DE1811765C - Gegen Überlastung geschützte Transistorverstärkerstufe - Google Patents

Description

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I. ie Erfindung betrifft eine gegen Überlastung ge- Transistoren gleichen Leitungstyps einer B-Endstufe schützte Transistorverstärkerstufe mit einem Schutz- mittels einer gesonderten Sicherungsschaltung gegen transistor, der in kombinierter Abhängigkeit vom Überlastung zu schützen. Die beiden Sicherungs-Strom und Spannungsabfall der Transistorstufe deren schaltungen bestehen jeweils aus einem mit dem Steuersignal begrenzt, wobei ein in Reihe mit dam 5 Transistor in Reihe liegenden Widerstand, der von Emitter-Kollektor-Pfad eines Transistors der Tran- einer Diode und einem weiteren Widerstand übersistorstufe liegender Widerstand eine dem Strom ent- brückt wird, und einem an den Verbindungspunkt sprechende Spannung und ein Spannungsteiler eine zwischen der Diode und dem weiteren Widerstand dem Spannungsabfall entsprechende Spannung angeschlossenen Schutztransistor. Die Schutzschaltung liefert. io spricht nur auf den Transistorstrom, nicht aber auf Spannungsgegengekoppelte Verstärker haben eine den Spannungsabfall an dem zu schützenden Tranniedrige Ausgangsimpedanz, geringe Verzerrungen sistor an.

und eine große Ubertragungsbandbreite. Bei be- Die Aufgabe der Erfindung besteht da/in, eine stimmten ungünstigen Betriebszuständen liefern solche Transistorstufe mit einer direkt wirkenden, den VerVerstärker hohe Spitzenströme an eine Last oder auf 15 stärkerbetrieb aber möglichst wenig störenden Schutzeinen zufälligen Kurzschluß, wobei die Verlustleistung schaltung mit geringem Aufwand an Verlustleistung so stark ansteigt, daß der oder die Ausgangstran- und Schaltungskomponenten anzugeben,
sistoren zerstört vfrden können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Tran-Es sind Schutzbvhaltungen bekannt, welche bei zu sistorstufe der eingangs angegebenen Art dadurch großer Verlustleistung durch eine Verringerung des 20 gelöst, daß der Reihenwiderstand mit einer Last-Eingangssignals einen Leistungsverstärker gegen Über- impedanz in Reihe zwischen eine Elektrode eines lastung schützen, aber im Überlastungsfall eine Zeit- Transistors der Transistorstufe und einen Bezugsverzögerung haben, die zum Schutz des Ausgangs- potentialpunkt geschaltet und der Spannungsteiler transistors zu lang sein kann. Es ist ferner bekannt, durch eine zweite Reihenschaltung zwischen diesen zur Herabsetzung des mittleren Verstärkerstroms eine as Punkten gebildet ist, und daß dei Abgriff dieses Steuerung der Vorspannung derart vorzunehmen, daß Spannungsteilers mit dem Eingang des Schutztraneine übermäßige Verlustleistung bei Überlastungs- sistors verbunden ist. Dadurch wird erreicht, daß bei fällen vermieden wird. Solche Schaltungen arbeiten einem Fehlabgleich dieser Brücke infolge einer Überjedoch nicht zufriedenstellend, da die Veränderung lastung die Schutzwirkung des Schutztransistors bei der Vorspannung den Arbpifspunkr ^;.n das nichtlineare 30 einem vom Strom und vom Spannungsabfall der Kennliniengebiet verschiebt, so daß Verzerrungen Tra.·. istorstufe abhängigen Arbeitspunkt beginnt,
auftreten. Erfindungsgemäß kann an den Emitter des Schutz-Eine Bemessung des Verstärkers nur auf der Grund- transistors die eine und an seine Basis die andere der lage der Verlustleistung des Leistungstransistors hat beiden dem Strom bzw. Spannungsabfall entsich als unwirtschaftlich und außerordentlich kost- 3s sprechenden Spannungen angelegt sein. Ferner kann spieiig herausgestellt. Im B- und AB-Betrieb der Aus- dann insbesondere der Kollektor des Schutztransisto^s gangstransistoren lassen sich eine niedrige Ruhestrom- mit der Basis eines Transistors üer Transistorstufe Verlustleistung und relativ hohe Ausgangsleistungen gekoppelt sein. Diese Transistors'ufe kann zwei Tranerreichen. Während der Leistungsspitzen übersteigt sistoren enthalten. Das Ausgangssignal des einen die Augenblicksverlustleistung die Ruhestromverlust- 40 Transistors wird in diesem Fall an die Basis des anderen leistung für kurze Augenblicke, und wegen der nur Transistors angelegt.

