DE2404850B2 - Elektronische Sicherung für einen Gegentakt-Verstärker - Google Patents
Elektronische Sicherung für einen Gegentakt-VerstärkerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine elektronische Sicherung zum Schutz von Endstufentransistoren eines Gegentakt-Verstärkers
gegen einen zu hohen Laststrom, bei der zum Abschalten der einen Grenzwert übersteigende
Spannungsabfall des Laststromes an den beiden Klemmen eines im Laststromkreis liegenden niederohmigen
Meßwiderstandes herangezogen und dem Steuereingang eines aus wenigstens zwei Transistoren
bestehenden Differenzverstärkers zugeführt ist, der über eine Anpassungsstufe an eine Schaltstufe angeschlossen
ist, durch die beim Überschreiten eines definierten Schwellwertes für den Laststrom der
Verstärker abgeschaltet wird.
Da der Innenwiderstand von beispielsweise mehrstufigen Niederfrequenz-Verstärkerschaltungen aus dynamischen
Gründen sehr gering sein soll, kann der entnommene Laststrom bei zu kleinen Lastwiderständen
unzulässig hohe Werte annehmen. Um die Zerstörung von Endstufentransistoren durch zu hohe
Lastströme zu vermeiden, wurde bereits die Verwendung von Feinsicherungen vorgeschlagen. Der so
erreichte Schutz ist jedoch unvollkommen, da die Abschaltzeit der Feinsicherungen im allgemeinen groß
ist.
Durch die DE-AS 20 13 828 ist eine elektronische Sicherung bekannt, die für mehrstufige Verstärkerschaltungen
als Schutz gegen einen zu hohen Schwellwert übersteigenden Kollektor- und Emitterstrom der
Endstufe herangezogen wird. Bei dieser bekannten Sicherung wird eine Schalteinheit (a) mit zwei stabilen
Schaltzuständen beim Überschreiten eines Schwellstroms umgeschaltet. Die Schalteinheit (a) ist über eine
Diode mit der Steuerelektrode einer vorangehenden Verstärkerstufe verbunden. Diese Diode wird beim
Umschalten der Schalteinheit (a) vom sperrenden in den leitenden Zustand umgeschaltet und die Steuergleichspannung
der vorangehenden Stufen dadurch derart verändert, daß die Verstärkung der Verstärkerstufe Null
wird.
Durch die DE-AS 12 65 213 ist eine elektronische Sicherung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 als
Schutz gegen einen zu hohen Laststrom bekannt, bei der zum Abschalten der einen Grenzwert übersteigende
Laststrom direkt herangezogen wird. Hierfür ist bei der bekannten elektronischen Sicherung unter anderem ein
Differenzverstärker vorgesehen, der aus zwei Transistoren besteht. Da die bekannte elektronische Sicherung
mit Übertragern arbeitet, hat sie den Nachteil, daß sie sich nicht vollständig in moderner integrierter
Halbleitertechnik herstellen läßt. Außerdem wird bei der bekannten Schaltung die Meßspannung nur an die
Steuerelektrode eines Transistors des Differenzverstärkers
angeschlossen, während an der Steuerelektrode des anderen Transistors eine den Überlastungsgrenzwert
bestimmende Spannung anliegt. Ferner ist der Meßwiderstand galvanisch von den Endstufentransistoren
getrennt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Sicherung der eingangs genannten Art als
Schutz gegen einen zu hohen Laststrom anzugeben, der möglichst temperaturunempfindlich ist. Außerdem soll
die elektronische Sicherung möglichst einfach aufgebaut und in integrierter Halbleitertechnik herstellbar
sein und sich somit zur Integration eignen. Diese Aufgabe wird bei einer solchen elektronischen Sicherung
durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Durch die Verwendung eines Transistors in der Schaltstufe ist bei der erfindungsgemäßen Schaltung
eine Stromquelle vorhanden, die bei jeder über der Basis-Emitter-Durchlaßspannung Übe eines Transistors
liegenden Versorgungsgleichspannung arbeitsfähig ist. Dies hat den Vorteil, daß auf den an der Ausgangselektrode
der Stromquelle anliegenden, durch den angeschlossenen Punkt in der Verstärkerschaltung vorgegebenen
Spannungswert keine Rücksicht genommen werden muß.
