DE3104015C2 - Überstromschutzanordnung für einen Halbleiterschalter - Google Patents
Überstromschutzanordnung für einen HalbleiterschalterInfo
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Description
45
Die Erfindung betrifft eine Überstromschutzanordnung für einen Halbleiterschalter, dessen Ansteuerleitung
über die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors mit dem Bezugspotential der Schaltungsanordnung
verbunden ist, wobei die Basis des Transistors mit dem Ausgang einer Überstromerfassungseinrichtung
für den Halbleiterschalter verbunden ist.
Eine derartige Überstromschutzanordnung ist aus dem Buch »Elektronik-Selbstbaupraktikum« 4. Auflage,
1976, S. 292, von Wirsum bekannt. Bei dieser bekannten Anordnung wird der Überstromfall durch den Spannungsabfall
an einem im Schaltkreis des Halbleiterschalters angeordneten Widerstand erfaßt. Wenn der
Spannungsabfall an diesem Widerstand eine bestimmte Größe überschreitet, so wird der Transistor leitend
gesteuert und schließt damit die Ansteuerleitung des Halbleiterschalters gegen das Bezugspotential kurz.
Der Halbleiterschalter erhält damit kein Ansteuersignal mehr und geht in den Sperrzustand über. Der
Widerstand im Lastkreis verursacht jedoch insbesonde- b5
re bei Geräten für höhere Ströme eine erhebliche Verlustleistung, die sich negativ auf den Wirkungsgrad
des Halbleiterschalters auswirkt und Probleme in bezug auf die Kühlung des Widerstands mit sich bringt
Bei einer weiteren, aus der Zeitschrift ETZ-B, Band 30 (1978), Heft 26, Seite 1065, bekannten Überstromschutzanordnung
wird der Spannungsabfall am Halbleiterschalter, in diesem Fall an einem Transistor als
Kriterium für den Überstrom ausgewertet Dabei wird ein dem Halbleiterschalter vorgeschalteter Treibertransistor
über einen Kondensator angesteuert Sobald durch die Ansteuerung die Spannung am Halbleiterschalter
absinkt, wird dem Treibertransistor über einen Differenzverstärker eine Spannung zugeführt, die
diesen im leitenden Zustand hält Die Schaltungsanordnung geht damit im »Ein-Zustand« in Selbsthaltung.
Wenn die am Halbleiterschalter anstehende Spannung durch Überstrom ansteigt, so wird über den Differenzverstärker
der Treibertransistor und damit auch der Halbleiterschalter wieder gesperrt Zum Ausschalten
des Halbleiterschalters ist die Ansteuerleitung über eine Diode mit dem Eingang des Differenzverstärkers
verbunden, der damit ebenfalls den Treibertransistor sperrt, sobald das Ansteuersignal auf »Hoch« umgeschaltet
wird. Mit dieser Schaltungsanordnung ist jedoch nur eine dynamische Ansteuerung über einen
Kondensator möglich, was jedoch dazu führt, daß bereits kurze Störimpulse zu Fehlschaltungen führen
können.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Überstromschutzanordnung der eingangs genannten Art so
auszubilden, daß kein Widerstand im Leistungskreis des Halbleiterschalters notwendig ist und daß die Ansteuerung
statisch erfolgt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Überstromerfassungseinrichtung eine Vergleicherstufe
enthält, daß der erste Eingang der Vergleicherstufe über einen Widerstand mit der
Ansteuerleitung des Halbleiterschalters, über eine Diode mit dem dem Bezugspotential abgewandten
Anschluß des Halbleiterschalters und über einen ersten Kondensator mit dem Bezugspotential verbunden ist,
daß der zweite Eingang der Vergleicherstufe mit einer Referenzspannungsquelle verbunden ist und daß der
Ausgang der Vergleicherstufe mit der Basis des Transistors verbunden ist.
Mit dieser Schaltung wird erreicht, daß der Transistor nur dann die Ansteuersignale blockiert, wenn ein
Ansteuersignal auf der Ansteuerleitung und eine hohe Spannung am Halbleiterschalter zusammentreffen.
