DE1097539B

DE1097539B - UEberspannungsschutzeinrichtung

Info

Publication number: DE1097539B
Application number: DEG28780A
Authority: DE
Inventors: Joseph Edward Murphy; Francis Joseph Starzec
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1959-01-13
Filing date: 1960-01-12
Publication date: 1961-01-19
Also published as: US3048718A; GB897891A

Description

Die Erfindung betrifft Überspannungsschutzsysteme, insbesondere eine Schaltung zum Schutz von Transistoren gegen Überspannungen.

Zum Schutz von Transistoren gegen Überspannungen sind Spannungsregeleinrichtungen vorgeschlagen worden. Der Regler selbst ist jedoch nicht zuverlässig, da der Regeltransistor während eines langsamen Ausgleichsvorgangs im ungesättigten Gebiet arbeitet, was zu hoher Leistungsaufnahme und Versagen des Transistors führt. Derartige Nachteile bekannter Systeme werden durch die Erfindung vollkommen vermieden.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein auf Überspannungen ansprechender Kreis zwischen die Spannungsquelle 10 und den Verbraucherkreis 12 geschaltet ist, der einen Transistor 18 enthält, welcher im Laststrompfad zwischen der Spannungsquelle 10 und dem Verbraucherkreis 12 liegt und so geschaltet ist, daß er normalerweise voll leitend ist, bei Überspannungen der Spannungsquelle 10 jedoch nichtleitend wird.

Die Erfindung und ihre Durchführung ist im nachfolgenden unter Bezug auf die Zeichnungen genauer beschrieben.

Fig. 1 ist das Grundschaltbild einer Schutzschaltung gegen Überspannungen;

Fig. 2 ist das Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer Schutzschaltung gegen Überspannungen.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung in einer Schutzschaltung gegen Überspannungen zwischen einer Spannungsquelle 10 und einem Verbraucher 12. Die Spannungsquelle 10 kann beispielsweise eine Flugzeug-Gleichspannungsquelle mit einer Nennspannung von 28VoIt und einer zulässigen Spannungsschwankung von + 10 und —20% sein. Die Richtlinien für derartige Energiequellen fordern, daß Überspannungen von mehr als 0,02 Sekunden Dauer auf eine Maximalspannung von 80 Volt begrenzt sein müssen und die Zeitdauer der Umhüllenden der maximalen Amplitude einer Reihe von Überspannungswellen kleiner als 0,44 Sekunden ist. Einzelne Ausgleichsvorgänge oder eine Serie von Überspannungswellen von weniger als 0,02 Sekunden Dauer dürfen 80 Volt überschreiten und werden durch einen Filterkreis (nicht dargestellt) vor der Schutzschaltung in geeigneter Weise begrenzt. Der Verbraucher, in Fig. 1 der Einfachheit halber durch einen Widerstand 12 dargestellt, kann ein Radiosender oder -empfänger mit Transistoren sein. Ein derartiger Verbraucher darf wegen der Eigenschaften der Transistoren nicht Spannungen, die einen vorbestimmten Wert, beispielsweise 36 Volt, überschreiten, ausgesetzt werden.

Der auf die Überspannungen ansprechende Schaltkreis hat Eingangsklemmen 14 und 15 und Ausgangs-

überspannungsschutzeinriditung

Anmelder:

General Motors Corporation,
Detroit, Mich. (V. St. A.)

Vertreter: Dr. W. Müller-Bore

und Dipl.-Ing. H. Gralfs, Patentanwälte,

Braunschweig, Am Bürgerpark 8

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 13. Januar 1959

Francis Joseph Starzec, Fullerton, Calif.,

und Joseph Edward Murphy, Cudahy, Wis. (V. St. A.),

sind als Erfinder genannt worden

klemmen 16 und 17 und enthält einen gesteuerten Transistor 18 und einen Steuertransistor 20, die zwischen Eingangs- und Ausgangsklemmen gekoppelt sind und als Transistorschalter arbeiten. Die Transistoren 18 und 20 in dieser Ausführungsform sind PNP-Leistungstransistoren. Bei geeigneter Umkehr der Polaritäten können jedoch auch NPN-Transistoren verwendet werden.

