DE3906955C1 - Electronic fuse (safety device) for a transistor output stage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Sicherung für eine Transistor-Ausgangsstufe eines elektronischen Steuer- oder Prüfgeräts und mit den weiteren, im Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1 genannten, gattungsbestimmenden Merkmalen.

Bei einer bekannten elektronischen Sicherung dieser Art (DE-OS 24 24 759) ist die Basis des Sicherungstransistors T ₃, dessen Kollektor-Basis-Emitterstrecke zwischen die zu dem Leistungstransistor und dem Hilfstransistor führende Steuer­ leitung und die Schaltungsmasse geschaltet ist, mit dem Kollektor eines weiteren Hilfstransistors verbunden, dessen Emitter direkt mit dem Steueranschluß des Geräts verbunden ist, und dessen Basis über einen Widerstand ebenfalls mit dem Steueranschluß und andererseits mit dem Kollektor des Hilfstransistors T ₂ verbunden ist, der gemeinsam mit dem Leistungstransistor T ₁ angesteuert wird. Diese bekannte Sicherung vermittelt im Falle eines Kurz­ schlusses oder einer schadensbedingten Abnahme des Lastwider­ standes zwar eine wirksame Begrenzung des Stromes, der über den Leistungstransistor fließen kann, ist allerdings mit dem Nachteil behaftet, daß, falls das die elektronische Sicherung umfassende Gerät eingeschaltet geblieben ist, während die im Verbraucher aufgetretene Funktionsstörung beseitigt wurde, der Leistungs­ transistor, sobald der Verbraucher wieder an das Gerät ange­ schlossen ist, sofort wieder in seinen leitenden Zustand gelangt, der Verbraucher gleichsam sofort wieder "eingeschaltet" wird, was, je nach Art des Verbrauchers, zu unerwünschten Betriebssitua­ tionen führen kann, z. B. dann, wenn als Verbraucher ein Motor vorgesehen ist, der dann sofort "anspringt", was in zahlreichen Fällen unerwünscht sein kann. Es kommt hinzu, daß die bekannte Sicherung, zu deren Realisierung drei Transistoren erforderlich sind, einen vergleichsweise aufwendigen Aufbau hat.

Noch aufwendiger ist die weiter durch die DE 34 09 058 A1 be­ kannte Kurzschluß- und Überlastschutz-Schaltung für Endstufen- Transistoren, zu deren Realisierung - zusätzlich zu dem End­ stufen-Transistor - vier weitere Transistoren benötigt werden, die außerdem nicht sämtlich desselben Typs (npn- oder pnp- Transistor) sein können, wodurch eine Realisierung der bekannten Schaltung als integrierte Schaltung zusätzlich erschwert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine elektronische Sicherung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß sie bei gleichwohl einfacherem Aufbau nach einem Ansprechen auch zusätz­ liche Sicherheit gegen ein unkontrolliertes Wiedereinschalten des Verbrauchers vermittelt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch den hiernach vorgesehenen schaltungstechnischen Aufbau der Sicherung wird in funktioneller Hinsicht der Vorteil erreicht, daß bei einem Ansprechen der Sicherung auf einen Kurzschluß oder eine Stromüberlastung der Transistor-Ausgangsstufe das mit der Sicherung versehene Gerät erst abgeschaltet werden muß, bevor es wieder eingeschaltet werden kann, das heißt ein mit dem Gerät betriebener oder gesteuerter Verbraucher, z. B. ein Elektro­ motor, in Betrieb gesetzt werden kann. Die erfindungsgemäße elek­ tronische Sicherung zeichnet sich auch durch einen sehr einfachen Aufbau aus, da nur zwei Transistoren als steuerbare, aktive Elemente benötigt werden.

Durch die Merkmale des Anspruchs 2 ist ein für ein zuverlässiges Ansprechen der Sicherung geeigneter Wertebereich des Verhältnisses der im Last- sowie im Hilfstransistorkreis vorgesehenen Wider­ stände angegeben, welche einerseits zur Strombegrenzung und andererseits zur Arbeitspunkt-Einstellung des Sicherungstran­ sistors T ₃ vorgesehen sind. Durch die Merkmale des Anspruchs 3 wird ein sicheres Ansprechen der Sicherung auch für den Fall er­ reicht, daß ein Kurzschluß im Last-Kreis schon bestanden hat, bevor das Gerät eingeschaltet wird.

