DE1283908B - Overload protection circuit for a transistor amplifier in emitter follower circuit - Google Patents

Description

Wachst nun der Strom durch die Reihenschaltung der Transistoren 1 und 6, z. B. durch einen Kurzschluß im Lastkreis 3» über den zulässigen Maximalwert an, so verlagert sich die Spannung am Emitter 5 und damit auch die Spannung an der Basis des Transistors 6 so weit ins Negative, daß die Durchbruchspannung der Zenerdiode7 erreicht wird. Dadurch wird ein weiteres Anwachsen der Basisspannung verhindert, und der Transistor 6 gerät in seinen aktiven leistungen in den Bauelementen des Verstärkers ge- ίο Bereich und hat nun einen hohen differentiellen Auswährleistet. Bei der bekannten Verwendung eines gangswiderstand, jder den Kollektorstrom dös Tranohmschen Widerstandes als Überlastungsschutz in sistors 1 und damit auch den Laststrom begrenzt, der Kollektorleitung einer Emitterfolgerstufe werden Dabei ist dafür Sorge zu tragen, daß der Innenwiderdiese Forderungen nur unvollkommen erfüllt, was stand der an die Klemme 2 angeschlossenen Steuerdarauf beruth, daß bei Kurzschlüssen im Laststront- 15 Spannungsquelle nicht zu niedrig ist, da der Einkreis die in den Transistoren und Schutzwidefständen gangsstrom über die Basis-Emitter-Diode des Tranauftretenden maximalen. Verlustleistungen quadrav sistors 1 in den Lastwiderstand fließt und den getisch mit der Höhe der angeschlossenen Versorgungs- samten Laststrom daher erhöht. Spannung ansteigen. Das Prinzip der Schaltung besteht somit darin,Now grows the current through the series connection of transistors 1 and 6, z. B. by a short circuit in the load circuit 3 »above the permissible maximum value, the voltage at the emitter is shifted 5 and thus also the voltage at the base of the transistor 6 so far negative that the breakdown voltage the Zener diode7 is reached. This prevents a further increase in the base voltage, And the transistor 6 gets into its active power in the components of the amplifier and now has a high differential performance. With the known use of a contact resistance, each one of the collector currents is tranohmschen Resistance as overload protection in sistors 1 and thus also limits the load current, The collector line of an emitter follower stage must be ensured that the internal resistance of this Requirements only incompletely fulfilled, what was the control connected to terminal 2 on beruth that with short circuits in the load current 15 voltage source is not too low because the single circuit the current in the transistors and Schutzwidefstands through the base-emitter diode of the Tran maximum. Power dissipation quadrav sistors 1 flows into the load resistor and the getisch therefore increases with the level of the connected supply total load current. Increase tension. The principle of the circuit is thus:

Das Problem des Überlastungsschutzes tritt be- ao daß im normalen Betriebsfalle der Transistor 6 in der sonders bei den Endstufen von Operationsverstär- Sättigung arbeitet und daher jeden beliebigen durch kern in der Analogrechentechnik auf. Durch die die Ansteuerung am Transistor 1 bestimmten Lastwechselnden Beschaltungen der Rechenverstärker sind strom liefern kann. Überschreitet der Laststrom je-Kurzschlüsse auf Masse oder auf eine Referenzspan- doch einen bestimmten vorgegebenen Wert, so nung durch Fehlschaltungen durchaus wahrschein- 25 wächst der Spannungsabfall am Widerstand 5 an, der Hch, so daß die Dimensionierung der Endstufen Emitter und damit auch die Basis des Transistors hauptsächlich durch diese extremen Belastungsfälle geraten auf ein negatives Potential, welches bei der bestimmt wird. Die Erfindung wird im folgenden da- Durchbruchspannung der Zenerdiode 7 liegt. Auf her am Beispiel einer Emitterfolger-Endstufe für diesem Potential wird die Basis des Transistors 6 einen Gleichstromverstärker erläutert, der als Opera- 30 festgehalten, so daß dieser nun als Quelle konstanten tionsverstärker für Analogrechner verwendet werden Stromes wirkt. Der Strom durch den Transistor 1The problem of overload protection arises from the fact that in normal operation the transistor 6 in the especially with the output stages of operational amplifier saturation works and therefore every arbitrary one core in analog computing technology. Due to the load-changing circuits of the computing amplifiers determined by the control at transistor 1, current can be supplied. If the load current exceeds per-short circuits to ground or to a reference span but a certain predetermined value, so The voltage drop across the resistor 5 increases as a result of incorrect switching Hch, so that the dimensioning of the output stages emitter and thus also the base of the transistor mainly due to these extreme stress cases, a negative potential occurs, which is the case with the is determined. In the following, the invention is based on the breakdown voltage of the Zener diode 7. on Using the example of an emitter follower output stage for this potential, the base of transistor 6 a DC amplifier explained, which was recorded as Opera- 30, so that this is now constant as a source tion amplifiers are used for analog computers. The current through transistor 1