begrenzten thermischen Masse müssen die Höhe und Vorzugsweise ist zwischen die genannte Elektrode, die Dauer dieser Leistungsspitzen sorgfältig über- beispielsweise den Emitter, des Transistors der Tranwacht werden. Die Grenzen dieser noch nicht zer- sistorstufe und den Eingang des Schutztransistors ein störend wirkenden hohen Leistungsspitzen werden in 45 Kondensator geschaltet, wodurch sich der Vorteil der Technik als Sicherheitsgrenzen des Betriebs des eines Schutzes gegen Hochfrequenz- oder Schalt-Transistors bezeichnet. Daher darf der Verstärker schwingungen ergibt.

nicht über diese vom Hersteiler angegebenen Grenzen Bei einer bestimmten Ausführungsform der Erhinaus ausgesteuert werden, wenn vorzeitig Ausfälle findung wird die überlastungsschutzschaltung auf verhindert werden sollen. 50 einen Komplementär- oder Quasi-Komplementär-Aus der deutschen Auslegeschrift 1 222 118 ist ein Gegentakttransistnrverstärker angewendet. In dieser Transistorverstärker mit Begrenzung des Steuersignals Schaltung ist ein Paar Schutztransistoren zwischen bekannt, hei dem die Schutzschaltung auf zwei kombi- dem Verstärkerausgangsanschluß und einem Punkt niertc Spannungen anspricht, deren eine ein Maß für der Vorspannungs- und Signaleingangsschaltung, weiden Transistorstrom und deren andere ein Maß für die 55 eher beiden Basen der komplementären Ausgangs- Spanming am Transistor ist. Des Spannungsabfall am transistoren gemeinsam ist. geschaltet. Die Spannung Transistor wird mit einem Spannungsteiler festgestellt, Ober dem den Strom abfohlenden Widerstand wird wahrend der Transistorstrom von einem In Reihe mit mit der an der Last abgefühlten Spannung kombiniert, dem Transistor liegenden Widerstand gemessen wird. so daß bei Ausgangsstromen and Ausgangsspan-Mit den beiden gemessenen Spannungen wird der So nungen dea Transistors außerhalb der Sicherheit»- Emitter bzw. die Bas» eines Schutztransistors an· grenzen ein Schutz für den leitenden Transistor begesteuert, der seinerseits das Signal einer Eingangs* wirkt wird, indem das Steuersignal für die Ausgangs* stufe begrenzt. Mit dem Spannungsteiler, der im Se- transistoren begrenzt wird, kannten FaJi unmittelbar an einer Versorgung*· Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Dar* spanirangsquelle liegt, arbeitet ein zusätzlicher Tran* β» Stellungen von AusfOhrungsbeispieien der Erfindung smtor zusammen. erläutert. Es zeigt

Aus der Zeitschrift »Neues aus der Technik·, Fig. 1 ein Sehallbild des erfindungsgemtSen Aus* Mr 6/1967. ist es auch bekannt. Jeden von zwei gangsverstlrkers,

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F i g. 2 cine Darstellung des Kollektorstroms und der Kollektorspannung innerhalb der Sicherheitsgrenzen für die Schaltung nach Fig, I,

F ί g, 3 ein Schaltbild eines Transistorverstärker* mit einer Diode als Sicherheitselement für die Einhaltung der Grenzen,

F i g. 4 eine Darstellung der Sicherheitsgrenzen hei der Schaltung gemäß F i g, 3 und

F i g. 5 ein Schaltbild eines vollständigen 70-Watt-Tonfrequenzverstärkers nach der Erfindung.

