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Sättigungsschutz für Schalttransistoren Die Erfindung betrifft eine
Transistorschaltstufe mit einer zwischen der Transistorsteuerelektrode und der Transistorausgangselektrode
liegenden Sättigungsschutzdiode.
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Die im Sättigungsbereich bei vielen Transistortypen auftretende starke
Belastung bewirkt beim Sperren der Transistoren eine Abschaltverzögerung und eine
Abschaltflankenverflachung. Um derartige Erscheinungen zu vermeiden, muß verhindert
werden, daß die Transistoren im Schaltbetrieb in ihren Sättigungsbereich gelangen.
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Um im Transistorschalterbetrieb Sättigungserscheinungen zu vermeiden,
ist es bekannt (Buch von P. Speiser, Impulsschaltungen, Springer-Verlag, 1963),
den Schaltstrom vor Erreichen seines Sättigungswertes zu begrenzen. Dies wird z.
B. durch eine Begrenzung der Kollektorspannung mittels einer Gegenkopplung der jeweiligen
Schaltstufe vom Kollektor zur Basis über eine Diode erreicht. Ein derartiges Vorgehen
setzt voraus, daß die Kollektor-Emitter-Spannung im Sättigungszustand des Transistors
kleiner ist als die Basis-Emitter-Spannung. Bedingt durch zu niedrige Kollektor-Basis-Sättigungsspannung
vieler Transistortypen ist die Wirkung dieser Maßnahme nicht ausreichend, d. h.,
die Sättigung wird nicht völlig vermieden. Zur Überwindung dieser Schwierigkeit
wurde in der bereits zitierten Literaturstelle vorgeschlagen, die Rückkopplungsdiode
über einen Spannungsteiler in der Weise vorzuspannen, daß die Diodenleitung bereits
dann einsetzt, wenn der Transistor mit Sicherheit noch nicht in der Sättigung ist.
Von der letzteren Maßnahme muß auch immer Gebrauch gemacht werden, wenn an Stelle
einer Diode kleiner Knickspannung, z. B. einer Germaniumdiode, eine Diode größerer
Knickspannung, z. B. eine Siliziumdiode (besseres Temperaturverhalten), verwendet
werden soll.
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Durch Diodenrückkopplungen der erwähnten Arten werden aber die Einschaltflanken
der Stromimpulse verschliffen, und die Kollektorspannung wird im niederohmigen Zustand
des Transistors abhängig von der Stromverstärkung des Transistors. Die in den Patentansprüchen
gekennzeichnete Erfindung beseitigt diese Nachteile.
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Der Erfindungsgedanke ist danach der, in Reihe zur Rückkopplungsdiode
eine Spule zu schalten, in der durch das Transistoreinschaltsignal eine Spannung
induziert wird, deren Vorzeichen und Größe so gewählt sind, daß die Rückkopplungsdiode
schon früher zu leiten beginnt, als es ohne die genannte Spule der Fall wäre.
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Im folgenden wird ein Beispiel zur Erfindung an Hand einer Zeichnung
beschrieben, aus dem die Vorteile und Einzelheiten der Erfindung hervorgehen. In
der Zeichnung zeigt F i g.1 eine erfindungsgemäß rückgekoppelte Transistorschaltstufe
mit einem Transformatoreingang und F i g. 2 die gleiche Schaltstufe mit einem induktiven
Spannungsteiler im Eingangskreis.
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Die Transistorschaltstufe der F i g. 1 wird über Eingangsklemmen 1
und 2 angesteuert. Den Ausgangskreis der Schaltstufe bilden Klemmen 3 und 4. Zwischen
diesen Klemmen liegt die Kollektor-Emitter-Strecke eines Schalttransistors 5. Dieser
wird vom Eingangssignal über einen Widerstand 7 und einen Übertrager, der aus einer
Eingangswicklung 8 a und zwei Ausgangswicklungen 8 b und 8 c besteht, angesteuert.
Die Eingangswicklung 8 a liegt in Serie zum Widerstand 7 im Eingangskreis 1-2. Die
Ausgangswicklung 8 b liegt an der Steuerstrecke des Transistors, nämlich zwischen
seiner Basis 5a und seinem Emitter. Die zweite Ausgangswicklung 8 c führt
von der Basis über die Anoden-Katoden-Strecke einer Sättigungsschutzdiode 6 an den
Kollektor des Transistors und somit an den Ausgangspunkt 3 der Schaltstufe. Die
Ausgangswicklungen 8b und 8c haben gleichen Wicklungssinn.
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Soll der Transistor 5 in den niederohmigen Zustand gesteuert werden,
so wird der Eingangswicklung 8 a des Übertragers ein Ansteuerimpuls derart zugeführt,
daß die Basis gegenüber dem Emitter über die Ausgangswicklung 8 b positiv wird.
Dann baut sich auch an der Ausgangswicklung 8 c zwischen dem Dioden- und dem Basisanschluß
eine positive Spannung auf, die in Reihe zur Kollektor-Basis-Spannung ucß liegt.
Mit zunehmender Durchsteuerung des Transistors 5 wird die Kollektor-Basis-Spannung
ucß negativ und addiert sich betragsmäßig zur Spannung an der Ausgangswicklung 8c.
Diese Summenspannung liegt nun an der Diode 6 an, und es ist ersiehtlich,
da.ß
diese durch die Summenspannung in Bezug auf den Transistordurchschaltvorgang schneller
in ihr Leitungsgebiet gebracht wird als durch die Kollektor-Basis-Spannung uC$ allein.
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Bei dieser erfindungsgemäßen Schaltung hängt die Kollektor-Emitter-Spannung
des Transistors in dessen niederohmigem Zustand nur noch linear von der Basis-Emitter-Spannung
des Transistors ab, nicht jedoch von seiner Stromverstärkung. Die Dimensionierung
der Ausgangswicklung 8c ist abhängig von der Art der verwendeten Diode 6 und des
verwendeten Transistors 5. Allgemein kann gesagt werden, daß die Summe aus der Kollektor-Basis-Spannung
zscB und der Spannung der Ausgangswicklung 8 c bei der gewünschten Kollektor-Emitter-Spannung
größer oder gleich der Knickspannung der Diode -.6 sein muß. Auf diese Weise sind
auch Dioden großer Knickspannung, z. B. Siliziumdioden verwendbar. Außerdem kann
ein Diodenstromeinsatz bei noch positiver Kollektor-Basis-Spannung herbeigeführt
werden.
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In F i g. 2 sind bezüglich F i g. 1 gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen
versehen. Hier wird der Transistor 5 im Gegensatz zu F i g. 1 über einen Autotransformator
angesteuert, der aus zwei Wicklungen 9 a und 9 b besteht. Die erste Wicklung 9 a
liegt zwischen der Basis 5 a des Transistors 5 und der zum Kollektor führenden
Diode 6. Die zweite Wicklung 9 b liegt gleichsinnig zwischen der Basis und dem Emitter
des Transistors. Der Verbindungspunkt der Wicklung 9a mit der Diode 6 führt über
den Widerstand 7 zur Eingangsklemme 1. Die Eingangsklemme 2 ist mit der Ausgangsklemme
4 verbunden. In dieser Schaltung liegt ebenso wie in derjenigen der F i g.1 beim
Übergang vom hochohmigen zum niederohmigen Zustand des Transistors 5 die Kollektor-Basis-Spannung
uct; in Reihe mit der Spannung an der Wicklung 9a und verursacht ein Einsetzen des
Stroms durch die Diode 6 bei einer vorgegebenen Kollektor-Emitter-Mindestspannung.
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Die Transistorschaltstufen der F i g. 1 und 2 sind mit npn-Transistoren
aufgebaut. Ebenso ist es natürlich möglich, die Erfindung bei Schaltstufen aus pnp-Transistoren
anzuwenden. In diesem Fall muß lediglich die Diode 6 umgepolt werden.