DE3123816A1

DE3123816A1 - Verfahren und schaltungen zum schutz von transistoren

Info

Publication number: DE3123816A1
Application number: DE19813123816
Authority: DE
Inventors: Arthur A. Morris Plains N.J. Baumgarten; Miroslav Hillsboro N.J. Glogolja
Original assignee: Reliance Electric Co
Current assignee: Reliance Electric Co
Priority date: 1980-06-16
Filing date: 1981-06-16
Publication date: 1982-04-01
Also published as: FR2484740A1; US4375073A; JPS5731229A; GB2078040A

Description

DIEHL &

PATENTANWÄLTE · EUROPEAN PATENT ATTORNEYS Zugelassen bei den deutschen und europäischen Patentbehörden

Flüggenstraße 17 · D-8000 München

R 1709-D 16.6.1981

Reliance Electric Company 220 Park Avenue, Florham Park, New Jersey 07932 / USA ·

Verfahren und Schaltungen zum Schutz von Transistoren

DIEHL & KRESSIN*\.^:::.

Rüggenstraße 17 · D-8000 München 19

Akte R 1709-D '

Anmelder: Reliance Electric Company 220 Park Avenue, Florham Park New Jersey 07932 V.St.A.

Verfahren und Schaltungen zum Schutz von Transistoren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Schaltungen zum Schutz von Transistoren gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 3 ♦ . -

Die -Erfindung liegt allgemein auf dem Gebiet von Schutzschaltungen für Transistoren, insbesondere Schutzschaltungen für Schalttransistoren.

In Festkörperschaltkreisen .werden als Belastungsschalter vielfach ein Leitungstransistor oder mehrere Leistungstransistoren verwendet. Für einen verläßlichen Betrieb der Schaltkreise müssen die Ausgangstransistoren vor einer zu großen Leistungsaufnahme während Fehlbetriebszuständen geschützt werden, wie .z.B.. einer KurzSchlußbelastung, welche bewirkt, daß ein Strom, der

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höher ist als der Nennstrom bzw. ein überstrom, durch, die Hauptstromwege der. Ausgangstransistören fließt. Bei Hochleistungsschaltkreisen ist es wichtig, daß die Schutzschaltung selbst keine große Leistungsaufnahme hat, daß sie unempfindlich ist gegen relativ kurzzeitige Vorgänge bzw. kurzzeitige Transienten, sowie daß sie unempfindlich auf den normalen Betrieb der Schaltung reagiert, der ein sequentielles Ein- und Ausschalten von verschiedenen Transistoren in der Ausgangsstufe der Schaltung bewirkt. Bei Anwendungen, in denen die Ausgangsstufe eine Mehrzahl von Transistoren enthält, deren Hauptstromwege in Reihe miteinander verbunden sind, ist es wichtig, daß die Schutzschaltung ein erdfreies bzw. "schwimmendes" Bezugspotential, auf weist, das es ermöglicht, die Ausgangsstufe der Schutzschaltung von den Betriebsspannungen zu isolieren, die mit dem Schutz der Schalttransistoren einhergehen. . ■

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und Schaltungen zu schaffen, mit denen ein · wirk-^ samer Schutz Von Transistoren bewirkt wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der Ansprüche T, und 6 gelöst. ■

Mit der Erfindung werden ein Verfahren und Schutzschaltungen geschaffen, welche einen Schalt-Transistor vor Überströmen schützen ,dereine Steuerelektrode zur Aufnahme eines Ansteuersignales und einem.Hauptstromweg zwischen ersten und zweiten Elektroden zur Aufnahme einer Betriebsspannung und zum Anschluß an eine Stelle eines Bezugspotentials enthält, wobei das Spannungs-Niveau -zwischen erster und zweiter Elektrode sowie die Anwesenheit eines Ansteuersignales an der Steuerelektrode ermittelt werden, um den Transistor aus einem leitenden Zustand immer dann abzuschalten, wenn das Ansteuersignal'vorliegt, und gleichzeitig das Niveau der Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode das Niveau einer stabilen Bezugsspannung überschreitet, welch letztere ein Niveau aufweist, das größer ist als die Sättigungsspannung des Transistors. Die Schutzschaltung hält des weiteren die Betriebsspannung von\

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dem Schalt-Transistor immer dann fern/wenn die Spannung zwischen den ersten und zweiten Elektrode unter dem Niveau der stabilen Bezugsspannung liegt und gleichzeitig das Ansteuersignal fehlt.

Die beiliegenden Zeichnungen dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung. .

Fig. 1 zei'gt eine Schaltung gemäß dem Stand der Technik zum ' Schutz eines Transistors.

Fig. 2 zeigt eine weitere Schaltung gemäß dem Stand der Technik zum Schutz eines Transistors.