F i g. 1 zeigt eine Verstärkerschaltung eines komplementären symmetrischen Gegentaktverstärker mit einer Schutzschaltung nach der Erfindung. Ein Paar Leistungsausgangstransistoren 1 und 2 entgegengesetzten Leitungstyps werden durch eine nicht dargestellte Eingangs- und Vorspannungsschaltung gesteuert, die mit den Anschlüssen 10 und U verbunden ist. Die Transistoren 1 und 2 sind über Abfühlwiderstände 14 und 13 mit einem Ausgangsanschluß 15 verbunden. Zwischen dem Ausgangsanschluß 15 und Masse kann ein Lautsprecher oder ."ine andere geeignete Last angeschlossen werden, die durch einen Widerstand 12 dargestellt wird. Die weitere Schaltung mit den Transistoren 3 und 4 begrenzt den Strom in den Ausgangstransistoren. Die Transistoren 3 und 4 dienen dem Schutz der Ausgangstransistoren 1 und 2. indem sie die Eingangs- und Vorspannungsschaltung mit dem Ausgangslastwiderstand 15 verbinden, wenn die Kollektorströme und -spannungen der Transistoren 1 und 2 die Werte der Sicherheitsgrenze überschreiten. Der Schutz der Ausgangstransistoren wird dadurch bewirkt, daß die Basissteuerspannung der Transistoren 1 und 2 durch die Transistoren 3 und 4 überbrückt wird.

Die Begrenzung der Transistorspannung und des Transistorstromes erfolgt in einem Wertebereich, der den Sicherheitsgrenzen für den Transistorbetrieb für alle möglichen Ausgangslasten angepaßt ist. Die Sicherheitsgren/en sind so gewählt, daß bei kleiner Lastspannung und großer KollekSorspannung der Strom auf einen kleinen Wert begrenzt wird. Wenn an der Last eine größere Spannung abfällt und die Transistorspannung geringer ist. sind größere Ströme zulässig. Damit ist die Grenze des Sicherheitsbereiches eine Funktion des Stromes und eine umgekehrte Funktion der Lastspannung.

In Fig. 1 bilden die Widerstände 14 und 16 und 17 und der Lastwiderstand 12 eine vom Ausgangstrans.Mor 1 gespeiste Widerstandbrücke. Die Wider stände 12 und 17 liegen einseitig an Masse, während ihre anderen Enden mit den Widerständen 14 bzw. 16 verbunden sind. Der Verbindungspunkt der Widerstände 14 und 16 ist der Brückeneingang, der mit dem Emitter des Transistors 1 verbunden ist Der Emitter des Schutztransistors 3 liegt am Verbindungspunkt der Widerstände 12 und 14, und seine Basis liegt am Verbindungspunkt der Widerstände 16 und 17, %o daß der Transistor 3 eine Unsymmetriespannung der aus den Widerstanden 12, 14.16 und 17 gebildeten Brücke abfühlt. Ist der Strom im Widerstand 14 gleich dem Strom ,im testwiderstand 12 und i»t das Widerstandsyerhütn» der Widerstand« 14 und 12 gleich dem Ver-Mltni· der WidenAmte M und 1.7. dann ist die Brücke abgegttdien, und. zwischen Basis und Emitter des Transistor» 3 liegt keine JSpannuog. Wenn »ich jedoch die InMMdAMWtMUtAiSW gaotigend unterscheiden, so daß die Anspresntahwftie 4es Transistors über* schritten wird, dann tritt ein« Begrenzung des Steuer· signals ein, su daß die Transistoren im Sieherheihbereich betrieben werden.

