DE2139144B2 - Elektronischer schalter mit einem schalttransistor - Google Patents

Description

Der erfindungsgemäße elektronische Schalter ist

besonders zum Schalten des Ladestromes für Impuls-

45 former bestimmt, wie sie gewöhnlich zur Erzeugung

von Hochleistungsimpulsen, beispielsweise für Radargeräte und Laser benötigt werden. Solche Impulsformer werden zunächst aus einer Gleichspannungsquelle geladen und dann schnell in einen Verbr_u-50 eher entladen. Zur Einsparung von Leistung wird

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektroni- eine wirksame Schaltungsanordnung zum Laden des sehen Schalter mit einem Schalttransistor dessen linpulsformers benötigt.

Kollektor über die Primärwicklung eines Rückkopp- Die wirksamste Technik, die bisher zum Laden

lungs-Stromtransformators mit einem Verbraucher von Impulsformern benutzt wurde, machte von einem verbunden ist, und einem Steuertransistor, dessen 55 Transformator mit einem Serienschalter in dessen Basis der Steuerstrom zugeführt wird, dessen Emitter Primärwicklung Gebrauch. Der Schalter ist entweder mit der Basis des Schalttransistors und dessen KoI- eine bestimmte Zeitspanne oder so lange leitend, bis lektor mit dem einen Er₁Je der Sekundärwicklung der Strom in der Primärwicklung einen vorbestimmdes Rückkopplungs-Stromtransformators verbunden ten Pegel erreicht. Der Stromfluß in der Sekundärist. 60 wicklung wird durch eine geeignet gepolte Diode Ein solcher elektronischer Schalter, der zum gesperrt, solange der Schalter leitend ist. Dann wird Schalten des Ladestromes eines Impulsformers dient, der Schalter gesperrt, und es findet eine Spannungsist aus der USA.-Patentschrift 3 219 844 bekannt. umkehrung an den Transformatorwicklungen statt, Bei diesetr. bekannten elektronischen Schalter ist das wenn das aufgebaute Magnetfeld zusammenbricht, zweite Ende der Sekundärwicklung des Rückkopp- 65 Die umgekehrte Spannung in der Sekundärwicklung lungs-Stromtransformators mit dem Emitter des beaufschlagt die Diode in der Durchlaßrichtung, so Schalttransistors verbunden, und zwar sind sowohl daß ein Strom dem Verbraucher zugeführt wird,
dieser Emitter als auch das zweite Ende der Sekun- Der Wirkungsgrad dieser bekannten Anordnungen

ist wegen der Art des Schaltens relativ hoch. Es abwechselnd ein, die auf übliche Weise erzeugt wer-

findet jedoch, wenn ein Transistor als Schalter ver- den, beispielsweise von einem Zweiphasen-Recht-

wendet wird, noch ein bedeutender Verlust an Lei- eckwellengenerator.

stung beim Betrieb des Schalten, statt, der auf den Da beide Ladeschaltungen 11 und 12 identisch notwendigen Basisstrom und die Emitter-Kollektor- 5 sind, wird nur die Ladeschaltung 11 im einzelnen bc-Spannung zurückzuführen ist, die anliegt, wenn der schrieben. Ein nicht sättigbarer Lasttransformator Transistor nicht im Sättigungszustand betrieben wird. T₁ ist mit dem Impulsformer 10 über eine Diode D₁ Um einen wirksameren Transistorschalter zu erzeu- verbunden, die nur dann in Durchlaßrichtung gegen, können zwei Transistoren in Form einer Dar- polt ist, wenn der Strom in der Primärwicklung lington-Schaltung verwendet -«erden, bei der die io durch einen Schalttransistor Q₁ abgeschaltet worden Kollektoren der beiden Transistoren elektrisch mit- ist. Mit der Primärwicklung des Lasttransfonnators einander verbunden sind, die Basis des einen Tran- T₁ ist die Primärwicklung eines nicht sättigbaren sistors unmittelbar mit dem Emitter des anderen Rückkopplungs-Stromtransformators T₂ in Serie geverbunden ist und individuelle Verbindungen zu dem schaltet. Die Sekundärwicklung des Rückkopplungsnoch freien Emitter und der noch freien Basis her- 15 Stromtransformators T₂ ist dann mit der Basis des gestellt sind. Das Transistorpaar bildet ein Äquiva- Schalttransistors Q₁ verbunden, um über einen lent eines einzigen Transistors und weist einen Emit- Steuersc aHer, der von einem Srhalttransistor Q₂ geter und einen Kollektor auf, die beide im v.'esent- bildet wirn. eine positive Rückkopplung zu erzeugen, liehen gleich dem Emitter und Kollektor eines der Es sei darauf hingewiesen, daß der Steuerschal-Transistoren arbeiten. Die Darlington-Schaltung hat 20 ter entweder, wie dargestellt, ein Serienschalter oder jedoch den Vorteil eines höheren Stromverstärkungs- auch ein Parallelschalter sein kann. Der Serienschalfaktors. Der Nachteil dieser Anordnung besteht je- ter wird bevorzugt, weil der Basisstrom für den doch darin, daß der Transistor, dessen Basis mit dem Schalttransistor Q.„ der von der Treiberschaltung 13 Emitter des anderen Transistors verbunden ist, keine geliefert wird, den anfänglichen Basisstrom zum Einvollständige Sättigung erreicht, so daß der Span- 25 schalten des Schalttransistors Q₁ bildet. Insoweit nungsabfall an dem Transistorpaar mehr als das ähneln die beiden Transistorer Q_x und Q₁ einer Doppelte beträgt als der Spannungsabfall eines ge- Darlington-Schaltung. Es sei außerdem erwähnt, daß sättigten einzelnen Transistors. die Sekundärwicklung des Transformators T₂ mit

Ein anderer Nachteil der Verwendung eines ein- Hilfe eines Serienschalters anstatt parallel zur KoI-zigen Transistors oder eines Transistorpaares in Dar- 30 lektor-Basis-Strecke auch parallel zur Basis-Emitterlington-Schaltung besteht darin, daß bei einem An- Strecke des Schalttransistors Q_x geschaltet sein kann, stieg der Eingangsspannung für den Schaltertreiber jedoch wird die erste Lösung bevorzugt, weil bei der die Ansteuerung durch den Basisstrom zunimmt, zweiten Anordnung wegen des relativ geringen wodurch eine erhebliche Übersteuerung entsteht. Um Widerstandes der Sekundärwicklung bis zum Einsetmit einer solchen Übersteuerung verbundene Ver- 35 zen der Rückkopplung eine nachteilige Kurzluste zu vermeiden, würde es erforderlich sein, das Schlußwirkung eintritt.

Netzgerät für die Treiberschaltung zu stabilisieren. In der dargestellten bevorzugten Ausführungs-

Hierfür würden zusätzliche Schaltungsanordnungen form der Erfindung steht die volle Stromverstärkung

benötigt, die mehr Leistung verbrauchen würden, als des Steuertransistors Q., sofort zum Einschalten des

eingespart werden könnte. 4° Schalttransistors Q₁ zur Verfügung. Der positive

Durch den erfindungsgemäSen transistorisierten Rückkopplungsstrom bringt dann den Transistor Q₁

elektronischen Schalter werden auch die Nachteile in Sättigung. Der Rückkopplungs-Stromtransforma-

dieser bekannten Schalter vermieden, weil das Tran- tor T₂ ist so ausgelegt, daß das Verhältnis der Win-

sistorpaar des erfindungsgemäßen Schalters nur im dungszahlen von Sekundärwicklung zu Primärwick-

Augenblick des Ein*.chaltens als Darlington-Anord- 45 lung größer ist als im ungünstigsten Fall die Strom-

nung arbeitet, dann aber wegen der Stromrück- verstärkung β des Schalttransistors Q₁ bei Sättigung,

kopplung die Übersteuerungseffekte vermieden wer- Ein typischer Wert hierfür ist 10. Die Stromrück-

den und der Schalttransistor in einem großen Bereich kopplung über d^n Steuertransistor Q., in die Basis

des Laststromes im Sättigungszustand gehalten wird. aet, Schalttrar «ustors Q₁ ist dann ausreichend, um

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Er- 50 eine Sättigung ues Transistors Q₁ unabhängig davon findung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung zu gewährleisten, welche Basis-Fmitter-Spannung der in der Zeichnung in Form eines schematischen für den Schalttransistor Q₁ benötigt wird.
Schaltbildes dargestellten Schaltungsanordnung mit Während der Schalttransistor Q₁ leitet Hegt die einem elektronischen Schalter nach der Erfindung. VersorgungSjpannungE,.,. an der Primärwicklung des Die der Beschreibung und der Zeichnung zu ent- 55 Lasttiansformators T, an. Wegen der positiven Rücknehmenden Merkmale können bei anderen Ausfüh- kopplung wird der Schalttransistor ß, sehr schnell rungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu in die Sättigung getrieben, so daß iru wesentlichen mehreren in beliebiger Kombination Anwendung fin- keine Leistung im Schalttransistor Q₁ verlorengeht, den. Der Sekundärstrom des Transformators T₁ ist we-

Bei der in der Zeichnung dargestellten Schaltungs- 60 gen der in Sperrichtung beaufschlagten Diode D₁

anordnung empfär,3t ein Impulsformer 10 abwech- gleich Null. Der Strom steigt in der Primärwicklung

selnd eine Ladung von einer schaltergesteuerten des Lasttransformators T₁ an, entweder bis ein vor-

Ladeschaltung, die in ihrer Gesamtheit mit der Be- bestimmter Maximalwert erreicht ist oder für eine

zugsziffer 11 bezeichnet ist, und einer identischen vorbestimmte Zeitspanne, je nachdem, ob die Periode

zweiten Ladeschaltung, die durch einen Block 12 65 der Treiberschaltung 13 auf einen größeren oder

wiedergegeben ist. Eine Zweiphasen-Treiberschal- einen geringeren Wert eingestellt ist, als zum Er-

tung 13 schaltet die beiden Ladeschaltungen durch reichen des vorbestimmten Maximalpegels benötigt

eeeeneinander phasenverschobene positive Impulse wird. Unter der Annahme, daß diese Zeitperiode

ausreichend lang ist, fließt nach dem Erreichen des Höchstwertes noch immer kein Strom in der Sekundärwicklung, weil die in dem Impulsformer 10, bei dem es sich in der einfachsten Form um einen großen Speicherkondensator handeln kann, gespeicherte positive Ladung die Diode D₁ in der Sperrichtung beaufschlagt.

Wenn der Schalttransistor O₂ von der Treiberschaltung 13 gesperrt wird, wird der Basisstrom de3 Schalttransistors Q₁ unterbrochen. Dadurch wird der Schalttransistor Q₁ schnell gesperrt. Sobald der Strom durch die Transistoren Q₁ und Q₂ abgeschaltet ist, erscheint wegen der induktiven Eigenschaften des Lasttransformators T₁ an der Anode der Diode D₁ eine Spannung, von der diese Diode in Durchlaßrichtung beaufschlagt wird. Auf diese Weise wird ein Ladestrom dem Impulsformer 10 zugeführt. Eine Diode D₂ schützt die Basis-Emitter-Strecke gegen eine von der Treiberschaltung 13 gelieferte übermäßige negative Abschaltspannung. Ein Widerstand 14 begrenzt die Umkehrspannung, die an der Sekundärwicklung des Rückkopplungs-Stromtransformators T₂ beim Abschalten der Transistoren Q₁ und O₂ auftreten kann. An Stelle eines Widerstandes 14 kann zum Kurzschließen der Umkehrspannung, die beim Abschalten des Schalttransistors Q₁ an der Sekundärwicklung des Rückkopplungs-Stromtransformators T₂ auftreten kann, auch eine Diode verwendet werden.

Der Ladezyklus der gerade beschriebenen Ladeschaltung 11 wechselt mit dem Ladezyklus der zweiten Ladeschaltung 12 ab. Auf diese Weise speichert die eine der beiden Ladeschaltungen 11 und 12 Energie in ihrem Lasttransformator T₁, während die andere die gespeicherte Energie von ihrem Lasttransformator auf den Speicherkondensator oder die Kondensatoren des Impulsformers 10 überträgt.

Bei einer typischen Anwendung wird die in dem Impulsformer 10 gespeicherte Energie in einen Verbraucher 15 entladen, der während einer sehr kurzen Zeitspanne eine hohe Energie benötigt. Bei dem Verbraucher 15 kann es sich beispielsweise um die Blitzlampe eines Lasers handeln. Die Frequenz der

in Entladung, die von einer Triggerschaltung 16 bestimmt wird, ist natürlich bedeutend geringer als die Frequenz der Treiberschaltung 13, damit die Ladeschaltungen 11 und 12 die gespeicherte Energie auf den benötigten Pegel bringen können. Typische Werte für die Verbesserung des Wirkungsgrades, mit der der Aufbau der Energie mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schalter erfolgt, liegen zwischen S und 10%. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß sowohl das Einschalten als auch das Abschalten des Schalt-

ao transistors mit Hilfe der Treiberschaltung durch das Vorhandensein des Steuertransistors Q₂ im Weg des Rückkopplungsstromes erleichtert wird. In dieser Hinsicht ist zu beachten, daß der von dem Rückkopplungs-Siromtransformator T₂ gelieferte Rück-

