Circuit de protection pour transistor
Le circuit selon l'invention a rapport avec la protection des transistors contre une surintensité accidentelle du courant de sortie, et plus particulièrement des transistors utilisés en commutation.
De tels transistors fonctionnent à l'état de saturation, celui-ci étant défini par le fait qu'un accroissement du courant de base n'amène aucune augmentation du courant collecteur. I1 peut arriver qu'à la suite d'un incident d'exploitation, par exemple un courtcircuit plus au moins franc de la résistance de charge du transistor, le courant collecteur croisse brusquement alors que le transistor était à l'état de saturation. Le courant de saturation étant ainsi dépassé, la tension collecteur-émetteur augmente ainsi que la puissance dissipée à l'intérieur du transistor et entraîne très rapidement sa destruction.
Le circuit selon l'invention permet de protéger le transistor contre ces intensités anormales y compris celles provoquées par un court-circuit franc.
On connaît déjà des dispositifs de protection des transistors contre les surintensités, mais ils comportent généralement une impédance supplémentaire en série avec la charge, ce qui occasionne une perte de puissance en fonctionnement normal, ou bien ils utilisent plusieurs transistors' de protection, ou bien le transistor de protection est un transistor de puissance pouvant supporter l'excédent de puissance dissipée.
La présente invention a pour objet un circuit comprenant deux transistors dont l'un a pour rôle de protéger l'autre contre des surintensités accidentelles de son courant de sortie, le transistor protégé pouvant être un transistor de commutation fonctiomznant à l'état de saturation, circuit das lequel le transistor protecteur est mis en oeuvre par ces surintensités elles-mêmes, le circuit de sortie du transistor protecteur est connecté à une première borne d'une première résistance, cette première borne étant connectée à la base du transistor protégé de manière que le signal de sortie du transistor protecteur dans son état accidentel bloque le transistor protégé, la deuxième borne de ladite première résistance recevant le signal de commande normale du transistor protégé,
et la base du transistor protecteur est connectée au circuit de sortie du transistor protégé de manière que le potentiel de sortie normal du transistor protégé maintienne le transistor protecteur dans son état normal quels que soient les signaux appliquées par ailleurs à cette base du transistor protecteur, la base du transistor protecteur étant connectée en parallèle d'une part à travers une deuxième résistance (3) à ladite deuxième borne de ladite première résistance de manière que le signal de commande normal de conduction du transistor protégé fasse parvenir au circuit de base du transistor protecteur à travers cette deuxième résistance un courant auxiliaire apte à mettre ce transistor protecteur dans son état accidentel,
et d'autre part à un condensateur de capacité suffisante pour que la variation de sa charge compense ledit courant auxiliaire lors de l'application dudit signal de commande normale de conduction pendant un temps suffisant à l'établissement de l'état de conduction du transistor protégé.
Selon une première forme de l'invention, les émetteurs des deux transistors étant reliés tous deux directement à la polarité positive de la source, les circuits sont tels que la base du transistor protecteur est à un potentiel trop élevé, aussi longtemps que se prolonge l'état de saturation du transistor protégé, pour que le transistor devienne conducteur.
Selon une deuxième forme de l'invention, I'émet- teur du transistor protecteur est relié à la polarité positive de la source à travers une diode d'accès et son potentiel reste inférieur au potentiel de base du même transistor aussi longtemps que se prolonge l'état de saturation du transistor à protéger, la chute de tension étant moins importante à travers la diode de dérivation du transistor à protéger qu'à travers la diode d'accès de l'émetteur du transistor protecteur.
D'ailleurs, l'invention sera bien comprise par la description illustrative et non limitative qui suit à
I'aide des dessins schématiques ci-joints, parmi lesquels:
la fig. 1 représente un circuit selon l'invention.
la fig. 2 représente une variante du circuit selon l'invention appliquée à la protection d'un relais télégraphique.