F i g, 2 zeigt ein Diagramm der Sicherheitsgrenmi für den Transistorbetrieb bei der Schaltung nach Fig, I. Es veranschaulicht, wie die Schaltung hohe Ströme zuläßt, wenn der Spannungsabfall am Transistor klein ist, und entsprechend nur geringe Ströme, wenn der Spannungsabfall am Transistor entsprechend der Grenzlinie 5 groß ist. Die schraffierte Gesamtfläche

ία unterhalb der Grenzlinie 5 veranschaulicht den durch die Schutzschaltung gewährleisteten Sicherheitsbereich fü;· den Transistorbetrieb, Innerhalb der Grenzen des durch die Schaltung garantierten Schutzbereiches ist eine typische Widerstandsgerade 6 eingezeichnet. An den Ausgang des Verstärkers kann nun jede beliebige Last angeschlossen werden und innerhalb der durch die Grenzlinie 5 gegebenen Stromgrenzen betrieben werden.

Ein bedeutender Gesichtspunkt der Erfindung liegt

darin, daß der Abfühltransistor3 nur auf eine

ao Brückenspannung einer j'olarität anspricht. Diese Polarität wird durch die Wairl des Leitungstyps der Transistoren 3 oder 4 bestimmt, welcher Unsv, mmetriespannungen der Brücke für lastimpedanzen unterhalb des Brückengleichgewichtes uhfühlt. F.in /usät/lichcs wichtiges Merkmal dieser Schaltung liegt in der Schwellspannung für den Abfühltransistoreingany. so daß eine Begrenzung des F.ingangssteuc?;signals für einen angemessenen Bereich von Lastwiderständen verhindert wird. Dieser Lastwiderstandsbereich und die Größe der Grenzströme und Spannungen bestimmt sich durch den Wert der Widerstände 14. 16 und 17 hinsichtlich des Schwellwertes für den Leitungszustand der Transistorbasis-Fmitter-Strecke. Durch Einfügen einer Diode in Reihe mit dem Emitter des Transistors läßt sich leicht der Schwcllwcrt für das Leiten des Brückenabfühltransistors vergrößern. Dieser Schwellwert'erlaubt einen normalen Verstärkerbetrieb für einen Bereich von Lastimpedanzen innerhalb der durch die Dimensionierung der Schaltung bestimmten Sicherheitsgrenzen. Weiterhin können an Stelle des Lastwiderstandes 12 Blindwiderständc treten, wobei die Schwelle innerhalb der gleichen Sicherheitsgrenzen Transistorströme und Spannungen für die Speisungeines Bhndwjderstandeserlaubt. Die Neigung der Sicherheitsgrenzlinie 5 bestimmt sieh nach der Größe des Stromabfiihlwiderstandes 14 in Produkt mit dem Verhältnis der Brückenwiderständc 17 und 18. Der durch die Grenzlinie 7 bestimmte Kurzschlußgrenzstrom richtet sich nach der Schwellspannung Vi,,,

so die zwischen Dasis und Emitter des Transistors 1 für die Begrenzung erforderlich ist. im Produkt mit dem der folgenden Gleichung zu entnehmenden Korrekturfaktor.

I sr

Λ,, «π

Der SchutzWansistur 3 und die Brückenschiiltung mit den Widerständen 14. 16 und 17 und depv L^tI-widerstand 12 wirken zusammen zu einer Strom- jwd Spannungsbegrenzung nur (Ur Jen Au»gangstrunsistor I. E ne zweite Schutzschaltung mit dem Transistor 4 und einer Brückenschaltung aus den Widerstanden 13» 18 und 19 und dem Lastwideretand 12 bilden einen Schutz für den Ausgangstransistor 2. Die

es beiden Schutzschaltungen sprechen auf verschiedene Polarität des Eingangssignal» an, um äßen Schute und efne Begrenzung"'des Betriebes der komplementären Attsgangstraftsrsioren zu ergeben, welche bei ab-

wechselnden Polaritäten tut Speisung der gemein· Mfflen Last leiten. Auf diese Weise bieten iwel unabhßngige SehwtiaeheliHngen edm stehe» Bereichsgrenze for zwei LebtungMusgangsfransIstoren und einen vollständigen Schutz for eine komplementäre symmetrische Oegentaktatragangsslufe.

