DE19728295A1 - Halbbrückenansteuerung ohne Kollektor-Vorstromspitze - Google Patents
Halbbrückenansteuerung ohne Kollektor-VorstromspitzeInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Betriebsschaltung für eine
Last, insbesondere eine Niederdruckentladungslampe.
Dabei geht die Erfindung aus von einer Oszillatorschaltung zum Hochfre
quenzbetrieb der Last, wobei die Schaltung mit einer Spannung mit domi
nantem Gleichanteil versorgt wird. Konkret wird eine freischwingende Os
zillatorschaltung betrachtet, bei der eine Bipolartransistorbrücke durch eine
Schaltsteuereinrichtung so angesteuert wird, daß das Ein- und Ausschalten
der Bipolartransistoren das Potential eines Brückenabgriffs mit der Betriebs
frequenz oszillieren läßt. Dazu wird bei freischwingenden Oszillatorschal
tungen der Laststrom durch die Schaltsteuereinrichtung zum Schalten bzw.
Steuern der Bipolartransistoren rückgekoppelt.
Ein wesentliches Problem bei der Auslegung und auch - hinsichtlich der To
leranzen - bei der Produktion einer solchen Schaltung besteht in der gleich
zeitigen Berücksichtigung von drei Funktionskriterien, nämlich der Funkent
störung, der Schaltentlastung der Transistoren bzw. der Verlustminimierung
und schließlich der in die Last eingekoppelten Leistung. Die Verkopplung
dieser drei Kriterien ist bei konventionellen Schaltungen sehr ausgeprägt.
Eine Berücksichtigung aller drei Gesichtspunkte gleichzeitig ist entweder nur
nach einer sehr komplexen Schaltungsauslegung und bei entsprechend ge
ringen Toleranzen hinsichtlich der verschiedenen elektrischen Größen und
Betriebsparameter oder häufig auch überhaupt nicht zufriedenstellend mög
lich.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, die beschriebene
Schaltung so weiter zu entwickeln, daß die Auslegung der Schaltung hin
sichtlich der genannten Kriterien vereinfacht und die Toleranzen hinsichtlich
der elektrischen Größen und Betriebsparameter vergrößert werden.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch eine freischwingende
Oszillatorschaltung zum Betreiben einer Last mit einer Bipolartransistor
brücke und mit einer Schaltsteuereinrichtung zur rückkoppelnden Übertra
gung des Laststromes auf die Basen der Bipolartransistoren, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Basisanschlußleitungen der Bipolartransistoren, je
weils zwischen der Schaltsteuereinrichtung und dem Bipolartransistor,
durch einen "Basisbrückenkondensator" miteinander verbunden sind.
Die erfindungsgemäße Schaltung zielt mit ihrem Lösungsansatz besonders
auf den Aspekt der Kollektorvorstromspitze. Dabei handelt es sich um einen
unerwünschten Kollektoremitterstrom, der zeitlich kurz aber mit relativ gro
ßer Stärke fließt, wenn die Basis eines betrachteten Schalttransistors zu früh
angesteuert, der Transistor also zu früh in den leitenden Zustand geschaltet
wird. Zu früh bedeutet dabei, daß die Kollektoremitterspannung im Poten
tialhub der letzten Oszillationshalbperiode nicht vollständig verschwunden
ist und somit bei zu früh eingeschaltetem Transistor noch einen kurzen
Stromstoß erzeugt. Bei zeitlich korrektem, also erst bei Verschwinden der
Kollektoremitterspannung beginnendem Einschalten des Transistors fließt
überhaupt kein positiver Kollektoremitterstrom und nur ein sehr viel kleine
rer Basiskollektorstrom.
Diese Kollektorvorstromspitze kann vor allem bei verlustminimierten Ba
sisansteuerungen auftreten, bei denen der Solleinschaltzeitpunkt sehr kurz
nach dem Verschwinden der Kollektoremitterspannung liegt und entspre
chend kleine Schwankungen der elektrischen Größen oder Betriebsparame
ter bereits als Ursache ausreichen.
Durch den erfindungsgemäß hinzugefügten sogenannten "Basisbrückenkon
densator" zwischen den Basisanschlußleitungen der Bipolartransistoren wird
nun der möglicherweise zu früh einsetzende Strom zur Basisaufsteuerung
bzw. Transistoreinschaltung sozusagen "abgesaugt". Dafür sorgt der bei zu
frühem Beginn des Einschaltstroms noch nicht ganz ent- bzw. aufgeladene
Basisbrückenkondensator.
Zur Veranschaulichung kann man sich klarmachen, daß die Anschlußpunkte
des Basisbrückenkondensators an den Basisanschlußleitungen durch die im
allgemeinen niedrigen Impedanzen der Schaltsteuereinrichtung und eventu
eller weiterer Basisansteuerungsschaltungen im Vergleich zu dem Span
nungshub der Oszillatorschaltung jeweils im wesentlichen auf einem Poten
tial der Versorgungsspannung bzw. auf dem Potential des Mittenabgriffs der
Bipolartransistorbrücke liegen. Deswegen ist der Zeitpunkt der Identität
zwischen dem Potential des Mittenabgriffs und dem jeweiligen Potential der
Versorgungsspannung praktisch gleichzusetzen mit dem Zeitpunkt der voll
ständigen Ent- bzw. Aufladung des Basisbrückenkondensators.
Auch wenn die Schaltsteuereinrichtung einen möglicherweise etwas verfrüh
ten Einschaltstrom liefert, ist somit sichergestellt, daß der betrachtete Transi
stor spannungsfrei (bezüglich der Kollektoremitterspannung) und damit ver
lustoptimiert geschaltet wird.
Durch die Vermeidung des impulsartigen Stromstoßes der Kollektorvor
stromspitze ergibt sich im übrigen auch eine verbesserte elektromagnetische
Verträglichkeit.
Die durch die dargestellte Funktionsweise deutlich entschärften Vorgaben
des Kriteriums Schaltentlastung bei der Auslegung der Gesamtschaltung
sorgen für erleichterte und verbesserte Möglichkeiten hinsichtlich der beiden
anderen genannten Kriterien Funkentstörung und Leistungsauslegung in der
Last. Anders ausgedrückt kann durch den beschriebenen Schutzmechanis
mus des erfindungsgemäßen Basisbrückenkondensators insbesondere die
Leistung der Last sozusagen "entkoppelt" von den beiden anderen Kriterien
durch entsprechende Dimensionierung der relevanten Bauteile eingestellt
werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Bipolartransistorbrücke eine
Halbbrücke aus zwei Bipolartransistoren. Die Schaltsteuereinrichtung ist be
vorzugt ein Steuertransformator, dessen Sekundärwicklungsströme die
Transistorbasen ansteuern.
Die Anschlußpunkte des Basisbrückenkondensators können direkt an der
jeweiligen Transistorbasis oder direkt am basisseitigen Ausgang der Schalt
steuereinrichtung, etwa an einer Transformatorsekundärwicklung, angeord
net sein. Die zweite Lösung ist dann zu bevorzugen, wenn zwischen der
Schaltsteuereinrichtung und der Transistorbasis eine relativ hochohmige An
steuerung zwischengeschaltet ist, weil sich sonst durch den Basisbrücken
kondensator ein zu großer Wechselstromkurzschlußeffekt bei der Betriebs
schaltfrequenz unmittelbar zwischen den Basisanschlüssen ergeben könnte.
Es sind auch zwei Kondensatoren denkbar, die jeweils in einer der beiden
Verschaltungen angeordnet sind. Generell ist die Erfindung nicht auf einen
einzigen Basisbrückenkondensator eingeschränkt, insbesondere bei einer
Vollbrückenschaltung.
Es hat sich herausgestellt, daß die (Gesamt-)Kapazität des oder der Basis
brückenkondensatoren am besten ausgerichtet wird an der (Gesamt-)Kapa
zität des oder der konventionellen Trapezkondensatoren der Gesamtschal
tung. Dabei wird hier unter Trapezkondensator ein zu einer Kollektoremit
terstrecke eines Schalttransistors (effektiv) parallel liegender Kondensator
zur Abschrägung - im Potentialzeitdiagramm - der Potentialsprünge des
Brückenabgriffs durch die entsprechenden Umladevorgänge verstanden. Ein
bevorzugter Bereich für die Kapazität des Basisbrückenkondensators beträgt
dabei 10% bis 100% der Trapezkondensatorkapazität und insbesondere 10%
bis 50% dieser Kapazität.
Ein bevorzugter Bereich für die Summe aus der genannten (Gesamt-)Tra
pezkondensatorkapazität und der (Gesamt-)Kapazität des oder der Basis
brückenkondensatoren liegt zwischen 680 pF bis 2,2 nF. Dies gilt für einen
breiten Bereich von Lastleistungen zwischen einigen Watt und wenigen Ki
lowatt.
Die Erfindung wird im folgenden weiter erläutert anhand eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels, wobei alle dabei offenbarten Einzelmerkmale auch für
sich oder in anderen Kombinationen erfindungswesentlich sein können.
Die Figur zeigt einen schematischen Schaltungsplan einer erfindungsgemä
ßen Oszillatorschaltung. Auf der linken Seite wird eine Versorgungsspan
nung U1 mit dominantem Gleichanteil, z. B. aus einem Gleichrichter einge
speist, wobei die untere Linie in dem Diagramm als Massepotential und die
obere Linie als demgegenüber positives Potential zu verstehen ist. Die Ver
sorgungsspannung U1 wird an eine Halbbrücke aus zwei Bipolartransistoren
T1 und T2 gegeben, deren Mittenabgriff nach rechts über eine Lampendros
sel L1 zur Last LA geführt ist.
Durch alternierendes Leiten der beiden Transistoren T1 und T2 oszilliert das
Potential des Mittenabgriffs zwischen dem positiven Versorgungspotential
und Masse, woraus sich die Hochfrequenzleistungsversorgung der Last LA
ergibt. Dabei ist die Last LA auf ihrer anderen Seite gewöhnlich mit Masse,
in einigen Fällen aber auch mit dem positiven Versorgungszweig verbunden.
Der Oszillationsbetrieb der Halbbrückenschaltung ergibt sich durch eine po
sitive Rückkopplung des Hochfrequenzlaststroms über den eingezeichneten
Steuertransformator TR1 (TR1A, TR1B, TR1C). Die Ausgänge der Sekundär
wicklungen TR1B und TR1C des Steuertransformators TR1 sind mit den Ba
sisanschlüssen der Halbbrückenbipolartransistoren T1, T2 verbunden; durch
die gegensinnigen Sekundärwicklungen des Steuertransformators ergibt sich
die alternierende Ansteuerung der beiden Bipolartransistoren. Zwischen
dem Sekundärwicklungsausgang und dem Basiseingang des jeweiligen Bipo
lartransistors T1 bzw. T2 liegt eine als Kästchen eingezeichnete Ansteue
rungsschaltung A1 bzw. A2, die Widerstände, Induktivitäten, Dioden und
Kapazitäten enthalten kann. Die genaue Ausführung dieser Ansteuerungs
schaltung ist für die Erfindung von untergeordneter Bedeutung und kann
dem Stand der Technik entsprechen.
Weiterhin sind die Bipolartransistoren in üblicher Weise verschaltet. Zu
nächst liegt der Emitterkollektorstrecke jedes Transistors eine Freilaufdiode
D1 bzw. D2 antiparallel, deren Funktion bekannt ist und hier nicht weiter
beschrieben wird.
Weiterhin ist dem Emitter jedes der beiden Bipolartransistoren T1 und T2
eine Emitterbeschaltung E1 bzw. E2 vorgeschaltet, deren genauer Aufbau
hier wiederum nicht von besonderer Bedeutung ist. Es kann sich z. B. um ei
nen einfachen Ohm'schen Emitterwiderstand handeln. Es können aber auch
gleichrichtende Schottky- oder Bipolardioden und/oder Kapazitäten enthal
ten sein.
Parallel zu der Basisemitterstrecke jedes der beiden Bipolartransistoren T1
und T2 liegt eine Emitterbasisschutzbeschaltung S1 bzw. S2, die wiederum
aus Widerständen, Dioden und/oder Zenerdioden bestehen kann. Auch hier
ist der genaue Aufbau für die hier behandelte Erfindung nicht wesentlich.
Mit C1 bezeichnet ist ein im vorliegenden Beispiel zu der Emitterkollektor
strecke des Transistors T2 parallel liegender Trapezkondensator, der eben
falls aus dem Stand der Technik bekannt ist. Er könnte auch parallel zur
Emitterkollektorstrecke des Transistors T1 liegen, oder es könnte jeweils ein
paralleler Trapezkondensator vorgesehen sein. Die Funktion dieses Tra
pezkondensators C1 besteht darin, nach dem Ausschalten eines der beiden
Bipolartransistoren T1 und T2 für einen nicht zu sprunghaften Potentialan
stieg des Mittenabgriffs zu sorgen, indem die entsprechende Flanke im Po
tentialzeitdiagramm durch die endliche Aufladezeit des Kondensators abge
schrägt wird.
Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sind zwei Basisbrücken
kondensatoren C6 und C6' vorgesehen, wobei der Kondensator C6 direkt die
Basisanschlüsse der beiden Brückenbipolartransistoren T1 und T2 und der
Kondensator C6' die basisanschlußseitigen Ausgänge der Sekundärwicklun
gen TR1B und TR1C des Steuertransformators TR1 verbindet. Grundsätzlich
kann der Basisbrückenkondensator C6 unmittelbar an den Basisanschlüssen
der Bipolartransistoren T1 und T2 angeschlossen sein, also in der in der Figur
linken Position des Basisbrückenkondensators.
Ist der Basisbrückenkondensator also an Position C6 angeordnet, kann je
doch - insbesondere bei relativ hohen Impedanzen der als Kästchen einge
zeichneten Ansteuerschaltungen A1 und A2 - die Hochfrequenzkurzschluß
funktion der Kapazität C6 zwischen den Basisanschlüssen der Transistoren
T1 und T2 stören, weil C6 das Ausschalten der Transistoren T1 und T2 ver
langsamt. Schaltet z. B. der Transistor T2 aus, wird sein Basispotential unter
sein Emitterpotential gezogen, aber direkt anschließend aufgrund des Poten
tialhubs des Halbbrückenmittelpunktes über die Sekundärwicklung TR1B,
die Ansteuerung A1 und den Kondensator C6 wieder nach oben bewegt.
Allerdings ist die Zeitsteuerung der Einschaltpunkte der Transistoren mit
der Schaltposition C6 exakter als mit der Position von C6'. Liegt demnach
der Auslegungsschwerpunkt beim Schaltungsentwurf mehr auf der Seite der
Abschaltungsgeschwindigkeit der Transistoren, ist die Position von C6' zu
bevorzugen, liegt der Auslegungsschwerpunkt dagegen mehr bei der Ein
schaltzeitsteuerung, ist die Position von C6 günstiger.
Es ist auch möglich, wie in der Figur gezeichnet, jeweils einen Kondensator
in jeder der beiden beschriebenen Lagen vorzusehen, wobei die Kapazitäten
zu einer effektiven Gesamtbasisbrückenkondensatorkapazität addiert wer
den müssen.
Die Reihenschaltung aus Ansteuerungsschaltung A1 und Sekundärwicklung
TR1B bzw. aus Ansteuerungsschaltung A2 und Sekundärwicklung TR1C ist
jeweils relativ niederohmig (zusammen beispielsweise etwa 30 Ohm). Da
durch ist der Basisbrückenkondensator effektiv zwischen den Mittenabgriff
und den unteren Versorgungszweig, also Masse, geschaltet, wobei für den
Basisbrückenkondensator C6' die Impedanz der Ansteuerungsschaltungen
A1 und A2 wegfällt. Dementsprechend bewirkt eine Potentialänderung des
Mittenabgriffs, also des Punktes zwischen den Dioden D1 und D2 und am
Kollektor des unteren Bipolartransistors T2 eine Auf- bzw. Entladung des
Basisbrückenkondensators C6 und/oder C6'. Dabei fließt der Strom in einer
solchen Richtung, daß der im Oszillationsbetrieb als nächstes einzuschalten
de Transistor erst angesteuert wird, wenn die Potentialänderung des Mit
tenabgriffs abgeschlossen ist. Man kann sich dazu vorstellen, daß die Umla
devorgänge der Basisbrückenkondensatoren alle möglicherweise vorzeitig
auftretenden Basisaufsteuerungsströme absaugen, solange der betreffende
Transistor noch nicht (kollektoremitter-)spannungsfrei ist.
Eine weitere vorteilhafte Wirkung der Basisbrückenkondensatoren liegt -
insbesondere bei niedrigen Impedanzen der Ansteuerungen A1 und A2 -
darin, daß ein überschüssiger Basisausräumstrom, der erhebliche Ausschalt
verluste der Transistoren verursacht, ebenso wie der oben beschriebene vor
zeitige Basisaufsteuerungsstrom "abgesaugt" wird. Es handelt sich im Grun
de um die analoge Funktion zur geschilderten Verhinderung der Kol
lektorvorstromspitze, jedoch mit umgekehrtem Stromvorzeichen in der Basis
und zum Ausschalt- statt zum Einschaltzeitpunkt.
Dadurch kann die Auslegung der Schaltung insbesondere hinsichtlich der
Sättigung des Steuertransformators TR1 bewußt auf eine leicht verfrühte Ba
sisansteuerung ausgelegt werden, was dann mit Hilfe des oder der Basis
brückenkondensatoren zu einem toleranzunempfindlichen sowie zeit
genauen und dabei spannungsfreien Einschalten der Bipolartransistoren T1
und T2 führt. Insbesondere wird die eingangs beschriebene Kollektorvor
stromspitze wirkungsvoll vermieden.
Außerdem bewirkt die Verbindung zwischen dem oder den Basisbrücken
kondensatoren C6 bzw. C6' und dem Steuertransformator TR1, daß letzterer
während der Potentialänderung am Mittenabgriff der Halbbrücke in Sätti
gung gehalten wird. Der Umladestrom des oder der Basisbrückenkondensa
toren C6 bzw. C6' (und auch des Trapezkondensators C1) wird durch die
Lampendrossel L1 eingeprägt. Dabei fließt der Anteil dieses Stromes, der
den oder die Basisbrückenkondensatoren C6 bzw. C6' umlädt, auch durch
alle drei Wicklungen des Steuertransformators TR1. Er trägt also dreimal zur
Magnetisierung der Hauptinduktivität des Steuertransformators TR1 bei.
Durch die bereits beschriebene relativ niederohmige Ankopplung der beiden
Pole des oder der Basisbrückenkondensatoren C6 bzw. C6' an den Halbbrüc
kenmittenabgriff bzw. an den Massezweig der Versorgungsspannung ergibt
sich schließlich, daß die Funktion des konventionellen Trapezkondensa
tors C1 von den erfindungsgemäßen Basisbrückenkondensatoren C6 bzw.
C6' jeweils oder gemeinsam mit übernommen wird. Dementsprechend sollte
die Kapazität C1 bei Hinzufügung des oder der Basisbrückenkondensatoren
C6 bzw. C6' um die (Gesamt-)Basisbrückenkondensatorkapazität verringert
werden. Im Prinzip könnte der konventionelle Trapezkondensator C1 auch
ganz weggelassen werden, wobei sich jedoch aus den oben bereits angeführ
ten bevorzugten Größenverhältnissen der Kapazitäten ergibt, daß die erfin
dungsgemäße Basisbrückenkondensatorkapazität im allgemeinen kleiner als
die optimale Kapazität eines konventionellen Trapezkondensators ist.
Claims (9)
1. Freischwingende Oszillatorschaltung zum Betreiben einer Last (LA) mit
einer Bipolartransistorbrücke (T1, T2) und mit einer Schaltsteuereinrich
tung (TR1) zur rückkoppelnden Übertragung des Laststromes auf die
Basen der Bipolartransistoren (T1, T2), dadurch gekennzeichnet, daß
die Basisanschlußleitungen der Bipolartransistoren (T1, T2) jeweils zwi
schen der Schaltsteuereinrichtung (TR1) und dem Bipolartransistor (T1,
T2), durch mindestens einen Basisbrückenkondensator (C6, C6') mit
einander verbunden sind.
2. Schaltung nach Anspruch 1, bei der die Bipolartransistorbrücke eine
Halbbrücke (T1, T2) ist.
3. Schaltung nach Anspruch 1, bei der die Schaltsteuereinrichtung ein
Steuertransformator (TR1) ist.
4. Schaltung nach Anspruch 1, bei der der Basisbrückenkondensator (C6)
jeweils direkt an einer Basis eines Bipolartransistors (T1, T2) ange
schlossen ist.
5. Schaltung nach Anspruch 1, bei der der Basisbrückenkondensator (C6')
jeweils direkt an dem basisseitigen Ausgang der Schaltsteuereinrich
tung (TR1) angeschlossen ist.
6. Schaltung nach Anspruch 1, bei der die Kapazität des bzw. der Basis
brückenkondensatoren (C6, C6') 10 bis 100% der Kapazität eines bzw.
mehrerer Trapezkondensatoren (C1) ist.
7. Schaltung nach Anspruch 1, bei der die Kapazität des bzw. der Basis
brückenkondensatoren (C6, C6') 10 bis 50% der Kapazität eines bzw.
mehrerer Trapezkondensatoren (C1) ist.
8. Schaltung nach Anspruch 1, bei der die Summe der Kapazitäten des
bzw. der Basisbrückenkondensatoren (C6, C6') und eines bzw. mehre
rer Trapezkondensatoren (C1) 680 pF bis 2,2 nF beträgt.
9. Schaltung nach Anspruch 1, bei der die Last (LA) eine Niederdruckent
ladungslampe ist.
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