DE2404850B2 - Elektronische Sicherung für einen Gegentakt-Verstärker - Google Patents

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 U_B 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 T_b des Differenzverstärkers D verbunden. Die Basiselektrode des Transistors 7s ist an Q angeschlossen, während die Basiselektrode des Transistors T_b 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. U_iim ist die gewünschte Gleichspannung an R₈, während U_cm 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 U_Mn gewäh sind, ergibt sich daraus mit Gleichung (!) da Widerstandsverhältnis R₈/Rq und damit aus Gleichun (2) auch das Widerstandsverhältnis RiIR_b.

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 T_n 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)

Patentansprüche:

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) 2^r> 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.