein Verzögerungs­ glied V _τ angeordnet ist, erfolgt die Sperrung des Transistors TRL erst nach einer Verzögerungszeit τ. Dieses Verzögerungsglied besteht aus einem RC-Glied mit den Widerständen R ₆ und R ₇ und dem Kondensator C ₁. Der Widerstand R ₇ ist wesentlich größer als R ₆, wobei die dem Widerstand R ₆ vorgeschaltete Diode D ₁ bei Beginn der Strombegrenzung durchgeschaltet ist, so daß die Abschaltzeit, von der Spannung am Ausgang A ₁ und somit der Größe des Überstromes und im wesentlichen durch das Produkt τ = R ₆ × C ₁ bestimmt ist. Ist der Transistor TRL gesperrt, kann kein Überstrom mehr fließen. Dies be­ wirkt, daß am Ausgang A₁ wieder ein hohes Potential liegt, mit welchem die Diode D ₁ gesperrt wird, so daß die Abschaltzeit durch das aus Widerstand R ₇ und C ₁ bestehende Verzögerungsglied bestimmt ist. Da der Wi­ derstand R ₇ wesentlich größer als der Widerstand R ₆ ist, ist die Abschaltzeit bei starkem Kurzschluß länger als die Einschaltzeit.

Zur Ansteuerung des Transistors TRL mittels eines z. B. von einer Mikroprozessorsteuerung erzeugten Signales ist eine Ansteuerschaltung vorgesehen, deren Ausgang mit dem ersten Eingang eines UND-Gatters & verbunden ist. Der zweite Eingang des UND-Gatters & wird vom Ausgangssignal des Schaltverstärkers OP ₂ angesteuert, während das Ausgangssignal des UND-Gatters & der Ansteuerung des Verbindungsgliedes dient. Um die An­ steuerschaltung vom Stromkreis des zu überwachenden Transistors galvanisch abzukoppeln, sind Opto-Koppler OK ₂ und OK ₁ vorgesehen, über welche die Steuersignale eingekoppelt werden.

Bei Unterbrechen des Laststromes unterschreitet die am Eingang E ₁ des Operationsverstärkers OP ₁ liegende Span­ nung zwar den Schwellwert, so daß der Ausgang A ₁ des Operationsverstärkers OP ₁ ein den Transistor TRL öff­ nendes Signal erzeugt. Da jedoch die Opto-Koppler OK ₂ und OK ₁, gesteuert vom Operationsverstärker OP ₂, noch gesperrt sind, bleibt auch der Leistungstransistor TRL gesperrt. Die Opto-Koppler OK ₁ und OK ₂ werden erst nach Ablauf der durch das RC-Glied R ₇ C ₁ bestimmten Abschaltzeit durchgeschaltet. Dauert der Überstrom oder gar der Kurzschluß weiterhin an, so erfolgt wieder nach der Einschaltzeit die Sperrung des Leistungstransistors TRL, wie anhand von Fig. 2a und 2b erläutert.

Das weitere Schaltbild gemäß Fig. 4 zeigt eine iden­ tisch wie die Schaltung nach Fig. 3 aufgebaute Schal­ tung zur Überwachung bzw. zum Schutze eines Halblei­ terverstärkerelementes, das hier als MOS-Feldeffekt­ transistor ausgebildet ist, der als Source-Folger ge­ schaltet ist. Für ihr Steuerverhalten gilt die obige Beschreibung gleichermaßen.

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung zum Kurzschlußschutz eines Halbleiterverstärkerelementes, in dessen Arbeits­ stromkreis außer dem Lastwiderstand ein Meßwider­ stand angeordnet ist, der mit der Steuerelektrode des Verstärkerelementes derart verbunden ist, daß das Verstärkerelement bei Überschreiten eines vorge­ gebenen Maximalstromes gesperrt wird, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) Der Meßwiderstand (R _m ) ist mt dem Eingang eines Schwellwertverstärkers (V ₁) verbunden, an dessen Ausgang bei Überschreiten eines Schwellwertes ein dem Laststrom entsprechendes Steuersignal erzeugt wird.
• b) Der Ausgang des Schwellwertverstärkers (V ₁) ist über ein Verbindungsglied, vorzugsweise über einen Verstärker (V ₃), mit der Steuerelektrode des Verstärkerelementes (TRL) verbunden.
• c) Der Ausgang des Schwellwertverstärkers (V ₁) ist ferner über ein Verzögerungsglied (VT) mit einem Schaltverstärker (V ₂) verbunden, das ein das Ver­ bindungsglied (V ₃) sperrendes Ausgangssignal er­ zeugt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schwellverstärker (V ₁) ein Opera­ tionsverstärker (OP ₁) ist, dessen Eingang (E ₁) mit dem Meßwertwiderstand (R _m ) und über einen variablen Widerstand (R ₃) mit einer die Schwellwertspannung bestimmenden Spannungsquelle (U _OP ) verbunden ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verzögerungsglied (V _τ ) aus zwei parallel geschalteten ohmschen Widerständen (R ₆, R ₇) und einem Kondensator (C ₁) besteht, wobei dem einen Widerstand (R ₆) eine Diode (D ₁) vorgeschaltet ist und Anordnung der Diode (D ₁) sowie Bemessung der Wi­ derstände (R ₆, R ₇) derart sind, daß im Kurz­ schlußfall die Einschaltzeit des Verstärkerelementes (TRL) wesentlich kürzer ist als die Abschaltzeit.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verzögerungsschaltung (V _τ ) so di­ mensioniert ist, daß für den Kurzschlußfall das Ver­ hältnis der Abschaltzeit zur Einschaltzeit zwischen 1 : 10 und 1 : 100 liegt.

5. Schaltungsanordnung, nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltverstärker (OP ₂) über Opto-Koppler (OK ₁, OK ₂) mit dem Steuer­ kreis des Verstärkerelementes (TRL) verbunden ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterver­ stärkerelement ein bipolarer Leistungstransistor (TRL in Fig. 3) ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterver­ stärkerelement ein MOS-Feldeffekttransistor (TRL in Fig. 4) ist.