wird somit unabhängig von dem Spannungsabfall an seiner Emitter-Kollektor-Strecke, solange dieser sich innerhalb der zugelassenen Maximalwerte bewegt. 35 Auch Kurzschlüsse des Kollektors des Transistors 1 auf negative Potentiale können den Laststrom des Transistors somit nicht über den vorgegebenen Wert erhöhen.is thus independent of the voltage drop across its emitter-collector path, as long as it is moved within the permitted maximum values. 35 Also short circuits of the collector of transistor 1 Thus, the load current of the transistor cannot reach negative potentials above the specified value raise.

Das beschriebene Prinzip ist naturgemäß auch fürThe principle described is naturally also for

Widerstand und den Kollektor des Transistors die 40 Emitterfolgertraflsistören des anderen Leitfähigkeits^· Kollektor-Emitter-Strecke eines weiteren zu dem typs, also npn-Transistoren anwendbar, wenn man Emitterfolgertransistor komplementären Transistors die Versorgungsspannungen umpolt und einen pnpeingeschaltet ist, dessen Basis über eine Zenerdiode Transistor zur Strombegrenzung verwendet. Während an ein festes Potential solcher Größe angeschlossen die Schaltung nach F i g. 1 für positive Ansteuerist, daß die Zenerdiode im Betriebsfalle unterhalb 45 signale geeignet ist, kann die angedeutete komple- und im Überlastungsfalle oberhalb ihrer Durchbruch- mentäre Schaltung mit negativen Signalen angespannung betrieben wird, so daß der weitere Tran- steuert werden. Für die Ansteuerung mit Signalen sistor im Betriebsfalle gesättigt ist, im Überlastungs- wechselnder Polarität können zwei derartige Schalfalle als Konstantstromquelle wirkt. tungen in an sich bekannter Weise zu einem komple-An Hand der Fig. 1 wird zunächst das Prinzip so mentären Emitterfolgerverstärker zusammengefaßt der Erfindung an Hand einer speziellen Schaltung werden, wie an Hand der F i g. 2 näher erläutert näher erläutert. Der pnp-Transistor 1 wird an seiner wird.Resistance and the collector of the transistor the 40 emitter follower traflsistören of the other conductivity ^ · Collector-emitter path of another to the type, so npn transistors applicable if one Emitter follower transistor complementary transistor reverses the polarity of the supply voltages and switched on a pnpe is, whose base uses a Zener diode transistor to limit the current. While the circuit according to FIG. 1 is connected to a fixed potential of such magnitude. 1 for positive control, that the Zener diode is suitable in the case of operation below 45 signals, the indicated complete and in the event of an overload above their breakdown circuit with negative signals is operated so that the further tran- can be controlled. For control with signals sistor is saturated during operation, in the event of an overload with alternating polarity, two such noise traps acts as a constant current source. in a manner known per se to form a complete Hand of Fig. 1, the principle of emitter follower amplifier so mental is first summarized of the invention on the basis of a special circuit, as shown in FIG. 2 explained in more detail explained in more detail. The pnp transistor 1 is at its will.

