DE2447478B2 - Stromüberlastungsschutz-Anordnung für einen Transistorverstärker mit zumindest einem Feldeffekttransistor - Google Patents

Stromüberlastungsschutz-Anordnung für einen Transistorverstärker mit zumindest einem Feldeffekttransistor

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromüberlastungsschutz-Anordnung für einen Transistorverstärker mit zumindest einem Feldeffekttransistor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Es sind bereits zahlreiche Schutzschaltungen für Transistorverstärker vorgeschlagen worden, bei denen mit Bipolartransistoren gearbeitet wird, doch sind nur wenige dieser Schutzschaltungen geeignet, bei Feldeffekttransistorverstärkern verwendet zu werden, bei denen ein Feldeffekttransistor als Leistungsverstärker benutzt wird, denn die Pentodeneigenschaften aufweisenden, bis jetzt gebräuchlichen Feldeffekttransistoren eignen sich nicht zur Verwendung als Leistungsverstärker.
In neuerer Zeit sind jedoch Feldeffekttransistoren mit Triodeneigenschaften entwickelt worden, die bei Leistungsverstärkern verwendbar sind, da sie sich mit höheren Stromstärken betreiben lassen und höhere Durchbruchsspannungen aufweisen. Daher ist es erforderlich geworden, eine entsprechende neuartige Schutzschaltungsanordnung für Verstärker zu schaffen, bei denen zu Verstärkungszwecken ein oder mehrere Feldeffekttransistoren mit Triodeneigenschaften verwendet werden.
Allgemein gesprochen hat ein Feldeffekttransistor andere Eigenschaften als ein Bipolartransistor, und zwar insbesondere mit Rücksicht darauf, als ein maximaler Abfluß- bzw. Senkestroni fließt, wenn keine Gleichvorspannung zwischen der Torelektrode und der Quellen- elektrode des Feldeffekttransistors angelegt ist Mit Rücksicht hierauf läßt sich eine Schutzschaltung, die für einen Bipolartransistor bestimmt ist, nicht bei einem Feldeffekttransistorverstärker verwenden; dies gilt insbesondere dann, wenn die Feldeffekttransistoren Triodeneigenschaften aufweisen.
Es ist bereits eine Feldeffekttransistoren enthaltende Verknüpfungsschaltung bekannt (US-PS 37 49 936), bei der an einem Ausgangsanschluß in dem Fall eine relativ hohe Spannung (die als Binärzeichen »1« bezeichnet wird) auftritt, daß ein Binärzeichen »1« einem Eingangsanschluß dieser Verknüpfungsschaltung zugeführt wird. Im anderen Falle wird ein Binärzeichen »0« ausgangsseitig dann abgegeben, wenn am Eingang ein Binärzeichen »0« aufgenommen worden ist Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung sind zwei komplementär zueinander arbeitende Feldeffekttransistoren vorhanden, so daß jeweils einer dieser beiden Feldeffekttransistoren im leitenden Zustand ist Dabei existieren zwei mögliche Zustände, unter denen der gesamte Ausgangsstrom entweder durch den einen Feldeffekttransistor oder durch den anderen Feldeffekttransistor fließt Wenn die Ausgangslast bei dieser bekannten Schaltungsanordnung nach Erde kurzgeschlossen ist, fließt ein maximaler Strom durch den einen Feldeffekttransistor, wobei sich allerdings das Ausgangssignal vom Binärzeichen »1« zum Binärzeichen »0« hin ändert Dieses veränderte Ausgangssignal wird zu einem Eingangs-Feldeffekttransistor zurückgekoppelt, um diesen Eingangs-Feldeffekttransistor abzuschalten, d. h. in den nichtleitenden Zustand zu üben ihren. Dies bewirkt seinerseits, daß der genannte eine Feldeffekttransistor in den nichtleitenden Zustand überführt wird und daß der andere Feldeffekttransistor dann in den leitenden Zustand gelangt Dadu;rh fließt dann der Strom nicht mehr über den genannten einen Feldeffekttransistor. Da die Ausgsngslast kurzgeschlossen war, fließt lediglich ein minimaler Strom durch den genannten anderen ' Feldeffekttransistor. Obwohl das Eingangssignal noch ein Binärzeichen a\«. ist, tritt ein diesem Binärzeichen entsprechendes Binärzeichen nicht an der Ausgangslast auf.
Wenn demgegenüber ein durch ein Binärzeichen »0« gegebenes Eingangssignal vorhanden ist und der genannte andere Feldeffekttransistor im leitenden μ Zustand sich befindet, so daß ein Binärzeichen »0« an die Ausgangslast abgegeben wird, dann bewirkt die Anlegung einer hohen Spannung an die Ausgangslast (wie dies bei einem bestimmten Fehlerzustand der Fall sein kann), daß ein maximaler Strom durch den 6s betreffenden anderen Feldeffekttransistor fließt. Die somit vorhandene hohe Ausgangsspannung führt jedoch dazu, daß eine einem Binärzeichen »1« entsprechende Spannung dem Eingangs-Feldeffekttransistor zurückgekoppelt wird, der dadurch in den leitenden Zustand überführt wird. Dadurch wird du· betrachtete andere Feldeffekttransistor in den nichtleitenden Zustand überführt, während der mit ihm verbundene eine Feldeffekttransistor in den leitenden Zustand gelangt Auf diese Weise fließt lediglich ein minimaler Strom durch diesen einen Feldeffekttransistor. Das Eingangssignal, welches durch ein Binärzeichen »0« gegeben ist bzw. diesem entspricht, wird jedoch auch hierbei nicht mehr an die Ausgangslast abgegeben.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Stromüberlastungsschutz-Anordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art so auszubilden, daß der jeweils vorgesehene Feldeffekttransistor des Transistorverstärkers besonders wirksam vor einer Überlastung geschützt ist, ohne daß jedoch in dessen Steuerung eingegriffen wird.
Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe durch die im Patentanspruch I gekennzeichneten Merkmale.