Nach dem Verschwinden des Ansteuersignals geht der Transistor in den sperrenden Zustand, so daß ein
wiederauftretendes Ansteuersignal nicht blockiert wird und den Halbleiterschalter in den leitenden Zustand
schalten kann. Um in der Zeitspanne zwischen Auftreten des Ansteuersignals und völligem Durchschalten
des Halbleiterschalters ein Ansprechen der Überstromschutzanordnung zu verhindern, ist der erste
Eingang der Vergleicherstufe über einen Kondensator mit dem Bezugspotential verbunden. Damit wird der das
Durchschalten des Transistors verursachende Spannungsanstieg bedämpft. Diese Überstromschutzanordnung
kommt also ohne Widerstand im Lastkreis des Halbleiterschalters aus und ermöglicht eine statische
Ansteuerung des Halbleiterschalters.
Vorteilhafterweise ist dem Widerstand eine Diode parallel geschaltet, deren Kathode der Ansteuerleitung
zugewandt ist. Damit wird der Kondensator schnell entladen, wenn das Ansteuersignal auf Null geht. Es
wird damit verhindert, daß der Kondensator beim Einschalten des Halbleiterschalters kurz nach dem
Ausschaltvorgang noch eine Restladung aufweist, die auch ohne Oberstrom zu einem Ansprechen der
Überstromschutzeinrichtung vor dem völligen Durchschalten
des Halbleiterschalters führen könnte.
Parallel zur Diode kann ein Widerstand und in Reihe zur Parallelschaltung von Diode und Widerstand kann
ein zweiter Kondensator angeordnet sein, dessen Kapazität größer als die Kapazität des ersten
Kondensators ist Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn beim Ausschalten des Halbleiterschalters die
Spannung an der Ansteuerleitung zunächst nicht ganz auf Null geht oder der Ansteuerimpuls hochohmig
zugeführt wird, !n diesem Fall ist eine schnelle Entladung des ersten Kondensators nicht ohne weiteres
möglich, so daß die vorstehend beschriebenen Probleme auftreten können. Dies wird mit dem zweiten Kondensator
verhindert. Bei vorhandenem positiven Ansteuerimpuls wird der zweite Kondensator aufgeladen. Wenn
nun bei verschwindendem Ansteuerimpuls die Spannung an der Ansteuerleitung absinkt, so w»ist der dem
ersten Kondensator zugewandte Belag des zweiten Kondensators ein negatives Potential auf, das zu einer
schnellen Umladung des ersten Kondensators über die Diode auf den zweiten Kondensator führt.
Vorteilhafterweise kann der Kollektor des Transistors an einem gegenüber dem Bezugspotential
negativen Versorgungspotential liegen und die Basis des Transistors über eine Diode mit der Ansteuerleitung
und über diese Diode und einen Widerstand mit dem negativen Versorgungspotential verbunden sein. Damit 3»
wird erreicht, daß bei verschwindendem Ansteuerimpuls über den Transistor ein Abschaltstrom ties
Halbleiterschalters fließt, der dem Einschaltstrom entgegengesetzt gerichtet ist und den Abschaltvorgang
beschleunigt.
