DE2139144C - Elektronischer Schalter mit einem Schalttransistor - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Schalter mit einem Schalttransistor, dessen Kollektor über die Primärwicklung eines Rückkopplungs-Stromtransformators mit einem Verbraucher verbunden ist, und einem Steuertransistor, dessen Basis der Steuerstrom zugeführt wird, dessen Emitter mit der Basis des Schalttransistors und dessen Kollektor mit dem einen Ende der Sekundärwicklung des Rückkopplungs-Stromtransformators verbunden ist.

Ein solcher elektronischer Schalter, der zum Schalten des Ladestromes eines Impulsformers dient, ist aus der USA.-Patentschrift 3 219 844 bekannt. Bei diesem bekannten elektronischen Schalter ist das zweite Ende der Sekundärwicklung des Rückkopplungs-Stromtransformators mit dem Emitter des Schalttransistors verbunden, und zwar sind sowohl dieser Emitter als auch das zweite Ende der Sekundärwicklung an Masse gelegt. Infolgedessen bleibt der Steuertransistor wirkungslos, solange der Schalttransistor gesperrt ist und der Rückkopplungs-Steuertransformator nicht von einem Strom durchflossen wird. Demnach muß der Basis des Schalttransistors unmittelbar ein Steuerimpuls zugeführt werden, um den Schalttransistor in den leitenden Zustand zu bringen. Außerdem ist es erforderlich, auch der Basis des Schalttransistors einen Steuerimpuls zuzuführen, damit der Steuertransistor in den leitenden Zustand versetzt werden kann.wenn sein Kollektor über die Sekundä-spule des Rückkopplungs-Stromtiansfcrmators eine Spannung erhält. Die Notwendiekeit, zwei verschiedene Steuerimpulse verwenden zu" müssen, stellt einen erheblichen Nachteil des bekannten elektronischen Schalters dar. Außerdem tritt beim Einschalten des bekannten Schalters ein erheblicher Leistunssverlust auf. weil der Steuertransis; μ nicht bereits zu Beginn des Einschalten zur Wi:- kune kommt.

Der Erfindung üegt die Aufgabe zugrunde, die-,· Nachteile des bekannten elektronischen Schalters /u vermeiden.

Diese Aufgabe wird auf überraschend einfac··..· Weise dadurch gelöst, daß das andere Ende de: Sekundärwicklung des Rückkopplungs-Stromtranformators mit dem Kollektor des SchalttransistP-\ \erbunden is*.

Bei dem erfindungsgemäßen elektronischen Sch; i ter bilden die beiden Transistoren im Einschai. moment eine Darlington-Schaltung, bei der auch C-.-t Steuertransistor schon eine hohe Stromverstärkung aufweist, so daß der Leistungsverlust im Augenblu k des Einschaltens auf ein Minimum reduziert wir i. Nach dem Einschalten ermöglicht es dann die Stm:· rückkopplung, den Schalttransistor in einem groß, η Bereich des Laststromes in Sättigung zu halten, ohn;. daß ein Leistungsverlust durch eine Übersteuerung der Basis des Schalttransistors für geringe Pegel de Laststromes auftritt. Außerdem genügt es, dem afindungsgemäßen Schalter ein einziges Steuersignal an der Basis des Steuertransistors zuzuführen.

Der erfindungsgemäße elektronische Schalter ist besonders zum Schalten des Ladestromes für Impuls 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 Verbraucher entladen. Zur Einsparung von Leistung wird eine wirksame Schaltungsanordnung zum Laden des Impulsformers benötigt.

Die wirksamste Technik, die bisher zum Laden von Impulsformern benutzt wurde, machte von einem Transformator mit einem Serienschalter in dessen Primärwicklung Gebrauch. Der Schalter ist entweder eine bestimmte Zeitspanne oder so lange leitend, bis der Strom in der Primärwicklung einen vorbestimmten Pegel erreicht. Der Stromfluß in der Sekundärwicklung wird durch eine geeignet gepolte Diode gesperrt, solange der Schalter leitend ist. Dann wird der Schalter gesperrt, und es findet eine Spannungsumkehrung an den Transformatorwicklungen statt, wenn das aufgebaute Magnetfeld zusammenbricht. Die umgekehrte Spannung in der Sekundärwicklung beaufschlagt die Diode in der Durchlaßrichtung, so daß ein Strom dem Verbraucher zugeführt wird.

Der Wirkungsgrad dieser bekannten Anordnungen

ist wegen der Art des Schaltens relativ hoch. Es findet jedoch, wenn ein Transistor als Schalter verwendet wird, noch ein bedeutender Verlust an Leistung beim Betrieb des Schalters statt, der auf den notwendigen Basisslrom und die Emitter-Kollektor-Spannung zurückzuführen ist. die anlieg;, wenn der Transistor nicht im Sättigungszustand betrieben wird. Lm einen wirksameren Transistorschalter zu erzeugen, können zwei Transistoren in Form einer Dar-Ijnüum-Schaliung verwendet werden, bei der die Kollektoren der beiden Transistoren elektrisch miteinander verbunden sind, die Basis des einen Tranxi-Tt;r> unmittelbar mit dem Emitter des anderen verbunden ist und individuelle Verbincimuen zu dem noch freien Emitter und der noch freien Basis herstellt sind. Das Transistorpaar bildet ein Äquivalt.= :ii eines einzigen Transistors und weist eiiien Emitter und einen Kollektor auf. die beide im wesenth,:u η bleich dem Emitter und Kollektor eines der abwechselnd ein. die auf übliche Weise erzeugt werden, beispielsweise von einem Zweiphasen-Rechteckwellengenerator.

Da beide Ladeschaltungen 11 und 12 identisch sind, wird nur die Ladeschaltung 11 im einzelnen beschrieben. Ein nicht sättigbarer Lasttransformator 7", ist mit dem Impulsformer 10 über eine Diode D₁ verbunden, die nur dann in Durchlaßrichtung gepolt ist. wenn der Strom in der Primärwicklung

ίο durch einen Schalttransistor Q, abgeschaltet worden ist. Mit der Primärwicklung des Lgsttransformators 7", ist die Primärwicklung eines nicht sättigbaren Rückkopplungs-Stromtransformators 7"., in Serie geschaltet. Die Sekundärwicklung des Rückkopplungs-

Stromtransformators T., ist dann mit der Basis de> Schaluransistors Q₁ verbunden, um über einen Steuerschalter, der von einem Schalttransistor Q₂ gebildet wird, eine positive Rückkopplung zu erzeugen.

daß der Steuerschal-

Es sei darauf hingewi tn.

visieren arbeiten. Die Darüngton-Seh ;liung hat 20 ter entweder, wie dargestellt, ein Serienschalter oder .h den Vorteil eines höheren Stromverstärkungs- auch ein Parallelschalter sein kann. Der Serienschalter wird bevorzugt, weil der Basisstrom fur den Schalttransistor CC der von der Treiberschaltung 13 geliefert wird, den anfänglichen Basisstrom zum Emhl d Shlttsistors Q bildet Insoweit

^Γ,'.Λ>Γν Der Nachteil dieser Anordnung besteht jej Ji darin, daß der Transistor, dessen Basis mit dem

F mutet des anderen Transistors verbunden ist. keine _o ...

·. n-tändige Sättigung erreicht, so daß der Span- 25 schalten des Schalttransistors Q₁ bildet. Insoweit an dem Transistorpaar mehr als' das ähneln die beiden Transistoren Q₁ und Q, einer

Darlington-Schaltung. Es sei außerdem erwähnt. daB die Sekundärwicklung des Transformators 7 _, mit Hilfe eines Serienschalters anstatt parallel zur Kolben Transistors : '?r eines Transistorpaäres in Dar- 30 lektor-Basis-Strecke auch parallel zur Basis-Emitter-,gton-Schaltung besteht darin, daß bei einem An- Strecke des Schalttransistors Q₁ geschaltet sein kann, eg der Eingangsspannung für den Schaltertreiber
e Ansteuerung durch den Basisstrom zunimmt,
idurch ei. e erhebliche Übersteuerung entsteht. Vm
it einer solchen Übersteuerung verbundene Ver-
-■te zu vermeiden, würde es erforderlich sein, das

Doppelte beträgt als der Spannungsabfall eines getilgten einzelnen Transistors.
Ein anderer Nachteil der ^verwendune eines ein-

Net/gr-rät für die Treiberschaltung zu stabilisieren. Hierfür würden zusätzliche Schallungsanordnungen benötigt, die mehr Leistung verbrauchen wurden, als eingespart werden könnte.

Durch den erfindungsgemäßen transistorisierten elektronischen Schalter werden auch die Nachteile dieser bekannten Schalter vermieden, weil das Transistorpaar des erfindungsgemäßen Schalters nur im jedoch wird die erste Lösung bevorzugt, weil bei der zweiten Anordnung wegen des relativ geringen Widerstandes der Sekundärwicklung bis zum Einsetzen der Rückkopplung eine nachteilige Kurzschlußwirkung eintritt.

In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung steht die volle Stromverstärkung des Steuertransistors Q., sofort zum Einschalten des Schalttransistors Q₁ zur Verfügung. Der positive P.ückkopplungsstrom bringt dann den Transistor Q₁ in Sättigung. Der Rückkopplungs-Stromtransformjtor T., ist so ausgelegt, daß das Verhältnis der Windungszahlen von Sekundärwicklung zu Primärwick-

sistorpaar des erfindungsgemäßen Schalters nur im „

Augenblick des Einschalten als Darlington-Anord- 45 lung größer ist als im ungünstigsten Fall die Stromnung arbeitet, dann aber wegen der Stromrück- verstärkung β des Schalttransistors Q₁ bei Sättigung, kopplung die übersteuerungseffekte vermieden werden und der Schalttransistor in einem großen Bereich
des Laststromes im Sättigungszustand gehalten wird.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Frfindung ergaben sich aus der folgenden Beschreibung der in der Zeichnung in Form eines schematischen

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tärkung/.

Ein typischer Wert hierfür ist 10. Die Stromrückkopplung über den Steuertransistor Q., in die Basis des Schalttransistors Q₁ ist dann ausreichend, um eine Sättigung des Transistors Q₁ unabhängig davon gewährleisten, welche Basis-Emitter-Spannung

Schaltbildes dargestellten Schaltungsanordnung mit einem elektronischen Schalter nach der Erfindung.

für den Schalttransistor Q₁ benot^:gt wird.

Während der Schalttransistor Q₁ leitet, liegt die Versorgungsspannung E_cc an der Primärwicklung des

Die der Beschreibung und der Zeichnung zu ent- 55 Lasttran^cformators T₁ an. Wegen der positiven Rückkopplung wird der Schalttransistor Q₁ sehr schnell in die Sättigung getrieben, so daß im wesentlichen keine Leistung im Schalttransistor Q₁ verlorengeht. Der Sekundärstrom des Transformators T₁ ist we-

Bei der in der Zeichnung dargestellten Schaltungs- 60 gen der in Sperrichtung beaufschlagten Diode D₁ anordnung empfängt ein Impulsformer 10 abwech- gleich Nuil. Der Strom steigt in der Primärwicklung

des Lasttransformators T₁ an, entweder bis ein vorbestimmter Maximalwert erreicht ist oder für eine

ΐ"₆»">ι·.ι ** ...w «,.„■·..„. .0., -..w .— 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-

nehmenden Merkmale können bei anderen Ausfuhrungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden.

selnd eine Ladung von einer schaltergesteue.ten Ladeschaltung, die in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 11 bezeichnet, ist, und einer identischen

tung 13 schaltet die beiden Ladeschaltungen durch gegeneinander phasenverschobene positive Impulse reichen des vorbestimmten Maximalpegels benötigt 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 Q₂ von der Treiberschaltung 13 gesperrt wird, wird der Basisstrom des Schalttransistors Q_x unterbrochen. Dadurch wird der Schalttransistor Q_x 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 D_x 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 T_t beim Abschalten der Transistoren Q_x und Q₁ 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 7*,, 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

ίο 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 °/o. 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 Q_t im Weg des Rückkopplungsstromes erleichtert wird. In dieser Hinsicht ist zu beachten, daß der von dem RückkopplU'gs-Stromtransformator T_t gelieferte Rück-

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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Elektronischer Schalter mit einem Schalttransistoi, dessen Kollektor über die Primärwicklung eines Rückkopplungs-Stromtransformators mit eiff-rn Verbraucher verbunden ist, und einem Steuert, unsistor. dessen Basis der Steuerstrom zugeführt wird, dessen Emitter mit der Basis des Schalttransistors und dessen Kollektor mit dem einen Ende der Sekundärwicklung des Rückkopplungs-Stromtransformators verbunden ist. dadurch gekennzeichnet, daß das andere Ende der Sekundärwicklung des Rückkopplungs-Stromtransformators (T.,) mit dem Kollektor des Schalttransistors (Q₁) verbunden ist.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Verbraucher einen Lasttransformator (7",). dessen Primärwicklung mit dem Schalttransistor (Q₁) derart verbunden ist. daß sie von dem I.aststrom durchflossen wird, und einen mit der Sekundärwicklung des Lasttransformators (T₁) verbundenen Impulsformer (10) umfaßt.

3. Schalter nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Basis und Emitter des Steuertransistors (Q.,) eine Diode (D,,) eeschaltet ist, die in Durchlaßrichtung beaufschlagt ist, wenn ü-r Steuertransistor (Q.,) durch Abschalten des Steuerstromes in Jen nichtleitenden Zustand versetzt wird.

4. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungs-Stromtransformator (T".,) bei der maximalen Größe des dem Verbraucher zügeführten Laststromes noch nicht gesättigt ist.

5. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Enden der Sekundärwicklung des RückkoppIungs-Stromtransformators (T.,) ein Widerstand (14) geschaltet ist.