*5 kopplungsstrom in dem Maße erhöht wird, wie der den Schalttransistor Q₁ durchfließende Strom auf den vorbestimmten Maximalwert ansteigt, jedoch unabhängig von der Versorgungsspannung ist. Infolgedessen werden im Augenblick des Abschaltens der beiden Transistoren Q₁ und Q₂ sehr geringe Anforderungen an die Treiberschaltung gestellt, weil eine nur begrenzte Übersteuerung stattgefunden hat. Das Ergebnis ist eine einfachere Steuerung der Abschaltoperation und auch der Einschaltoperation.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

därwicklung an Masse gelegt. Infolgedessen bleibt Patentansprüche: der Steuertransistor wirkungslos, solange der Schalt transistor gesperrt ist und der Rückkopplungs-Steuer-

1. Elektronischer Schalter mit einem Schalt- transformator nicht von einem Strom durchflossen transistor, dessen Kollektor über die Primärwick- 5 wird. Demnach muß der Basis des Schalttransistors lung eines Rückkopplungs-Stromtransformators unmittelbar ein Steuerimpuls zugeführt werden, um mit einem Verbraucher verbunden ist, und einem den Schalttransistor in den leitenden Zustand zu Steuertransistor, dessen Basis der Steuerstrom zu- bringen. Außerdem ist es erforderlich, auch der geführt wird, dessen Emitter mit der Basis des Basis des Schalttransistors einen Steuerimpuls zuzu-Schalttransistors und Jessen Kollektor mit dem io führen, damit der Steuertransistor in den leitenden einen Ende der Sekundärwicklung des Rückkopp- Zustand versetzt werdea kann, wenn sein Kollektor lungs-Stromtransformators verbunden ist, da- über die Sekundärspule des Rückkopplungs-Stromdurch gekennzeichnet, daß das andere transformators eine Spannung erhält. Die Notwen-Ende der Sekundärwicklung des Rückkopplungs- digkeit, zwei verschiedene Steuerimpulse verwenden Stromtransfonnators (T₂) mit dem Kollektor des 15 zu müssen, stellt einen erheblichen Nachteil des be-Schalttransistors (Q₁) verbunden ist. kannten elektronischen Schalters drr. Außerdem tritt

2. Schalter nach Anspruch 1. dadurch gekenn- beim Einschalten des bekannten Schalters ein erhebzeichnet, daL der Verbraucher einen Lasttrans- licher Leistungsverlust auf, weil der Steuertransistor formator (T₁), dessen Primärwicklung mit dem nicht bereits zu Beginn des Einschaltens zur Wir-Schalttransistor (Qi) derart verbunden ist, daß 20 kung kommt.

sie von dem Laststrom durchflossen wird, und Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese

einen mit der Sekundärwicklung des Lasttrans- Nachteile des bekannten elektronischen Schalters zu formators (T₁) verbundenen impulsformer (10) vermeiden,
umfaßt. Diese Aufgabe ν ird auf überraschend einfache

3. Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch 25 Weise dadurch gelöst, daß das andere Ende der gekennzeichnet, daß zwischen Basis und Emitter Sekundärwicklung des Rückkopplungs-Stromtransdes Steuertransistors (Q₂) eine Diode (D₂) ge- formators mit dem Kollektor des Schalttransistors schaltet ist, die ^:n Durchlaßrichtung beaufschlagt verbunden ist.

ist, wenn der Steuertransistor (P₁) durch Abschal- Bei dem erfindungsgemäßen elektronischen Schalten des Steuer stromes in den nichtleitenden Zu- 30 ter bilden die beiden Transistoren im Einschaltstand versetzt wird. mcment eine Darlington-Schaltung, bei der auch der

4. Schalter nach einem der vorhergehenden Steuertransistor sJ-.on eine hohe Stromverstärkung Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der aufweist, so daß der Leistungsverlust im Augenblick Rückkopplungs-Stromtransformator (T₂) bei der des Einschaltens auf ein Minimum reduziert wird, maximalen Größe des dem Verbraucher züge- 35 Nach dem Einschalten ermöglicht es dann die Stromführten Laststromes noch nicht gesättigt ist. rückkopplung, den Schalttransistor in einem großen

5. Schalter nach einem der vorhergehenden Bereich des Laststromes in Sättigung zu halten, ohne Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwi- daß ein Leistungsverlust durch eine Übersteuerung sehen die Enden der Sekundärwicklung des Rück- der Basis des Schalttransistors für geringe Peg«.¹ des kopplungs-Stromtransformators (T₂) ein Wider- 40 Laststromes auftritt. Außerdem genügt es, dem erstand (14) geschaltet ist. findungsgemäßen Schalter ein einziges Steuersignal

an der Basis des Steuertransistors zuzuführen.