Durch die Erfindung wird der Vorteil eines besonders wirksamen Schutzes vor Überlastung des jeweils vorgesehenen Feldeffekttransistors des Transistorverstärker unter gleichzeitiger weiterer Abgabe eines Signals an die Last erreicht
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 einen Schnitt durch einen beispielsweise gewählten Feldeffekttransistor mit Triodeneigenschaften, der zur Verwendung bei einem Transistorverstärker mit einer Stromüberlastungsschutz-Anordnung nach der Erfindung geeignet ist,
F i g. 2 einen Schnitt durch einen weiteren als Beispiel gewählten Feldeffekttransistor mit Triodeneigenschaften, der geeignet ist, bei einem Transistorverstärker mit einer Stromüberlastungsschutz-Anordnung gemäß der Erfindung verwendet zu werden,
Fig.3 eine graphische Darstellung typischer Ausgangskennlinien von Feldeffekttransistoren der in F i g. 1 und 2 dargestellten Art,
Fig.4 und 5 graphische Darstellungen zur Erläuterung der Erfindung und
Fig.6 das Schaltbild eines mit einer Stromüberlastungsschutz-Anordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung versehenen Feldeffekttransistorverstärkers.
In F i g. 1 ist ein Feldeffekttransistor mit Triodencigenschaften dargestellt, der geeignet ist für die Verwendung in einem Transistorverstärker, bei dem eine Stromüberlastungsschutz-Anordnung nach der Erfindung verwendet wird.
Gemäß F i g. 1 enthält der Feldeffekttransistor eine Halbleiterzone 1 mit niedriger Störstoffkonzentration und hohem Widerstand, auf dem eine Halbleiterzone 2 vom p-Typ angeordnet ist Über dieser Halbleiterzone 2 ist eine Halbleiterzone 3 vom η-Typ mit hoher Störstoffkonzentration vorgesehen. Mit G ist die Torelektrode, mit D die Senkeelektrode und mit 5 die Quelleelektrode des Feldeffekttransistors bezeichnet.
In F i g. 2 ist ein ai.derer Aufbau eines Feldeffekttransistors mit Triodeneigenschaften veranschaulicht Dabei sind den in F i g. 1 dargestellten Zonen bzw. Elementen entsprechende Zonen bzw. Elemente mit den gleichen
Bezugszeichen bezeichnet wie in F i g. I. Zusätzlich ist in Fig. 2 eine Halbleiterzone 4 vom η-Typ mit hoher Störstoffkonzentration auf der Unterseite der eigenleitenden Halbleiterzone I vorgesehen. Dadurch wird die Durchbruchsspannung zwischen der Senkeelektrode D > und der Quelleelektrode Serhöht.
Da die in Fig. I und 2 hinsichtlich ihres Aufbaus angedeuteten Feldeffekttransistoren im Unterschied zu bisher gebräuchlichen Feldeffekttransistoren einen senkrechten Kanal für die Stromsteuerung aufweisen, besitzen diese Feldeffekttransistoren einen sehr niedrigen Ausgangswiderstand bzw. eine sehr niedrige Ausgangsimpedanz, der bzw. die in der Größenordnung von 10 Ohm liegt und sich nicht in Abhängigkeit von Spannungsschwankungen ändert. π
In F i g. 3 ist in einem Kennlinienfeld die Abhängigkeil des Senkestroms von der Senkespannung bei unterschiedlichen Spannungen an der Torelektrode eines rcidcffckiii äiibisiüi j tici ii'i F i g. i uiiu 2 vctaiiscliauüchten Art angegeben. Wie ersichtlich, besitzen diese _'(i Feldeffekttransistoren Triodeneigenschaften.
In Fig.4 sind in einem dem in Fig.3 dargestellten Kennlinienfeld entsprechenden Kennlinienfeld Belastungslinien mit dem Gradienten \IR für verschiedene Senkespannungen veranschaulicht, wobei die bei den -'"> Arbeitspunkten A, O bzw. B jeweils fließenden Senkeströme ersichtlich sind. Die verschiedenen Senkespannungen sind dabei mit Va V0', V00 bzw. mit Von" bezeichnet. Die Senkeströme sind mit Iß, Io bzw. /.( bezeichnet. Die Spannungen an der Torelektrode sind w speziell mit Vc,a. VCobzw. V(7Sbezeichnet.
In Fig. 5 sind Kennlinien für einen aus Feldeffekttransistoren mit Triodeneigenschaften aufgebauten Gegentaktverstärker gezeigt. Die betreffenden Kennlinien veranschaulichen dabei die Abhängigkeit des η Senkestroms von der Spannung an der Torelektrode des jeweiligen Feldeffekttransistors, und zwar bei den Torelektrodenspannungs-Senkestrom-Kennlinien SN bzw. SP. An dieser Stelle sei angemerkt, daß gemäß Fig. 5 ein n-Kanal-Feldeffekttransistor und ein p-Ka- -»o nal-Feldeffekttransistor angenommen sind. Die in Fig.5 durch eine gestrichelte Linie eingetragene Kennlinie So ist die bei den Spannungen - Vco bzw. + Vco an den Torelektroden der beiden verwendeten Feldeffekttransistoren maßgebende zusammengesetzte Kennlinie des Transistorverstärkers. Mit Io bzw. - Io sind in F i g. 5 diejenigen Senkeströme bezeichnet, die fließen, wenn an den Torelektroden der beiden einen /4S-Gegentaktverstärker bildenden Feldeffekttransistoren eine Spannung von Null Volt liegt. »
In F i g. 6 ist eit Transistorverstärker gezeigt, bei dem die Stromüberlastungsschutz-Anordnung gemäß der Erfindung angewendet wird. Dieser Transistorverstärker enthält eine Treiberstufe 11, die z. B. als A-Verstärker bekannter Art mit einer Eingangsklemme t X und einer Ausgangsklemme i2 ausgebildet ist, ferner eine rein komplementäre Gegentaktausgangsstufe 13, bei der zu Verstärkungszwecken Feldeffekttransistoren mit Triodeneigenschaften benutzt werden, sowie eine Vorspannungsschaltung 12, die so ausgebildet ist, daß sie Schwankungen der Betriebsspannung ausgleicht, welche mittels einer Spannungsquelle an die Triodeneigenschaften aufweisenden Feldeffekttransistoren der Ausgangsstufe 13 angelegt wird.