A la fig. 1, TA est le transistor normalement utilisé et qui doit être protégé, et Tp est le transistor de protection. Le collecteur TA est relié d'une part à sa résistance de charge RL et d'autre part à la base du transistor Tp à travers deux diodes DG (qui est de préférence une diode au germanium) et D5 (qui est de préférence une diode au silicium), les deux diodes étant montées en opposition et l'anode DG étant reliée au collecteur de TA. Le point C, commun aux cathodes des deux diodes, est relié à un point A à travers une résistance R3 et la base Tp est reliée à deux circuits, d'une part à une polarité positive à travers une résistance R4 et, d'autre part à l'armature d'un condensateur C1 dont l'autre armature est reliée à la polarité positive.
La base du transistor TA est reliée à travers une diode de Zener DZ à un point B commun au collecteur du transistor Tp à une extrémité d'une résistance R2, L'autre extrémité de R2 étant reliée au point
A. Le point A est encore relié, à travers une résistance
R1, à un interrupteur K dont la borne extérieure est reliée à la polarité négative. Les émetteurs des transistors Tp et TA sont reliés à la polarité positive et la base de TA est aussi reliée à travers la résistance R5 à la polarité positive.
Le fonctionnement est celui-ci, en supposant d'abord que tout se passe normalement:
La mise en service est faite par fermeture de l'interrupteur K simultanément sur deux circuits; le premier est celui-ci: polarité négative, interrupteur K fermé, résistance R1, résistance R2, diode DZ en caractéristique inverse, résistance R5 et polarité positive. La base de TA qui était au potentiel positif de la source passe à un potentiel plus petit par suite de la chute de tension dans la résistance R5; le transistor
TA devient donc conducteur. Le second circuit est celui-ci: R1, R3, DS et, en parallèle, Ci et R4.
Le condensateur C1 se charge entre le pôle positif et le pôle négatif auquel il est connecté à travers R1,
R3 et DS. Ce courant de charge de C1 retarde la mise en conduction du transistor Tp, mise en conduction qui sans cela résulterait de la chute de tension dans la résistance R4.
Le transistor TA étant conducteur, le potentiel du point E est voisin de la polarité positive, et la diode DG est passante. Un courant passe par le circuit R1,
R3, DG et le transistor TA qui dérive le courant de base du transistor Tp, le circuit (DG, TA] étant beaucoup moins résistant que le circuit (Ds, Tp) et shuntant très fortement ce dernier. Le transistor Tp est ainsi maintenu dans son état non-conducteur, et sa présence ne modifie pas les courants traversant R2,
DZ et R5 donc, le transistor TA se maintient à l'état conducteur.
On suppose à présent, que le débit de TA devient excessif, par exemple par suite d'un court-circuit de la charge RL, c'est-à-dire que l'inégalité qui exprime la condition de saturation d'un transistor: BIB)IC
fi est le gain du transistor,
IB le courant de base et
Ic le courant de collecteur, tend à s'inverser.
Dans ces conditions, le potentiel du point E devient inférieur à celui du point C. La diode DG se trouve polarisée à l'inverse et bloque le circuit entre C et E. Un autre circuit se ferme: polarité négative, interrupteur K fermé, résistance R1, résistance R3, diode D5, résistance R4 et polarité positive. Le point D passe à un potentiel inférieur à celui de l'émetteur et le transistor Tp devient passant. Le point B sur le collecteur Tp prend un potentiel positif qui bloque immédiatement le transistor TA.
I1 est bien évident que les résistances R1 et R3 sont choisies en fonction de la résistance RL de manière que l'ensemble des deux dérivations sur le collecteur de TA (RL d'une part, DG, R3 et R1 d'autre part) corresponde à une charge normale en régime permanent de saturation.
I1 faut également que les résistances R2 et R1 en série correspondent à la charge normale du transistor
Tp lorsque celui-ci est devenu passant
On voit qu'il s'agit d'une bascule bistable d'un type spécial:
a - le condensateur obliege le transistor TA à s'enclencher le premier.
b - le débit anormal de TA provoque le changement d'état qui a pour effet de bloquer ce transistor par la mise en conduction du transistor Rp.
L'exemple de fonctionnement que nous venons de voir s'applique à un transistor de type PNP à protéger, le même principe pourrait être conservé pour la protection d'un transistor de type NPN, il suffirait pour cela d'inverser les trois diodes D5, DG et Dz en adaptant les polarités.
