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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.
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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.
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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.
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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.
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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung zeigt die
Zeichnung. An Hand dieser Zeichnung sei im folgenden die Erfindung näher erläutert.
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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.
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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.