Durch die Merkmale des Anspruchs 4 ist eine einfache Einstellbar­ keit bzw. Wählbarkeit der Ansprechschwelle der Sicherung gegeben.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines speziellen Ausführungsbei­ spieles anhand der Zeichnung, welche ein Schaltbild einer Transi­ stor-Ausgangsstufe eines elektronischen Steuer- oder Prüfgeräts zeigt, das mit einer erfindungsgemäßen elektronischen Sicherung für die Transistor-Ausgangsstufe ausgerüstet ist.

Das in der Zeichnung, auf deren Einzelheiten ausdrücklich Bezug genommen sei, dargestellte, insgesamt mit 1 bezeichnete elektro­ nische Steuer- bzw. Prüfgerät ist, der Einfachheit der Darstel­ lung halber, lediglich durch die Transistor-Ausgangsstufe 2, die elektronische Sicherung 3 sowie einen Operationsverstärker 4 repräsentiert, für den im Sinne einer vereinfachenden Erläu­ terung des Geräts angenommen sei, daß er mit dem Einschalten des Geräts an seinen Ausgang 6 ein Steuerspannungs-Signal abgibt, durch das die Transistor-Ausgangsstufe 2 in ihren leitenden Betriebszustand gesteuert wird, in welchem der vom Plus-Pol 7 einer nicht eigens dargestellten Spannungs- bzw. Stromquelle zur Schaltungsmasse 8 führende Laststromkreis ge­ schlossen ist, in welchem der durch einen Widerstand R _L reprä­ sentierte Verbraucher 9 zwischen den Plus-Pol 7 der Versorgungs- Spannungsquelle und einen Steueranschluß 10 des Geräts 1 ge­ schaltet ist, der über die Transistor-Ausgangsstufe 2 - in deren leitendem Zustand - mit der Schaltungsmasse 8 des Geräts 1 ver­ bunden ist.

Die Transistor-Ausgangsstufe 2 besteht aus einem als npn-Transi­ stor T ₁ ausgebildeten Leistungstransistor, dessen Emitter 11 an die Schaltungsmasse 8 des Geräts 1 angeschlossen ist und einem Vorwiderstand R ₁, über den der Kollektor 12 des Leistungstransi­ stors T ₁ an den Steueranschluß 10 des Geräts 1 angeschlossen ist. Die Basis 13 des Leistungstransistors T ₁ ist über einen Vorwider­ stand R ₂ an den Ausgang 6 des Operationsverstärkers 4 angeschlos­ sen.

An den Steueranschluß 10 des Steuergeräts 1 ist der Kollektor 14 eines ebenfalls als npn-Transistor ausgebildeten Hilfs-Transi­ stors T ₂ angeschlossen, dessen Emitter 16 über einen zwei in Serie geschaltete Widerstände R ₃ und R ₄ umfassenden Widerstands- Spannungsteiler R ₃, R ₄ mit der Schaltungsmasse 8 des Geräts 1 verbunden ist.

Die Basis 17 des Hilfs-Transistors T ₂ ist über einen Vorwider­ stand R ₅ an den Ausgang 6 des Operationsverstärkers 4 ange­ schlossen.

Die Mittelanzapfung 18 des Widerstands-Spannungsteilers R ₃, R ₄ ist leitend mit der Basis 19 eines ebenfalls als npn-Transistor ausgebildeten Sicherungs-Transistors T ₃ verbunden, dessen Kollektor 21 an die mit der Ausgangsspannung des Operations- Verstärkers 4 beaufschlagbare Basis 13 des Leistungstransistors T ₁ angeschlossen ist, und dessen Emitter 22 an die Schaltungsmasse 8 des Geräts 1 angeschlossen ist.

Zwischen die Basis 17 des Hilfstransistors T ₂ und die Schaltungs­ masse 8 des Geräts 1 ist ein Kondensator C ₁ geschaltet, der zusammen mit dem Vorwiderstand R ₅, der zwischen die Basis 17 des Hilfstransistors T ₂ und den Ausgang 6 des Operationsverstärkers 4 geschaltet ist, ein RC-Glied bildet, das die Eigenschaft eines Integrations- oder Tiefpaß-Gliedes hat.