Si l'on veut signaler le défaut par un moyen optique ou sonore, l'on prend une dérivation S sur le collecteur du transistor Tp vers les organes de signalisation dont l'autre borne est reliée au négatif. Des diodes Dt et D2 empêchent alors d'éventuels retours de positif soit en provenance de S pour Dt soit à destination de S pour D2.
La diode au germanium, ayant une résistance interne moindre que la diode au silicium, provoque une chute de tension plus petite. La diode de Zener donne un meilleur blocage qu'une diode ordinaire au moment où le transistor protecteur devient passant.
La fig. 2 représente une application de l'invention à la protection d'une sortie de relais télégraphique électronique.
I1 convient tout d'abord de rappeler le rôle clash sique d'un tel relais:
I1 reçoit à son entrée un signal qui peut prendre deux valeurs distinctes: l'une est appelée positif télégraphique et l'autre négatif télégraphique . Le positif télégraphique correspond par exemple à un potentiel de +48V par rapport à la terre télégraphique représentée conventionnellement par deux cercles concentriques, et le négatif télégraphique correspond à un potentiel de -48 V par rapport à cette même terre télégraphique. Quand le relais reçoit à son entrée le positif télégraphique fournit également en sortie le positif télégraphique par mise d'une sortie en connexion avec la borne positive d'une batterie télégraphique .
De même, quand il reçoit le négatif télégraphique il met une sortie en connexion avec la borne négative de cette même batterie, dont une borne médiane est reliée à la terre télégraphique.
Le relais est classiquement composé de deux parties: L'une assure la connexion de la sortie au positif de la batterie, et l'autre au négatif, l'une ou l'autre de ces deux parties étant mise en action selon que le signal d'entrée est positif ou négatif. Cette mise en action serait par l'établissement d'une connexion, d'une part une borne de commande de la partie actionnée, et d'autre part la terre télégraphique. La fig. 2 ne représente, dans un souci de simplification que l'une des deux parties du relais, à savoir celle qui permet la fourniture du positif télégraphique en sortie.
Mais il est bien évident que la présente invention s'applique exactement de la même manière à l'autre partie du relais. Ces deux parties peuvent en effet être constituées symétriquement, les polarités étant inversées, les transistors PNP étant remplacés par des transistors
NPN et le sens des diodes étant inversé.
En se référant à la fig. 2, la mise en action de la partie de relais représentée se fait par fermeture de l'interrupteur K. Cette fermeture est commandée par l'arrivée à l'entrée du relais d'un positif télégraphique.
Elle a pour effet de mettre le circuit de commande de la partie de relais représentée en connexion avec la terre télégraphique Tg. Bien entendu, dans un relais électronique l'interrupteur K est constitué lui-même par un circuit à semi-conducteur et ce n'est que par souci de simplification qu'il est représenté sous la forme classique d'un interrupteur mécanique.
Une sortie du relais télégraphique est représentée en S1 et les pertes d'energie sur la ligne télégraphique sont représentées par la résistance de charge RL connectée entre la sortie Si et la terre télégraphique
Tg.
Supposons qu'un positif télégraphique soit reçu à l'entrée du relais télégraphique: ceci revient à supposer que l'interrupteur K se ferme. Le fonctionnement est alors celui-ci: un courant parcourt le circuit terre télégraphique, interrupteur K, résistance R2a, diode de
Zener DZj en caractéristique inverse, résistance Ri, borne positive de la batterie télégraphique (représentée par une signe + dans un cercle). La base du transistor T1 étant à un potentiel inférieur à celui de l'émetteur du fait de la chute de tension dans la résistance Ri, le transistor T1 devient passant et place la polarité positive télégraphique sur la sortie Si du relais.
A l'instant où K a été fermé, un autre circuit à travers Cia et R2 a permis la charge du condensateur, ce qui a retardé la mise en conduction du transistor T,,, mise en conduction qui, s'il n'y avait pas eu de condensateur, aurait été entraînée immédiatement par la chute de tension dans la résistance R4a.
La diode au germanium DGa présentant une résistance interne moindre que la diode au silicium DSa, et d'autre part la résistance R2 étant plus grande que la résistance R3a, le potentiel de la base Tpa sera plus élevé que le potentiel de l'émetteur, la chute de tension à travers DSa étant plus élevée qu'à travers DGa. Le transistor Tpa se trouve donc à l'état bloqué et cet état se prolonge aussi longtemps que se prolongent les mêmes conditions. Au lieu d'utiliser des diodes DSa et
DGa de caractéristiques différentes, il est possible d'utiliser les mêmes diodes en plaçant deux en série au lieu de DSa et une seule au lieu de DGa.
Si, à la suite d'un incident, le transistor de sortie
T1 du relais télégraphique est traversé par un courant excessif, le potentiel en S1 diminue, la diode DGa se bloque et le circuit qui maintenait Tpa bloqué se trouve interrompu. La base du transistor Tpa prend alors à travers R4a un potentiel moins élevé que celui de l'émetteur à travers DSa, la chute de tension dans
R4a étant beaucoup plus importante qu'à travers DSa.
Le transistor Tpa devient donc passant et bloque le transistor T, à travers la diode de Zener DZ1. Toutes les résistances sont évidemment choisies pour permettre un fonctionnement normal de chacun des transistors dans les deux cas de fonctionnement normal du relais et d'incident.
I1 est bien entendu que de nombreuses modifications peuvent être apportées au circuit qui vient d'être décrit sans sortir du cadre de l'invention. Il est notamment possible de la concevoir de sorte que le transistor protecteur, soit passant en même temps que le transistor protégé, qui serait alors bloqué par le blocage du transistor protecteur.
Protection circuit for transistor
The circuit according to the invention relates to the protection of transistors against an accidental overcurrent of the output current, and more particularly of the transistors used in switching.
Such transistors operate in the saturation state, this state being defined by the fact that an increase in the base current does not lead to any increase in the collector current. It may happen that following an operational incident, for example a more or less clear short-circuit of the load resistance of the transistor, the collector current increases suddenly while the transistor was in the saturation state. The saturation current being thus exceeded, the collector-emitter voltage increases as does the power dissipated inside the transistor and very quickly leads to its destruction.
The circuit according to the invention makes it possible to protect the transistor against these abnormal currents including those caused by a dead short-circuit.
Devices for protecting transistors against overcurrents are already known, but they generally include an additional impedance in series with the load, which causes a loss of power in normal operation, or they use several transistors' protection, or else the Protective transistor is a power transistor that can withstand excess dissipated power.
The present invention relates to a circuit comprising two transistors, one of which has the role of protecting the other against accidental overcurrents of its output current, the protected transistor possibly being a switching transistor operating in the saturation state, circuit in which the protective transistor is operated by these overcurrents themselves, the output circuit of the protective transistor is connected to a first terminal of a first resistor, this first terminal being connected to the base of the protected transistor so that the output signal of the protective transistor in its accidental state turns off the protected transistor, the second terminal of said first resistor receiving the normal control signal of the protected transistor,
and the base of the protective transistor is connected to the output circuit of the protected transistor such that the normal output potential of the protected transistor maintains the protective transistor in its normal state regardless of the signals otherwise applied to this base of the protective transistor, the base of the protective transistor being connected in parallel on the one hand through a second resistor (3) to said second terminal of said first resistor so that the normal conduction control signal of the protected transistor sends to the base circuit of the protective transistor through this second resistor an auxiliary current capable of putting this protective transistor in its accidental state,
and on the other hand to a capacitor of sufficient capacity so that the variation of its charge compensates for said auxiliary current during the application of said normal conduction control signal for a time sufficient for the establishment of the conduction state of the transistor protected.
According to a first form of the invention, the emitters of the two transistors both being connected directly to the positive polarity of the source, the circuits are such that the base of the protective transistor is at too high a potential, as long as l continues. saturation state of the protected transistor, so that the transistor becomes conductive.
According to a second form of the invention, the emitter of the protective transistor is connected to the positive polarity of the source through an access diode and its potential remains lower than the base potential of the same transistor as long as continues. the saturation state of the transistor to be protected, the voltage drop being less across the bypass diode of the transistor to be protected than through the access diode of the emitter of the protective transistor.
Moreover, the invention will be clearly understood from the illustrative and non-limiting description which follows to
Using the attached schematic drawings, including:
fig. 1 represents a circuit according to the invention.
fig. 2 represents a variant of the circuit according to the invention applied to the protection of a telegraph relay.
In fig. 1, TA is the transistor normally used and which must be protected, and Tp is the protection transistor. The collector TA is connected on the one hand to its load resistor RL and on the other hand to the base of the transistor Tp through two diodes DG (which is preferably a germanium diode) and D5 (which is preferably a diode silicon), the two diodes being mounted in opposition and the anode DG being connected to the TA collector. The point C, common to the cathodes of the two diodes, is connected to a point A through a resistor R3 and the base Tp is connected to two circuits, on the one hand to a positive polarity through a resistor R4 and, on the other hand part with the armature of a capacitor C1 whose other armature is connected to the positive polarity.
The base of transistor TA is connected through a Zener diode DZ to a point B common to the collector of transistor Tp at one end of a resistor R2, the other end of R2 being connected to point
A. Point A is still connected, through a resistor
R1, to a switch K whose outer terminal is connected to negative polarity. The emitters of the transistors Tp and TA are connected to the positive polarity and the base of TA is also connected through the resistor R5 to the positive polarity.
It works like this, assuming first that everything is going normally:
Commissioning is done by closing switch K simultaneously on two circuits; the first is this: negative polarity, switch K closed, resistor R1, resistor R2, diode DZ in inverse characteristic, resistor R5 and positive polarity. The base of TA which was at the positive potential of the source changes to a smaller potential as a result of the voltage drop across resistor R5; the transistor
TA therefore becomes a driver. The second circuit is this: R1, R3, DS and, in parallel, Ci and R4.
The capacitor C1 charges between the positive pole and the negative pole to which it is connected through R1,
R3 and DS. This charging current of C1 delays the turning on of transistor Tp, which would otherwise result from the voltage drop in resistor R4.
The transistor TA being conductive, the potential of the point E is close to the positive polarity, and the diode DG is conductive. A current passes through the circuit R1,
R3, DG and the transistor TA which derives the base current from the transistor Tp, the circuit (DG, TA] being much less resistant than the circuit (Ds, Tp) and shunting the latter very strongly. The transistor Tp is thus maintained in its non-conductive state, and its presence does not modify the currents passing through R2,
DZ and R5 therefore, the transistor TA remains in the conductive state.
It is now assumed that the flow rate of TA becomes excessive, for example as a result of a short-circuit of the load RL, that is to say that the inequality which expresses the saturation condition of a transistor: BIB) IC
fi is the gain of the transistor,
IB the base current and
Ic the collector current tends to reverse.
Under these conditions, the potential of point E becomes lower than that of point C. Diode DG is reverse biased and blocks the circuit between C and E. Another circuit closes: negative polarity, switch K closed, resistance R1, resistor R3, diode D5, resistor R4 and positive polarity. Point D goes to a potential lower than that of the emitter and transistor Tp turns on. Point B on collector Tp takes on a positive potential which immediately blocks transistor TA.
I1 is obvious that the resistors R1 and R3 are chosen according to the resistance RL so that the set of two derivations on the collector of TA (RL on the one hand, DG, R3 and R1 on the other hand) correspond at a normal load in a permanent saturation regime.
It is also necessary that the resistors R2 and R1 in series correspond to the normal load of the transistor
Tp when it has become a passer-by
We see that it is a bistable rocker of a special type:
a - the capacitor oblieges the transistor TA to switch on first.
b - the abnormal flow rate of TA causes the change of state which has the effect of blocking this transistor by turning on the transistor Rp.
The example of operation that we have just seen applies to a PNP type transistor to be protected, the same principle could be kept for the protection of an NPN type transistor, it would suffice to invert the three diodes D5 , DG and Dz by adapting the polarities.
If we want to signal the fault by optical or sound means, we take a derivation S on the collector of transistor Tp to the signaling members whose other terminal is connected to the negative. Diodes Dt and D2 then prevent any positive returns either coming from S for Dt or going to S for D2.
The germanium diode, having a lower internal resistance than the silicon diode, causes a smaller voltage drop. The Zener diode gives better blocking than an ordinary diode when the protective transistor turns on.
Fig. 2 shows an application of the invention to the protection of an electronic telegraph relay output.
I1 should first of all recall the classic role of such a relay:
It receives at its input a signal which can take two distinct values: one is called telegraph positive and the other telegraph negative. The telegraphic positive corresponds for example to a potential of + 48V with respect to the telegraph earth conventionally represented by two concentric circles, and the telegraphic negative corresponds to a potential of -48 V with respect to this same telegraph earth. When the relay receives at its input the telegraph positive also furnishes the telegraph positive at its output by placing an output in connection with the positive terminal of a telegraph battery.
Likewise, when it receives the telegraph negative it puts an output in connection with the negative terminal of this same battery, a middle terminal of which is connected to the telegraph earth.
The relay is conventionally composed of two parts: One ensures the connection of the output to the positive of the battery, and the other to the negative, one or the other of these two parts being put into action according to the signal. input is positive or negative. This activation would be by establishing a connection, on the one hand a control terminal of the actuated part, and on the other hand the telegraph ground. Fig. 2 represents, for the sake of simplification, only one of the two parts of the relay, namely that which allows the supply of the telegraph positive output.
But it is obvious that the present invention applies exactly in the same way to the other part of the relay. These two parts can in fact be formed symmetrically, the polarities being reversed, the PNP transistors being replaced by transistors.
NPN and the direction of the diodes being reversed.
Referring to fig. 2, the relay part shown is put into action by closing switch K. This closing is controlled by the arrival at the relay input of a positive telegraph.
Its effect is to put the control circuit of the relay part shown in connection with the telegraph earth Tg. Of course, in an electronic relay the switch K is itself constituted by a semiconductor circuit and this n 'is that for the sake of simplicity that it is shown in the conventional form of a mechanical switch.
An output of the telegraph relay is represented in S1 and the energy losses on the telegraph line are represented by the load resistor RL connected between the output Si and the telegraph earth
Tg.
Suppose that a telegraph positive is received at the input of the telegraph relay: this is equivalent to supposing that switch K closes. The operation is then this: a current flows through the telegraph earth circuit, switch K, resistor R2a, diode of
Zener DZj in inverse characteristic, resistance Ri, positive terminal of the telegraph battery (represented by a + sign in a circle). The base of transistor T1 being at a lower potential than that of the emitter due to the voltage drop in resistor Ri, transistor T1 turns on and places the telegraphic positive polarity on the output Si of the relay.
The instant K was closed, another circuit through Cia and R2 allowed the capacitor to charge, which delayed the turning on of transistor T ,,, turning on which, if there is no had no capacitor, would have been caused immediately by the voltage drop across resistor R4a.
Since the germanium diode DGa has a lower internal resistance than the silicon diode DSa, and on the other hand the resistance R2 being greater than the resistance R3a, the potential of the base Tpa will be higher than the potential of the emitter, the voltage drop across DSa being higher than through DGa. The transistor Tpa is therefore in the off state and this state continues as long as the same conditions continue. Instead of using DSa diodes and
DGa of different characteristics, it is possible to use the same diodes by placing two in series instead of DSa and only one instead of DGa.
If, following an incident, the output transistor
T1 of the telegraph relay is crossed by an excessive current, the potential in S1 decreases, the diode DGa is blocked and the circuit which kept Tpa blocked is interrupted. The base of the transistor Tpa then takes through R4a a lower potential than that of the emitter through DSa, the voltage drop in
R4a being much more important than through DSa.
The transistor Tpa therefore becomes conducting and blocks the transistor T, through the Zener diode DZ1. All the resistors are obviously chosen to allow normal operation of each of the transistors in the two cases of normal operation of the relay and of an incident.
It is understood that many modifications can be made to the circuit which has just been described without departing from the scope of the invention. It is in particular possible to design it so that the protective transistor is on at the same time as the protected transistor, which would then be blocked by the blocking of the protective transistor.