Fig. 3 zeigt eine Schaltung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

In den Zeichnungen sind gleiche. Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In der Schaltung von Fig. 1 spricht bei Anliegen eines Steuersignals an den Steueranschluß 1 eine Steuerlogik 3 an,indem sie ein Einschaltsignal an die Basiselektrode des Schalt-Transistors' 5 anlegt. Der Schalt-Transistor 5 schaltet sich hierdurch ein , wodurch die Impedanz zwischen seiner Kollektor- und Emitterelektrode wesentlich verringert wird, so daß ein Strom I₁. durch den Belastungswider stand 7 fließt, der zwischen die Kollektorelektrode des Transistors 5 und einen Betriebsspannungsanschluß 9 geschaltet ist. Der Betriebsspannungsanschluß 9 nimmt eine Betriebsspannung +.E auf. Ein Fühlerwiderstand ,11 ist in.der Emitterstrecke des Transistors 5 vorgesehen, um die Größe des "Stromes I_ zu ermitteln. Wenn der Belastungsstrom I_T betragsmäßig über dem oben erwähnten vorbestimmten Wert liegt, wird der Spannungsabfall parallel zu dem Fühlerwiderstand 11 über einen Eingangswiderstand 13 parallel an den Basis-Emitter-Übergang eines Schutztransistors 15 angelegt, um diesen einzuschalten. Wenn der Schutztransistor 15 auf diese Weise eingeschaltet wird, wird die Steuerlogik 3 mit einem Bezugspotential, in diesem Fall Masse, verbunden, um die Steuerlogik

so zu betreiben, daß das Einschaltsignal bzw. das Basisansteuersignal von der Basiselektrode des Ausgangstransistors abgezogen wird, womit der Transistor 5 ausschaltet. Dieses Verfahren zum Schütze eines Transistors ist als "Current Sensing", das heißt "Stromfühlen", bekannt. Eine derartige Schutzschaltung ist für kleine Ströme bis zu etwa 50 A verwendbar.· über 50 A tritt jedoch eirte zu große Leistungsaufnahme in dem Fühlerwiderstand 11 auf. Diese zu große Leistungsaufnahme tritt auf, da der Spannungsabfall parallel zum Fühlerwiderstand 11 ungefähr 1 V betragen muß, um den Schutztransistor 15 auszuschalten. Wenn daher der Schutztränsistör 15 bei Erreichen eines Belastungsstromes von etwa 50. m/A eingeschaltet werden soll, wird eine Leistung von. nahezu 50 W in dem Fühlerwiderstand 11 zum Einschalt-Zeitpunkt des Transistors 15 verzehrt. Der Widerstandswert des Fühlerwiderstands 11 kann verringert werden, um seinen Leistungsverbrauch zu begrenzen. Dies bedeutet jedoch, daß der Transistor 15 der Schutzschaltung· bei entsprechend niedrigeren Spannungswerten parallel zu dem Widerstand eingeschaltet werden muß, was unglücklicherweise zu -Rausch-Problemen führt. Bei derartigen Hochleistungsschaltkreisen, .die bei Leistungen oberhalb von 50 A betrieben werden, wird die Anstiegsgeschwindigkeit des Laststroms (dl/dT) · während des Einschältvorgangs des Ausgangstransistors 5 so groß, daß die Restreiheninduktivitäten innerhalb der Schaltung große Spännungsspitzen erzeugen, die herausgefiltert -werden müssen. Ein derartiger Filtervorgang verlangsamt jedoch das Ansprechen des Schaltkreises, verringert dessen Abschaltzeit und ermöglicht dementsprechend ein Durchbrennen des "geschützten Transistors", da die Schutzschaltung nicht in der Lage ist, rasch genug anzusprechen.

In der US-PS 4 158 866 ist eine weitere Schutzschaltung für einen Transistorschalter beschrieben, welche in Fig. 2 dargestellt ist. Sie vermeidet im wesentlichen die Probleme einer Verlustleistung der Schutzschaltung bei Hochleistungsschaltkreisen sowie die bei den "Stromfühler"-teehniken zwangsläufig auftretenden Probleme eines Rauschens. Dies geschieht durch

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Ermittlung der Kollektor-Emitterspannung V^₁, des zu schützenden Leistungstransistors 5» Die Schaltung enthält, wie aus Fig. 2 hervorgeht, den zu schützenden .Ausgangs-Transistor 5, Ausgangsanschlüsse 17 und 19 zum Anschluß an einem Verbraucher bzw. eine Last 7, einen ersten Anschluß 9 z.ur Aufnahme einer Betriebsspannung +E, einen zweiten Anschluß 21, der an ein Bezugspotential, im dargestellten Fall Masse, angeschlossen ist, ein Netzwerk von einer Steuerlogik 29 zur Anlegung eines Signals mit hohen Niveaus oder eines Digital-1-Signals an die Basis des Transistors 5 zur Einschaltung dieses Transistors, bzw. eines ■ Signals mit niedrigem Niveau oder eines Digital-O-Signals an die Basiselektrode, um den Transistor 5 auszuschalten. An dem Knotenpunkt X wird eine Bezugsspannung von einem Gleichstrom mit positiver Polarität erzeugt durch das Zusammenwirken des Widerstands 25 und einer Zener-Diode 27. Diese Bezugsspannung wird betragsmäßig niedriger gewählt als die Betriebsgleichspannung +E, 'die an dem' Anschluß 9 angelegt ist. Die Zener-Diode 27 könnte durch einen Widerstand ersetzt sein. Die Verwendung der· · Zener-Diode 27 ist jedoch insofern bevorzugt, als sie die Regelung der Gleichstrom-Bezugsspannung auch dann sicherstellt, wenn der Wert der Betriebsspannung +E schwankt. Ein Optikkoppler 29 ist in Reihe mit einer Sperrdiode 31 zwischen die ■ Kollektorelektrode des Transistors und dem Kreuzungspunkt X in der dargestellten Weise geschaltet, wobei die Sperrdiode ein Durchbrennen einer Leuchtdiode 33 bei ' zu großen Werten einer Gegenspannung verbinden soll.Eine RG-Zeitschaltung aus dem Widerstand 35 und dem Kondensator 37 ist zwischen dem Kreuzungspunkt X und Masse geschaltet, wobei der·gemeinsame Verbindungspunkt des Widerstands 35 und des Kondensators 37 an den Ausgangsanschluß 39 des Optikkopplers 29 angeschlossen ist.

Bei dem Betrieb der in Fig. 2 dargestellten Schaltung wird an den Eingangsanschluß 1 ein EinsehaLtsignal angelegt, um die Steuer logik. 23 so zu betätigen, daß ein Signal mit hohem Niveau an die Basiselektrode des NPN-Transistors 5 angelegt wird, wodurch dieser Transistor einschaltet. Wenn der Transistor 5 auf diese Weise einschaltet, wird die Spannung V_c des Transistors 5

von dem Wert +E auf einen relativ geringen Spannungswert reduziert, und es fließt ein Strom I_ durch den Verbraucher 7 und • den Kollektor-Emitterweg des Transistors 5 zu Masse. Es sei angenommen, daß der Transistor 5 nunmehr in seinem einem Sättigungszustand· entsprechenden Betriebszustand ist. Die Bezugsgleichspannung am Kreuzüngspunkt X, in' diesem Falle die Nennspannung der Zener-Diode 27, erhält ein Spannungsniveau das größer ist als die Summe der Spannungsabfälle in Durchlaßrichtung der Leuchtdiode (LED) 33, der Sperrdiode 31 und der Sättigungsspannung V„, des Transistors 5. Es fließt daher mit dem Transistor 5 im Sättigungszustand ein Strom von dem Kreuzungspunkt X durch die Leuchtdiode (LED) 33 und die Sperrdiode 31 in die Kollektorelektrode des Transistors 5, was bewirkt, daß die Leuchtdiode (LED) 33 Licht aussendet. Der Widerstand liefert eine Stromquelle und die Spannung V am kreuzüngspunkt X ist gleich der Spannung der Zener-Diode 27, wie vorstehend erwähnt wurde. Wenn daher die Summe aus V„_ des Transistors 5 ■und die Spannungsabfälle in Durchlaßrichtung der Dioden 31 und 33 kleiner ist als die Spannung der Zener-Diode 27, wird der . Betrag des durch die Dioden 31 und 33 fließenden Stromes wesentlich unabhängig von der Differenz des Spannungsniveaus von V_r„. des Transistors 5 und V . Das von der Leuchtdiode 33 ausgehende Licht wird von einer lichtempfindlichen Diode bzw. einer Fotodiode 41 ermittelt, welche hierauf anspricht, indem sie ihre Impedanz verringert, wodurch das Fließen eines Stroms von dem Kreuzungspunkt X in die Basis des Transistors 43 möglich wird, was diesen Transistor einschaltet. Es sollte hervorgehoben _;" werden, daß die Kathode der Fotodiode 41 nicht an den Kreuzungspunkt X angeschlossen sein muß, sondern in alternativer Weise so angeschlossen sein kann, daß sie irgendeine unabhängige Betriebsspannung V_ß empfängt, wie dies durch die Strichlinierung angedeutet ist. Wenn der Transistor 43 auf diese Weise einschaltet, ist sein Kollektor 34 nahezu geerdet, was einen normalen Betrieb des Schalttransistors anzeigt. Die Steuerlogik ist so programmiert, daß sie weiterhin ein Spannungssignal mit hohem Niveau an die Basiselektrode des Transistors 5 anlegt, solange kein Ausschaltsignal an den Eingangsanschluß 1 der Steuerlogik 23 gelangt. Bei Auftreten eines

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fehlerhaften Betriebszustandes, beispielsweise bei einem Kurzschluß der Last 7, bei dem ein über dem Nennbelastungsstrom I liegender Strom durch den Transistor 5 fließt, gerät dieser aus der Sättigung, was ein Ansteigen des Spannungsniveaus V_r„ zwischen seiner Kollektor- und Emitterelektrode bewirkt. Sobald V,,« auf ein Niveau angestiegen ist, bei dem die Summe aus V-,„

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und den Spannungsabfällen in.Durchlaßrichtung an der Diode 31 "und der Leuchtdiode 33 das Spannungsniveau der Bezugsgleichspannung an dem Kreuzungspunkt X erreicht oder überschreitet, fließt kein Strom mehr durch die Leuchtdiode 33. Die Leuchtdiode 33 beendet daher ihre LichtausSendung, nachdem kein Strom mehr durch sie fließt, und die Fotodiode 41 spricht hierauf an, indem ihr Impedanzwert zunimmt, wodurch verhindert wird, daß ein Strom in die Basiselektrode des Transistor 43 " fließt, der abschaltet. Wenn der Transistor 43 abschaltet, steigt die Spannung an dem Ausgangsanschluß 39 (der als Störanschluß betrachtet wird) von Masse auf das Niveau der Bezugs-Gleichspannung an dem Knotenpunkt X an. Bei Fehlen des Kondensators 37 tritt das auf diese Weise an dem Ausgangsanschluß 3 9 gebildete Fehlersignal mit hohem Niveau im wesentlichen unmittelbar nach dem Ausschalten des Transistors 4'3 auf, und es gelangt an d'ie Steuer logik 23, welche darauf anspricht, indem sie das Basisansteuersignal zu dem Transistor 5 ausschaltet (erdet oder ein Belastungsniveau-Signal an die Basiselektrode anlegt).' Dies bewirkt ein Ausschalten des Transistors 5, und zwar unabhängig von dem Niveau des an den Eingangsanschluß 1 angelegten Signales. In bestimmten Anwendungsfällen ist es erwünscht, die Ankunft des an dem Ausgangsanschluß 39 anliegenden Fehlersignals bzw. Signals mit hohem Niveau zu der Steuerlogik eine bestimmte Zeitdauer zu verzögern, um ein falsches Triggern der Steuerschaltung 23 auf Grund von kurzzeitigen Vorgängen bzw. Transienten zu verhindern, die während des normalen Betriebs des Schaltkreises auftreten können. Eine derartige zeitliche Verzögerung läßt sich in einfacher Weise, wie in Fig. 2 dargestellt, durch Verwendung des zusätzlichen Kondensators 37 erreichen. Bei Verwendung des Kondensators 37 in der Schaltung steigt bei dem Ausschalten des Transistors 43 die Spannung am Ausgangsanschluß 39 exponentiell von Masse zu dem Niveau ^Tder

Bezugs-Gleichspannung am Knotenpunkt X an, mit einer Zeitkonstante, die gleich dem Produkt von R und C des Widerstands 35 und des Kondensators 37 ist. Diese Zeitkonstante wird auf einen Wert eingestellt, der bewirkt, daß der Spannungsanstieg von Masse auf ein Triggerniveau für die Steuerlogik in dem vorbestimmten Zeitintervall erfolgt, welches man benötigt, um ein falsches Triggern auf Grund der auftretenden Transienten zu verhindern, jedoch innerhalb einer Zeitdauer, die notwendig, ist, um den Transistor 5 auszuschalten, bevor ein Schaden eingetreten ist. Es sollte erwähnt werden, daß der Optikkoppler· selbst als Stromfühler arbeitet, jedoch in Kombination mit den anderen Elementen der Schutzschaltung direkt·auf die Spannung Vp_E des Transistors 5 anspricht. Andere Stromfühlerschaltungen können anstelle des Optikkopplers 29 verwendet werden, wobei diese im allgemeinen jedoch nicht dessen Vorteile bezüglich einer Unempfindlichkeit auf Rauschen und niedriger Kosten aufweisen. ' ■

Die Anmelderin hat nun erkannt, daß der in Fig. 2 benötigte Filtervorgang über den Widerstand 35 und den Kondensator 37., bei vielen Anwendungen, wie vorstehend erwähnt, weggelassen werden könnte, wenn man eine Schutzschaltung schafft, bei der das Ansteuersignal zu dem Ausgangstransistor 5 und die-Spannung Vp„ des Transistors gleichzeitig überwacht werden. Die Anmelderin hat des weiteren erkannt, daß zusätzlich zu dieser zweifachen Überwachungsfunktion der Schutzschaltung gegenüber der in Fig. 2 gezeigten Schaltung eine weitere Verbesserung erzielt werden kann, wodurch die Betriebsspannung +E immer dann von dem Transistor 5 ferngehalten wird, wenn dieser Transistor bei Fehlen eines Ansteuersignals an seiner Steuerelektrode einen Strom leitet, wobei V_„ unter einem vorbestimmten

Wert liegt. Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 3 näher beschrieben.

Die Schaltung von Fig. 3 enthält im Vergleich zu derjenigen von Fig. 2 zusätzlich zu einem Optikkoppler 30 zur Überwachung von V_CE des Transistors 5 einen zweiten Optikkoppler 45, der

überwacht bzw. fühlt, ob ein Ansteuersignal an dem gemeinsamen Verbindungspunkt eines Eingangswiderstands 47.und eines Strombegrenzungswiderstandes 49 vorliegt und eine Steuerlogik· 51.Es sei besonders darauf hingewiesen, daß die Optikkoppler 30 und 45 keine gemeinsame Verbindung zwischen ihren entsprechenden Leuchtdioden33 und Fotodioden 41 aufweisen, im Gegensatz zu dem Optikkoppler 29 von Fig. 2. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind daher die Ausgangsschaltkreise der Optikkoppler 30 und 45 elektrisch von den Spannungen isoliert,, die in Verbindung·mit dem Schalttransistor 5 entstehen, wenn auch bei diesem Beispiel eine gemeinsame Masse dargestellt ist. Auf Grund der durch die Optikkoppler 30 und 45 bewirkten elektrischen Trennung können, falls dies erwünscht ist, die Emitterelektroden der Transistoren 43 jeweils mit einer Bezugsspannung oder einem Erdungssystem verbunden werden, -das gegenüber der Erdung bzw. Bezugsspannung, welche am Anschluß 21 anliegt und mit dem Schalttransistor 5 in Verbindung steht, unterschiedlich ist. Auf diese Weise läßt sich erreichen, daß die Ausgangsschaltungen der Optikkoppler 30 und 45, von denen jeder eine Diode 41 und einen Transistor 43 enthält, "erdfrei" bzw. "schwimmend" bezüglich der im Zusammenhang mit dem Schalttransistor 5 stehenden Spannungen gehalten werden können. Dies ist dort wichtig, wo eine Vielfachanwendung der Schutzschaltung von Fig. 3 erwünscht ist, um jeden Schalttransistor aus einer Kette von Schalttransistoren zu schützen, deren Hauptstromwege in Reihe zwischen einer· Betriebsspannung und einer Bezugs spannung geschaltet sind. Anschlüsse 53 und 55 dienen zur Aufnahme stabiler Bezugsspannungen +V₁, bzw. -V-, in diesem Beispiel. Es sei darauf hingewiesen, daß durch die Verwendung externer stabiler Bezügsspannungen +V„ und -V- anstelle der kombination aus Widerstand und Zener-Diode wie des Widerstands 25 und der Zener-Diode 27 von Fig. 2, die StrombegrenzUngswiderstände 49 bzw. 57 der Optikkoppler 45 bzw. 30 von Widerständen mit erheblich niedrigerer Leistung und Spannung gebildet werden können, als

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der Widerstand 25. Es entfällt auch die Notwendigkeit, eine Zener-Diode zu verwenden, und die Transistorschalter in einem gegebenen Schaltkreis können jeweils durch identische überwachung sschaltungen wie die Schaltungen 30 und 45 überwacht

werden, unabhängig davon, welche individuelle Funktion der Schalttransistor in der Schaltung einnimmt. Des weiteren werden die Überwachungsschaltungen oder Optikkoppler 30, 45 beispielsweise nicht durch große Änderungen' in der Betriebsspannung +E, beeinflußt. Darüber hinaus ermöglicht die Weglassung der Filter oder Verzögerungsschaltung aus den Bauelementen und 37 der Fig. 2 bei der vorliegenden Schutzschaltung eine erheblich schnellere Ansprechzeit auf Fehlzustände, da die einzige Integration für die Einschaltzeit (t ) des Schalttransistors 5 benötigt ist. Für einen typischen Hochleistungsschalttransistor ist t _ kleiner als eine μ8. Der Optikkoppler 30 liefert ein JDigital-Ausgangssignal "A" am Ausgangsanschluß 59, und der Optikkoppler 45 liefert in entsprechender Weise ein digitales Ausgangssignal "B" an seinem Ausgangsanschluß Für jeden der Optikkoppler 30 bzw. 45 sind Belastungswiderstände 63 zwischen die für die Aufnahme einer Betriebsspannung V_c vorgesehenen Betriebsspannungsanschlüsse 65 und Ausgangsanschlüsse 59 bzw. 61 geschaltet. Es sei darauf hingewiesen, daß der Wert von V-, typischerweise etwa 15 V beträgt, und der von V_ß etwa 8 Vi, während das Niveau für die Betriebsspannung +E Hunderte von Vo¹It betragen kann. Die Steuerlogik 51 nimmt, wie auf der linken Seite von Fig. 3 ersichtlich, die von den An- · Schlüssen 59 und 61 kommenden Digital-Signale A und B auf, sowie über Anschluß 67 die Betriebsspannung +E, und über Anschluß 69 ein extern angelegtes Antriebs- oder Steuersignal.

Im folgenden wird der Betrieb der in Fig. 3 gezeigten Schaltung beschrieben. Es sei angenommen, daß die Schaltung zunächst ausgeschaltet ist, und daß zu irgendeinem Zeitpunkt t_Q an dem Anschluß 67 der Steuerlogik eine Betriebsspannung +E,an die Anschlüsse 53 und 55 die stabilen BezugsSpannungen +V_ß und -V«, und an die Anschlüsse 65 die Betriebsspannung +V_ (Digitalniveau-Betriebsspannung) angelegt sind. Die Steuerlogik ist unabhängig davon, ob ein Ansteuersignal an dem Anschluß 69 zu diesem Zeitpunkt anliegt, derart programmiert, daß sie die Betriebsspannung +E an den Anschluß 17 anlegt; der Schalttransistor 5 ist ausgeschaltet. Die Spannung V„„ des Transi-

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stors 5 liegt daher auf einem Niveau von etwa +E, wobei eine Vorspannung in Sperrichtung auf die Dioden 39 und 33 bewirkt»

so daß der Optikkoppler 30 ausgeschaltet ist. Wenn der Transistor 43 des Optikopplers 30 ausgeschaltet ist, nähert sich das Niveau des Digital-Signals·"A" dem Niveau der Spannung ⁺V_C, und gibt ein Digital-"1"-Niveau wieder. In entsprechender Weise und unter der Annahme, daß ein Ansteuersignal am Anschluß 69 fehlt, bewirkt die Steuerschaltung 51 die Zuführung einer Spannung, die zumindest um einen Spannungsabfall der Diode 33 kleiner ist als -V„ an der gemeinsamen Verbindungsstelle der Widerstände 47 und 49, welche bewirkt, daß die Diode 33 in Sperrichtung vorgespannt, und daß der Optikkoppler ausgeschaltet ist; was wiederum bewirkt, daß der Transistor 43 des Optikkopplers 45 ausgeschaltet ist, wodurch das Niveau des Digitalsignals "B" sich demjenigen der Betriebsspannung +V-nähert, oder einem Digital-"1"-Niveau.

Es sei zunächst angenommen, daß die Schaltung von Fig. 3 normal arbeitet. Die Steuerlogik 51 ist so eingestellt bzw. programmiert, daß, wenn nun ein Ansteuersignal an den Anschluß 69 gelangt, das Ansteuersignal an dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Widerstände 47 und 49 durchgeschaltet wird, um das Ansteuersignal an die Basiselektrode des Schalt-Transistors 5 anzulegen und einen Strom durch die Leuchtdiode 33 fließen zu lassen.

Die Leuchtdiode 33 des Optikkopplers 45 spricht auf den sie durchfließenden Strom an, indem sie ein Lichtbündel aussendet, das von der Fotodiode 41 ermittelt wird. Die Fotodiode 41 spricht hierauf an, indem ihre Impedanz zwischen Anode und Kathode wesentlich abnimmt, so daß ein Basisstrom in dem Transistor 43 fließen kann, der diesen einschaltet, was die Impedanz zwischen seinem Kollektor und seinem Emitter wesentlich herabsetzt und damit bewirkt, daß das Spannungsniveau am Ausgangsanschluß .61 sich dem Niveau der Bezugsspannung am Emitter des Transistors 43 nähert, bei diesem Beispiel Masse. Dementsprechend ändert sich das Niveau des Digitalsignals "B" vom Digitalwert "1" auf den Digitalwert "0". Wenn das Digital-

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signal "B" den Wert "1" einnimmt, zeigt dies das Fehlen eines Ansteuersignales an der Basiselektrode des Schalttransistors an, während umgekehrt die Einnahme des Wertes "O" durch das Digitalsignal "B" die Anwesenheit eines Ansteuersignales an der Basiselektrode des Transistors 5 anzeigt. Die Steuerlogik 51 ist so programmiert, daß das Ansteuersignal zu Beginn an den Transistor 5 zumindest über die Zeitdauer angelegt wird, welche notwendig ist, um diesen Transistor einzuschalten, vorausgesetzt, daß "A" den Wert "1" einnimmt. (Falls "A" den Wert "0" einnimmt, während gleichzeitig "B" den Wert "1" einnimmt, bedeutet dies, daß der Transistor 5 kurzgeschlossen ist,) Wenn jedoch der Schalt-Transistor 5 nicht während des vorbestimmten oder eingestellten Zeitintervalls einschaltet, verbleibt das Digitalsignal "A" auf dem Digitalwert "1", und das Digitalsignal "B" nimmt den Digitalwert "0" ein auf Grund der anhaltenden Anwesenheit des Ansteuersignals, wobei die Steuerlogik so programmiert bzw. eingestellt ist, daß sie die Betriebsspannung +E von dem Ausgangsanschluß 17 für den Betriebsspannungsanschluß 9 fernhält. Wenn der Transistor 5 daher nicht während dieses vorbestimmten Zeitintervalls einschaltet, zeigt dies einen Fehlerzustand in der Schaltung der Fig. 3 an.

Es sei angenommen, daß der Schalt-Transistor 5 innerhalb des mit der Steuerlogik 51 eingestellten vorbestimmten Zeitintervalls einschaltet. Nach dem Einschalten verringert sich V™ des Transistor 5 auf den Sättigungsspannungswert des Transistors 5 bei normalem Betrieb. Das Niveau der stabilen Bezugsspannung +V_ß wird um mindestens die Summe aus den Spannungsabfällen in Durchlaßrichtung der Dioden 31 und 33 größer gemacht als die Sättigungsspannung des Transistors 5, was bewirkt, daß ein Strom durch die Leuchtdiode 33 des Optikkopplers 30 fließt, um dessen Transistor 43 einzuschalten. Dies bewirkt, daß das Niveau des Digitalsignals "A" von +V- im dargestellten Beispiel auf etwa Masse abfällt, was bedeutet, daß eine Änderung von dem Digitalwert."1" auf den Digitalwert "0" auftritt. Wenn daher bei diesem Beispiel das Signal "A" den Digitalwert "1" einnimmt,

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zeigt dies an, daß der Schalt-Transistor 5 ausgeschaltet bzw. nichtleitend ist, während umgekehrt die Einnahme des Digitalwerts "0" durch das Signal "A" anzeigt, daß der Schalt-Transistor 5 eingeschaltet ist in einem Sättigungsleitungszustand. Falls es beim Auftreten eines'kurzzeitigen Vorgangs, wie beispielsweise eines plötzlichen Kurzschlusses in dem Verbraucher 7, dazu kommt, daß ein zu großer Strom in die Kollektorelektrode des Transistors 5 fließt, wird der Transistor aus der Sättigungs herausgedrängt, was bewirkt, daß seine Kollektor-Emitter-Spannung V_CE niveaumäßig über seine Sätti-· gungsspannung anwächst, wie dies vorstehend beschrieben war. Die Dioden 31 und 33 werden um in Sperrichtung vorgespannt,was bewirkt, daß die Lichtemission aus der Leuchtdiode 33 des Optikkopplers 30 endet, wodurch wiederum die Fotodiode 41 desselben ihren Widerstand wesentlich erhöht, um den Transistor auszuschalten, so daß sich das Niveau des Signals "A" von einem Digitalwert "0" zu einem Digitalwert "1" ändert. Die Steuerlogik 51 spricht auf die Änderung im Niveau des Signals "A" an, indem sie das Ansteuersignal von der gemeinsamen Verbindungsstelle der Widerstände 47 und 49 abzieht.

Sobald bei dem normalen Betrieb dieser Schaltung der Schalt-Transistor 5 in einen leitenden Zustand gebracht worden ist, spricht die Steuerlogik 51, wenn das Ansteuersignal anschließend von dem Anschluß 69 der Steuerlogik entfernt ist, wiederum an, indem das Basisansteuersignal vom Transistor 5 abgezogen wird. Die Steuerlogik 51 kann mit anderen Worten eine Analog- und Digitallogik enthalten, um lediglich das Ansteuersignal von den Anschlüssen 69 zu dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Widerstände 47 und 49 umzuschalten, um den Transistor 5 einzuschalten und diesen Transistor leitfähig zu halten, wenn normale Betriebsbedingungen herrschen. Die Steuerlogik 51 kann in alternativer Ausgestaltung auf das Vorhandensein eines Ansteuersignals oder Eingangssignals am Anschluß 69 ansprechen, um ein intern erzeugtes Ansteuersignal zu liefern zur Einschaltung des Transistors 5 und Aufrechterhaltung des eingeschalteten Zustands. . ■

Die Steuerlogik 51 kann eine als Hardware ausgebildete Digitallogik enthalten, welche so ausgebildet ist, daß sie beispielsweise Analogschalter betätigen kann, im Ansprechen auf die Niveaus von Digitalsignalen "A" und "B" und die Anwesenheit eines Ansteuer- oder Regelsignals am Anschluß 69, um die Betriebsspannung +E und das Ansteuersignal an den Schalt-Transistor 5 anzulegen, wie dies vor—, stehend beschrieben wurde. Die S teuer logik 51. kann auch in alternativer Ausgestaltung einen Mikroprozessor enthalten, der so programmiert ist, daß er auf die Niveaus der Digitalsignale "A" und "B" anspricht und die Anwesenheit eines Ansteuersignals am Anschluß 69, wie dies vorstehend für die Wirkung der Steuerlogik 51 so programmiert sein, daß sie sich periodisch automatisch selbst zurücksetzt·, nachdem ein Fehlervorgang stattgefunden hatte, um einen Normalbetrieb des Schalt-Transistors 5'wiederherzustellen, wenn der Fehlerzustand behoben wurde. In alternativer Ausgestaltung kann eine manuelle. Rückstellung für die Steuerlogik 51 vorgesehen sein, um die Steuerlogik manuell nach der Behebung eines stattgefundenen Fehlerzustands zurückzusetzen.

L e θ r s e i t e

Claims

•Patentan sprue he

/ Verfahren zum Schutz eines Schalt-Transistors mit einer Steuerelektrode zur Aufnahme eines Ansteuersignales und einem Hauptstromweg zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrode zur Aufnahme einer Betriebsspannung bzw. · zum Anschluß an ein Bezugspotential vor einer"überhöhten Leistungsaufnahme, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: · ■

Bereitstellung einer .stabilen Bezugsspannung,, welche, größer ist als die Sättigungsspannung des Transistors; Ermittlung der zwischen den beiden Elektroden anliegenden Spannung; überprüfung,ob das Ansteuersignal an der Steuerelektrode vorliegt, und Abschalten des Transistors aus dem leitenden Zustand jeweils.dann, wenn das Ansteuersignal vorliegt und gleichzeitig das Spannungsniveau zwischen erster und zweiter Elektrode das Niveau der stabilen Bezugsspannung übersteigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgenden

■ zusätzlichen Verfahrensschritt: . '

Entfernung der Betriebsspannung von der ersten Elektrode jeweils dann', wenn die Spannung zwischen erster und zweiter Elektrode kleiner ist als die stabile Bezugsspannung und gleichzeitig das Ansteuersignal fehlt.
3. Schutzschaltung zur Vermeidung einer überhöhten Leistungsaufnahme in einem Schalt-Transistor mit einem Hauptstromweg zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrode zur Aufnahme einer Betriebsspannung bzw. zum Anschluß an ein Bezugspotential und mit einer Steuerelektrode zur Aufnahme

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eines Ansteuersignales, wobei der Schalt-Transistor auf das Ansteuersignal anspricht, um einzuschalten in einen Zustand gesättigter Leitung , was eine wesentliche Reduzierung der relativen Impedanz des HauptStromwegs bewirkt,die ihrerseits eine wesentliche: Verringerung der parallel zum Hauptstromweg anliegenden Spannung auf ein Sättigungsspannungsniveau hervorruft^ekennzeichnet durch einen ersten.Anschluß zur Aufnahme einer Bezugs spannung (Vb) -mit einem Niveau, das über dem der Sättigungsspannüng- des Schalt.-Transistors (5) liegt und durch eine erste Überwachungseinrichtung (45, 30, 51), welche darauf anspricht, daß gleichzeitig das Ansteuersignal an der Steuerelektrode anliegt und die zwischen der ersten und der zweiten Elektrode anliegende Spannung· innerhalb eines vorbestimmten Differentials sich der stabilen Bezugsspannung nähert, wobei, angezeigt wird, daß der Transistor (5) einen außerhalb der Sättigung liegenden Leitzustand erreicht, um den Schalt-Transistor(5) aus einem leitenden Zustand abzuschalten. . ·
4. Schutzschaltung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine· zweite Überwachungseinrichtung, welche darauf anspricht, daß gleichzeitig das Ansteuersignal von der Steuerelektrode fehlt, und das Niveau der· Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode geringer ist als das Niveau der stabilen Bezugsspannung, um die Betriebsspannung (+E) von der ersten Elektrode des Schalt-Transistörs zu entfernen.
5. Schutzschaltung nach Anspruch 3 oder 4,- dadurch gekennzeich- . net, daß die erste Überwachungseinrichtung enthält: erste Fühleinrichtungen (30), die zwischen den ersten An-

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schluß (53) und die erste Elektrode geschaltet sind und einen Ausgangsanschluß (59) enthalten, der ein Digital-Signal "A" erzeugt, , das im Ansprechen an die zwischen ■ der ersten und zweiten Elektrode anliegende Spannung unterschiedliche Werte einnimmt, wobei es den Digitalwert "0" " einnimmt, wenn diese Spannung größer ist als das vorbe- · stimmte Differential der stabilen Bezugsspannung, und

den Digitalwert auf "1" ändert, wenn die Spannung zwischen erster und zweiter Elektrode ein Niveau erreicht, das innerhalb des Differentials der stabilen Bezugsspannung liegt; zweite Fühleiirichtungen (40) mit' einem Eingangsanschluß, der an die Steuerelektrode angeschlossen ist und mit einem Ausgangsansch^uß (61), der ein Digitalsignal "B" erzeugt, welches im Ansprechen auf das Ansteuersignal den Digitalwert "O" einnimmt, wenn ein Ansteuersignal vorhanden ist, und welches den Digitalwert "1" einnimmt, wenn das Ansteuersignal . fehlt; und "- ·

eine Steuereinrichtung, welche eine erste Logik enthält, welche auf die Kombination der Signalniveaus von "A" und "B¹V anspricht/ zur Betätigung der Steuereinrichtung, um zu Beginn;das Ansteuersignal an die Steuerelektrode nur zu denjenigen Zeiten anzulegen, bei denen die Niveaus von "A" und "B" jeweils "1" sind, um die Anlegung des Ansteuer signals, an die Steuerelektrode nur dann beizubehalten, wenn das Niveau von "A" sich auf "0" innerhalb einer vorbestimmten Zeit ändert, nachdem das Niveau von "B"' sich zu ¹¹O" geändert hat, und um anschließend das Ansteuersignal von der Steuerelektrode immer dann zu entfernen, wenn gleichzeitig "A" den Wert "1" und "B" den Wert "0" einnimmt.
6. "Schutzschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Überwachungseinrichtung enthält: die erste und die zweite Fühleinrichtung (30 bzw. 45); und eine zweite Logik, die in der Steuereinrichtung enthalten ist, wobei die zweite Logik auf das gleichzeitige Auftreten der Werte "0" bzw. "1" für die Niveaus der Signale ¹¹A" und "B",anspricht, um die Steuereinrichtung derart zu betätigen,daß die Betriebsspannung'von der ersten Elektrode entfernt wird.
7. Schutzschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Fühleinrichtung jeweils aus einem Optikkoppler (45; 30) bestehen. ·
8. Schutzschaltung zur wesentlichen Verhinderung einer überhöhten Leistungsaufnahme in einem Schalt-Transistor mit einem Haüptstromweg zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrode zur Aufnahme einer Betriebsspannung bzw. zum Anschluß an einen Punkt eines Bezugspotentials und mit einer Steuerelektrode zur Aufnahme eines Ansteuersignals, gekennzeichnet durch:

einen ersten Anschluß zur Aufnahme einer stabilen Bezugsspannung mit einem Niveau, das höher liegt als die Sättigungsspannung des Schalt-Transistors (5); einen ersten Optikkoppler, der zwischen die erste Elektrode und den ersten Anschluß geschaltet ist und dazu dient,, ein Ausgangssignal "A" mit einem mit einem "hohen" Niveau bzw. einem "niedrigen" Niveau zu erzeugen, immer wenn die Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode größer bzw. kleiner ist als das Niveau der stabilen Bezugsspannung; einen zweiten Optikkoppler mit einem an die Steuerelektrode ' angeschlossenen Eingangsanschluß und einem Ausgangsanschluß , zur Erzeugung eines Ausgangssignals "B" an dem Ausgangsanschluß, wobei das Ausgangssignal "B" ein "hohes" Niveau bzw. ein "niedriges" Niveau einnimmt, wenn'das Ansteuersignal an der Steuerelektrode vorliegt bzw. fehlt; und eine erste Steuer-Logik,die auf die von dem ersten Optikkoppler und dem zweiten Optikkoppler erzeugten Ausgangssignale "A" und "B" anspricht, um das Ansteuersignal von der Steuerelektrode zu entfernen, wenn "B" das niedrige Niveau einnimmt, während gleichzeitig "A" seinen Zustand von dem niedrigeren Niveau zu dem höheren Niveau ändert, so daß der Schalt-Transistor von einem leitenden Zustand abgeschaltet wird.
9. Schutzschaltung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine zweite Steuerlogik, die auf die Ausgangssignale "A" und "B anspricht, wenn diese gleichzeitig das hohe und niedrige Niveau einnehmen, um die Betriebsspannung von der ersten' Elektrode zu entfernen.