Basis von der Eingangsklemme 2 her mit positiven F i g. 2 zeigt ein Anwendungsbeispiel der Erfin-Base from input terminal 2 with positive F i g. 2 shows an application example of the invention

Steuersignalen u_st angesteuert. Der Lastwiderstand 3 dung auf die Endstufe eines Operationsverstärkers ist an den Emitter des Transistors 1 angeschlossen. 55 für Analogrechner, wie er z. B. in dem Aufsatz »Ein Der Transistor! bezieht seinen Kollektorstrom von breitbandiger Operationsverstärker mit Silizintrander Batterieklemme 4 über die Reihenschaltung eines sistoren« in der Telefunken-Zeitung, Jg. 39 (1966),Control signals u _st controlled. The load resistor 3 extension to the output stage of an operational amplifier is connected to the emitter of the transistor 1. 55 for analog computers, as z. B. in the essay “Ein Der Transistor! draws its collector current from broadband operational amplifier with silicon tether battery terminal 4 via the series connection of a transistor "in the Telefunken-Zeitung, vol. 39 (1966),

kann. Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Anwendungsgebiet beschränkt, sondern kann auch in vielen anderen Anwendungsfällen von Verstärkern zum Überlastungsschutz angewendet werden.can. However, the invention is not limited to this field of application, but can also be used in many other use cases of amplifiers for overload protection.

Gemäß der Erfindung ist ein Transistorverstärker in Emitterfolgerschaltung mit einem Widerstand in der Kollektorleitung des Emitterfolgertransistors derart ausgebildet, daß in die Verbindung zwischen denAccording to the invention, a transistor amplifier in emitter follower circuit with a resistor in the collector line of the emitter follower transistor formed in such a way that in the connection between the

Widerstandes 5 und die Kollektor-Emitter-Strecke eines npn-Transistors 6, dessen Basis an den Verbindungspunkt der Reihenschaltung einer Zener- 60 diode 7 und eines Widerstandes 8 angeschlossen ist. Dabei liegt die Kathode der Zenerdiode an der Batterieklemme^ und das freie Ende des Widerstandes 8 an Masse. Die Schaltelemente 5, 6, 7 und 8Resistor 5 and the collector-emitter path of an npn transistor 6, the base of which is connected to the connection point the series connection of a Zener diode 7 and a resistor 8 is connected. The cathode of the Zener diode is on the battery terminal ^ and the free end of the resistor 8 to ground. The switching elements 5, 6, 7 and 8

H. 1, S. 16 bis 32, insbesondere Bild 23 auf S. 25, beschrieben ist.H. 1, pp. 16 to 32, in particular Fig. 23 on p. 25, is described.

Die Endstufe eines solchen Verstärkers enthält zwei komplementäre Transistoren 11 und 21, deren Emitter, gegebenenfalls über Gegenkopplungswiderstände 19 und 29, an die gemeinsame Last 3 angeschlossen sind. Die Eingangsklemme 2 ist direkt anThe output stage of such an amplifier contains two complementary transistors 11 and 21, whose Emitter, if necessary via negative feedback resistors 19 and 29, connected to the common load 3 are. The input terminal 2 is directly on

sind so bemessen, daß im normalen Betriebsfall des 65 die Basis des pnp-Transistors 11 und über zwei inare dimensioned so that in normal operation of the 65 the base of the pnp transistor 11 and two in

Emitterfolgertransistors 1 der Transistor 6 gesättigt Reihe geschaltete Dioden 10, 20 an die Basis desEmitter follower transistor 1 of transistor 6 saturated series connected diodes 10, 20 to the base of the

ist und die Zenerdiode 7 im Sperrbereich betrieben npn-Transistors 21 angeschlossen. Die Dioden 10, 20is and the Zener diode 7 operated in the blocking range npn transistor 21 is connected. The diodes 10, 20

wird, also nur einen geringen Sperrstrom führt. verschieben die Eingangsspannung am Transistor 21is, so only leads a low reverse current. shift the input voltage at transistor 21