Gemäß F i g. 6 wird vom Ausgang der Ausgangsstufe 13 aus dem die Treiberstufe bildenden Verstärker 11 ein negatives Rückkopplungssignal über einen Widerstand 25 und einen damit parallelgeschalteten Kondensator 26 zugeführt. Ferner wird gegebenenfalls ein nicht dargestellter Widersland zwischen der Ausgangsklemme 12 der Treiberstufe 11 und Masse liegen, um für die Vorspannungsschaltung 12 ein Bezugspotential festzulegen. Die Treiberstufe 11 wird mit Hilfe von Spannungen betrieben, die ihr von Spannungsquellenklemmen + 53 und — 53 aus zugeführt werden. Es ist ersichtlich, daß ein der Eingangsklemme 11 des die Treiberstufe 11 bildenden /t-Verstärkers zugeführtes Eingangssignal durch die Treiberstufe verstärkt wird, um an der Klemme 12 ein Ausgangssignal erscheinen zu lassen, das in einem hinreichenden Ausmaß verstärkt ist, um die Gegentaktausgangsstufe 13 zu steuern.
Die in Fig.6 dargestellte rein komplementäre Gegentaktausgangsstufe 13 weist allgemein zwei n-Kanal-Feldeffekttransistoren Fla und F2a mit Triodeneigenschaften sowie zwei p-Kanal-Feldeffekttransistoren F16 und F2b mit Triodeneigenschaften
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vorhanden sind. Genauer gesagt sind gemäß F i g. 6 die Senkeelektroden der n-Kanal-Transistoren Fla und F2a an einer Klemme + B1 einer Spannungsquelle angeschlossen, deren andere Klemme an Masse liegt, während die Quelleelektroden der Transistoren Fla und F2a über Widerstände R 9a und R 10a mit einem relativ niedrigen Widerstandswert mit einer Ausgangsklemme 13 der Ausgangsstufe 13 verbunden sind, an welcbv eine Last Zi. angeschlossen ist, welche durch einen an Masse liegenden Lautsprecher gebildet sein kann. Die Senkeelektroden der p-Kanal-Transistoren Fib und F2b sind an einer Klemme -öl einer Spannungsquelle angeschlossen, deren andere Klemme wiederum geerdet ist, und die Quelleelektroden der Transistoren F16 und F26sind über Widerstände R 9b und R 106 an der Ausgangsklemme f 3 angeschlossen, mit der die geerdete Last Zi. verbunden ist.
Zu der Vorspannungsschaltung 12 gehören gemäß Fi g. 6 ein erster Vorspannungskreis 12a zum Zuführen einer Vorspannung zu den Transistoren FXb und F2b sowie ein zweiter Vorspannungskreis 126 zum Anlegen einer Vorspannung an die Transistoren Fla und F2a; diese Vorspannungen ähneln den Abschnürspannungen der betreffenden Transitoren. Die Vorspannungskreise 12a und 126 bilden eine Schaltung zum Erzeugen einer konstanten Spannung und dienen außerdem dazu, die Schwankungen der Spannungen zu kompensieren, welche mittels der Spannungsquellenklemmen + B1 und — BX an die Senkeelektroden der Transistoren FXa. F2a bzw. FXb, F2b angelegt werden.
Gemäß F i g. 6 gehört zu dem Vorspannungskreis 12a ein pnp-Bipolartransistor QXa, dessen Emitte. über einen Widerstand Λ la an einer Spannungsquellenklemme + 52 angeschlossen ist, während der Kollektor dieses Transistors über einen Widerstand .R 2a und einen dazu parallelgeschalteten Kondensator CIa mit der Ausgangsklemme 12 der Treiberstufe 11 verbunden ist Die Basis des Transistors QXa ist über einen Widerstand R 4a und einen damit in Reihe geschalteten Regelwiderstand R 46 an der Basis eines npn-Bipolartransistors ζ>16 angeschlossen, der zu dem zweiten Vorspannungskreis 126 gehört Die Basis des Transistors Q Xa ist außerdem über einen Widerstand R 3a an der Kathode einer Diode DIa angeschlossen, deren Anode mit der Spannungsquellenklemme + B 2 verbunden ist Der Regelwiderstand R 4b kann verstellt werden, um die Steuervorspannungen der Transistoren FXa, FXb und F2a, F26 zu variieren. Ferner weist der Vorspannungskreis 12a einen npn-Bipolartransistor
Q 2a zur Widerstandstransformation auf, dessen Basis mit dem Kollektor des Transistors Q Xa verbunden ist. Der Kollektor des Transistors Q 2a isi über einen Widerstand R 6a an der Spannungsquellenklemme + B 2 angeschlossen, und der Emitter dieses Transistors ist mit den Tor- bzw. Steuerelektroden der Transistoren F Xb und F26 verbunden. Ferner ist der Emitter des Trarvntors Q 2a über einen Widerstand R 5 und einen dazu parallelgeschalteten Kondensator C2 an dem Emitter eines pnp-Bipolartransistors Q2b angeschlossen, der ebenfalls zu dem zweiten Vorspannungskreis 126 gehört.
Bei dem zweiten Vorspaniiungskreis 126 ist der Emitter des npn-Transistors QXb über einen Widerstand RXb an einer Spannungsquellenklemme -B2 angeschlossen, während der Kollektor dieses Transistors mit der Basis des Transistors Q 2b sowie über einen Widerstand R 2b und einen dazu parallelgeschal tctcM iN.UMu€ri5SiOr CiLi nut viCr AuSgangSfviCiMfTiC * 2 der Treiberstufe 11 verbunden ist. Die Basis des Transistors Q 16 ist über einen Widerstand R 36 mit der Anode einer Diode DXb verbunden, während die Kathode dieser Diode an der Spannungsquellenklemme — B2 angeschlossen ist Ferner ist bei dem pnp-Transistor Q2b für die Widerstandstransformation oder Verstärkung der Kollektor über einen Widerstand R 66 mit der Spannungsquellenklemme — B2 verbunden, während der Emitter dieses Transistors an den Torbzw. Steuerelektroden der Transistoren FXa und F2a angeschlossen ist.
Be. der Ausführungsform nach Fig.6 mögen die Spannungsquellenklemmen +B3 und -B3 eine positive Gleichspannung von 64 V bzw. von —64 V abgeben; diese Spannungen werden in der vorstehend beschriebenen Weise der Treiberstufe 11 als Betriebsspannungen zugeführt Sie müssen konstant sein oder stabilisiert werden.
