DE2538453C2

DE2538453C2 - Überstromschutzschaltung für einen Gegentakt-Leistungsverstärker

Info

Publication number: DE2538453C2
Application number: DE2538453A
Authority: DE
Inventors: Ronald W. LaGrangeville N.Y. Knepper; Ralph D. Wappingers Falls N.Y. Lane; Peter J. Hopewell Junction N.Y. Ludlow; Barry L. Middletown N.Y. Moore
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1974-09-18
Filing date: 1975-08-29
Publication date: 1985-01-17
Also published as: JPS6014577B2; GB1513920A; FR2285737B1; DE2538453A1; JPS5151728A; FR2285737A1; US3938008A

Description

der verbunden sind. Das Ausgangssignal des Leistungsverstärkers, das am Verbindungspunkt der Drain-Elektroden von Q 7 und Q 8 abgenommen wird, wird auf die gemeinsame Ausgangsleitung in der gleichen Weise gekoppelt, wie das in F i g. 1 dargestellt ist.

Ein hoher Ausgangsstrom durch Q 7 wird durch UND-Verknüpfung seiner Gate-Source-Spannung und der Drain-Source-Spannung mittels der Transistoren Tt-T3 abgefClilL Das Ausgangssignal wird einem Kondensator Cl zugeführt Letzterer ist auch mit der Gate-Elektrode des Transistors T12 verbunden, der dazu dient, eine Verriegeluiigsschaltung. die aus den Transistoren T7— TlO besteht immer dann auszulösen, wenn die Kondensatorladung einen vorgegebenen Schwellwertpegel überschreitet Das Ausgangssignal der Verriegelungsschaltung, das an dem Knoten E erscheint wird einem NAND-Glied mit zwei Eingängen zugeführt das aus den Transistoren X3—X6 besteht, und das direkte Ausgangssignal des letzteren wird zusammen mit einem durch die Transistoren X1 und X 2 erzeugten inveriierien Ausgangssigna! den Treibertransistoren Q 5, Q 6 bzw. QZ (?4 zugeführt In ihnlicher Weise wird ein hoher Ausgangsstrom durch QS durch ein UND-Glied abgefühlt das aus den Transistoren T4—T6 besteht dessen Ausgangssignal den Kondensator C2 lädt Wenn ein solch hoher Strom für eine genügend lange Zeit, üblicherweise über eine Mikrosekunde lang, besteht wird die durch C 2 integrierte Ladung groß genug, um den Transistor TIl leitend zu ma hen, der wiederum die Verriegelungsschaltung auslöst.

Der Transistor T2 dient dazu, den Kondensator Cl auf Null Volt zu entladen, wenn das Potential des Knotens A positiv wird, was immer dann der Fall ist wenn der Leistungsverstärker gesperrt wird, oder wenn das Eingangssignal des Leistungsverstärkers den niedrigen Pegel aufweist Eine ähnliche Rücksetzfunktion wird von dem Transistor T4 durchgeführt in bezug auf den Kondensator CZ Die Widerstände R 1 und R 2 sind in der Schaltung vorgesehen, um fälschliches Auslösen der Verriegelungischaltung aufgrund von parasitären Leckströmen zu verhindern, die von der Klemme Vh der Spannungsversorgung zu dem Knotenpunkt C fließen oder von dem Knotenpunkt D nach Masse. Anders ausgedrückt verhindern diese Widerstände einfach, daß das Potential der zugeordneten Knotenpunkte gleitet.

Im Normalbetrieb kommt die Schutzschaltung natürlich niemals ins Spiel. Wenn das Potential der Durchschaltleitung hoch ist ist das Potential des Knotens C niedrig, das Potential des Knotens H ist hoch, und die Transistoren Q 2 und Q 5 ü'iten beide (Q 4 und Q 6 sperren), wodurch der Leistungsverstärker betriebsbereit gemacht wi; d. Wenn das Eingangssignal des Leistungsverstärkers einen hohen Pegel aufweist, wird Q1 gesperrt und Q 3 leitend. Dadurch erhalten die Knotenpunkte A und B Massepotential, wodurch Ql leitend wird und <?8 sperrt. Während der Anfangszeit in der Q 7 leitet, um die kapazitive Last zu laden, die die gemeinsame Sammelleitung darstellt, ist das Potential seiner Drain-Elektrode verhältnismäßig niedrig, und Tl und T2 können beide leitend werden. Bevor die Ladung auf dem Kondensator C1 ihren Schwellwert oder Auslösepegel erreicht, wird jedoch die Lastkapazität geladen, und das Potential der Drain-Elektrode von Q7 steigt an, um TI zu sperren, wodurch das Laden des Kondensators Cl beendet wird. Während der nächsten Änderung des Eingangssignals steigt das Potential des Knotens A an, wodurch 73 leitend wird, um Cl von jeder angesammelten Ladung zu entladen.

Wenn jedoch ein Ausfall oder ein Kurzschluß auftritt wenn beispielsweise Q 7 gleichzeitig mit Q 8 eines anderen Leistungsverstärkers leitet leitet Tl kaum genügend lange, daß die Ladung Cl die Schwelle für das Leitendwerden von T12 erreicht Wenn letzterer leitet nimmt der Knoten E Massepotential an und wird auf diesem festgehalten durch die ausgelöste Verriegelungsschaltung, X 6 ist gesperrt und X 4 wird leitend. Dadurch steigt das Potential des Knotens G an, wodurch Xt sperrt und X 2 leitend wird, so daß der Knoten H Massepotential annimmt wodurch wiederum Q 2 und Q 5 gesperrt werden und Q 4 und Q 6 'leitend werden, um den Leistungsverstärker unwirksam zu machen und den Kurzschluß zu unterbrechen.

Wenn das Potential der Durchschalteleitung auf den Sperrpegel abfällt, wird die Verriegelungsschaltung rückgesetzt, so daß der Knoten Ehohes und der Knoten Fniedriges Potential aufweist. Wenn die Vemegelungsschaltung ausgelöst wird, nimmt auch die mit MARKIE-RER bezeichnete Klemme über de Transistor T15 Erdpotentia! an. Die Drain-Elektrode d?s letzteren kann mit allen anderen mit MARKIERER bezeichneten Klemmen auf einem bestimmten Halbleiterplättchen verbunden sein, um als Anzeiger für das Auftreten eines mehrfachen Wirksammachens oder eines Kurzschlusses zu dienen, und es kann ebenso für diagnostische Zwecke nützlich sein.

Eine vollständige Wahrheitstabelle für die Schaltung nach F i g. 2 ist in F i g. 3 dargestellt, aus der die Wirkungsweise der Schutzschaltung leicht für verschiedene Kombinationen der Eingangs-, Ausgangs- und Durchschaltesignale bestimmt werden kann. Grundsätzlich ist die gesamte Schaltung unwirksam, wenn das Potential der Durchschalteleitung niedrig ist, unabhängig davon, ob am Ausgang ein Kurzschluß besteht oder nicht. Wenn das Potential der Durchschalteleitung hoch ist, ist die Schutzschaltung wirksam und schützt Q7 gegen einen Kurzschluß nach Masse, wenn das Einjangssignal einen hohen Pegel aufweist und schützt Q8 gegen einen Kurzschluß nach Vh, wenn das Eingangssignal einen nied igen Pegel aufweist. Sowohl Q7 als auch QS müssen geschützt werden, da, wie aus F i g. 1 ersichtlich, eine Situation eintreten kann, in der eine Reihe von Leistungsverstärkern gleichzeitig wirksam gemacht wird.

Wenn nur ein Leistungsverstärker das Potential der Ausgangsleitung erhöht (Q 7 leitend), während der Rest das Potential erniedrigt (QS), kann die Gleichspannung auf der Sammelleitung bis sehr nahe auf das Massepotential abfallen. Unter diesen Umständen würde in jedem der das Potential erniedrigenden Leistungsverstärker ein ungenügender Strom fließen, um die zugehörige Schutzschaltung auszulösen. Der einzige das Potential erhöhende Leistungsverstärker würde jedoch einen sehr großen Ausgangsstrom führen und würde rasch durch seine Schutzschaltung unwirksam gemacht, jm dadurch den Kurzschlußpfad zu unterbrechen.

