Устройство защиты силового транзистора Советский патент 1977 года по МПК G05F1/58 H02H7/12 H03F3/04 

1

Изобретение относится к области полупроводниковой радиоэлектроники и может быть использовано для предотврандения выхода из строя силовых транзисторов, например, в выходных каскадах мош,ных усилителей, в преобразователях и стабилизаторах напряжения, а также в автономных бесконтактных схемах защиты источников питания.

Известно устройство для защиты силового транзистора от перегрузок, содержащее датчик тока, выполненный в виде низкоомного резистора, источник порогового напряжения и усилитель разностного сигнала, который управляет проходящим через снловой транзистор током в зависимости от разности порогового напряжения и напряжения датчика тока 1. Такое устройство защищает транзистор только от перегрузок по току и не учитывает приложенного к его коллектору напряжения, что может привести транзистор к выходу из строя даже в том случае, когда ток через него не превосходит допустимой величины.

Наиболее близким к изобретению но технической сущности является устройство для защиты силового транзистора, например, в схеме стабилизированного источника, содержащее датчик тока, включенный в цепь протекания тока силового транзистора, и датчик напряжения, включенный параллельно переходу коллектор-эмиттер силового транзистора и выХОДОМ соединенный с одним пз входов усилителя разностного сигнала, другой вход которого соединен с резисторным делителем порогового напряжения, подключенным между щ)нами питания силового транзистора, а выход подключен к уиравляющему входу силового транзистора 2. Однако это устройство имеет низкий коэффициент использования силового транзистора но току или напряжению, т. е. если силовой транзистор работает в релчиме большого тока, то такое устройство не позволяет уи-;е использовать транзистор при больших коллекторных напрялчениях, и наоборот. Это обстоятельство заставляет иримепять неоправданно мопдные транзисторы в случае одновременного изменения в схеме тока и напряжения коллектора в широких пределах и тем самым существенно не доиспользовать транзистор по своим возможиостям. Кроме того, известное устройство не обеспечивает автоматического самовозврата транзистора в исходное рабочее состояние при снятии нерегрузки, так как требует для восстаиов.пеиия его работы отключения питания.

Для повышения коэффициента использования силового транзистора по току и напряженпю при ограничеппп выделяющейся на нем мощности в предлагаемом устройстве в качестве датчика напрял ения иснользозан датчик с гинерболической передаточной хаоактерпстпкой, выполненный, например, в виде трех последовательно включенных резисг0|.)ов, параллельно двум из которых, соединенным со входом усилителя, подключена последовательная цепочка из стабилитрона и резистора.

На фиг. 1 дана электрическая схема описываемого устройства; на фиг. 2 - гипербола допустимой мощности и аппроксимирующая ее ломаная линия.

Устройство для защиты силового транзистора 1 содержит линейный датчик 2 тока, включенный в цепь протекания тока защищаемого транзистора, резистивный делитель 3, подключенный к шинам питания и выполняющнй роль источника порогового напряжения, нелинейный датчик 4 коллекторного напряжения, вход которого (клеммы 5 и 6) подсоединен к эмиттерному и коллекторному электродам транзистора 1, а выход (клемма 7) включен на инвертирующий вход усилителя 8 разностного сигнала последовательно с датчиком тока так, что клемма 5 является общей для обоих датчиков, нелинейный диодно-резистивный делитель напряжения, состоящий из трех последовательно соединенных резисторов 9-11, параллельно двум из которых 9 и 10, имеющим общую точку в качестве выходной клеммы 7 датчика, включен стабилитрон 12 последовательно с резистором 13, клемму 14, сопротивление нагрузки 15 и контрольную точку 16.

В процессе работы устройства усилитель 8 постоянно производит сравнение порогового напряжения бд задатчика 3 с суммой двух напряжений, одно из которых Ui, снимаемое с датчика 2, пропорционально протекающему через транзистор 1 току, а другое Uu, снимаемое с датчика 4, пролорционально напряжению коллектор-эмиттер этого же транзистора.

При отсутствии перегрузки сигнал вп, действующий на неинвертирующий вход усилителя 8, превышает по абсолютной величине сумму сигналов , приложенную к инвертирующему входу. В этом случае усилитель находится в состоянии отсечки и его выход не оказывает шунтирующего действия прохождению на базу силового транзистора 1 сигнала с клеммы 14 основной схемы управлепия. Если же коллекторный ток или нанряжение, либо то и другое одновременно возрастают на столько, что цороговое напряжение ец оказывается меньше суммы , то возникшее разностное напряжение

(Ui+Uu

выводит усилитель 8 из состояния отсечки, и будучи усиленным, воздействует на базу транзистора 1 так, чтобы уменьшить протекающий через него ток до значения, ири котором вновь устанавливается баланс

.