Die Spannungsquellenklemmen +BX, +B2, -BX und — B 2 mögen Nenngleichspannungen von +52V bzw. +75 V bzw. -52 V bzw. -74 V liefern, die nicht stabilisiert sind, so daß sie in Abhängigkeit von Änderungen des Belastungsstroms einen erheblichen Welligkeitsanteil aufweisen. Jedoch sind die vier genannten Spannungsquellenklemmen an einer gemeinsamen, hier nicht dargestellten Spannungsquellenschaltung angeschlossen, so daß normalerweise an den genannten Spannungsquellenklemmen gleichzeitig gleich große Spannungsschwankungen auftreten. Mit anderen Worten, eine Erhöhung der positiven Spannung an der Klemme +Bl gegenüber ihrem Nennwert von +52V wird z.B. von einer gleich großen, im positiven Sinne erfolgenden Steigerung der Spannung an der Klemme +B2 und einer gleich großen, im negativen Sinne erfolgenden Steigerung der Spannungen an den Klemmen — B1 und — B 2 begleitet sein.
Bei der vorstehend beschriebenen Vorspannungsschaltung 12 sind die Vorspannungskreise 12a und 126 zu der Ausgangsklemme /2 der Treiberstufe 11 symmetrisch, und die den Kollektoren der Transistoren QXa und Q Xb zugeführten Eingangssignaispannungen werden phasengleich variiert, so daß die Ausgangsklemme f 2 vom Standpunkt einer Gleichvorspannung als geerdet zu betrachten ist. Im Hinblick hierauf und unter der Annahme, daß bei dem Vorspannungskreis 12a die Widerstände Ria,R2a,R3aund Λ4adie Widerstandswerte rl bzw. r2 bzw. r3 bzw. r4 haben, daß die Spannung an der Spannungsquellenklemme +B2 den Wert EGG hat daß die Basis-Emitter-Spannung des
Transistors Q Xa den Wert VBB hat, daU bei der Diode D Xa die Durchlaßspannung Vdbeträgt und daß für das Verhältnis r2/rl der Wert K gilt, läßt sich die am Kollektor des Transistors QXa erscheinende Gleichspannung codurch die folgende Gleichung ausdrucken:
Eo = ΓI
+ ^~y^(EGG - Vd) - VBe\ K. (I
\ K.
Wird Gleichung (1) partiell nach EGG differenziert, erhält man folgende Gleichung:
Eo
r3
7 EGG 3 + 4'
Hat ferner die Verstärkungskonstante jedes der
niKf cis*h Ale
:ii folgende Gleichung im Hinblick auf die Triodeneigenschaften der Transistoren der genannten Art:
_cEo _ 1_
Tegg ~ 7"
Setzt man Gleichung (3) in Gleichung (2) ein. erhält man die folgende Gleichung:
ti Λ —
Werden die Werte von K, rZ und r4 so gewählt, daß
sie die Gleichungen (I) und (4) befriedigen, läßt sich der Senkeelektroden-Vorspannungsgleichstrom Ido der Transistoren FXb und F2b unabhängig von Schwankungen der Spannung an der Spannungsquellenklemme -BX konstant machen.
Wählt man, um ein praktisches Beispiel zu geben, Eo = 21 V, EGG = 74 V, Vd = 13 V, VBE = 0,6 V und μ — 8.1, ermöglicht es das Einsetzen dieser Werte in Gleichung (1) und das Einsetzen von ΜμΚ für den Ausdruck r3l(r3 + r4) aus Gleichung (4) auf einfache Weise festzustellen, daß sich für Aider Wert 17,2 ergibt, d. h, daß r2lrX = 17,2. Setzt man ferner μ = 8,1 und K = 17,2 in Gleichung (4) ein, erhält man r4/r3 - 138. Wählt man bei diesem Beispiel für die Widerstandswerte r 1 und r3 der Widerstände R Xa und R3a die Werte
so 820 Ohm bzw. 270 Ohm, müssen die Widerstandswerte r2 und r4 der Widerstände R 2a und Ä4a jeweils etwa 14 Kiloohm bzw. 37 Kiloohm betragen, wenn die gewünschte Stabilisierung des Senkeelektroden-Vorspannungsgleichstroms der Transistoren FXb und F2b bei Schwankungen der zugehörigen, an der Klemme — BX erscheinenden Betriebsspannung erzielt werden solL
Da der zweite Vorspannungskreis 126 symmetrisch zu dem ersten Vors^annungskreis 12a ausgebildet ist lassen sich die elektrischen Konstanten bei dem Vorspannungskreis XIb so wählen, daß sie denjenigen entsprechen, welche gemäß der vorstehenden Beschreibung bei dem Vorspannungskreis 12a gewählt worden sind, so daß man die gewünschte Stabilisierung des Senkeelektroden-Vorspannungsgleichstroms der Transistoren Fts und F2a bei Schwankungen ihrer an der Klemme +Bi erscheinenden Betriebsspannung erzielt Wird bei der Ausführungsform nach Fig.6 die nicht
dargestellte Spannungsquellenschaltung eingeschaltet, werden die Steuervorspannungen nicht sofort an die Triodeneigenschaften aufweisenden Transistoren FIs, F2a, FXb und FIb angelegt, so daß diese Transistoren von einem Überstrom durchflossen werden können. Sorgt man jedoch dafür, daß die Spannung an der Klemme + B2 schneller ansteigt als die Spannung an der Klemme + BX, ist es möglich, den Stromfluß so zu regeln, daß der gewünschte Wert des Senkeelektroden-Vorspannungsgleichstroms nicht überschritten wird. Mit anderen Worten, wenn man dafür sorgt, daß die Tor- bzw. Steuervorspannungen VCG und - VGG schneller ansteigen als die Senkeelektrodenspannungen VDD und - VDD, die an die Triodeneigenschaften aufweisenden Transistoren über die Spannungsquellenklemmen + Sl und -öl angelegt werden, ist :s möglich zu verhindern, daß sich für die betreffenden Senkeelektroden-Vorspannungsgleichströme zu hohe Werte ergehen. In diesem Zusammenhang ist zu bemerken," daß bei der vorstehend beschriebenen Vorspannungsschaltung 12 keinerlei Kreise vorhanden sind, die mit einer Zeitkonstante arbeiten.