Claims (5)

3 43 4 entsprechend dem Spannungsabfall an den Basis- Transistor 11 MM 1711 (Motorola)corresponding to the voltage drop across the base transistor 11 MM 1711 (Motorola) Emitter-Strecken der Transistoren 11, 21 ins Negative Transistor 21 2 N 2905 (Texas Instr.)Emitter paths of the transistors 11, 21 into the negative transistor 21 2 N 2905 (Texas Instr.) und bewirken damit eine Verminderung des Quer- Transistor 16 2 N 2904 (Texas Instr.)and thus cause a reduction in the transverse transistor 16 2 N 2904 (Texas Instr.) stromes durch diese Transistoren. Wählt man für die Transistor 26 MM 1613 (Motorola)current through these transistors. If you choose for the transistor 26 MM 1613 (Motorola) Dioden 10 und 20 solche, die den gleichen Tempera- 5 Dioden 10, 20 IN 4009 (General Electric)Diodes 10 and 20 those with the same tempera- 5 Diodes 10, 20 IN 4009 (General Electric) turgang aufweisen wie die Basis-Emitter-Strecken Zenerdioden 17, 27 .. ZF 3,9 (Intermetall)like the base-emitter lines Zener diodes 17, 27 .. ZF 3.9 (Intermetall) der Transistoren 11 und 21 und ordnet sie in gutem Widerstände 15,25 .. 47 Ωof transistors 11 and 21 and arranges them in good resistances 15.25 .. 47 Ω thermischem Kontakt mit diesen an, so läßt sich da- Widerstände 19,29 .. 12 Ωthermal contact with these, then resistances 19.29 .. 12 Ω mit in Zusammenwirken mit den Gegenkopplungs- Widerstand 8 8,2 kΩwith in cooperation with the negative feedback resistor 8 8.2 kΩ widerständen 19 und 29 auch eine Kompensation des io Versorgungs-resistors 19 and 29 also compensate for the io supply Temperaturganges dieses Querstromes erreichen. spannung 14, 24 ... ± 15 VoltReach the temperature response of this cross flow. voltage 14, 24 ... ± 15 volts Die Kollektoren der Transistoren 11 und 21 sind Aussteuerungsbereich ±11 VoltThe collectors of transistors 11 and 21 have a control range of ± 11 volts jeweils über eine Belastungsschutzschaltung 15, 16, Der maximale Laststrom, bei dem die Regelungeach via a load protection circuit 15, 16, the maximum load current at which the regulation 17 bzw. 25, 26, 27, wie sie an Hand der F i g. 1 er- einsetzte, lag bei 55 mA.17 and 25, 26, 27, as shown in FIG. 1 replaced was 55 mA. läutert worden ist, an die positive bzw. negative Ver- 15has been refined, to the positive or negative verse 15 sorgungsspannung 14 bzw. 24 angeschlossen. Die an Patentansprüche:supply voltage 14 or 24 connected. The patent claims: Hand der F i g. 2 beschriebene Operationsverstärker- 1. Überlastungsschutzschaltung für einenHand of fig. Operational amplifier described 2 1. Overload protection circuit for one Endstufe gestattet die Ansteuerung mit Eingangs- Transistorverstärker in EmitterfolgerschaltungOutput stage allows control with an input transistor amplifier in an emitter follower circuit Signalen, die sowohl positive wie negative Werte an- mit einem Widerstand in der Kollektorleitung desSignals that have both positive and negative values with a resistor in the collector line of the nehmen können. Bei positiven Ansteuerungssignalen ao Emitterfolgertransistors, dadurch gekenn-can take. In the case of positive control signals ao emitter follower transistor, thus ist der Transistor 11 aktiv, während der Transistor zeichnet, daß in die Verbindung zwischen denthe transistor 11 is active, while the transistor records that in the connection between the 21 gesperrt ist; bei negativen Ansteuerungssignalen Widerstand und den Kollektor des Transistors21 is blocked; with negative control signals resistance and the collector of the transistor ist der Transistor 21 aktiv, während der Transistor 11 die Kollektor-Emitter-Strecke eines weiteren zuthe transistor 21 is active, while the transistor 11 closes the collector-emitter path of another gesperrt ist. Entsprechend fließt im Lastkreis 3 ein dem Emitterfolgertransistor komplementärenIs blocked. Correspondingly, a complementary emitter follower transistor flows in load circuit 3 positiver bzw. ein negativer Strom. 