Der gesteuerte Transistor 18 hat einen Ausgangskreis, der zwischen Emitter und Kollektor liegt und über die Klemmen der Spannungsquelle geschaltet ist, wobei der Lastwiderstand 12 im Kollektorkreis und ein Serien widerstand 22 im Emitterkreis liegt. Der Eingangskreis des gesteuerten Transistors 18 liegt zwischen Emitter und Basis, wobei ein strombegrenzender Widerstand 24 im Basiskreis liegt. Im Normal zustand, d. h. wenn keine Überspannung an den Eingangsklemmen auftritt, ist der gesteuerte Transistor durch den vom Emitter zur Basis fließenden Strom so vorgespannt, daß die Emitter-Kollektor-Strecke, über die der gesamte Laststrom fließt, auf Durchlaß geschaltet ist.

Der Eingangskreis des Steuertransistors 20 liegt zwischen Emitter und Basis und enthält den Serienwiderstand 22 und einen Widerstand 26. Der Widerstand 26 liegt in Reihe mit einer spannungsabhängigen

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Einrichtung, z.B. einer Zenerdiode28, die durch An- spannung des gesteuerten Transistors 18 erzeugt. In schluß an den Verbindungspunkt der Spannungsteiler- diesem Zustand trennt daher Transistor 18 nicht vollwiderstände 30 und 32 über den Eingangsklerftmen kommen, sondern ist etwas leitend und arbeitet im Beentgegengesetzt vorgespannt ist. Wie bekannt, hat die reich hoher Leistungsaufnahme, die zur Zerstörung des Zenerdiode die Eigenschaft, unter Einhaltung einer S Transistors führt. Bei der Ausführungsform nach genau konstanten; Spannung in entgegengesetzter Rieh- Fig. 2 wird dieser Zustand durch Erzeugung eines getung leitend zu werden, wenn eine vorgegebene nau konstanten Spannungsabfalls im Eingangskreis des Schwfellwertspäiiniing überschritten wird, bei nied- Transistors 18 vermieden. Genauer beschrieben, ist rigeren Spannungen jedoch völlig nichtleitend zu sein. eine Diode 34, geeigneterweise vom Halbleitertyp, Der Ausgangskreis des Steuertransistors 20 liegt zwi- io zwischen Emitter des Transistors 18 und Emitter des sehen Emitter und Kollektor und enthält den Wider- Transistors 20 geschaltet und liegt in Serie mit einem stand 24 im Kollektorkreis. Im Normalzustand ist der hochohmigen Widerstand 36, der mit der Eingangs-Steuertransistor20 durch den am vom Laststrom klemme 15 verbunden ist und so einen Spannungsteiler durchfiossenen Serienwiderstand22 entstehenden Span- bildet. Die Diode 34 führt so^; den veränderten Lastnungsäbfäll so gepölt, daß er nichtleitend ist. 15 strom und erzeugt einen genau konstanten gerichteten

Im Betrieb der Schaltung nach Fig. 1, vorausgesetzt, Spannungsabfall, der den Spannungsabfall über der daß die Spannung an den Eingatigsklemmen einen Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 20 übervorgegebenen Wert nicht überschreitet, ist der Steuer- schreitet, wenn der Transistor 20 leitet* um so Trantransistor 20 nichtleitend und der gesteuerte Transi- sistor 18 entgegengesetzt vorzuspannen. Demzufolge stör 18 ist leitend und führt den Laststrom. Bei Auf- 20 trennt Transistor 18 vollkommen, und seine Leistungstreten einer Überspannung am Eingang, die den vor- aufnahme ist auf ein Minimum reduziert,
gegebenen Wert überschreitet, erreicht die Zenerdiode Um den Betrieb der auf die Überspannungen an-

28 ihre Durchbruchsspannung, so daß Strom durch sprechenden Schaltung bei Laständerungen zu stabiliden Widerstand 26 fließt. sieren, ist eine Diode 38, geeigneterweise vom HaIb-