Ferner ist zu bemerken, daß die vorstehend beschriebene Vorspannungsschaltung 12 mit den Bipolartransistoren QXa und QXb als eine einen konstanten Strom liefernde Schaltung zur Wirkung kommt, solange die ihr über die Spannungsquellenklemmen + 52 und -B2 zugeführten Spannungen nicht geändert werden, was zur Folge hat, daß konstante Ströme durch die beiden Transistoren fließen und an den zugehörigen Kollektoren konstante Spannungen erscheinen, welche über die Transistoren Q 2a und Q 2b den Torelektroden der zugehörigen Transistoren FXb, F2b bzw. Fla, F2a zugeführt werden. Werden die Spannungen an den Spannungsquellenklemmen + B X und -BX geändert, ändern sich in der weiter oben beschriebenen Weise auch die Spannungen an den Spannungsquellenklemmen +62 und -B2 auf ähnliche Weise, und daher werden auch die Torelektrodenbzw. Steuervorspannungen geändert, so daß die auf die Schwankungen der Spannungen an den Klemmen + S1 und -BX zurückzuführenden Schwankungen der Senkeelektroden-Vorspannungsgleichströme beseitigt werden. Somit sind die Senkeelektroden-Vorspannungsgleichströme für die vier Transistoren Fla, F2a, FXbund F2bstabilisiert
Es ist ersichtlich, daß man die Transistoren Q 2a und Q 2b. die zur Widerstandstransformation dienen, bei den Vorspannungskreisen 12a und 126 theoretisch fortlassen könnte, ohne daß hierdurch die Wirkungsweise der Vorspannungskreise zum Stabilisieren der Senkeelektroden-Vorspannungsgleichströme für die Triodeneigenschaften aufweisenden Feldeffekttransistoren der Ausgangsstufe 13 beeinflußt würde. Zwar weist die Ausgangsstufe 13 gemäß Fig.6 zwei parallelgeschaltete, Triodeneigenschaften aufweisende Feldeffekttransistoren Fla und F2a in einer Gegentaktschaltung mit einem zweiten Paar von parallelgeschalteten Feldeffekttransistoren Fli> und F2b mit Triodeneigenschaften auf, doch ist es möglich, die Vorspannungsschaltung 12 eine Ausgangsstufe zuzuordnen, bei der zusätzliche, Triodeneigenschaften aufweisende Feldeffekttransistoren den Transistoren Fla, F2a bzw. F1Z>, F2b parallel geschaltet sind, oder einer Ausgangsstufe, bei der nur die Transistoren Fla und FIo einen Gegentaktverstärker bilden. Weiiernin läßt sich die Erfindung bei ei.iem Verstärke.- anwenden, der nur einen einzigen Feldeffekttransistor mit Trioden-
eigenschaften, z. 8. den Transistor Fla, besitzt, dem eine entsprechende Vorspannungsschaltung, ζ. Β. der Vorspannungskreis 12ft, zugeordnet ist.
Gemäß de; nunmehr näher zu beschreibenden Erfindung ist ein Transistorvertärker der vorstehend beschriebenen Art mit einer Detektorschaltung 14 versehen, mittels welcher der durch die Last Zl fließende Strom und die an dieser Last liegende Spannung ermittelt werden, so daß diese Schaltung die Impedanz der Last feststellt, und außerdem ist eine Nebenschlußschaltung 15 vorhanden, die normalerweise offen bzw. nichtleitend ist, jedoch durch die Detektorschaltung 14 geschlossen bzw. leitend gemacht wird, wenn durch die Detektorschaltung eine vorbestimmte Verringerung der Lastimpedanz auf z. B. etwa 1 Ohm oder weniger festgestellt wird, damit das von der Treiberstufe 11 abgegebene Eingangssignal direkt zu der Last Zl umgeleitet wird, um die Triodeneigenschtften aufweisenden Feldeffekttransistoren Fla, F2a. FXb und F2b der Ausgangsstufe 13 gegen eine Beschädigung durch Überlastung zu schützen.
Zu der Nebenschlußschaltung 15 gehören lediglich ein pnp-Schalttransistor Q3a und ein npn-Schalttransistor Q3b. Die Emitter dieser beiden Transistoren sind mit der Ausgangsklemme f 2 der Treiberstufe bzw. des Verstärkers 11 über zwei Dioden D 2a und D 2b verbunden, die dazu dienen, einen Zener-Durchbruch der zugehörigen Transistoren zu verhindern, und die Kollektoren der beiden Transistoren sind mit der
so Ausgangsklemme f3 der Ausgangsstufe 13 verbunden. Solange der durch die Detektorschaltung 14 ermittelte Widerstand der Last Zl über einem vorbestimmten Wert liegt, sind die Transistoren Q 3a und Q 3b abgeschaltet bzw. nichtleitend, so daß das an der
r. Ausgangsklemme 12 der Treiberstufe 11 erscheinende Signal normalerweise als Eingangssignal den vier Triodeneigenschaften aufweisenden Feldeffekttransistoren der Ausgangsverstärkerstufe 13 zugeführt wird, um weiter verstärkt und dann über die Ausgangsklem-
4(i me f 3 abgegeben zu werden. Geht jedoch der ermittelte Widerstand der Last bis unter den genannten vorbestimmten Wert zurück, bewirkt die Detektorschaltung 14, daß die Transistoren Q3a und Q3b der NebenschluSschaltung 15 auf eine noch zu erläuternde Weise
•ti eingeschaltet bzw. leitend gemacht werden, was zur Folge hat, daß die Nebenschlußschaltung 15 geschlossen wird, um das an der Klemme 12 der Treiberstufe 11 erscheinende Ausgangssignal auf direktem Wege der Ausgangsklemme r 3 der Ausgangsstufe 13 zuzuführen.
Gemäß F i g. 6 gehören zu der Detektorschaltung 14 im wesentlichen ein erster Detektorkreis 14a zum Ermitteln des durch die Last Zl fließenden Stroms in Form der Senkeelektrodenströme der Transistoren Fla und F2a sowie ein zweiter Detektorkreis X4b zum Ermitteln des durch die Last ZL fließenden Stroms in Gestalt der Senkeelektrodenströme der Transistoren Flf>undF2b.