tin anderer VertaHf der Staherhertsgren» MBt sieh durch dte Verwendung nichtRnearer Widerstände oder Dioden als Elemente der Brückenschaltung erreichen. F i g. 3 zeigt eine Ausgangsschaltung, bei welcher Dioden 8 und 9 in die Brückenschaltung eingefügt sind, so daß die Sicherheitsgrenze sich in der in F i g. 4 dargestellten linie21 fortsetzt. F i g. 4 zeigt auch, daß die Speisespannung V, einer positiven Spannung für den Transistor 1 entspricht. Für einen negativen Spannungspunkt am Ausgangsanschluß 15 wird der Brückenwiderstand 17 infolge der Sperrspannung der Dioden 18 abgeschaltet, und der Schutztransistor 3 spricht dann nur auf den Ausgangstransistorstrom durch den Widerstand 14an. Für Kollektorspannungen, die den Wert der Betriebsspannungsquelle überschreiten, arbeitet die Schaltung nur als Strombegrenzer. Die Neigung des konstanten Stromverlaufs kann verändert werden, wenn man einen nicht dargestellten Widerstand parallel zur Diode 8 schaltet, so daß die Diode den Widerstand 17 nicht völlig aus dem ßrückenzweig abschaltet. Eine weitere, noch verbesserte Schaltung verwendet einen einzigen Widerstand 20 zur überbrückung beider Dioden 8 und 9 zum vollständigen Abschalten der Widerstände 17 und 18. Eine erreichbare Neigung der Sicherheitsgrenzlinie, welche durch die Dioden und den überbrückungswVerstand 20 gegeben ist. ist in F i g. 4 durch die gestrichelte Linie 22 veranschaulicht. Der Knick der Steigung der Grenzlinie am Punkt 7 ermöglicht eine niedrigere Kurzschlußstromgrenze, jedoch erlaubt die Verwendung des Widerstandes 20 einen ausreichenden Strom bei hohen Kollektorspannungen zum Abfließen gespeicherter Transistorladungen bei hoher Leistung und hohen Frequenzen.

In F i g. 5 ist ein 70-Watt-Tonfrequenzverstärker dargestellt, welcher quasi komplementär aufgebaut ist und die Vorteile eines gleichstromgekoppelten Breitbandverstärkers mit einer Rückfühningsstabilität im Betriebspunkt verbindet.

Eine Vorverstärkerstufe mit Transistoren 25 und 26 bildet einen Differentialverstärker, welcher an der Ausgangsklemme 15 exakt für einen Ruhegleichstrom von 0 sorgt. Die Gegenkopplung erfolgt über den Widerstand 27 auf die Basis des Transistors 26, und über einen Widerstand 28 wird der Basis des Transistors 25 Massepotential zugeführt. Die Emitter der Transistoren 25 und 26 liegen zusammen fiber einem Widerstand 29. einer Diode 30 und einem Widerstand 31 an der positiven Betriebsspannung. Die Diode 30 und ein zugehöriger Siebwiderstand 32 sieben Schaltübergangsspannungen aus der Betriebsspannung. Der Kollektor des Vorverstärkertransistors 25 ist auf eine im Α-Betrieb arbeitende Vorverstärkerstufe mit dem Transistor 33 gekoppelt, dessen Ausgang auf die komplementären Ausgangstransistoren 1 und 2 geführt ist. Der Transistor 33 ist über einen Widerstand 34 und ein Temperaturstabilisierungsvorspannungsnetz mit Dioden 35,36 und 37 und die Transistoren 2 und 1 gekoppelt. EHe Ausgangstransistoren 1 und 2 sind an ein Paar in einer quasikomplementären Ausgangsschaltung geschaltete Transistoren 38 und 39 gleichen Leitungstyps angeschlossen. Die Schutzschaltungen liegen am ßestseingang der komplementären Treiber· transistoren t and 2, um eine stehere Begrenzuni {Or die Atrsgangstranstotoren JS end 39 sa gewährleisten. Die StrarnBBtflstung erfofgt am Widerstand 14

» In Reihe mit den Emittern der Transistoren 1 und Λ iflr positive Halbwelten und über den Widerstand 13 in Reihe mit dem Bmtfter des Transistors 2 und den Kollektor des Translators 39 für negative Halbwelten. Der Brückenwiderstand 16 ist von einem Konden sator 40 und der Brückenwiderstand 19 von einem Kondensator 41 überbrückt, damit eine Phasenkompensation zur Verbesserung der Eigenschaften der Begrenzerschaltung bei hoher Leistung und hohen Frequenzen erreicht wird. In Reihe mit dem Kollektoi

i$ des Transistors 3 liegt eine Diode 42. und in Reihe mit dem Kollektor des Transistors 4 liegt eine Diode 43, welche das Auftreten von Durchlaßvorspannungen an den Kollektorbasisühergängen der Transistoren 3 und 4 während abwechselnder Halbwellen der Tonfrequenz-

*o Perioden verhindern.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Gegen überlastung geschützte Transistorcnverstärkerstufe mit einem Schutztransistor, der in

äj kombinierter Abhängigkeit vom Strom und Spannungsabfall der Transistorstufe deren Steuersignal begrenzt, wobei ein tv Reihe mit dem Emitter-Kollektor- Pfad eines Transistors der Transistorstufe liegender Widerstand eine dem Strom ent· sprechende Spannung und ein Spannungsteiler eine dem Spannungsabfall entsprechende Spannung liefert, dadurch gekennzeichnet, daO der Reihenwiderstand (14) mit einer Lastimpedana (12) in Reihe zwischen eine Elektrode eines Tran-

3$ ststors der Transistorstufe (1 oder 1, 38) und ein Bezugspotential geschaltet und der Spannungsteiler (16.17) durch eine zweite Reihenschaltuni zwischen diesen Punkten gebildet ist und daß det Abgriff dieses Spannungsteilers mit dem Eingang

des Schutztransistors (3) verbunden ist.

2. Transistorstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Emitter des Schutz-

* transistors (3) die eine und an seine Basis die andere der beiden dem Strom bzw. Spannung»

abfall entsprechenden Spannungen angelegt sind.

3. Transistorstufe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des Schutztransistors (3) mit der Basis eines Transistors (I] der Transistorstufe (I oder 1, 38) gekoppelt ist.

4. Transistorstufe nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, daß in einer der beiden Reihenschaltungen ein nichtlineares Bauelement (8) vorgesehen ist, welches den Verlauf (21 in F i g. 4) dei Grenzlinie des Sicherheitsbereiches bestimmt.

5. Transistorstufe nach Anspruch 4, dadurch

gekennzeichnet, daß das nichtlineare Bauelement (8] die zweite Reihenschaltung (16,17) mit dem Bezugspotentiahpunkt verbindet daß eine gleichartig« Schutzschaltungsanordnung für eine mit der Tran sistorstufe (1 oder I, 38) eine Gegentaktendstuft mit komplementären Transistoren und einer gemeinsamen Ausgangsklemme (15) bildende zwefu Transistorstufe (2 oder 2, 39) vorgesehen ist, unc daß die beiden nichtlinearen Bauelemente (8 bzw. 9

der beiden Stufen mit ihren vom Bezugspotential' punkt abgewandten Polen miteinander über einet Endkopplungswiderstand (20) verbunden sind. 6. Transisto: stufe nach einem der Ansorüche 1

bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß arischen die gennnnte Elektrode (Emtticr) des Transistors der Trenslstofstufe und den ßlngang des Sehetztransistors 0 tfew. <t) ein Kondensator (40 tew. 41) fpühattet Ist. i

?. TranststorstHfe naeh Ansntueh 2 «nd 3, dadunh gekennalehnet, dafi die Basis des Tran* sisters (I) der Transfstorsiuf« aber eine Diode (43 bzw. 43) mit den Kollektor des Schutztransistors (3 tew. 4) verbunden ist, weiche verhindert, daß dessen KoIfefttorbBsisObefgang in Durefifaßffehiuflg vorgespannt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 109 647/269