Ist der Spannungsabfall am Widerstand 26 kleiner 25 leitertyp, in den Läststromkreis zwischen Emitter und als die Spannung am Serienwiderstand 22, so wird Basis des Transistors 20 geschaltet. Die Diode 38 stader Steuertransistor 20 so gepolt, daß sein Ausgangs- bilisiert bei Laständerungen den Schältpunkt, da sie kreis über Widerstand 24 leitend wird. Der am Wider- einen genau konstanten Spannungsabfall vermittelt, stand 24 entstehende Spannungsabfall verringert die Demzufolge bleibt die Vorspannung für den Transistor Basisspannung des gesteuerten Transistors 18 und da- 30 20 und damit dessen Verstärkung in einem großen mit die Leitung von dessem Ausgangskreis, Demzu- Laständerungsbereieh konstant.

folge wird der Spannungsabfall am Serienwiderstand Die Temperaturcharakteristik von Transistoren

22 reduziert und der Steuertransistor 20 wird weiter verläuft derart, daß bei steigender Temperatur für ausgesteuert, wodurch der Stromfluß durch Wider- einen gegebenen Basisstrom der Kollektorstrom zustand 24 vergrößert wird und der gesteuerte Transi- 35 nimmt,- was dazu führt, daß eine erhöhte entgegenstor 18 weiter in dem Sinne vorgespannt wird, daß er gesetzte Vorspannung zur Aufrechterhaltung der nichtleitend wird. Wegen der Kopplung der Transi- Transistortrennanlage erforderlich ist. Wird keine stören erfolgt dieser Schaltvorgang sprunghaft und Temperaturkompensation' vorgesehen, so tritt der die Spannungsquelle wird vom Verbraucher getrennt. Schaltpunkt der Schutzschaltung bei geringerer Span-Sinkt die Überspannung unter den vorgegebenen Wert 40 mung auf,· wenn die Temperatür zunimmt. In bestimmab, so kehrt die Zenerdiode 28 in den nichtleitenden ten Anwendungsfällen, insbesondere dann, wenn der Zustand zurück, der Spannungsabfall am Parallel- Verbraucherwiderstand in der gleichenGrößenördnüng widerstand 26 geht gegen Null, und der Spannungs- wie der Emitter-Kollektor-Widerstand des gesteuerten abfall am Serienwiderstarid22 bestimmt wieder die Transistors lS liegt, bewirkt die Diode 38 auch eine Vorspannung des Steuertransistors 20 so, daß dieser 45 Temperaturstabilisierung des Schaltpunktes. Die Diode nichtleitend ist. Entsprechend bewirkt der abnehmende 38 hat einen negativen Temperaturkoeffizienten, so Strom durch Transistor 2Ö eine Abnahme des Span- daß ein infolge steigender Temperatur zunehmender nungsabiälls aiii Widerstand 24, woraus sich die nega- Stromfluß durch Transistor 18 an der Diode 38 einen tive Basisspan-niing für den gesteuerten Transistor 18 Spannungsabfall erzeugt, der im wesentlichen konefgibt. Dies bewirkt eine Stf orrtzunahme durch Wider- 50 stant bleibt. Die Diode 38 bewirkt daher die Einhalstand 22, woraus sieh ergibt, daß Transistor 20 seinen rung einer konstanten. Vorspannung für dew Transistor nichtleitenden Zustand schneller erreicht und ein auf- 20 über einen großen Temperaturbereich,
schaukelnder Vorgang eintritt. Das Ergebnis ist ein Um jedoch trotz Temperatüränderungen den Schaltsofortiges Schalten beider Transistoren. Die Grund- punkt bei jedem Lastwiderstandswert konstant zu halschalturig nach Fig. 1 bietet ein vorteilhaftes Schalt- 55 ten, insbesondere bei hochohmigeti Belastungen, evverhältefi, kann, jedoch in der Praxis einen uner- scheint es geeignet; eine Zenerdiode 28 mit einem wünschtet! Leistüngsverbrauch des gesteuerten Tran- gegen Null gehenden Widefstands-Temperaturkoeffisistörs 18 aufweisen sowie mangelnde Stabilität in- zienten zu verwenden und für die Tf ansistörkreise eine folge der Eigenschaften der Transistoren und deren Temperaturkompensation; vorzusehen. Dies wird durch Verhalten bei Temperäturschwänkungen. Demgemäß 60 einen Thermistor (NTC-Widerstand) 40 mit einem wird diese GfUiidschältüng vorteilhaft weitergebildet, negativen Temperäturkoeffizienten' bewirkt, der mit wie in Fig. 2 dargestellt ist. Hierin sind gleiche Schalt- dem Spannungsteilerwidef stand 32 im Serie geschaltet elemente durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet, ist. Ein Widerstandspaar 42 und 44 liegt zu dem Ther- und es werden zusätzliche Elemente verwendet. Bei mistor 40 parallel,· so daß der negative Verlauf der der Schaltung nach Fig. 1 bewirkt das Auftreten einer 65 Temperaturcharäkteristik des Spannungsteilers dem über den vorgegebenen Wert hinausgehenden Über- Verlä-uf dör Charakteristik der Trtosistorkreise entspannung, daß Transistor 20 voll schaltet und der ge- gegengesetzt ist. Eine andere Möglichkeit besteht steuerte Transistor IS völlig trennt. Auch bei voll ein.- darin, zur Temperaturstabilisierung eine Zenerdiode geschaltetem Transistor 20 weist dieser Transistor eine mit einer positiv verlaufenden· Temperaturcharaktegewisse Restspannung auf, die eine geringe Basisvor- 7° ristik, die gleich der negativen Temperaturchafakte-