Таким образом, устройство защиты осуществляет ограничение коллекторного (точнее эмиттерного) тока в зависимости от напряжения коллектор-эмиттер защищаемого транзистора. Если транзистор I находится в состоянии насыщения, то в сумме (,) величииа слагаемого Ни мала и, следовательно, допускаемый ток через транзистор может быть большим и равным току / (см. фиг. 2).

/ е„ - |7„/нас

fn нас-

где /нас - допустимый схемой ток через транзистор в режиме насыщения; 2 - сопротивление резнстивного датчика 2 тока;

и/нас - выходное напряжение датчика 4 при насыщении транзистора 1.

Если же сопротивление нагрузки 15 оказывается замкнутым накоротко, то к транзистору i нрикладывается напряжение .глния 17 и в сумме () доля слагаемого UIL, пропорционального коллекторному напряжению, сильно увеличивается. При этом усилитель 8 начинает закрывать транзистор 1 для того, чтобы уменьшить ток, а следовательно, и величину слагаемого до такого значени;, при которомвосстанавливаетсяравновесиеUi-{-iJu en- Коллекторный ток в этом случае ограничивается величиной 18, равиой

г ей - ц/к.з.

-- ггде /к.з. - ток через транзистор при коротком

замыкании нагрузки;

iJu/к.з. - выходное напряжение датчика 4 при коротком замыкании нагрузки.

Таким образом, при увеличении коллекториого напряжения схема защиты уменьшает коллекторный ток. В зависимости от величины напряжения на транзисторе 1 допустимый коллекторный ток может принимать промежуточные значения от /нас до /к.з. Коллекторный ток может стать равным и нулю, если коллекторное напряжение достигнет предельно допустимой величины 19 - Удод. Форма зависимости тока через транзистор 1 от наиряже ия коллектор-эмиттер определяется передаточной характеристикой датчика 4 напряжения, т. е. функцией (/кэ). Чем больше коэффициент нередачи коллекторного напряжения на вход усилителя 8, тем быстрее растет величина Uu и, следовательно, тем резче уменьшается коллекторный ток при уьеличенип напряжения на коллекторе, и наоборот. Передаточная характеристика датчика 4 позволяет произвести аппроксимацию гиперболы допустимой для транзистора мощности двумя отрезками ломаной линии. Наклон первого крутого участка 20 ломаной задается тем, что до точки перегиба 21-t/nep иапряжение UK передается на вход усилителя с большим киэффициентом передачи, равным

К

кэ 9 + :о

Ri -ДО ТОЧКИ перегиба.

где RS-Rn - сопротивления соответствующих резисторов.

После того, как коллекторное 1 апряжение начиет иревосходить величину f/nep. наиряжение в точке 16 достигнет напряжения пробоя стабилитрона 12 и резисторы 9 и 10 делителя с этого момента будут зашунтированы низкоомной цепью стабилитрона с последовательным резистором 13, так что коэффициент передачи напряжения на вход усилителя уменьшится и станет равным величине /(2.

К,

9+)

RO + 10 + 11 I +

f/-стУ 13

после точки перегиба,

где Гст - динамическое сопротивление стабилитрона.

Поэтому зависимость коллекторного тока от коллекторного напряжения на этом участке станет слабее и пойдет с более слабым наклоном 22.

Параметры элементов схемы защиты рассчитывают так, чтобы ломаная линия не -выходила за рамки, ограниченные гиперболой и осями координат.

Формула изобретения

Устройство для защиты силового транзистора, например, в схеме стабилизированною ;u:точника, содержащее датчик тока, включенный в цепь протекания тока силового транзистора, и датчик напряжения, включенный параллельно переходу коллектор-эмиттер силового транзистора и выходом соединенный с одним из входов усилителя разностного сигнала, другой вход которого соединен с резисторным делителем порогового напряжения, подключенным мелсду щинами иитания силового

транзистора, а выход подключен к управляющему входу силового транзистора, отличающееся тем, что, с целью иовыщения коэффициента использования силового транзистора по току и напряжению при ограничении выделяющейся на нем мощности, в качестве датчика напряжения использован датчик с гиперболической передаточной характеристзпшй, выполненный, например, в виде трех последовательно включенных резисторов, параллельно

двум которых, соединенным со входом усилителя, подключена последовательная цепочка из стабилитрона и резистора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1.Авторское свидетельство СССР № 323827, кл. И 02h 7/20, 1969 (аналог).

2.Авторское свидетельство СССР № 336655, кл. G 05 1/10, 1970 (прототип).

+ 0I

18

(ригЛ