Die Verstärkerschaltung ist vorzugsweise an einen Schaltungsteil angeschlossen, der nach dem Prinzip
einer Bootstrap-Schaltung arbeitet. Durch diesen Schaltungsteil wird das an der Anschlußstelle des
Emitterwiderstandes des Differenzverstärkers anliegende Potential auf das gleiche dynamische Potential
wie die Ausgangsspannung des Verstärkers angehoben. Dieses angehobene Potential wird gegebenenfalls über
einen Widerstand mit der Ausgangselektrode des Treibentransistors in der Verstärkerschaltung verbunden,
so daß eine volle Aussteuerung der Verstärkerschaltung möglich ist.
Die erfindungsgemäße Schaltung hat den Vorteil, daß der für die Auslösung der Sicherung vorgesehene
Laststromgrenzwert temperaturunabhängig ist. Dies wird durch die Verwendung eines Differenzverstärkers
erzielt. Sie ist außerdem als integrierte Festkörperschaltung realisierbar.
Der Ausgangswiderstand der Sicherung ist in der erwünschten Weise hochohmig. Dies ergibt sich aus
dem hochohmigen Kollektorinnenwiderstand des die Stromquelle bildenden Anschlußtransistors.
Beim Überschreiten des Laststromgrenzwertes kann der Verstärker erst wieder in Betrieb gesetzt werden,
wenn die Versorgungsspannung zuerst abgeschaltet und dann erneut zugeschaltet wird. Dies erreicht man bei
einer bevorzugten Ausführungsform der Schaltung dadurch, daß beim Überschreiten eines bestimmten
Schwellwertes ein Thyristor gezündet wird.
An diesen Thyristor ist der die Stromquelle bildende Transistor so angeschlossen, daß dieser Transistor dann
durchgesteuert wird, wenn über den Thyristor ein begrenzter Strom fließt. Der Thyristor erhält seine
Zündspannung von einer Zenerdiode, die den Schwellwert bestimmt. Der Thyristorstrom läßt sich nur
dadurch unterbrechen, daß die Versorgungsspannung abgeschaltet wird.
Der Laststrom bedingt eine an der Ausgangselektrode des Differenzverstärkers auftretende Spannung, die
einen deich- und einen Wechselspannungsanteil aufweist. Der Schwellwert wird der Einfachheit halber
von einer Zunerdiode bestimmt. Nun ist verständlich.
daß der Schwellwerl der Zenerdiode nicht, unbedingt dem deich- und Wechselspannungsabfall am Ausgang
des Differenzverstärkers beim Laststromgrenzwert entspricht. Zwischen die Zenerdiode und den Differenzverstärker
muß daher eine Anpassungsstufe geschaltet werden. Diese Anpassungsstufe, die auch als Pegelschieber
bezeichnet wird, erlaubt die voneinander unabhängige Anpassung der Gleichspannungs- und der Wechselspannungsanteile.
Die erfindungsgemäße Schaltung soll im weiteren noch an Hand eines Ausführungsbeispiels näher
erläutert werden.
In der Figur ist eine Schaltung dargestellt, die im wesentlichen aus 8 Teilen besteht. Der erste Teil ist die
Verstärkerschaltung V herkömmlicher Art, die aus mehreren Stufen besteht und besonders für Niederfrequenzverstärkungen
verwendet wird.
Der Verstärker besteht aus den Transistoren 71, T2, T3
und 74 mit den zugehörigen Dioden Di, D2 zwischen den
Steuerelektroden der Endstufentransistoren T3 und Ta.
Diese beiden Dioden wirken als Spannungsquelle und sichern eine temperaturstabilisierte Gleichstromarbeitspunkteinstellung
für die Endstufentransistoren. Die Transistoren Ti und Ta sind Komplementärtransistoren
und arbeiten in Kollektorschaltung. Die beiden Transistoren sind so zwischen die Pole der Versorgungsspannungsquelle
UB in Reihe geschaltet, daß die Emitterelektroden
beider Transistoren miteinander verbunden sind und damit auf gleichem Potential liegen. Beim Betrieb
der Schaltung stellt sich ein Gleichgewicht derart ein, daß am Punkt P zwischen den beiden Transistoren T3
und Ta, die halbe Versorgungsspannung Ub/iliegt. Da die
Wechselspannungsverstärkung von der Basis zur Emitterelektrode der Endstufentiansistoren T^, Ta
kleiner als 1 ist, kann bei voller symmetrischer Aussteuerung des Treibertransistors, für den ja auch nur
der Versorgungsspannung Ub zur Verfügung steht, am
Ausgang P der Endstufentransistoren nicht die volle
Wechselspannungsamplitude U = -γ- liegen. Es ist
daher notwendig, das Ausgangspotential der Treiberstufe bei einem vorhandenen Eingangssignal so
gleichphasig mit der Ausgangsspannung an P anzuheben, daß der Verstärker voll ausgesteuert werden kann.
Die Anhebung des Kollektor-Potentials des Treibertransistors T2 erfolgt mit Hilfe der Schaltelemente C3, R3
im Schaltungsteil B, die nach dem Prinzip einer Bootsstrap-Schaltung arbeiten. In diesem Schaltungsteil
ist auch der Laststromkreis enthalten, der über den Meßwiderstand Rm an den Punkt P des Verstärkers
angeschlossen ist. Die zweite Klemme Qdts Meßwiderstandes
Rm ist über den Kondensator Ci und den
Lastwiderstand Rl mit dem negativen Pol bzw. dem
Masseanschluß und über einen weiteren Kondensator C3 und den Widerstand R3 mit dem positiven Pol der
Versorgungsspannungsquelle verbunden. Die Verbindung 5 zwischen dem Kondensator C3 und dein
Widerstand R3 ist einmal über den Widerstand R2 mit
der Kollektorelektrode des Transistors T2 und zum
anderen über den Emittervorwiderstand Ra mit den
beiden Emitterelektroden der Transistoren T5 und Tb
des Differenzverstärkers D verbunden. Die Basiselektrode des Transistors 7s ist an Q angeschlossen,
während die Basiselektrode des Transistors Tb an P
angeschlossen ist.
Solange kein Wechselstromsignal vorhanden ist, ist Rm praktisch gleichspannungsfrci und damit stromlos,
da weder über C> noch Ci ein Gleichstrom fließen kann
und der Basisstrom des Transistors T*, vernachlässigbar
klein ist. An C? liegt somit das mit P übereinstimmende Gleichspannungspotential UiW2. Beim Auftreten eines
Wechselstromsignals und angeschlossenem Lastwiderstand Ri. fließt über Rm der Laststrom. Gleichzeitig
ändert sich am Punkt S über die Kapazität C) das
Potential derart, daß auch eine volle Aussteuerung der Ausgangstransistoren 7j und T4 bis zur Spannung Un/2
möglich ist.
Der Aufbau des an den Meßwiderstand Rm
angeschlossenen Differenzverstärkers D wurde bereits weitgehend erläutert. Der Kollektor des Transistors T5
ist direkt mit Masse verbunden, während der Kollektor des Transistors T6 über den Kollektorwiderstand R^ an
die Masseelektrode angeschlossen ist.
Über Rs fällt dann eine bestimmte Gleichspannung ab,
der eine Wechselspannung überlagert ist, die von dem an Rm gemessenen Laststrom abhängig ist. Rm kann
praktisch beliebig klein gewählt werden, da der an Rm abgegriffene Spannungswert am Differenzverstärker D
verstärkt wird und dieser verstärkte Wert noch über die Anpassungsstufe auf den gewünschten Wert transformiert
werden kann.
Die Anpassungsstufe A besteht aus den beiden Komplementärtransistoren T7 und T8. Die Emitterelektrode
von Ti ist über den Emitterwiderstand Rg an
Masse und der Kollektor über den Kollektorwiderstand R7 an den positiven Pol der Versorgungsspannungsquel-Ie
angeschlossen. Der Komplementärtransistor Tx, dessen Basiselektrode an die Kollektorelektrode von 7}
führt, ist über den Kollektorwiderstand /?b an Masse und
über den Emitterwiderstand /?q an den positiven Pol der
Versorgungsspannungsquelle angeschlossen. An Rn füllt
die angepaßte Spannung an, die beim Überschreiten eines Grenzwertes die nachgeschaltete Zenerdiode Z1
durchschaltet.