Das mit der elektronischen Sicherung 3 versehene Gerät 1 arbeitet wie folgt:

1. Normalbetrieb

Solange das Gerät 1 nicht eingeschaltet ist, liegt am Steuer- Ausgang 10 - über den Verbraucher 9 - die volle Ausgangsspan­ nung von z. B. 12 V der Versorgungs-Spannungsquelle 7 an, welche als Batterie angenommen sei. Das Potential, auf dem sich - über den Vorwiderstand R ₁ - der Kollektor 12 des Leistungstransistors T ₁ sowie der Kollektor 14 des Hilfs- Transistors T ₂ befinden, beträgt dann ebenfalls 12 V. Die beiden Transistoren T ₁ und T ₂ sind, solange ihren Basen 13 bzw. 17 keine Steuerspannung zugeführt ist, nicht leitend. Dasselbe gilt für den Sicherungstransistor T ₃. Mit dem Einschalten des Geräts 1 wird den Basen 13 und 17 des Leistungstransistors T ₁ bzw. des Hilfstransistors T ₂ eine positive Steuerspannung zuge­ führt, deren Pegel hinreichend hoch ist, daß sowohl der Leistungs­ transistor T ₁ als auch der Hilfstransistor T ₂ in deren leitenden Zustand gelangen. Der vom Plus-Pol 7 der Versorgungs-Spannungs­ quelle über die Last 9 zur Schaltungsmasse 8 fließende Last­ strom I _L verzweigt sich an der gemeinsamen Anschlußstelle 23 des Vorwiderstandes R ₁ des Leistungstransistors T ₁ und des Kollektors 14 des Hilfstransistors in einen Laststromanteil I _LE , der über den Emitter 11 des Leistungstransistors T ₁ zur Schaltungsmasse fließt, sowie in einen Laststromanteil I _LH , welcher über den Hilfstran­ sistor T ₂ und den Widerstands-Spannungsteiler R ₃, R ₄ zur Schal­ tungsmasse abfließt. Durch die Widerstandsbeschaltung - R ₁ - des Leistungstransistors T ₁ einerseits und die Serienschaltung des Hilfstransistors T ₂ mit den Teiler-Widerständen R ₃ und R ₄ wird das Verhältnis der Laststromanteile I _LE /I _LH bestimmt, derart, daß der über den Leistungstransistor T ₁ fließende Laststrom-Anteil I _LE sehr viel größer ist als der über den Hilfstransistor T ₂ und die Widerstände R ₃ und R ₄ fließende Laststromanteil I _LH . In diesem, dem Normalbetrieb zugeordneten Funktionszustand des Geräts beträgt - wegen des Spannungsabfalles über den Verbraucher 9 - das Poten­ tial an der Laststrom-Verzweigungsstelle 23 etwa 1,5 V.

Der Sicherungstransistor T ₃ ist in diesem - normalen - Betriebs­ zustand nicht leitend, da das Potential an seiner Basis 19, das durch den Spannungsabfall über dem Widerstand R ₄ bestimmt ist, welcher zwischen die Mittelanzapfung 18 des Widerstands-Spannungs­ teilers R ₃, R ₄ und die Schaltungsmasse 8 geschaltet ist, zu niedrig ist, um den Sicherungstransistor T ₃ in seinen leitenden Zustand zu steuern. Beim Ausschalten des Geräts fällt die Steuer- Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 4 ab, wodurch der Leistungstransistor T ₁ und der Hilfstransistor T ₂ in ihren Sperr- Zustand gelangen und der Laststrom I _L unterbrochen wird.