Die erfindungsgemäße Überstromschutzeinrichtung wird nachfolgend beispielhaft anhand der Fig. 1 und 2
näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein schematisiertes Schaltbild einer Ansteuereinrichtung für einen als Schalttransistor «o
ausgebildeten Halbleiterschalter 1 mit der erfindungsgemäßen Überstromschutzanordnung. An der Eingangsklemme
E steht ein Ansteuersignal an, das gegebenenfalls über mehrere, nicht dargestellte Vorverstärkerstufen
die Basis des Schalttransistors 1 ansteuert. *5 Dabei soll det Schalttransistor 1 durch ein positives
Ansteuersignal leitend gesteuert werden. Die dargestellte Überstromschutzeinrichtung kann an beliebiger
Stelle der Ansteuerleitung 5 in der durch gestrichelte Linien angedeuteten mehrstufigen Vorverstärkereinheit so
angeordnet werden. Die Überstromschutzeinrichtung enthält einen Transistor 3, der in Reihenschaltung mit
einem Widerstand 12 die Ansteuerleitung 5 mit dem Bezugspotential verbindet. In die Ansteuerleitung 5 ist
ein Widerstand 11 eingefügt. Die Basis des Transistors 3
wird von einem Differenzverstärker 2 als Vergleicherstufe angesteuert. Am nicht invertierenden Eingang 2Ό
des Differenzverstärkers 2 steht eine konstante Referenzspannung ίΛ^ an. Dem invertierenden Eingang
2a ist ein Widerstand 13 vorgeschaltet, dessen zweiler *>o
Anschluß über eine Diode 6 mit dem Kollektor des Schalttransistors 1, über einen Widerstand 4 mit der
Ansteuerleitung 5 und über einen Kondensator 7 mit dem Bezugspotential verbunden ist. Dabei ist die
Kathode der Diode 6 dem Kollektor des Schalttransi- "5
stors 1 "zugewandt. Dem Widerstand 4 ist die Reihenschaltung eines zweiten Kondensators 10 und
eines Widerstands 9 parallel geschaltet. Der Widerstand 9 ist mit einer Diode 8 überbrückt, deren Anode dem
Eingang 2a des Differenzverstärkers 2 zugewandt ist
Zur Erläuterung der Schaltung wird zunächst davon ausgegangen, daß der Transistor 1 durch einen positiven
Ansteuerimpuls am Eingang £ angesteuert d. h. leitend
ist und keinen Überstrom aufweist. In diesem Fall weist die Spannung am Verbindungspunkt 16 zwischen
Widerstand 4 und Diode 6 einen Wert auf, der durch die Restspannung des Transistors 1 sowie den Schwellwert
der Diode 6 gegeben ist Diese Spannung steht über den Widerstand 13 am invertierenden Eingang 2a des
Differenzverstärkers 2 an. Die Referenzspannung Un/
ist so gewählt daß der Transistor 3 bei diesem Betriebszustand gesperrt bleibt.
Wird nun aber der Transistor 1 durch einen Strom belastet der über den Sättigungsstrom hinausgeht, so
steigt die an ihm anstehende Spannung und damit auch die Spannung am Verbindungspunkt 16 zwischen
Widerstand 4 und Diode 6 an. Dies führt zu einer negativen Ausgangsspannung am Differenzverstärker 2,
die den Transistor 3 in den leitenden Zustand bringt Der Ansteuerimpuls für den Transistor 1 wird damit
kurzgeschlossen, so daß der Transistor 1 sperrt. Da damit die Spannung am Transistor 1 noch weiter
ansteigt, bleibt der Ansteuerimpuls hinter dem Widerstand 11 kurzgeschlossen, solange am Eingang Fein
positiver Ansteuerimpuls ansteht, der wegen des Widerstandes 11 in der Ansteuerleitung 5 für die
Abschaltung weiterhin wirksam bleibt. Verschwindet dagegen der Ansteuerimpuls am Eingang E, so sinkt
auch die Spannung am Verbindungspunkt 16 ab, da die positive Spannung am Transistor 1 durch die Diode 6
blockiert ist. Über den Differenzverstärker 2 wird der Transistor 3 wieder in den sperrenden Zustand
gebracht, d. h. der Kurzschluß der Ansteuerleitung wird aufgehoben. Dies ist deshalb von besonderer Bedeutung,
da jetzt der Halbleiterschalter 1 — beispielsweise nach Beheben der Überstromursache — durch einen
erneuten positiven Ansteuerimpuls wieder eingeschaltet werden kann. Beim erneuten Eintreffen eines positiven
Ansteuerimpulses am Eingang E könnte sich ohne den Kondensator 7 am Eingang 2a des Differenzverstärkers
2 eine hohe Spannung ausbilden, da am Schalttrainsistor
1 wegen des zunächst noch vorhandenen Sperrzustandes noch eine hohe Spannung ansteht. Um zu
verhindern, daß der Ansteuerimpuls sogleich wieder kurzgeschlossen wird, ist der Kondensator 7 zur
Bedämpfung des Spannungsanstiegs am Eingang 2a des Differenzverstärkers 2 vorgesehen. Die Zeitkonstante
des mit dem Widerstand 4 und dem Kondensator 7 gebildeten ÄC-G!iedes muß so groß sein, daß der
Schalttransistor 1 sicher leitet, bevor die am Kondensator 7 anstehende Spannung zum Einschalten des
Transistors 3 führt.
Wenn Aus- und Einschaltvorgänge sehr kurz aufeinanderfolgen, so könnte dies dazu führen, daß der
Kondensator 7 beim Einschalten von der vorhergehenden Einschaltperiode noch eine verhältnismäßig hohe
Ladung aufweist und damit den Spannungsanstieg am Eingang 2a des Differenzverstäikers 2 nicht mehr
ausreichend bedämpft. Wenn kurz aufeinanderfolgende Ein- und Ausschaltperioden auftreten können, so muß
daher für eine schnelle Entladung des Kondensators 7 gesorj! werden. Dies könnte im einfachsten Fall durch
eine in Fig. 1 gestrichelt angedeutete Diode Sa zwischen Ansteuerleitung 5 und Kondensator 7
geschehen, die für die Entladung des Kondensators 7 in Leitrichtung liegt. Es ist jedoch nicht bei allen
Schaltungen sichergestellt, daß die an der Ansteuerleitung 5 anstehende Spannung beim Ausschalten des
Schalttransistors 1 genügend schnell absinkt und daß diese Leitung eine ausreichend niederohmige Entladung
ermöglicht. Um auch in diesen Fällen eine schnelle Entladung des Kondensators 7 sicherzustellen, ist der
Kondensator 10 mit der vorgeschalteten Parallelschaltung von Widerstand 9 und Diode 8 vorgesehen. Bei
einem positiven Ansteuerimpuls lädt sich der der Ansteuerleitung 5 zugewandte Belag des Kondensators
10 positiv und der dem Widerstand 9 zugewandte Belag des Kondensators 10 negativ auf, da das Potential am
Punkt 16 unter dem Potential der Ansteuerleitung 5 liegt. Sinkt nun bei verschwindendem Ansteuerimpuls
das Potential an der Ansteuerleitung 5, so erhält der Verbindungspunkt 16 durch den Kondensator 10 über
die Diode 8 ein negatives Potential, das zu einer schnellen Entladung des Kondensators 7 über die Diode
8 auf den Kondensator 10 führt. Die Kapazität des Kondensators 10 muß wesentlich größer als die des
Kondensators 7 sein, z. B. lOmal so groß. Damit wird
verhindert, daß die Spannung am Kondensator 10 bei der Entladung des Kondensators 7 wesentlich ansteigt.
Der Kondensator 10 kann sich über die Widerstände 4 und 9 wieder entladen.
F i g. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung, bei der das Ausschalten des Schalttransistors 1 dadurch beschleunigt
wird, daß der Transistor 3 bei verschwindendem Ansteuerimpuls einen Ausschaltstrom aufnimmt, der
dem Einschaltstrom entgegengesetzt gerichtet ist und damit die Ladungsträger aus der Basis des Schalttransistors
1 ausräumt. Das schnelle Abschalten eines Endstufen-Schalttransistors an sich ist beispielsweise
aus der DE-OS 26 44 507, Seiten 2 und 3 bekannt. Der Transistor 3 ist über den Widerstand 12 mit einer
negativen Versorgungsspannung — Uh verbunden. Die Basis des Transistors 3 ist außer mit dem Ausgang des
Differenzverstärkers 2 über eine Parallelschaltung einer Diode 15 und eines Widerstands 17 auch mit der benutzt.
Ansteuerleitung 5 verbunden. Dabei ist die Anode der Diode 15 der Basis des Transistors 3 zugewandt.