Bei einer Anpassungsstufe der geschilderten Art gilt:
«7 ,. Λ,
- ;, in
(2)
Dabei ist V1, die Wechselspannungsverstärkung der
Anpassungsstufe also V11- V7 · V8, wobei V7 und V8 die
Verstärkungsfaktoren der beiden Stufen mit den Transistoren T7 und 7« sind. Uiim ist die gewünschte
Gleichspannung an R8, während Ucm die Gleichspannungen
/?5 ist.
Angenommen, die Zenerdiode Z\ hat eine Zenerspannung von 5,5 Volt, dann wird durch die Anpassungsstufe
sichergestellt, daß an Re. bei dem gewünschten Laststromgrenzwert diese Zenerspannung abfällt.
Wenn an R^ beispielsweise eine Gleichspannung von
Volt abfällt, dann wird (/■„„ beispielsweise mit einen
Gleichspannungswert von 4 Volt in die obige Gleichun eingesetzt. Bis zur Zenerspannung von 5,5 Vo
verbleiben dann noch 1,5 Volt. Ergibt sich, daß bei den Laststromgrenzwert an /?■-, eine Wechselspannung m
dem Spitzenwert 0,5 Volt abfällt, muß V„ den Wert haben, damit die noch fehlenden 1,5 Volt an Z\ erreich
werden. Wenn somit die Werte für V11 und UMn gewäh
sind, ergibt sich daraus mit Gleichung (!) da Widerstandsverhältnis R8/Rq und damit aus Gleichun
(2) auch das Widerstandsverhältnis RiIRb.
Parallel zum Ausgangswiderstand Rv, der Anpa;
sungsstufe A ist die Reihenschaltung Z aus de Zenerdiode Zi und dem Widerstand R\o geschaltet.
An der Zenerdiode Z1 fällt somit die Zenerspannun
dann ab, wenn der Laststromgrenzwert erreicht ist. De an die Zenerdiode Z\ angeschlossene Thyristor, der ir
Ausführungsbeispiel durch die Transistoren T]1, und T1
ersetzt ist, zündet dann. Dieser Strom im Thyristoi schaltteil T1 wird durch den in Reihe geschaltete
Widerstand Rn begrenzt. Er erzeugt an dem gleichfall
in Reihe geschalteten Transistor T\2 einen Spannungs
abfall der Größe Um-- Bei dieser Spannung wird de
nachgeschaltete, als Stromquelle dienende Transisto Τη immer dann durchsteuert, wenn die Spannung an de
Kollektorelektrode von Tu zwischen den Werten Un
und Un liegt, wobei /7/jdie Versorgungsgleichspannun
ist. Die Stromquelle kann daher fast an jeden beliebige Punkt der Verstärkerschaltung angeschlossen werdei
Der Kollektor von Tu wird beispielsweise an di Basiselektrode des Treibertransistors T2 angeschlosset
Wenn der Laststromgrenzwert erreicht wird, wird de Transistor Tn durchgesteuert und der Basisstrom de
Transistors T2 abgeleitet. Der Verstärker schaltet ab un
kann nur durch eine Abschaltung und wieder Zuschal tung der Versorgungsgleichspannung erneut in Betrie
genommen werden. Der Transistor ist beispielsweise al Diode geschaltet. An die kurzgeschlossene Kollektor
Basisstrecke ist die Stromquelle 5/ angeschlossen. I manchen Fällen können auch mehrere Stromquellen
transistoren parallel geschaltet werden.
Der Transistor Ti3 kann beispielsweise auch an di
Eingangselektrode von Tj oder Tt oder an di Emitterelektrode von Ti angeschlossen werden.
Erwähnt sei noch, daß der Widerstand Ri sehr vie
größer ist als der Widerstand Ri, um den über R
abfließenden Wechselstrom klein zu halten.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind Ti, T T5, Ti1, Τ« und Tn pnp-Transistoren, während die übrige
Transistoren npn-Transistoren sind.
Die Schaltung wird in einem oder in mehrere Halbleiterkörpern als integrierte Festkörperschaltun)
untergebracht. Dann wird der niederohmige Meßwider stand Rm vorzugsweise durch eine Leitbahn oder eine
diffundierten Widerstand realisiert.