95 Transistors eingeschaltet ist, dessen Basis überpositive or negative current. 95 transistor is turned on, its base over Der Verbindungspunkt der Diode 20 mit der Basis eine Zenerdiode an ein festes Potential solcher des Transistors 21 ist in dem Ausführungsbeispiel Größe angeschlossen ist, daß die Zenerdiode im der F i g. 2 über einen Widerstand 35 mit der nega- Betriebsfalle unterhalb und im Überlastungsfalle tiven Betriebsspannung 24 verbunden. Es ist vorteil- oberhalb ihrer Durchbruchspannung betrieben haft, diesen Widerstand durch einen als Konstant- 30 wird, so daß der weitere Transistor im Betriebsstromsystem arbeitenden Transistor zu ersetzen, um falle gesättigt ist, im Überlastungsfalle als Kondie Spreizdioden 10, 20 mit einem definierten Quer- stantstromquelle wirkt.The connection point of the diode 20 with the base a Zener diode at a fixed potential such of the transistor 21 is connected in the embodiment size that the Zener diode in the the F i g. 2 via a resistor 35 with the negative operating case below and in the case of overload tiven operating voltage 24 connected. It is advantageously operated above its breakdown voltage liable, this resistance is given by a constant-30, so that the further transistor in the operating current system to replace working transistor, in case of saturation, in case of overload as Kondie Spreading diodes 10, 20 with a defined transverse current source acts. strom auch für große Aussteuerbereiche zu versehen. power to be provided even for large dynamic ranges. 2. Überlastungsschutzschaltung nach AnWenn auf die Kompensation der Umgebungstempe- spruchl, dadurch gekennzeichnet, daß dieZenerratureinflüsse verzichtet werden kann, können dann 35 diode parallel zu der Reihenschaltung des Widerdie Dioden auch durch einen Widerstand ersetzt wer- Standes mit der Basis-Emitter-Strecke des weiteden. ren Transistors geschaltet ist.2. Overload protection circuit according to AnWenn on the compensation of the ambient temperature, characterized in that the can be dispensed with, 35 diodes can then be used in parallel with the series connection of the Widerdie Diodes can also be replaced by a resistor with the base-emitter path of the wider area. ren transistor is switched. Zur Verbesserung des Hochfrequenzverhaltens To improve the high frequency behavior 3. Überlastungsschutzschaltung mit zwei komkönnen die in der Fig. 2 punktiert eingezeichneten plementären Transistoren in Emitterfolgerschal-Kondensatoren 31, 32 zur Überbrückung der Wider- 40 tung, die auf einen gemeinsamen Lastwiderstand stände 19 bzw. 29 und die Kondensatoren 33, 34 arbeiten und von einer gemeinsamen Eingangszwischen den Emitter des Transistors 11 bzw. 21 steuerquelle angesteuert werden und die jeder und Masse gesehen sein. mit einer Überlastungsschutzschaltung nach An-3. Overload protection circuit with two com the plementary transistors drawn in dotted lines in FIG. 2 in emitter follower circuit capacitors 31, 32 for bridging the resistance, which is based on a common load resistance stands 19 and 29 respectively and the capacitors 33, 34 operate and from a common input between the emitter of the transistor 11 or 21 are controlled and the control source each and be seen mass. with an overload protection circuit after Der Hauptvorteil der beschriebenen Überlastungs- sprach 2 versehen sind, dadurch gekennzeichnet,The main advantage of the described overload language 2 are provided, characterized schutzschaltungen liegt in der erheblichen Verminde- 45 daß die Basen der