Zwischen dem Anschlußpunkt der Parallelschaltung von Diode 15 und Widerstand 17 und dem Anschlußpunkt
■> des Emitters des Transistors 3 an der Ansteuerleitung 5 ist in die Ansteuerleitung 5 eine Diode 18 eingefügt, die
für positive Ansteuerimpulse in Leitrichtung liegt. Die Parallelschaltung von Diode 15 und Widerstand 17 ist
außerdem über einen weiteren Widerstand 14 mit der
κι negativen Versorgungsspannung — Un verbunden.
In der Schaltung nach F i g. 2 ist dem Schalttransistor 1 eine Vorverstärkerstufe mit dem Transistor 19
vorgeschaltet, dessen Basis mit der Ansteuerleitung 5, dessen Kollektor mit dem Kollektor des Schalttransir>
stors 1 und dessen Emitter über einen Widerstand 22 mit dem Bezugspotential der Schaltungsanordnung verbunden
ist. Außerdem liegt zwischen Basis und Emitter des Transistors 19 die Parallelschaltung eines Widerstands
21 und einer Diode 20, deren Kathode der Basis des
jo Transistors 19 zugewandt ist.
Bei dieser Schaltung wird der Transistor 3 bei positivem Ansteuerimpuls über den Widerstand 17 in
Sperrrichtung gehalten. Wechselt der Ansteuerimpuls dagegen auf Null oder auf negative Werte, so wird der
r> Transistor 3 über die Diode 15 leitend gesteuert und kann damit einen Abschaltstrom aufnehmen, der dem
Einschaltstrom entgegengesetzt gerichtet ist. Wenn der Schalttransistor 1 der beschriebenen Schaltung unmittelbar
nachgeschaltet ist, so kann über den Transistor 3
jo die Basiszone des Schalttransistors 1 unmittelbar sehr wirkungsvoll ausgeräumt werden. Wenn dem Schalttransistor
I, wie in F i g. 2 dargestellt, eine oder mehrere Verstärkerstufen vorgeschaltet sind, so können diese
durch Dioden 20 überbrückt sein, die ein Ausräumen der Basiszone des Schalttransistors 1 über den Transistor 3
gestatten. Mit der Schaltungsanordnung nach Fig.2 wird also der Transistor 3 sowohl zum Abschalten bei
Überstrom als auch zum Abschalten im Normalbetrieb
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Überstromscliutzanordnung für einen Halbleiterschalter,
dessen Ansteuerleitung über die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors mit dem Bezugspotential der Schaltungsanordnung
verbunden ist, wobei die Basis des Transistors mit dem Ausgang einer Überstromerfassungseinrichtung
für den Halbleiterschalter verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ober-Stromerfassungseinrichtung
eine Vergleicherstufe (2) enthält, daß der erste Eingan? (2a) der
Vergleicherstufe (2) über einen Widerstand (4) mit der Ansteuerleitung (5) des Halbleiterschalters (1),
über eine Diode (6) mit dem dem Bezugspotential abgewandten Anschluß des Halbleiterschalters (1)
und über einen ersten Kondensator (7) mit dem Bezugspotential verbunden ist, daß der zweite
Eingang (2b) der Vergleicherstufe (2) mit einer Referenzspannungsquelle (Urcd verbunden ist und
daß der Ausgang der Vergleicherstufe (2) mit der Basis des Transistors (3) verbunden ist
2. Überstromschutzanordnung für einen Halbleiterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß dem Widerstand (4) eine Diode (8) parallel geschaltet ist, deren Kathode der Ansteuerleitung
(5) zugewandt ist.
3. uberstromschutzanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Diode (8)
ein Widerstand (9) und in Reihe zur Parallelschaltung von Diode (8) und Widerstand (9) ein· zweiter
Kondensator (10) angeordnet ist, dessen Kapazität größer als die Kapazität des ersten Kondensators ist
4. Überstromschutzanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Kollektor des Transistors (3) an einem gegenüber dem Bezugspotential negativen Versorgungspotential
liegt und daß die Basis des Transistors (3) über eine Diode (15) mit der Ansteuerleitung (5) und über
diese Diode (15) und einen Widerstand (14) mit dem negativen Versorgungspotential verbunden ist.
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1982
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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