Ilicr/u I I)Ia(I
Claims (6)
1. Elektronische Sicherung zum Schutz von Endstufentransistoren eines Gegentakt-Verstärkers r>
gegen einen zu hohen Laststrom, bei der zum Abschalten der einen Grenzwert übersteigende
Spannungsabfall des Laststromes an den beiden Klemmen eines im Laststromkreis liegenden niederohmigen
Meßwiderstandes herangezogen und dem ι» Steuereingang eines aus wenigstens zwei Transistoren
bestehenden Differenzverstärkers zugeführt ist, der über eine Anpassungsstufe an eine Schaltstufe
angeschlossen ist, durch die beim Überschreiten eines definierten Schwellwertes für den Laststrom r>
der Verstärker abgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektroden
der Transistoren (T5, TS) des Differenzverstärkers (D) direkt mit den Klemmen des Meßwiderstandes
(RM) verbunden sind, wobei der Meßwiderstand so .?(> geschaltet ist, daß an seinen beiden Klemmen etwa
die Ausgangsgleichspannung des Gegentakt-Verstärkers liegt, daß die Transistoren (T 5, T6) des
Differenzverstärkers (D) über einen gemeinsamen Emittervorwiderstand (R 4) an ein Potential (S) 2r>
angeschlossen sind, daß sich mit dem dynamischen Ausgangspotential (P) des Gegentakt-Verstärkers
(V) gleichphasig verändert, daß dem Differenzverstärker (D) über die Anpassungsstufe (A) und die
Schaltstufe (Z, Ty) wenigstens eine aus einem i»
Transistor (Ti3) bestehende Stromquelle nachgeschaltet ist, die mit dem Gegentaktverstärker so
verbunden ist, daß dieser bei einem überhöhten Laststrom abgeschaltet wird und daß die Schaltung
in einem oder in mehreren Halbleiterkörpern als )> integrierte Festkörperschaltung realisiert ist.
2. Elektronische Sicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein nach dem Prinzip
einer Boolstrap-Schaltung arbeitender Schaltungsteil (B) vorgesehen ist, durch das das an der -to
Anschlußstelle (S) des Emittervorwiderstandes (R^)
des Differenzverstärkers (D) anliegende Potential auf das gleiche dynamische Potential wie die
Ausgangsspannung des Verstärkers (V) angehoben wird, und daß dieses Potential mit der Ausgangselek- 4">
trode des Treibertransistors (T'2) des Gegentakt-Verstärkers (V) verbunden ist.
3. Elektronische Sicherung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Anpassungsstufe (A) aus zwei einander r>o
nachgeschalteten Komplementärtransistoren (T?, Tu) besteht, wobei die Emitterelektrode des ersten
Transistors (Tt) über einen Emitterwiderstand (Rh) mit dem ersten Pol und der Kollektor über einen
Kollektorwiderstand (Rj) mit dem zweiten Pol der Versorgungsspannungsquelle des Gegentakt-Verstärkers
verbunden ist, während der Emitter des zweiten Transistors (Tg) über einen Emitterwiderstand
(Rc)) mit dem zwtiten Pol und der Kollektor
über einen Kollektorwiderstand (Rg) mit dem ersten w>
Pol der Versorgungsspannungsquelle verbunden ist.
4. Elektronische Sicherung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem
Kollektorwiderstand (Rg) des zweiten Transistors (Tg) der Anpassungsstufe (A) ein den Schwellwert M
bestimmendes Schaltungsteil (Z) geschaltet ist, das aus der Reihenschaltung einer Zcnerdiode (Z\) und
eines Widerstandes (Rw) besteht.
5. Elektronische Sicherung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an die Zenerdiode (Z\)
eine aus 2 Transistoren (TiO, TU) bestehende Schaltungsanordnung angeschlossen ist, die beim
Überschreiten eines bestimmten Schwellwertes durchgesteuert wird.
6. Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der
Meßwiderstand (Rm) in der integrierten Schaltung durch eine auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers
verlaufende Leitbahn oder durch einen diffundierten niederohmigen Widerstand realisiert ist.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE2404850A DE2404850C3 (de) | 1974-02-01 | 1974-02-01 | Elektronische Sicherung für einen Gegentakt-Verstarker |
US05/542,276 US3988642A (en) | 1974-02-01 | 1975-01-20 | Electronic cut out for a circuit to be protected |
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DE2404850C3 DE2404850C3 (de) | 1979-01-11 |
Family
ID=5906350
Family Applications (1)
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1974
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1975
- 1975-01-20 US US05/542,276 patent/US3988642A/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
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