2. Kurzschluß nach Einschalten des Geräts

Tritt, nachdem das Gerät 1 eingeschaltet worden ist, nach einer Phase ordnungsgemäßer Funktion im Verbraucher 9, z. B. durch Fremdeinwirkung, ein Kurzschluß auf, mit der Folge, daß nunmehr die +12 V-Ausgangsspannung der Stromquelle unmittelbar am Steuer- Anschluß 10 des Geräts 1 ansteht, so erhöht sich sowohl der über den Leistungstransistor T ₁ fließende Laststromanteil I _LE als auch der über den Hilfstransistor T ₂ fließende Laststromanteil I _LH . Durch den Anstieg des Stromes I _LH in dem über den Hilfstransistor T ₂ und den Widerstands-Spannungsteiler R ₃, R ₄ führenden Hilfs-Strom­ kreis tritt jetzt an der Mittelanzapfung 18 des Widerstands- Spannungsteiler R ₃, R ₄ eine erhöhte Spannung auf, welche aus­ reicht, um den Sicherungstransistor T ₃ über seine Basis 19 in den leitenden Zustand zu steuern, mit der Folge, daß an der Basis 13 des Leistungstransistors T ₁ das Potential abfällt und dieser in seinen sperrenden Zustand gelangt, wodurch die Endstufe 2 abge­ schaltet wird.

Über den Hilfstransistor T ₂ und die diesem nachgeschalteten Wider­ stände R ₃ und R ₄ fließt weiterhin ein - erhöhter - Laststrom­ anteil I _LH , durch den auch dann, wenn zwischenzeitlich der Kurz­ schluß in der Last 9 behoben werden sollte, während das Gerät 1 eingeschaltet geblieben ist, der Sicherungstransistor T ₃ leitend und damit der Leistungstransistor T ₁ gesperrt bleibt, obwohl das Potential an der Verzweigungsstelle 23 - über die Last 9 - wieder auf den beim Einschalten gegebenen Wert von 12 V angestiegen ist.

Erst nachdem das während der Beseitigung des Kurzschlusses ein­ geschaltet gebliebene Gerät 1 abgeschaltet worden ist und damit auch der Hilfstransistor T ₂ in seinen sperrenden Zustand gelangt ist, kann durch erneutes Einschalten des Geräts 1 dessen Endstufe 2 wieder in normaler Funktion aktiviert werden, wie unter Ziff. 1. beschrieben.

Die insoweit erläuterte elektronische Sicherung 3 vermittelt auch eine Überstromabschaltung, das heißt eine Sperrung des Leistungs­ transistors T ₁, wenn die Fehlfunktion, gegen welche dieser Transistor T ₁ geschützt werden soll, nicht in einem plötzlich auftretenden Kurzschluß im Verbraucher 9 sondern durch eine "stetige" relativ langsame Abnahme des Widerstandes R _L des Ver­ brauchers 9 zustandekommt, wobei die Ansprechschwelle, ab welcher der Transistor T ₂ gesperrt wird, durch zweckgerechte Dimensionie­ rung der Widerstände R ₃ und R ₄ des Widerstands-Spannungsteilers R ₃, R ₄ vorgebbar ist. Dabei kann es zweckmäßig sein, wenn minde­ stens einer der beiden Widerstände R ₃ und/oder R ₄ als einstell­ bares Widerstandspotentiometer ausgebildet ist.

3. Kurzschluß vor Einschalten des Geräts

Besteht ein Kurzschluß zwischen der Versorgungs-Spannungsquelle 7 und dem Steueranschluß 10 schon vor dem Einschalten des Geräts, so wird mit dessen Einschalten zunächst der Leistungstransistor T ₁ leitend.

Der Hilfstransistor T ₂ wird - geringfügig - später leitend, da die zwischen die Basis 13 des Hilfstransistors und die Schaltungs­ masse 8 geschaltete Kapazität C ₁ einen Steuer-Spannungs­ anstieg an der Basis 17 des Hilfstransistors T ₂ gegenüber dem Steuerspannungsanstieg an der Basis 13 des Leistungs­ transistors T ₁ etwas verzögert. Sobald jedoch der Hilfs­ transistor T ₂ ebenfalls in seinen leitenden Zustand gelangt ist, erreicht auch das Potential an der Basis 19 des Sicherungstransistors T ₃ den im Kurzschlußfall für das "Durchschalten" dieses Transistors T ₃ erforderlichen Wert, wodurch der Leistungstransistor T ₁ gesperrt wird, wie vor­ stehend erläutert. Dabei versteht es sich, daß die Zeit­ verzögerung hinreichend klein sein sollte, um nach einem anfänglichen Durchschalten des Leistungstransistors T ₁ diesen hinreichend schnell - über den Sicherungs­ transistor T ₃ - in seinen sperrenden Zustand umschalten zu können.

Claims (4)

1. Elektronische Sicherung für eine Transistor-Ausgangsstufe eines elektronischen Steuer- oder Prüf-Geräts mittels dessen ein durch einen elektrischen Verbraucher fließender Laststrom schaltbar oder steuerbar ist, welcher zu einem überwiegenden Anteil über die Kollektor-Basis-Emitter­ strecke eines die Ausgangsstufe bildenden, basisgesteuerten Leistungs-Transistors (T ₁) fließt, der zwischen einem Steuerausgang des Geräts, an den der Verbraucher anschließ­ bar ist und die Schaltungsmasse des elektronischen Geräts geschaltet ist, und mit einem ebenfalls basisgesteuerten Hilfstransistor (T ₂), dessen Kollektor-Basis-Emitter­ strecke in einem ebenfalls von dem Steuerausgang des Geräts zu dessen Schaltungsmasse führenden Strompfad liegt, über den nur ein geringer zu dem über den Leistungstransistor (T ₁) fließenden Strom (I _LE ) proportionaler Anteil (I _LH ) des durch den Verbraucher fließenden Stromes (I _L ) fließt, wobei die Basen dieser beiden Transistoren mit denselben, die normale Betriebssteuerung des Gerätes vermittelnden Ansteuersignalen beaufschlagt sind, derart, daß im normalen Betriebszustand beide Transistoren gleichzeitig leitend bzw. gesperrt sind, mit einer mit dem Hilfstransistor (T ₂) in Reihe geschalteten Widerstandsanordnung, an der ein Spannungsabfall auftritt, der zu dem über den Hilfs­ transistor (T ₂) fließenden Strom proportional ist und an der Basis eines weiteren mit seiner Kollektor-Emitter­ strecke zwischen die Basis des Leistungs-Transistors und die Schaltungsmasse geschalteten Sicherungs-Transistor (T ₃) zu einer Steuerspannungsänderung führt, durch die der Endstufen-Transistor (T ₁) zunehmend in dessen sperren­ den Zustand gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungs-Transistor (T ₁) über einen Vorwiderstand (R ₁) an den Steuerausgang (10) des Steuergeräts (1) angeschlossen ist, daß der Hilfs­ transistor (T ₂) mit seinem Kollektor (14) ebenfalls an den Steuerausgang (10) angeschlossen ist und zwischen dem Emitter (16) des Hilfstransistors (T ₂) und der Schaltungs­ masse (8) die Widerstands-Anordnung (R ₃, R ₄) in Form eines Spannungsteilers geschaltet ist, an deren Mittelanzapfung (18) eine mit dem über den Hilfstransistor (T ₂) fließenden Anteil (I _LH ) des Laststromes (I _L ) verknüpfte Spannungsände­ rung auftritt, und daß die Basis (19) des Sicherungstran­ sistors (T ₃) mit der Mittelanzapfung (18) dieser Wider­ stands-Anordnung (R ₃, R ₄) verbunden ist.

2. Elektronische Sicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtwiderstand der zwischen den Emitter (16) des Hilfstransistors (T ₂) und die Schaltungsmasse (8) geschalteten Widerstands-Anordnung (R ₃, R ₄) wesentlich (10- bis 1000mal) größer ist als der Vorwiderstand (R ₁) des Leistungstransistors (T ₁).

3. Elektronische Sicherung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Betriebssteuerung des Geräts (1) erzeugten Steuerspannungen den Basen (13 und 17) des Leistungstransistors (T ₁) bzw. des Hilfstransistors (T ₂) über je einen Vorwiderstand (R ₂ bzw. R ₅) zugeführt sind und daß zwischen der Basis (17) des Hilfstransistors (T ₂) und der Schaltungsmasse (8) ein Kondensator (C ₁) geschaltet ist.

4. Elektronische Sicherung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstands-Anordnung (R ₃, R ₄) mindestens einen einstellbaren Widerstand (R ₃ und/oder R ₄) umfaßt.