Bei dem anderen Ausführungsbeispiel nach dem Teilschaltbild der F i g. 4 sind die Widerstände R 3 und R 4 in Serie geschaltet in dem Pfad, der die Betriebsspannungsquelle mit der Source-Elektrode von Q7 und die Source-Elektrode von QS mit Masse verbindet. Ansteile der Verwendung von UND-Gliedern züt Abfühlung von Überströmen am Ausgang wird die gleiche Funktion jetzt durchgeführt durch das Abfühlen des Spanes nungsabfalls an den Widersländen, der natürlich eine Funktion des die Ausgangstransistoren durchfließenden Stromes ist. Insbesondere wenn der Ausgangsstrom durch Q 7 einen vorgegebenen Pegel erreicht, fällt das

Potential an dem mit der Source-Elektrode verbundenen Ende von R 3 genügend weit ab, um den Transistor TV leitend zu machen und das Laden des Kondensators C1 einzuleiten. Das gleiche gilt im Hinblick auf Q 8. R 4, T6' und C2, mit Ausnahme, daß in diesem Fall aufgrund s der umgekehrten Polaritäten 7*6' leitend wird, wenn das Potential an dem mit der Source-Elektrode verbundenen Ende von R 4 genügend hoch angestiegen ist. Die Struktur und die Arbeitsweise der Schaltungen nach F i g. 2 und F i g. 4 sind in jeder anderen Beziehung identisch.

Dieses zweite Ausführungsbeispiel kann für Situationen attraktiv sein, wo die Widerstände R 3 und R 4 parasitär in der Schaltung vorhanden sind oder wo ihr Einschluß leicht zu implementieren ist Diese andere Lö- sung kann weniger wünschenswert lein für sehr schnelle Leistungsverstärker, wo A3 und R4 die Schaltgeschwindigkeit der Schaltung merklich verschlechtern. In

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beispiel bevorzugt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

1 2 in monolithisch integrierten Schaltungen jedoch nicht Patentansprüche: geeignet Bei bestimmten SchaltungsentwDrfen, vor allem bei

1. Oberstromschutzschaltung für einen Gegen- solchen, die als monolithisch integrierte Schaltungen takt-Leistungsverstärker aus Traniistoren, der mit 5 realisiert werden, ist eine Reihe von Ausgängen von weiteren derartigen Leistungsverstärkern an eine Leistungsverstärkern direkt mit einer gemeinsamen Ausgangs-Sammelleitung angeschlossen ist, wobei Sammelleitung gekoppelt, die eine Datensammelleidie Uberstromschutzschaltung an eine Vorrichtung tung, eine Adreßleitung oder dergleichen sein kann. Die zum Abfühlen einer Spannung des Leistungsverstär- Ausgangsstufe jedes Leistungsverstärkers karn ein kers angeschlossen ist und die abgefühlte Spannung io Paar komplementärer Feldeffekttransistoren enthalten, über eine bistabile Verriegelungsschaltung und eine und die vielen Leistungsverstärker werden synchron so Torschaltung das Fließen des Transistor-Ausgangs- gesteuert, daß nur ein Leistungsverstärker zu einer bestromes bei Überschreiten eines vorgegebenen stimmten Zeit wirksam ist Die verschiedenen Lei-Spannungspegels unterbricht, dadurch ge- stungsverstärker können sich auf einer Reihe von verkennzeichnet. daß 15 srhiedenen Halbleiterplättchen befinden. Die generelle

Anordnung kann leicht aus dem vereinfachten, in F i g. 1

a) die Ausgangstransistoren des Leistungsverstär- dargestellten Schaltbild verstanden werden.

kers komplementäre Feldeffekt-Transistoren Im Falle eines Ausfalls in der Steuerschaltung, wo-

sind und durch zwei oder mehr der Leitungen zum Wirksamma-

b) die Verrichtung zum Abfühlen der Spannung 20 chen der Leistungsverstärker gleichzeitig hohes Potenjedes Aasgangstransistors aus einem UND- tial erhalten, kann leicht eine Situation entstehen, in der Glied (TI bis 7"3, T4 bis T6) besteht, dessen der eine Leistungsverstärker das Leitungspotential erEingänge mit der Gain-Source-Elektrode und höht, während der andere es erniedrigt Mit anderen der Drain-Source-Elekirode jedes Ausgangs- Worten kann der obere oder positive FET in dem Leitransistors verbunden sind und dessen Ausgang 25 stungsverstärker 1 gleichzeitig mit dem unteren oder für die Dauer einer Pegelüberschreitung ein negativen FET in dem Leistungsverstärker 2 leitend Signal liefert, und daß sein. Dies würde nicht nur das Ausgangssignal unbe-