Bei dem ersten Detektorkreis 14a ist ein npn-Steuertransistor QAa mit seinem Kollektor an der Basis des Transistors Q 3a der Nebenschlußschaltung 15 angeschlossen, während der Emitter des Transistors Q Aa mit der Ausgangsklemme f3 verbunden ist. Zwischen der Basis des Transistors Q Aa und der Ausgangskle urne 13 liegt ein Kondensator C3a. Die Quelleelektroden der Transistoren Fla und F2a sind mit den Anoden TiKrekÄrtnor GieicnrichtercHoderj DAs und QAs' verbunden, deren Kathoden über einen Widerstand R 8a an der Basis des Transistors Q Aa angeschlossen sind.
it
Fernt-r isi die Basis des Transistors Q 4a mit der Anode einer weiteren Gleichrichterdiode D 3a verbunden, während die Kathode dieser Diode über einen Widerstand R Ta geerdet ist.
Zu dem zweiten Detektorkreis 146 gehör; ein pnp-Steuertransistor Q 4b, dessen Kollektor mit der Basis des Transistors Q 3b der Nebenschlußschaltung 15 verbunden ist, während sein Emitter an der Ausgangsklemme /3 angeschlossen ist. Zwischen der Basis des Transistors Q 4b und der Ausgangsklemme i3 liegt ein Kondensator C3b. Die Quelleelektroden der Transistoren Fib und F2b sind mit den Kathoden zweier Gleichrichterdioden D4b und D4b' verbunden, deren Anoden beide über einen Widerstand Λ 86 an die Basis des Transistors Q 4b angeschlossen sind. Ferner ist die Basis des Transistors Q4b mit der Kathode einer weiteren Gleichrichterdiode D3b verbunden, deren Anode über einen Widerstand R 76geerdet ist.
Der erste Detektorkreis 14a, der zweite Detektorkreis i4b sowie die Transistoren Q3a und QSb der NebenschluQschaltung 15 sind symmt.risch zur Ausgangsklemme f 3 des Ausgangsverstärkers 13 angeordnet und arbeiten auf ähnliche Weise, und im Hinblick hierauf wird im folgenden nur die Wirkungsweise des Detektorkreises 14a näher erläutert.
Werden die Transistoren Fla und FZa mit den Halbperiodenkomponenten eines an der Ausgangsklemme 12 der Treiberstufe 11 erscheinenden Signals gespeist, ist es den Widerständen R9a und RlOa möglich, den durch die Last Z/. fließenden Strom nachzuweisen, denn die an diesen beiden Widerständen abfallenden Spannungen werden durch die Dioden D 4a und D4a' gleichgerichtet und einer Belegung des Kondensators C3a auf der Basisseite des Transistors Q4a zugeführt, und die an der Last Zl liegende Spannung wird der anderen Belegung des Kondensators C3a auf der Emitterseite des Transistors Q 4a über eine geschlossene Schleife zugeführt die sich aus dem Widerstand R 7a, der Diode D 3a, dem Kondensator C3a und der Last Zl zusammensetzt
Hat der Widerstand der Last ZL einen normalen Wert, ist die an der Last liegende Spannung höher als Erdpotential, und daher ist das Emitterpotential des Transistors QAa ebenfalls hoch. Außerdem erscheinen verstärkte Ausgangssignale an den Quelleelektroden der Transistoren Fla und F2a, und der Kondensator C3a wird durch diese verstärkten Signale zeitweilig aufgeladen. Diese elektrische Ladung wird jedoch sofort über die Diode D 3a und den Widerstand R Ta entladen, und danach wiederholen sich diese Lade- und Entladevorgänge. Infolgedessen erscheint zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors C? 4a nicht die zum Leitendmachen dieses Transistors erforderliche Spannung. Somit wird der Transistor Q 3a der Nebenschlußschaltung 15 im nichtleitenden Zustand gehalten, so daß die Transistoren Fla und F2a ihre normale Aufgabe als Verstärker erfüllen.
Verringert sich der Widerstand der Last ZL auf einen vorbestimmten Wert von z. B. 1 Ohm oder weniger, z. B. infolge eines Kurzschlusses o&dgL, wird auch die Spannung an der Last herabgesetzt so daß sich das Emitterpotential des Transistors Q 4a in einem sehr hohen Ausmaß verringert Femer bewirkt diese Verringerung des Widerstandes der Last Zl, daß ein starker Gleichstrom durch die Last fließen kann, so daß die Spannungen an den Widerständen R 9a und R 10a entsprechend zunehmen und daher der Kondensator C3a über die Dioden DAa und D4a' mit erhöhten Spannungen aufgeladen wird, wobei sich die vergrößer te Ladung des Kondensators C3a über die Diode D 3a und den Widerstand RTa nur in einem geringen Ausmaß entlädt. Infolgedessen wird auch das Basispo-ϊ tential des Transistors Q4a erhöht, um diesen Transistor leitend zu machen, so daß auch de "Transistor Q 3a leitend wird, um das der Ausgangsklemme f 2 der Treiberstufe 11 entnommene Signal direkt der Ausgangsklemme /3 der Ausgangsverstärkerstufe 13 über ι» die Diode D2a und den Transistor Q3a zuzuführen. Dies hat zur Folge, daß die Torelektrode-Quelleeiektrode-Spannung jedes der Transistoren Fla und F2a bei einer Vorspannung festgelegt wird, die der Abschnürspannung ähnelt, wobei dieser Vorgang die gleiche ι ι Wirkung hat wie das Beseitigen des an der Ausgangsklemme ti der Treiberstufe U erscheinenden Signals an den Transistoren Fla und F2a der Ausgangsverstärkerstufe 13.