ristik der Transistofkreise ist, zu verwenden, wobei die Widerstände 42 und 44 und der Thermistor 40 entfallen können. Die Einstellbarkeit des Schaltpunktes ist durch Verwendung eines veränderlichen Widerstandes 26' in Serie mit der Zenerdiode 28 gegeben.

Im Betrieb der Ausführungsform nach Fig. 2, bei der die Spannungsquelle 10 über die Schutzschaltung mit dem Verbraucher 12 verbunden ist, wird der Transistor 20 dann, wenn keine Überspannung, die den durch die Zenerdiode 28 und die Einstellung des veränderlichen Widerstandes 26' vorgegebenen Wert überschreitet, vorhanden ist, durch den Spannungsabfall an der Diode 38 in nichtleitendem Zustand gehalten. In diesem Zustand ist der Transistor 18 voll leitend. Die Verstärkung der Transistoren 18 und 20 und damit der Schaltpunkt des Kreises bleibt infolge der Temperaturkompensation durch den Termistor 40 und durch den konstanten Spannungsabfall, den die Diode 38 vermittelt, trotz Temperatur- und Laststromschwankungen konstant.

Darüber hinaus wird der Transistor 18 durch den an der Diode 34 entstehenden konstanten Spannungsabfall im Stromsättigungsgebiet gehalten, so daß er mit geringer Leistungsaufnahme arbeitet. Tritt eine Überspannung auf, die den vorgegebenen Wert überschreitet, so leitet die Zenerdiode 28., und Transistor 20 wird vorgespannt, wenn der Spannungsabfall am Widerstand 26' den an der Diode 38 überschreitet. Demzufolge erzeugt der Kollektorstrom des Transistors 20 einen Spannungsabfall am Widerstand 24, der den Transistor 18 steuert, daß dieser nichtleitend wird. Der Schaltvorgang erfolgt natürlich sprunghaft, und die Speisespannung wird vom Verbraucherkreis getrennt, bis die Ausgleichsspannung wieder unter den vorgegebenen Wert sinkt. An diesem Punkt wird Transistor 20 sofort nichtleitend und Transistor 18 voll leitend, so daß ein Strom zum Verbraucher fließt.

Claims

Patentansprüche: 40

1. Überspannungsschutzeinrichtung für einen Verbraucherkreis mit Transistoren, der von einer Spannungsquelle mit Überspannungen gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf Überspannungen ansprechender Kreis zwischen die Spannungsquelle (10) und den Verbraucherkreis (12) geschaltet ist, der einen Transistor (18) enthält, welcher im Laststrompfad zwischen der Spannungsquelle (10) und dem Verbraucherkreis (12) liegt und so geschaltet ist, daß er normalerweise voll leitend ist, bei Überspannungen der Spannungsquelle (10) jedoch nichtleitend wird.

