DE2347483B2

DE2347483B2 - Sperrschwinger

Info

Publication number: DE2347483B2
Application number: DE2347483A
Authority: DE
Inventors: Hans Mogens Augustenborg Beierholm (Daenemark)
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1972-10-24
Filing date: 1973-09-21
Publication date: 1974-12-19
Also published as: CH576729A5; FR2204080B1; SE388519B; CA984922A; GB1452764A; DE2347483C3; JPS4977558A; DE2347483A1; US3909747A; NL7314182A; FR2204080A1; JPS5547490B2

Description

Spannungsquelle und mit zur Durchlaßrichtung Verstäikerelement ein Transistor ist, dessen Kollek-

der Basis-Emitter-Strecke des Transistors ent- tor über die Primärwicklung des Rückkopplungsgegengesetzter Polarität angeschlossen ist. 40 transformators mit dem einen Pol der Betriebsspan-

4. Sperrschwinger nach Anspruch 3, dadurch nungsquelle verbunden ist, während dessen Emitter gekennzeichnet, daß parallel zum Widerstand mit dem anderen Pol der Betriebsspannungsquelle (R_B) in der Basiszuleitung des Transistors ein verbunden ist, daß das eine Ende der Rückkopp-Kondensator (C) liegt. lungswicklung mit demselben Pol wie der Kollektor

45 und das andere Ende mit der Baris des Transistors verbunden ist, und daß zwischen dem anderen Ende

der Rückkopplungswicklung und der Basis des Transistors ein Widerstand eingeschaltet ist und daß an diesem Verbifiiiungspunkt von Rückkopplungswick-50 lung und W^srsfand das eine Ende der Diode ange-

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sperrschwin- schlossen ist. deren anderes Ende mit dem andeger mit einem über einen Rückkopplungstransforma- ren Pol des Petriebsspannungsquelle und mit zur tor mit einer Haupt- und einer Rückkopplungswick- Durchlaßrichtung der Basis-Emitter-Strecke des lung zuriickgekoppelten Verstärkerelement. Transistors entgegengesetzter Polarität angeschlossen

Das Problem bei den meisten bekannten Sperr- 55 ist.

schwingern ist deren Stabilität, niedriger Wirkungs- Dadurch wird erreicht, daß die Diode nur leitend

grad und die Wirkungsgradabhängigkeit von der ist, wenn der Transistor nicht leitend ist, während Betriebsspannung. Ein anderer Nachteil ist, daß die gleichzeitig der Widerstand in der Basisstrecke den Kollektor-Emitter-Spannung infolge der im Trans- Basisstrom im Transistor und die gewünschte Enerformator gespeicherten magnetischen Energie auf 60 gierückleitung bestimmt.

sehr hohe Werte ansteigen kann. Bei einem Sperr- Es ist ferner vorteilhaft, wenn parallel zum Wider-

schwinger mit einem Transistor als Verstärkerelement stand in der Basiszuleitung des Transistors ein Konist es bekannt, die Energie dadurch zu übertragen, densator liegt.

daß der Transistor leitend gesteuert wird, und die Dadurch erhält man im Augenblick des Wechsels,

Überspannungen mittels Dioden zu begrenzt werden, 65 wenn z. B. der Transistor leitend wird, einen großen die auch zur Auflösung der magnetischen Energie Stromimpuls, der den Transistor voll durchsteuert, dienen, z. B. dadurch, daß sie parallel zur Primär- und hierdurch wird ein schneller Wechsel sowie ein wicklung des Transformators geschaltet werden. hoher Wirkungsgrad erzielt.

Die Erfindung ergibt somit einen hohen Wirkungsgrad, eine Begrenzung der Kollektor-Emitter-Spannung, annähernde Temperaturunabhängigkeit in einem sehr großen Bereich, z.B. — 25°Cbis +85⁰C, und der Wirkungsgrad ist von der Betriebsspannung unabhängig.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen bekannten Sperrschwinger,

Fi g. 2 den Sperrschwinger nach der Erfindung und

Fig. 3 verschiedene Strom- und Spannungsdiagramme.

Nach Fig. 1 ist eine Leitung 1 mit dem einen Pol und eine Leitung 2 mit dem anderen Pol der Betriebsspannungsauelle verbunden. Eine Leitung 3 verbindet eine Vorspannungsquelle über einen mechanischen oder elektronischen Schalter mit der Basis eines Transistors 5, so daß man mittels des Schalters bestimmen kann, ob der Sperrschwinger ausgelöst wird oder nicht.

Das eine Ende der Primärwicklung 9 eines Transformators? ist am Kollektor 6 des Transistors und das andere Ende an der Leitung 1 angeschlossen. Der Transformator ist mit einer Ausgangswicklung 10 versehen, die von einem Kondensator 11 überbrückt ist. Dieser Kondensator wird im leitenden Zustand des Transistors 5 aufgeladen, und die im Kondensator gespeicherte Energie verursacht in dem anderen, nicht leitenden Zustand des Transistors eine Auflösung der im Transformator vorhandenen elektrischen Energie. Das heißt, daß sowohl zum Aufladen des Kondensators als auch die im Transformator verbliebene Energie gebraucht wird. Der Transformator? besitzt außerdem eine Rückkopplungswicklung 12, die eine Mitkopplung bewirkt. Ihr eines Ende 13 ist an der Basis 4 des Transistors 5 und ihr anderes Ende 14 an einem Widerstand 15 angeschlossen, der an dem Ausgang eines aus Widerständen 16, 17 bestehenden, über die Leitungen 1, 2 an der Betriebsgleichspannung liegenden Spannungsteilers angeschlossen ist.

Dieser Sperrschwinger hat die bereits erwähnten Nachteile, insbesondere kann die Spannung an der Kollektor-Emitter-Strecke U_CF auf sehr hohe Werte ansteigen, so daß man einen Transistor benötigt, dessen Kollektor-Emitter-Strecke eine sehr hohe Durchschlagsspannung aufweist. Zum Beispiel kann U_a._: bei einer Betriebsgleichspannung von 18 Volt und der hier angegebenen Kopplung auf etwa 100 V ansteigen, weshalb man aus Sicherheitsgründen einen 140-V-Transistor verwenden muß.

Der Wirkungsgrad und damit die Ausgangsleitung sind stark von Änderungen der Betriebsspannung, der Temperatur sowie der Stromverstärkung des Transistors abhängig.

F i g. 2 stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Die Betriebsgleichspannung U_B liegt an Leitungen 18 und 19. Eine Steuerspannung U_s kann über Leitungen 19, 20 und einen Schalter 21 der Basis 22 und dem Emitter 24 zugeführt werden und dadurch den Transistor 23 sperren. Der Kollektor 25 ist an dem einen Ende der Primärwicklung 27 des Transformators 26 angeschlossen, während das andere Ende der Wicklung 27 mit der Leitung 18 verbunden ist. Die Ausgangswicklung 29 ist über eine Diode 30 mit dem Lastwiderstand R_L verbunden. Das eine Ende der Rückkopplungswicklung 28 des Transformators 26 ist mit der Leitung 18 und das andere Ende über eine Diode D₁ mit der anderen Leitung 19 verbunden. Zwischen dem Verbindungspunkt von Diode D₁ und Rückkopplungswicklung 28 und der Basis 22 des Transistors 23 liegt ein Widerstand R_B. Der Widerstand R_B ist von einem Kondensator C überbrückt.

Wenn der Transistor 23 leitend wird, steigt der Kollektorstrom I_c an, bis der Basisstrom I_B beginnt,

ίο den Transistor zu sperren. U_CE steigt dann an, und infolge der Mitkopplung nimmt l_B ab. Der Transistor wird dadurch völlig gesperrt. Es ist nun im Transformator 26 eine magnetische Energie gespeichert. Diese Energie wird jetzt durch die Wicklung 28 und

t5 die Diode D₁ als Strom I₀ zur Betriebsspannungsquelle zurückgeleitet. Wenn dieser Strom I₀ auf Null abgefallen ist, steigt die Spannung U₀ an der Diode D₁ wieder an. Es beginnt dann ein Basisstrom I_B zu fließen, und infolge der Mitkopplung wird der Transistor 23 wieder voll leitend. Der Kondensator C dient dazu, einen großen Stromstoß zu bewirken, wenn U_n anzusteigen beginnt, wodurch ein schnellerer Wechsel und damit niedrigerer Wechselverlust erzielt wird. Wenn der Transistor gesperrt wird (in seinen nichtleitenden Zustand zurückkehrt), entsteht an der Transformatorwic'dung 28 auf Grund des gewählten Windungszahlenverhältnisses und Wickelsinns eine Spannung mit einer solchen Größe und Polarität, daß die Diode D₁ leitend wird und in die

3" Betriebsspannungsquelle ein Strom zurückfließt.

Ist der Transistor 23 leitend, so ist der Kondensator C aufgeladen, und wenn der Transistor 23 gesperrt wird, fällt das Potential der linken Seite des Kondensators C an der Kathode von D₁ auf etwa —0,5 V ab. Das Potential der rechten Seite des Kondensators wird ebenso weit negativ, wie die Aufladung des KondensatorsC dies bedingt. Bei U_BF=-- —6 bis 7 V fließt ein Rückstrom über die Basis, und der Kondensator C entlädt sich dabei teilweise. Die weitere Entladung des Kondensators C erfolgt über R_B. Nicht dieser Entladungsverlauf bestimmt, wann der Transistor 23 wieder leitend wird. Der Transistor 23 wird leitend, wenn die gespeicherte Energie in die Betriebsspannungsquelle zurückgeleitet worden und der Strom I₀ dabei auf Null abgefallen ist. Die Spannung an der linken Seite des Kondensators C steigt danach an, und selbst wenn gegebenenfalls im Kondensator C eine Restladung enthalten sein sollte, steigt auch U_Bt an, bis der Transistor 23 voll leitend ist.

F i g. 3 zeigt unter anderem die Kollektor-Emitter-Spannung U_CE, die beginnt, wenn der Transistor gesperrt wird, um danach auf das Sättigungsniveau, d. h. fast Null, abzufallen und darauf wieder anzusteigen usw. Die Basis-Emitter-Spannung U_BE ist in dem anschließenden Zeitdiagramm dargestellt. Wenn der Transistor gesperrt ist, hat der Kondensator C, da die Diode D₁ leitend ist, eine negative Spannung, so daß die Basis 22 negativ vorgespannt ist. Diese Ladung wird teils über den Widerstand R_B und teils über die Basis-Emitter-Strecke entladen, ehe der Transistor wieder leitend wird, wonach die Basis-Emitter-Spannung steigt und konstant bleibt, bis der Transistor wieder gesperrt ist. Die Diodenspannung U₀ ist in dem nächsten Diagramm gezeigt. Der

6s erste Teil ist infolge des Stroms, der durch die Wicklung 28 und die Diode D₁ fließt, im Verhältnis zum Bezugspotential der Leitung 19 etwas negativ. Dabei bleibt sie konstant, bis der Transistor wieder leitend

wird. In diesem Augenblick steigt sie auf ihren vollen Wert an und bleibt konstant.

Die Ausgangsspannung U_A ist mit einer der Kollektor-Emitter-Spannung U_CE entgegengesetzten Polarität dargestellt. Der Kollektorstrom /_c hat den normalen, typischen Verlauf. Nachdem er auf Null abgefallen ist, bleibt er bei Null, abgesehen von einem Reststrom, steigt danach sprungartig auf einen bestimmten Wert und von dort infolge der Selbstindukation linear weiter an, bis der Transistor wieder in den nichtleitenden Zustand übergeht. Dies wiederholt sich.

Der Verlauf des Basisstroms I_B weist zu Beginn jeder Periode eine negative Stromspitze auf. Diese Stromspitze ist auf die Entladung des Kondensators C über die Basis-Emitter-Strecke und über den Widerstand R_B zurückzuführen. Wenn diese Entladung ganz oder teilweise erfolgt ist und der Transistor infolge der positiven Spannung an der Diode D₁ wieder leitend zu werden beginnt, fließt ein großer Strom durch den Kondensator C, der seine Ladung über die Rückkopplungswicklung 28· erhält, und dieser Strom nimmt dann bis auf den Basisstrom I_B ab, der in dem verbleibenden Zeitabschnitt, in dem der Transistor leitend ist, konstant bleibt. Dies wiederholt sich dann wie dargestellt.

In dem vorletzten Bild ist der durch die Diode D₁ fließende Strom I_D dargestellt. In dem ersten Zeitabschnitt, in dem der Transistor gesperrt ist, steigt er auf einen hohen Wert an, der infolge der Selbstinduktion im Transformator 26 abnimmt, bis die gespeicherte magnetische Energie im Transformator verbraucht ist. Danach, wenn der Transistor leitenc wird, ist der Strom durch die Diode D₁ gleich Null Im nächsten Zeitabschnitt, in dem der Transistor gesperrt ist, steigt er wieder sprungartig an und nimmi infolge der Selbstinduktion im Transfoimator 26 wieder linear ab. Der Strom I₀ wird in die Betriebsspannungsquelle zuriickgeleitet, was an Hand des Verlaufs des von der Betriebsspannungsquelle abgegebenen Stroms /_cc zu erkennen ist. Wie man sieht,

ίο fließt während der Zeit, in der der Transistor gesperrt ist, Energie in die Betriebsspannungsquelle zurück, und danach entspricht der Verlauf des Stroms Iq_C dem Verlauf des Kollektorstroms /_c.

Dieses Ausführungsbeispiel läßt sich auch mit einei zusätzlichen Wicklung ausführen. Dabei liegt dann die Diode 29 in Reihe mit der zusätzlichen von dei Rückkopplungswicklung getrennten Wicklung bei gleicher Polarität, wie es in F i g. 2 gezeigt ist, damil die Energie zuriickgeleitet wird, jedoch ist die Zu-

ao sammenfassung von Rückleit- und Rückkopplungswicklung, wie es in F i g. 2 dargestellt ist, vorteilhaft, da man hierbei eine zusätzliche Wicklung am Transformator einspart. Es wird somit eine Begrenzung der Kollektor-Emitter-Spannung, ein hoher Wir-

kungsgrad und fast Temperaturunabhängigkeit erreicht sowie daß der Wirkungsgrad von der Betriebsspannung fast unabhängig und weniger abhängig ist, weil lediglich vorausgesetzt wird, daß die Sättigungsspannung an der Kollektor-Emitter-Strecke niedrig

und vorzugsweise geringer als 1 V ist, bis der Kollektorstrom gleich dem mit dem Stromverstärkungsfaktor multiplizierten Basisstrom ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Es ist auch bekannt, unmittelbar an die Ausgangs-Patentansprüche: wicklung des Transformators einen Kondensator im Nebenschluß anzuschließen, wobei die im leitenden

1. Sperrschwinger mit einem über einen Rück- Zustand des Verstärkereleinents im Kondensator gekopplungstransformator mit einer Haupt- und 5 speicherte elektrische Energie dazu verwendet wird, einer Rückkopplungswicklung zuriickgekoppelten eine Gegen-Magnetisierung zu erzeugen, die der im Verstärkerelement, dadurchgekennzeich- Transformator gespeicherten magnetischen Energie net, daß der Rückkopplungstransfonnator eine entgegengerichtet ist. Diese Anordnung ist unvorteil-Energierückleitungswicklung (28) hat, die mit haft, da sie eine Verringerung des Wirkungsgrades einer Diode (D₁) in Reihe geschaltet ist, und daß io bewirkt.

diese Reihenschaltung von Diode (D₁) und Rück- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

leitungswicklung (28) derart gepolt an der Be- Energierückgewinnung bei einem Sperrschwinger zu

triebsspannungsquelle liegt, daß die im Transfer- ermöglichen.

mator (26) gespeicherte magnetische Energie im Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch

nichtleitenden Zustand des Verstärkerelements 15 gelöst, daß der Rückkopplungstransformator eine

(23) in die Betriebsspannungsquelle zurückgeleitet Energierückleirungswicklung hat, die mit einer Diode

wird. in Reihe geschaltet ist, und daß diese Reihenschal-

2. Sperrschwinger nach Anspruch 1, dadurch rung von Diode und Rückleitungswicklung derart gekennzeichnet, daß die Energierückleitungswick- gepolt an der Betriebsspannungsquelle liegt, daß die lung die Rückkopplungswicklung (28) ist. »0 im Transformator gespeicherte magnetische Energie

3. Sperrschwinger nach Anspruch 1 und 2, bei im nichtleitenden Zustand des Verstärkerelements in dem das Verstärkerelement ein Transistor ist, die Betriebsspannungsquelle zurückgeleitet wird,
dessen Kollektor über die Primärwicklung des Auf diese einfache Weise wird erreicht, daß die im Rückkopplungstransformators mit dem einen Pol Transformator gespeicherte Energie nun infolge des der Betriebsspannungsquelle, und dessen Emitter »5 Polaritätswechsels eine solche Polarität hat, daß die mit dem anderen Pol der Betriebsspannungsquelle Diode leitend wird und der Strom in die Betriebsverbunden ist, und das eine Ende der Rückkopp- Spannungsquelle zurückfließt. Dadurch wird eine Btlungswicklung mit demselben Pol wie der Kollek- grenzung der Spannung am Verstärkerelement ertor und das andere Ende mit der Basis des Tran- reicht, so daß man freier in der Wahl des Verstärkersistor verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, 30 elements ist. Ferner lassen sich die Energieverluste daß zwischen dem anderen Ende der Rückkopp- niedriger halten.

hingswicklung (28) und der Basis (22) des Tran- Auch ist es vorteilhaft, wenn die Energierücksistors (23) ein Widerstand (R_B) eingeschaltet ist leitungswicklung die Rückkopplungswicklung ist. und daß an diesem Verbindungspunkt von Rück- Dadurch kann man bei passendem Aufbau der Schalkopplungswicklung (28) und Widerstand (R_B) das 35 tungsanordnung eine zusätzliche Wicklung am Transeine Ende der Diode (D₁) angeschlossen ist, deren formator einsparen.

anderes Ende mit dem anderen Pol der Betriebs- Dies läßt sich z. B. dadurch erreichen, daß das