Somit werden die Senkeelektrodenströme der Transi- -'Ii stören Fla und F2a sofort bis auf einen minimalen Wert unterdrückt der durch die angelegte Vorspannung bestimmt wird, um zu verhindern, daß diese Transistoren infolge einer Verstärkung der Belastungsströme beschädigt werden. Mit anderen Worten, bei den r. Detektorkreis 14a ist der Transistor Q3a so geschaltet, daß er leitfähig gemacht wird, sobald sich der Belastungsstrom verstärkt, um das Basispotential des Transistors Q4a zu erhöhen; das gleiche geschieht, wenn die Spannung an der Last Zi. verringert wird, so in daß sich das Emitterpotential des Transistors Q4a verringert, d. h., wenn der Widerstand der Last auf einen vorbestimmten Wert gesenkt wird oder bis unterhalb dieses Wertes zurückgeht.
Wie erwähnt, arbeitet der Detektorkreis 146 auf r. ähnliche Weise wie der Detektorkreis 14a, um eine Beschädigung der Transistoren Fl b und F2£> zu verhindern, wenn der Widerstand der Last oder der durch sie fließende Strom z. B. durch einen Kurzschluß in einem gefährlichen Ausmaß verändert wird. Zusammenfassend ist festzustellen, daC durch die Erfindung ein Verstärker mit einem Verstärkungselement, vorzugsweise in Form eines Feldeffekttransistors, geschaffen worden ist, bei dem es möglich ist zwischen der Steuer- bzw. Torelektrode und der Quelle? !ektrode 4ί eine der Abschnürspannung entsprechende Spannung anzulegen, und bei dem eine Detektorschaltung 14 zum Ermitteln des Belastungsstroms des Verstärkers 13 sowie eine normalerweise offene oder nichtleitende Nebenschlußschaltung 15 vorhanden ist, welche durch >o das nachgewiesene Ausgangssignal der Detektorschaltung 14 gesteuert wird, um mindestens einen Teil des Eingangssignals für die Ausgangsstufe 13 direkt der Last Zl zuzuführen. Wenn bei dieser Anordnung der durch die Last fließende Strom über einen vorbestimmten Wert hinaus zunimmt wird die normalerweise offene bzw. nichtleitende Nebenschlußschaltung 15 geschlossen bzw. leitend gemacht um die Torelektrode-Quellenelektrode-Spannung der Feldeffekttransistoren Fla, F2a, FXb, F2b auf den Wert der Vorspannung festzulegen, was zur Folge hat daß eine Schutzschaltung für die Feldeffekttransistoren verfügbar ist Somit ist es möglich, einen Feldeffekttransistor, der als Verstärkungselement betrieben wird und einen Bestandteil der Verstärkerstufe 13 bildet gegen eine Beschädigung b5 durch einen zu starken Belastungs- oder Arbeitsstrom zu schützen.
Wie erwähnt wird auch der Widerstand der Last mit Hilfe der Detektorschaltung 14 ermittelt und sobald der
nachgewiesene Widerstand bis unter einen vorbestimmten Wert zurückgeht, wird die normalerweise offene Nebenschlußschaltung 15 geschlossen. In diesem Zusammenhang ist zu bemerken, daß selbst dann, wenn der Belastungsstrom ziemlich stark ist, &h, wenn der Widerstand der La ,t sehr klein ist, wie es z. B. bei einem Kurzschluß od. dgl. der Fall ist, der Verstärkerbetrieb der vier Feldeffekttransistoren der Ausgangsstufe 13 nicht unterbrochen wird. Wenn die Last zusätzlich zu einer Ohmschen Komponente eine große Blindkomponente aufweist, wie es z. B. bei einem Kondensatorlautsprecher der Fall ist, führt lediglich eine Zunahme des Belastungsstroms zu einer zeitlich ziemlich begrenzten Zunahme des Verlustes bei den vier Feldeffekttransistoren über einen zulässigen Wert hinaus, und es besteht nicht die Gefahr, daß die Feldeffekttransistoren beschädigt werden. Bei der Benutzung der beschriebenen Detektorschaltung 14 besteht somit nicht die Gefahr, daß die Feldeffekttransistoren in einem zu großen Ausmaß geschützt werden und daß die Zufuhr des verstärkten Ausgangssignals zu der Last auf unnötige Weise unterbrochen wird.
Bei der Ausführungsform nach F i g. 6 sind die Fritter der Transistoren Q 3a und Q 3b der normalerweise offenen bzw. nichtleitenden Nebenschlußschaltung 15 mit der Ausgangsklemme f2 des die Treiberstufe bildenden Verstärkers 11 über die Dioden D 2a und D 2b verbunden. Es ist aber auch möglich, den Widerstand R 5, der zwischen den Emittern der Transistoren Q 2a und Q 2b der Vorspannungsschaltung 12 liegt, mit einem bewegbaren Schleifkontakt bzw. einer Anzapfung zu versehen, mit welcher die Emitter der Transistoren Q3a und Q3b abwechselnd über die
Dioden D 2a und D 2b verbunden werden. Bei dieser Anordnung läßt sich der bewegliche Kontakt bzw. die Anzapfung des Widerstandes R 5 so einstellen, daß ein Punkt festgelegt ist, an dem das Potential Null herrscht Ah, es läßt sich ein gleichstrommäßiger Abgleich
erzielen.
Bei einer weiteren abgeänderten Ausführungsform
ίο läßt sich ein nicht dargestellter Widerstand mit einen: vei-stellbaren Schleifkontakt Ijzw. einer Anzapfung zwischen den Widerständen R2a und RIb dei Vonpannungsschaltung 12 anordnen, und der Schleifkontakt bzw. die Anzapfung ist mit der Ausgangsklem- me ι'λ der Treiberstufe 11 und außerdem über die Dioden D2a und DIb mit den Emittern dei Transistoren Q 3a und Q 3b verbunden. Wird bei diesel abgeänderten Ausführungsform der Schleifkontak verstellt, um die Vorspannung an der Ausgangsklemme 12 der Treiberstufe 11 einzustellen, und wird diese eingestellte Vorspannung als Punkt mit dem Potentia Null festgelegt, wird die Gleichverspannung stabiler.
Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsforn der Erfindung werden bei der Ausgangsstufe 13 ah Verstärkungselemente Feldeffekttransistoren mit Tn odeneigenschaften verwendet, doch ist zu bemerken daß sich auch Sperrschicht-Feldeffekttransistoren ode Feldeffekttransistoren vom MOS-Typ mit Pentodenei genschaften bei Verstärkern verwenden lassen, die mi einer Schutzschaltung nach der Erfindung versehet sind.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Stromüberlastungsschutz-Anordnung für einen Transistorverstärker mit zumindest einem Feldeffekttransistor, dessen Quelle-Senke-Strecke mit einer Last verbunden und an einer Betriebsspannungsquelle angeschlossen ist und dessen Torelektrode ein zu verstärkendes Signal zugeführt erhält, welches als verstärktes Signal an die Last gelängt, mit einer Eingangsschaltung zur Abgabe eines durch den jeweiligen Feldeffekttransistor zu verstärkenden Eingangssignals, mit einer mit dem jeweiligen Feldeffekttransistor verbundenen Vorspannungsschaltung, die eine bestimmte Torelektroden-Vor- spannung an den jeweiligen Feldeffekttransistor abgibt und mit einer Detektorschaltung, die das Vorhandensein eines Stromüberlastungszustandes in dem jeweiligen Feldeffekttransistor feststellt und Schutzmaßnahmen auslöst, dadurch gekennzeichner, daß eine Nebenschlußschaltung (15) parallel zu der den jeweiligen zu schützenden Feldeffekttransistor (F\» Iy, F\b, Fu.) enthaltenden Verstärkungsschaltung zwischen der Eingangsschaltung (11; (?) und der Last (Zu /3) angeschlossen ist, daß die Nebenschlußschaltung (15) sich normalerweise im nichtleitenden Zustand befindet und in dem Fall von der Detektorschaltung (14) in den leitenden Zustand gesteuert wird, da3 diese das Vorliegen eines Stromüberlastungszustandes ermittelt, daß die jo Nebenschlußschaltung (15) im leitenden Zustand das Eingangssignal zu der Last (Zl; 6) unter Umgehung des jeweiligen Feldeffekttransistors (F\* Fu. Fu* Fv>) direkt durchschaltet und daß der jeweilige Feldeffekttransistor (F\„ Fza, Ftb, t.b) dabei weiterhin η dieselbe bestimmte Torelektrode-Vorspannung zugeführt erhält.
2. Stromüberlastungsschutz-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorschaltung (14) so angeschlossen ist, daß sie eine wesentliche Herabsetzung der Impedanz der Last (Zi) als für einen Stromüberlastungszustand des jeweiligen Feldeffekttransistors (F\* F2* F\t, p2b) kennzeichnend ermittelt.
3. Stromüberlastungsschutz-Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Detektorschaltung (14) ein erster Gleichrichterkreis (DAa', DAa, Ria) zum Gleichrichten einer dem durch die Last (Zi) fließenden Strom entsprechenden Spannung gehört und daß zu der Detektorschal- ;n tung (14) ein zweiter Gleichrichterkreis (D 3a, R 7 a) zum Gleichrichten einer der an der Last auftretenden Spannung entsprechenden Spannung sowie ein Schaltkreis (C3a, QAa), der auf die Differenz zwischen den Ausgangsspannungen der beiden Gleichrichterkreise anspricht, gehören, wobei diese Differenz den Widerstand bzw. die Impedanz der Last repräsentiert und eine Betätigung der Nebenschlußschaltung (15) bewirkt, sobald die genannte Differenz einen vorbestimmten Wert erreicht.
4. Strofnüberlästungsschutz-Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Detektorschaltung (14) ein erster Widerstand (R 9a, R 10a, R9b, R iOb)gehört, der mit der Quelle-Senke-Strecke des betreffenden Feldeffekttransistors es (F\M, F2„ F\b, Fib) in Reihe geschaltet ist, daß zu der Detektorschaltung (14) ferner ein Kondensator (C3a, C3b), eine erste Diode (DAa, DAa', DAb, DAb') und ein zweiter Widerstand (R8a, RSb) gehören, der zwischen dem ersten Widerstand und dem zugehörigen Kondensator liegt und der an den zugehörigen Kondensator eine erste Gleichspannung mit einer bestimmten Polarität anzulegen gestattet, die zu der an dem ersten Widerstand auftretenden Spannung proportional ist, daß eine zweite Diode (D 3a, D 3b) und ein dritter Widerstand (R7a, R7b) zwischen dem betreffenden Kondensator (C3a, C3b) und der Last (Zi) liegen und dazu dienen, an dem betreffenden Kondensator eine zweite Gleichspannung mit einer der genannten Polarität entgegengesetzten Polarität anzulegen, die zu der an der Last auftretenden Spannung proportional ist, so daß die Gleichspannung an dem betreffenden Kondensator zu dem Widerstand bzw. der Impedanz der Last (Zl) proportional ist, und daß eine Einrichtung (QAa, Q Ab) vorhanden ht, die auf die an dem betreffenden Kondensator auftretende Gleichspannung anspricht und die die Nebenschlußschaltung (15) betätigt, sobald die an dem betreffenden Kondensator auftretende Gleichspannung das Vorhandensein eines vorbestimmten niedrigen Wertes des Widerstandes bzw. der Impedanz der Last (Zl) anzeigt
5. Stromüberlastungsschutz-Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß zu der auf die Gleichspannung an dem Kondensator (C3a, C3b) ansprechenden Einrichtung ein Schalttransistor (Q Aa, QAb) gehört der mit zwei Elektroden den betreffenden Kondensator überbrückt und der an einer dritten Elektrode ein Steuersignal abgibt mit dessen Hilfe die Nebenschlußschaltung (15) betätigt wird, sobald die Gleichspannung an dem betreffenden Kondensator einen bestimmten Wert überschreitet
6. Stromüberlastungsschutz-Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß zu der Nebenschlußschaltung (15) eic Nebenschlußtransistor (Q 3a, Q 3b) gehört der einen normalerweise nichtleitenden Ausgangskreis (Emitter-Kollektor-Strecke) aufweist welcher zwischen dem Eingangskreis (11) und der Last (Zt) liegt und daß ein Nebenschlußtransistor (Q 3a, Q 3b) mit einer Steuerelektrode (Basis) an einer Ausgangselektrode des zugehörigen Schalttransistors (QAa, QAb) angeschlossen ist durch den der Ausgangskreis des Nebenschlußtransistors (Q 3a, Q3b)\n Abhängigkeit von dem Steuersignal in den leitfähigen Zustand steuerbar ist.
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