c) an den Ausgang jedes UND-Gliedes ein Kon- stimmt machen, da die Kapazität der Sammelleitung densator (CX, C2) angeschlossen ist und die weder geladen noch entladen würde, sondern es würde bistabile Verriegelungsschaltung (Tl bis TlO) 30 ein direkter Gleichstromkurzschluß der Source-Spandann ausgelöst wird, wenn die Ladung jedes nungsquelle über die beiden leitenden FETs und die Kondensators einen vorgegebenen Pegel er- gemeinsame Sammelleitung nach Masse erfolgen. Der reicht, and daß begleitende hohe Strom könnte leicht die Halbleiter-

d) die Torschaltung ab NAND-Glied mit zwei plättchen mit den Leistungsverstärkern zerstören und Eingängen ausgeführt ist, c .ren zweitem, der 35 würde sicherlich die Zuverlässigkeit der metallischen auch mit der bistabilen Verriegelungsschaltung Speiseleitungen auf diesen Halbleiterplättchen beeinverbunden ist ein externes Steuersignal zuführ- trächtigen.

bar ist, um den Leistungsverstärker wahlweise Diesem möglichen Problem auf der Systemebene zu

zu aktivieren oder zu sperren und um die bista- begegnen durch Vorsehen von Schaltungen, die sicherbile Verriegelungsschaltung nach dem Auslösen 40 stellen, daß nur ein Leistungsverstäi fcer zu einem berückzustellen, stimmten Zeitpunkt wirksam ist ist sowohl schwierig als

auch unpraktisch, insbesondere im Hinblick auf die For-

2. Uberstromschutzschaltung nach Anspruch], derungen. die diesen Schaltungen während des Anlaufs dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren bei und beim Testen auferlegt würden.

gesperrtem Ausgangstransistor über Schalter (T3, 45 Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine

Γ4) entladbar sind. Oberstromschutzschaltung für Leistungsverstärker anzugeben, der keine schwierig zu erfüllende Forderungen

beim Anlauf und beim Testen auferlegt werden müssen.

Diese Aufgabe wird mit einer Überstromschutzschal-

50 tung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs i ge-

Die Erfindung bezieht sich auf eine Überstromschutz- löst, die durch die in dessen Kennzeichen angegebenen

schaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (DE- Merkmale charakterisiert ist

PS 11 46 179). Im folgenden wird die Erfindung in Verbindung mit

Schaltungsanordnungen zur Strom- und Spannungs- den Zeichnungen näher erläutert von denen zeigt

Überwachung in elektrischen Stromkreisen sind seit lan- 55 F i g. 1 auf die bereits bezug genommen wurde, ein

gern bekannt, wie beispielsweise durch die deutsche Pa- vereinfachtes Schaltbild einer auf eine gemeinsame

tentschrift 11 46 179 belegt wird. Die darin beschriebene Sammelleitung arbeitenden Leistungsverstärker- An-

Schutzschaltung enthält eine Schwellwertschaltung aus Ordnung ohne irgendeine Schutzschaltung;

einer Tunneldiode und einem mit ihr in Reihe liegenden F i g. 2 ein Schaltbild einer Schutzschaltung gemäß

Widerstand, die parallel zu einem vorn zu überwachen- 60 der Erfindung, die mit einem Leistungsverstärker mit

dem Strom durchflossenen Widerstand angeschlossen komplementären FET gekoppelt ist;

ist. Ein von der Schwellwertschaltung gesteuerter F i g. 3 eine Wahrheitstabelle für die Schaltung nach

Schalttransistor beeinflußt über seinen Emitter-Kollek- F i g. 2 und

torkreis Anzeigevorrichtungen bzw. Regelorgane. Um F i g. 4 ein Teilschaltbild, das eine andere Anordnung

ein Ansprechen der Schaltung auf kurzzeitige Störim- 65 zur Stromabführung darstellt.

pulse zu verhindern, ist parallel zur Tunneldiode ein Der in F i g. 2 dargestellte Leistungsverstärker entKondensator vorgesehen. Die aus diskreten Bauele- hält Feldeffekttransistoren <?1 — Q 8, die die angegebementen aufgebaute Schutzschaltung ist für den Einsatz nen Polaritäten aufweisen und wie dargestellt miteinan-