beiden weiteren Transistorenprotection circuits lies in the considerable reduction in the 45 bases of the two other transistors rung der im Kurzschlußfall in der Verstärker-End- (16, 26) über einen Widerstand (8) miteinandertion of the short circuit in the amplifier end (16, 26) via a resistor (8) with each other stufe auftretenden Verlustleistung. Da der Laststrom verbunden sind, der den gesamten Basisstromstage occurring power loss. Since the load current are connected, the total base current nicht über den vorgegebenen Maximalwert ansteigen dieser Transistoren führt.does not lead these transistors to rise above the specified maximum value. kann, nimmt die Verlustleistung im Kurzschlußfall can, the power loss decreases in the event of a short circuit 4. Überlastungsschutzschaltung nach Annur noch linear mit der Höhe der kurzgeschlossenen 50 sprach 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Basen Spannungsquelle zu. Da bei Übersteuerungen der der beiden Emitterfolgertransistoren (11, 21) Emitterfolgertransistor jeweils gestättigt ist, tritt der über einen temperaturabhängigen Widerstand Hauptteil der Verlustleistung im Transistor der Über- gleichen Temperaturganges wie die Basis-Emitlastungsschutzschaltung auf. Die bei Breitbandver- ter-Strecken dieser Transistoren miteinander verstärkern verwendeten hochwertigen Emitterfolger- 55 bunden sind.4. Overload protection circuit according to Annur still linear with the height of the shorted 50 spoke 3, characterized in that the bases Voltage source closed. Since when the two emitter follower transistors (11, 21) are overloaded Emitter follower transistor is saturated in each case, occurs via a temperature-dependent resistor Main part of the power loss in the transistor of the same temperature response as the base-emission protection circuit on. These transistors amplify with each other in broadband converter lines used high quality emitter follower 55 are bound. transistoren werden also weitgehend entlastet. Die transistors are thus largely relieved. the 5. Überlastungsschutzschaltung nach Anmaximale Verlustleistung der Emitterfolgertransisto- sprach 4, dadurch gekennzeichnet, daß der temren 11 und 21 wird erreicht, wenn bei Kurzschluß peraturabhängige Widerstand durch zwei in Reihe auf eine Versorgungsspannung der Laststrom gerade liegende Dioden (10, 20) gebildet ist und daß die den maximalen Wert angenommen hat und damit 60 Basis des einen Emitterfolgertransistors (11) mit der Transistor noch nicht gesättigt ist. der Steuerstromquelle (2) die des anderen (21)5. Overload protection circuit according to the maximum Power dissipation of the emitter follower transistor 4, characterized in that the temren 11 and 21 is achieved if, in the event of a short circuit, temperature-dependent resistance is provided by two in series on a supply voltage of the load current lying diodes (10, 20) is formed and that the has assumed the maximum value and thus 60 with the base of one emitter follower transistor (11) the transistor is not yet saturated. the control power source (2) that of the other (21) Eine Schaltung nach F i g. 2 mit folgender Dirnen- über eine Konstantstromquelle, insbesondereA circuit according to FIG. 2 with the following prostitute via a constant current source, in particular sionierung hat sich als Endstufe für einen Opera- einen Widerstand (35), mit der diesem Transistorsionierung has as an output stage for an Opera- a resistor (35), with which this transistor tionsverstärker mit einem Lastwiderstand 3 von zugeordnete Versorgungsstromquelle (24) ver-tion amplifier with a load resistor 3 from the assigned supply current source (24) 200 Ω bewährt. 65 bunden ist.200 Ω proven. 65 is bound. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings