DE3502169A1 - Schutzvorrichtung fuer eine gegentakt-endstufe gegen kurzschluss zwischen dem ausgangsanschluss und dem positiven versorgungspol - Google Patents

Schutzvorrichtung fuer eine gegentakt-endstufe gegen kurzschluss zwischen dem ausgangsanschluss und dem positiven versorgungspol

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DE3502169A1 DE19853502169 DE3502169A DE3502169A1 DE 3502169 A1 DE3502169 A1 DE 3502169A1 DE 19853502169 DE19853502169 DE 19853502169 DE 3502169 A DE3502169 A DE 3502169A DE 3502169 A1 DE3502169 A1 DE 3502169A1
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Aldo Monza Mailand/Milano Torazzina
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  • Power Engineering (AREA)
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Description

— ο -
Beschrei bung
Die Erfindung betrifft elektronische Schutzvorrichtungen gegen Kurzschlüsse für Schaltungen mit Halbleiter-Leistungselementen, insbesondere Schutzvorrichtungen für Gegentakt-Endstufen gegen einen Kurzschluß zwischen dem Ausgangsanschluß und dem positiven Versorgungspol.
Solche Gegentakt-Endstufen können beispielsweise Endstufen von Tonleistungsverstä'rkern sein. Im allgemeinen wird gefordert, daß Schutzvorrichtungen, wenn sie zusammen mit der zu schützenden Schaltung integriert sind, einfach und wirtschaftlich sind, keine Verluste von Nutzleistung verursachen und in keiner Weise den dynamischen Betrieb der Schaltung begrenzen. Figur 1 zeigt das Schaltschema einer normalerweise für monolithisch integrierte Verstärkerschaltungen verwendeten Schutzvorrichtung gegen Kurzschluß zwischen dem Ausgangsanschluß der Gegentakt-Endstufe und dem positiven Versorgungspol.
Die Gegentakt-Endstufe der Figur 1 hat zwei bipolare NPN-Leistungstransistören Tl und T2, von denen der erste mit seinem Kollektor an den positiven Pol +V einer Speisespannungsquelle und der zweite mit seinem Emitter an den negativen Pol -V dieser Spannungsquelle angeschlossen sind. Der Verbindungspunkt A zwischen dem Emitter von Tl und dem Kollektor von T2 bildet den Ausgangsanschluß der Endstufe, an den über ein kapazitives Element ein erster Anschluß einer Last R, angeschlossen ist, deren zweiter Anschluß mit dem negativen Pol -V verbunden ist.
Die Leistungstransistoren Tl und T2 werden über in der Figur nicht dargestellte Steuerschaltmittel, die mit deren Basisanschlüssen verbunden sind, gegenphasig leitend gesteuert.
Die Schutzvorrichtung hat einen bipolaren PNP-Transistör T4, dessen Emitter mit dem Ausgangsanschluß A verbunden ist, sowie einen bipolaren NPN-Transistor T6, dessen Basis an den Kollektor des Transistors T4 und - über einen Widerstand R6 - an den negativen Pol -V angeschlossen ist. Der Kollektor des Transistors T6 ist an die Basis des Leistungstransistors TZ angeschlossen, w ä
schlossen ist.
schlossen, während sein Emitter an den negativen Pol -V ange-
Die Basis des Transistors T4 ist über zwei in Reihe geschaltete Dioden Dl und D2 an den positiven Pol +V und über eine Konstantstromquelle Gl an den negativen Pol -V angeschlossen.
Die Basis des Transistors T4 ist dadurch an eine Bezugsspannung angeschlossen, die eine Schwelle für das Leiten des Transistors bildet.
Der Transistor T4 kann nämlich nur dann zu leiten beginnen, wenn der Ausgangsanschluß A auf ein Potential kommt, das kleiner als das des positiven Pols +V ist, und zwar maximal um den Wert der Basis-Emitter-Spannung, die normalerweise an einem leitenden bipolaren Transistor anliegt.
Da der Leistungstransistor Tl niemals bei Sättigung leitet, kann der Transistor T4 nur dann leiten, wenn zwischen dem Ausgangsanschluß A und dem positiven Pol +Vcc ein Kurzschluß oder am Ausgang eine Überspannung herrscht.
Der leitende Zustand des Transistors T4 bestimmt mithin auch den leitenden Zustand des Transistors T6, der den Leistungstransistor T2 abschaltet und dadurch die Endstufe sichert.
Wenn nämlich der Transistor T2 während des Kurzschlusses eingeschaltet bliebe, würde er irreparabel beschädigt, da er gleichzeitig einer Kollektor-Emitter-Spannung gleich der Speisespannung und einem Stromfluß gleich dem maximalen Kurzschlußstrom ausgesetzt wäre.
Wenn die Kurzschlußbedingungen unterbrochen werden, schalten sich selbstverständlich die Transistoren T4 und T6 ab, und die Endstufe nimmt automatisch ihren normalen Betrieb wieder auf.
Eine Schutzvorrichtung der soeben beschriebenen Bauart, die ausgezeichnet arbeitet, ohne Nachteile zu verursachen, wenn es sich um eine Widerstands-Last oder um eine kapazitive Last handelt, ist jedoch nicht für eine ohmisch-induktive Last geeignet, beispielsweise für einen Lautsprecher, der durch die Endstufe eines Tonverstärkers gesteuert wird.
Wenn nämlich mit dem Ausgangsanschluß einer Gegentakt-Endstufe eine induktive Last verbunden ist, induzieren die sprunghaften Änderungen des Stromes, der in diese Last fließt, bei bestimmten Frequenzen in der Last eine gegenelektromotorische Kraft, die das Potential des Ausgangsanschlusses über das Potential des positiven Versorgungspols anheben kann.
Die zuvor erläuterte Schutzvorrichtung greift damit, obwohl kein Kurzschluß vorliegt, ein und schaltet den unteren Leistungstransistor der Endstufe ab, während er normal leitet, wodurch die überspannung am Ausgang verschärft wird, was sich erheblich auf die Verzerrung der Wellenform des Ausgangssignals auswi rkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzvorrichtung für eine Gegentakt-Endstufe gegen Kurzschluß zwischen dem Ausgangsanschluß und dem positiven Versorgungsanschluß zu schaffen, die ohne jeden Nachteil für den korrekten Betrieb der Endstufe eingesetzt werden kann, unabhängig von der Art der damit
verbundenen Last.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der angegebenen Gattung durch das Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist.
Es zei gen:
Figur 1 das Schaltschema einer Gegentakt-Endstufe mit einer bekannten, oben erläuterten Schutzvorrichtung,
Figur 2 das Blockschaltbild einer Gegentakt-Endstufe mit einer
Schutzvorrichtung gemäß der Erfindung und
Figur 3 eine mögliche Ausführungsform einer monolithisch integrierten Schaltung des Blockschemas der Figur 2.
In den Figuren werden einander entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
Figur 2 zeigt als Block G eine Gegentakt-Endstufe, die zwischen den positiven Pol +V und den negativen Pol -V einer Speisespannungsquelle geschaltet ist.
Die Endstufe hat einen Signal-Eingangsanschiuß IN, einen mit einem Punkt des Signalweges verbundenen Sperranschluß sowie einen Ausgangsanschluß A, mit dem kapazitiv eine Last R, verbunden ist, die zwischen diesen Ausgangsanschluß und den negativen Pol -V geschaltet ist.
Die Schutzvorrichtung gemäß der Erfindung, durch die die Stufe G gegen Kurzschluß zwischen dem Ausgangsanschluß und dem positiven Versorgungspol geschützt wird, hat einen ersten Schwellenkomparator Al und einen zweiten Schwel 1enkomparator A2 sowie eine Schaltungseinrichtung LI mit niedriger Impedanz.
Der erste Schwel lenkomparator Al hat einen ersten Eingangsanschluß und einen zweiten Eingangsanschluß, die mit dem Ausgangsanschluß A der Endstufe bzw. mit einer ersten Bezugsspannung RIF, verbunden sind, sowie einen Ausgangsanschluß, der an einen Aktivierungsanschluß der Schaltungseinrichtung LI niedriger Impedanz angeschlossen ist.
Der Komparator Al kann nur dann ein Ausgangssignal erzeugen, wenn das Potential des ersten Eingangsanschlusses um einen vorbestimmten Wert größer ist als das des zweiten Eingangsanschlusses. Dieses Signal dient zur Aktivierung der Schaltungseinrichtung LI niedriger Impedanz, die zwischen den Ausgangsanschluß A der Endstufe und den negativen Pol -V geschaltet ist.
Der zweite Schwellenkomparator A2 hat einen ersten und einen zweiten Eingangsanschluß, die mit dem Ausgangsanschluß A der Endstufe bzw. einer zweiten Bezugsspannung RIF„ verbunden sind, sowie einen Ausgangsanschluß, der an den Sperranschluß der Endstufe angeschlossen ist.
Der Komparator A2 kann am Ausgang nur dann ein Signal erzeugen, wenn das Potential des ersten Eingangsanschlusses dasjenige des zweiten Eingangsanschlusses um einen vorbestimmten Wert überschreitet. Dieses Signal dient zur Entaktivierung der Endstufe oder eines ihrer Teile, das mit dem Sperranschluß verbunden ist. Der Ausgangsanschluß des Komparators A2 kann auch mit einem Sperranschluß des ersten Komparators Al verbunden werden, der auf diese Weise von dem durch den Komparator A2 erzeugten Signal außerstande gesetzt wird, das eigene Ausgangssignal zu erzeugen.
Die zuletzt genannte Verbindung ist in Figur 2 gestrichelt dargestellt, um anzudeuten, daß sie für die einwandfreie Schutzfunktion nicht unbedingt erforderlich ist.
Die vorbestimmten Schwellenwerte für die beiden Komparatoren Al und A2 sowie die Bezugsspannungen, mit denen diese verbunden sind, werden so bestimmt, daß während des normalen Betriebes der Endstufe der Komparator Al sein Ausgangssignal vor dem Komparator A2 erzeugt, sofern in der Last, wenn diese induktiv ist, eine von den Stromschwankungen verursachte gegenelektromotorische Kraft erzeugt wird, die so groß ist, daß sie das Potential des Ausgangsanschlusses A in Richtung zum Potential des positiven Versorgungspols hin erhöht. Damit wird die Schaltungseinrichtung LI niedriger Impedanz aktiviert, über welche der Strom, der durch die Induktivität der Last während des Obergangs aufgeprägt wird, von der Last direkt zum negativen Pol -V fließen kann. Auf diese Weise wird eine weitere Erhöhung des Potentials des Ausgangsanschlusses A verhindert, das sonst auch den Eingriff des Komparators A2 mit einer unerwünschten Blockierung der Endstufe oder deren mit dem Sperranschluß verbundenen Teils verursachen würde.
Nur im Fall eines effektiven Kurzschlusses zwischen dem Ausgangsanschluß A und dem positiven Versorgungspol kann die Schaltungseinrichtung LI geringer Impedanz den Eingriff des Komparators A2 nicht verhindern, dessen Ausgangssignal die Entaktivierung der Endstufe, welche dadurch ohne Schäden die Kurzschlußbedingungen erträgt, und eventuell auch die Entaktivierung des Komparators Al bestimmt.
Figur 3 zeigt eine besondere Ausführungsform der Schaltung des in Figur 2 dargestellten Blockschaltbildes, die besonders für die Herstellung in monolithisch integrierter Form geeignet ist, wodurch unter anderem der Platzbedarf der Integrationsfläche maximal begrenzt wird.
Die Gegentakt-Endstufe hat zwei bipolare NPN-Leistungstransistören Tl und T2, von denen der erste mit seinem Kollektor an den positiven Pol +V einer Speisespannungsquelle und der zweite mit seinem Emitter an den negativen Pol -V dieser Spannungsquelle angeschlossen ist.
Der Verbindungspunkt A zwischen dem Emitter von Tl und dem Kollektor von T2 bildet den Ausgangsanschluß der Endstufe, mit dem eine in der Zeichnung nicht dargestellte Last verbunden werden kann.
Die Basen der beiden Transitoren Tl und T2 sind mit dem Emitter eines NPN-Steuertransistors T., bzw. mit dem Kollektor eines
dl
PNP-Steuertransistors T,o verbunden.
Oc
Der Kollektor des Transistors T,, und der Emitter des Transistors T,? sind an den positiven Pol +V bzw. an den Kollektor des Transistors T2 angeschlossen. Das Eingangssignal wird über einen Eingangsanschluß IN zur Endstufe geleitet, wobei dieser Eingangsanschluß 1IN aus dem Basisanschluß eines NPN-Transistors T3 besteht, dessen Kollektor mit der Basis des Transistors T.p und dessen Emitter mit dem negativen Pol -V verbunden sind.
Auch die Basis von T., ist mit dem Kollektor des Transistors T3
d l
verbunden, und zwar über drei in Reihe geschaltete Dioden D3, D5 und D7; außerdem ist sie über eine Konstantstromquelle G3 an den positiven Pol +V angeschlossen.
Der Verbindungspunkt A ist direkt an den Emitter eines PNP-Transistors T4 und außerdem über einen Widerstand R5 an den Emitter eines PNP-Transistors T5 angeschlossen. Die Basen der beiden Transistoren T4 und T5 sind an zwei verschiedene Bezugsspannungen RIF^ bzw. RIF^ angeschlossen. Das Potential der ersten Bezugsspannung ist dabei größer als das der zweiten.
- 10 -
Der Kollektor des Transistors T4 ist an die Basis eines NPN-Transistors T6 und - über einen Widerstand R6 - an den negativen Pol -V angeschlossen.
Der Kollektor des Transistors T5 ist über einen Widerstand R3 an die Basis des Transistors T3 angeschlossen.
Der Kollektor und der Emitter des Transistors T6 sind an die Basis des Tr
schlossen.
sis des Transistors T3 bzw. an den negativen Pol -V ange-
Der Transistor T5 bildet zusammen mit der Bezugsspannung RIF«, an die seine Basis angeschlossen ist, den im Blockschaltbild der Figur 2 mit Al bezeichneten Schwellenkomparator.
Die Transistoren T3, T.£ und insbesondere T2, die Teil der zu schützenden Endstufe sind, bilden die Schaltungseinrichtung LI mit niedriger Impedanz, ohne daß die Notwendigkeit besonderer Bauteile besteht.
Bei der bevorzugten Ausführungsform des Schaltungsschemas gemäß Figur 3 wird die an der Basis des Transistors T5 anliegende Spannung konstant auf einem Wert gehalten, der gleich der Speisespannung abzüglich der 2,5-fachen Basis-Emitter-Spannung ist, die normalerweise an einem leitenden bipolaren Transistor anliegt.
Der Transistor T5 kann daher erst dann zu leiten beginnen, wenn der Ausgangsanschluß A auf ein Potential kommt, das kleiner ist als das des positiven Pols +V , und zwar maximal um das Eineinhalbfache der normalerweise an einem leitenden bipolaren Transistor anliegenden Basis-Emitter-Spannung.
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Der Transistor T4 bildet zusammen mit der Bezugsspannung RIFp mit der seine Basis verbunden ist, den in Figur 2 mit A2 bezeichneten Schwellenkomparator.
In dem Fall, in dem der Leistungstransistor Tl niemals in Sättigung leitet, wird die an der Basis des Transistors T4 anliegende Spannung konstant auf einem Wert gehalten, der gleich dem der Speisespannung abzüglich dem Eineinhalbfachen der Basis-Emitter-Spannung ist, die normalerweise an einem leitenden bipolaren Transistor anliegt.
Der Transistor T4 kann damit erst dann zu leiten beginnen, wenn der Ausgangsanschluß A auf ein Potential kommt, das kleiner ist als das des positiven Pols +V , und zwar maximal um die Hälfte
L# Va>
der Basis-Emitter-Spannung, die normalerweise an einem leitenden bipolaren Transistor anliegt.
Wenn während des normalen Betriebs der Endstufe in der Last
sofern diese induktiv ist - aufgrund einer sprunghaften Änderung des in dieser fließenden Stromes eine gegenelektromotorische Kraft induziert wird, die dazu neigt, das Potential des Ausgangsanschlusses A auf Werte zu bringen, die gleich oder größer als das Potential des positiven Pols +V sind, beginnt der
L» V*
Transistor T5 sofort zu leiten, wobei er auch die Transistoren T3, T.2 und schließlich T2 leitend macht; über T2 entlädt sich die Induktivität der Last zum negativen Pol -V .
L» L*
Damit kann das Potential des Anschlusses A keine Werte annehmen, die ein Leiten des Transistors T4 erlauben, weshalb die einwandfreie Funktion der Endstufe nicht beeinträchtigt wird.
Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß mit dieser schaltungstechnischen Lösung der sonst unentbehrliche Einsatz einer Rücklaufdiode vermieden wird, wenn die Last induktiv ist, denn die Funktion dieser Diode wird von eben dem Leistungstransistor T2 ausgeführt.
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Wenn jedoch ein Kurzschluß zwischen dem Ausgangsanschluß und dem positiven Versorgungspol das Potential des Anschlusses A auf den Wert des Potentiales des positiven Poles +V_C bringt, beginnt auch der Transistor T4 sofort zu leiten und schaltet durch Einschalten des Transistors T6 die Endstufen-Transistoren T3, T,ρ und T2 ab. Auf diese Weise wird der Leistungstransistor T2 durch die Kurzschlußbedingungen nicht beschädigt.
Während der Widerstand R5 eingesetzt ist, um Selbstschwingungen zu vermeiden, dient der Widerstand R3 dazu, den Kollektorstrom des Transistors T5 auf einen vorbestimmten Wert zu begrenzen, der kleiner oder höchstens gleich dem Kollektorstrom des Transistors T6 ist.
Wenn daher aufgrund eines Kurzschlusses der Transistor T4 zu leiten beginnt, wird die Tätigkeit des Transistors T5 automatisch annulliert. In der Praxis erzeugt man eine Entaktivierung des Komparators Al über das Ausgangssignals des Komparators A2.
Wenn die Kurzschlußbedingungen nicht mehr weiter bestehen, schaltet sich selbstverständlich der Transistor T4 ab, während die Endstufe ihren normalen Betrieb wieder aufnehmen kann.
Gegen einen Kurzschluß am Ausgang in Richtung zum positiven Versorgungspol kann auch eine Endstufe geschützt werden, die eine Brückenkonfiguration hat und zwei identische Abschnitte der zuvor beschriebenen Art mit Gegentakt-Transistoren aufweist.
Mit jedem dieser Abschnitte wird in der in den Figuren 2. und 3 beschriebenen Art und Weise eine Schutzvorrichtung gemäß der Erfindung verbunden.
- 13 -
In diesem Fall ist jedoch der Ausgangsanschluß des zweiten Schwellenkomparators A2, der in jeder der beiden Schutzvorrichtungen enthalten ist, mit beiden SperranschlUssen der beiden Endstufen verbunden.
Die Bezugsspannungen können dabei gemeinsam sein.
über das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel hinaus sind zahlreiche Änderungen möglich, ohne dadurch den Erfindungsrahmen zu verlaßen.
- 14 -

Claims (4)

  1. IftTENTANWÄLTE
    κι w ηϊ:λν ιλτκντ λτιχ «nkys     S.p.A. \     KAIX)H · KUINKKH · SCHMITT-NILSON HlRhCH 3502169 (Stradale Primosole,50
    1-95121 Catania
    -Registersitz)         K 22 240 SM/6 SGS-ATES Component! Elettronici Via C. Olivetti 2
    Agrate (Mailand), Italien
    (Verwaltungssitz)
    Schutzvorrichtung für eine Gegentakt-Endstufe gegen Kurzschluß zwischen dem Ausgangsanschluß und dem positiven Versorgungspol
    Patentansprüche
    (Gv) gegen
    Schutzvorrichtung für eine Gegentakt-Endstufe Kurzschluß zwischen dem Ausgangsanschluß (A) dieser Endstufe und dem Pol (+V) höheren Potentials einer Speisespannungsquel-Ie, zwischen deren beide Pole die Endstufe eingesetzt ist, welche einen Eingangsanschluß für die Verbindung mit einem Signalgenerator und einen Sperranschluß aufweist, ■ gekennzeichnet durch einen ersten Schwel 1enkomparator (Al) und einen zweiten Schwellenkomparator (A2), von denen jeder einen ersten Eingangsanschluß, einen zweiten Eingangsanschluß und einen Ausgangsanschluß hat, wobei der erste Eingangsanschluß beider Komparatoren an den Ausgangsanschluß (A) der Endstufe, der zweite Eingangsanschluß des ersten Komparators (Al) und der zweite Eingangsanschluß des zweiten Komparators (A2) an eine erste Bezugsspannung (RIF,) bzw. an eine zweite Bezugsspannung (RIFg) angeschlossen sind, die Schwelle jedes Komparators derart eingestellt ist, daß jeder Komparator am Ausgang nur dann ein Signal erzeugt, wenn das Potential des ersten Eingangsanschlusses dasjenige des zweiten Eingangsanschlusses um einen vorbe -
    stimmten Wert überschreitet, und die Bezugsspannungen und die Schwellen der Komparatoren derart vorbestimmt sind, daß der erste Komparator (Al) beginnt, am Ausgang ein Signal für einen Potentialwert am Ausgangsanschluß (A) der Endstufe (G ) zu erzeugen, der kleiner ist als derjenige, bei dem der zweite Komparator (A2) beginnt, am Ausgang ein Signal zu erzeugen, und gekennzeichnet durch eine Schaltungseinrichtung (LI) niedriger Impedanz, die zwischen den Ausgangsanschluß (A) der Endstufe und den Pol (-V) geringeren Potentials der Speisespannungsquelle geschaltet ist und die einen Aktivierungsanschluß aufweist, mit dem der Ausgangsanschluß des ersten Komparators (Al) verbunden ist, wobei der Ausgangsanschluß des zweiten Komparators (A2) mit dem Sperranschluß der Endstufe (G ) verbunden ist.
  2. 2. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Komparator (Al) einen Sperranschluß hat, der mit dem Ausgangsanschluß des zweiten Komparators (A2) verbunden ist.
  3. 3. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungseinrichtung (LI) niedriger Impedanz aus wenigstens einem Transistor (T2) besteht, der einen ersten Anschluß, einen zweiten Anschluß und einen Steueranschluß hat und der mit dem ersten Anschluß und dem zweiten Anschuß zwischen den Ausgangsanschluß (A) der Endstufe (G ) und den Pol(-V ) niedrigeren Potentials der Speisespannungsquelle geschaltet ist, während der Steueranschluß dieses Transistors (T2) mit dem Ausgangsanschluß des ersten Schwellenkomparators (Al) gekoppelt ist.
  4. 4. Schutzvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungseinrichtung (LI) aus einem Leistungs-Endtransistor (T2) besteht, der in der Endstufe (G ) enthalten und zwischen den Ausgangsanschluß (A) und den Pol (-V) niedrigeren Potentials der Speisespannungsquelle geschaltet ist.
DE19853502169 1984-01-23 1985-01-23 Schutzvorrichtung fuer eine gegentakt-endstufe gegen kurzschluss zwischen dem ausgangsanschluss und dem positiven versorgungspol Withdrawn DE3502169A1 (de)

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