2. Überspannungsschutzeinrichtung für einen Verbraucherkreis mit Transistoren, der von einer Spannungsquelle mit Überspannungen gespeist wird, gekennzeichnet durch einen gesteuerten Transistor (18), der in Reihe mit der Spannungsquelle (10) und dem Verbraucherkreis (12) ge- schaltet ist und normalerweise so vorgespannt ist, daß er voll leitend ist, durch einen Steuertransistor (20), dessen Ausgangskreis mit dem Eingangskreis des gesteuerten Transistors (18) verbunden ist und der normalerweise so gesteuert ist, daß er nichtleitend ist, wobei der Eingangskreis des Steuertransistors (20) parallel zur Spannungsquelle (10) liegt und geeignet ist, in Abhängigkeit von Überspannungen der Spannungsquelle (10) den Steuertransistor (20) voll leitend und den gesteuerten Transistor (18) nichtleitend zu machen, so daß der Verbraucherkreis (12) von der Spannungsquelle (10) getrennt wird.

3. Überspannüngsschutzeinrichtung für einen Verbraucherkreis mit Transistoren, der von einer Spannungsquelle mit Überspannungen gespeist wird, gekennzeichnet durch einen gesteuerten Transistor (18), dessen Ausgangskreis in Reihe mit der Spannungsquelle (10) und den Verbraucherkreis (12) geschaltet ist und dessen Eingangskreis normalerweise durch die Spannungsquelle (10) vorgespannt ist, und durch einen Steuertransistor (20) und eine spannungsabhängige Einrichtung, die mit dem Eingangskreis verbunden sind, um in Abhängigkeit von Überspannungen der Spannungsquelle (10) den gesteuerten Transistor (18) zu sperren.

4. Schutzeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangskreis des Steuertransistors (20) über einen Vorwiderstand (26) und eine spannungsabhängige Einrichtung (28) parallel zur Spannungsquelle (10) geschaltet ist, um einen Leitschwellwert bei einer vorgegebenen Spannung der Spannungsquelle (10) zu vermitteln.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsabhängige Einrichtung (28) eine Zenerdiode ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangskreis des gesteuerten Transistors (18) ein Widerstandselement im Kreis der ersten Elektrode enthält, ein Spannungsteilerwiderstand in Reihe mit dem Widerstandselement über die Spannungsquelle (10) geschaltet ist und der Ausgangskreis des Steuertransistors (20) parallel zur dritten Elektrode des gesteuerten Transistors (18) und dem Widerstandselement liegt.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement eine Diode (34) ist, die so gepolt ist, daß sie vorwärtsleitend in der gleichen Richtung wie die erste und dritte Elektrode des gesteuerten Transistors (18) ist.

8. Überspannungsschutzeinrichtung, gekennzeichnet durch erste und zweite Dioden (38, 34), die in den Ausgangskreis zwischen eine Eingangsklemme (14) und den gesteuerten Transistor (18) geschaltet sind, durch einen Begrenzungswiderstand (24) im Ausgangskreis zwischen der anderen Eingangsklemme (15) und dem gesteuerten Transistor (18), durch eine Zenerdiode (28) und einen Vorspannungswiderstand (26) in Reihe parallel zu den Eingangsklemmen (14, 15), weiterhin durch einen Steuertransistor (20) mit einem Ausgangskreis, der mit dem Eingangskreis des gesteuerten Transistors (18) verbunden ist, und einem Eingangskreis, der über den Vorspannungswiderstand (26) und die erste Diode (38) geschaltet ist, so daß normalerweise der Steuertransistor (20) entgegengesetzt vorgespannt ist, und durch einen Spannungsteilerwiderstand (36), der über die zweite Diode (34) mit den Eingangsklemmen verbunden ist, wobei die Zenerdiode (28) geeignet ist, bei einer vorgegebenen Spannung an den Eingangsklemmen (14, 15) leitend zu werden, so daß der Steuertransistor (20) leitend und der gesteuerte Transistor (18) durch den Spannungsabfall an der zweiten Diode entgegengesetzt vorgespannt wird, um den Laststrom abzuschalten.

9. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zenerdiode (28) einen

Widerstands-Temperaturkoeffizienten von genau Null hat und eine temperaturabhängige Widerstandskonibination (40., 42, 44) über den Spannungsteilerwiderstand (32) parallel zur Spannungsquelle geschaltet ist, welche eine Temperatur-

charakteristik aufweist, die umgekehrt wie die der Transistoren verläuft, so daß die Vorspannung an der Zenerdiode (28) sich so ändert, daß die Einrichtung von der Temperatur unabhängig arbeitet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen