DE2358322B2 - Schaltungsanordnung zur steuerung eines transistorleistungsschalters - Google Patents
Schaltungsanordnung zur steuerung eines transistorleistungsschaltersInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung
zur Steuerung eines Transistorleistungsschaltcrs unter Verwendung eines eine Kollektor-Basis-Milkopplung
bewirkenden sättigbaren Transformators, dessen Kern jeweils vor dem Einschalten des Transistorleistungsschalters
gesättigt ist, wobei eine erste Wicklung des Transformators im Koilektorkreis des Transistorlei-Stungsschalters
eine zweite Wicklung im Basiskreis des Transistorleistungsschalters und eine dritte Wicklung im
Koilektorkreis eines im Schaltbetrieb gesteuerten Steuertransistors mit derartiger Polung liegt, daß beim
Einschalten des Steuertransistors der Transistorleistungsschalter gesperrt wird und beim Ausschalten des
Steuertransistors der Transistorlcistungsschalter eingeschaltet wird, und wobei zu der aus dem Steuertransistor
und der dritten Transformatorwicklung bestehenden Reihenschaltung ein Kondensator parallelgeschaltet ist
und diese Parallelschaltung über einen Widerstand an eine Gleichstromquelle angeschlossen ist. Eine solche
Schaltungsanordnung ist bekannt (Supplement to IEEE ions on Aerospace and Electronic Systems, Vol.
Sr. 6, November ,967, 5. 4,0 bis 417, insbes.
F ig. 5).
Solche Schaltungsanordnungen werden zum Beispiel benutzt, um die Gleichspannung eines Lastkreises zu
regeln, der von den Steuerkreisen galvanisch getrennt ist. Man verwendet hierzu einen Leistungstransistor mit
Pulsbreitenmodulation und nachgeschalteter Glältung.
Aus der DT-OS 15 63 050 ist ein regelbarer Gleichspannungswandler mit konstanter, einstellbarer
Ausgangsspannung bekannt, der aus einem Sägezahngenerator, einem Gleichstromverstärker, eimern nachfolgenden
Impulsverstärker und einer anschließenden Anordnung zur Glättung der zerhackten Gleichspannung
besteht. Bei dem Wandler wird die Batteriespannung duich einen Transistorleistungsschalter periodisch
an eine Siebschaltung gelegt und die Höhe des Gleichspannungs-Mittelwertes der Verbraucherspannung
wird durch das Verhältnis der Einschalt- zur Ausschaltdauer dieses Schalttransistors bestimmt. Der
Transistorieislungsschalter induziert über eine Rückkopplungswicklung
seines drei Wicklungen aufweisenden und außerhalb der Sättigung betriebenen Steuertransformators
den von ihm benötigten Basisstrom. Eine Einschaltung erfolgt durch Entladung eines
Kondensators über eine mit dem Kondensator in Reihe liegende Transformatorwicklung und den Kollektorwiderstand
eines Steuertransistors. Die Reihenschaltung aus dieser Wicklung und dem Kondensator, die zu
dem Kollektorwiderstand des Steuertransistors parallelgeschaltet ist, liefert nicht nur die Steuerenergie zum
Einleiten des Einschaltens, sondern auch die Steuerenergie zum Einleiten des Ausschaltens. Die an der
Transformatorwicklung zur Verfügung gestellte Energie wird durch den Kollektorwiderstand des Steuertransistors
begrenzt, so daß sich nachteiligerweise für den Leistungs-Schalttransistor ungünstige Schalteigenschaften
ergeben und sich der Gleichspannungswandler daher nur für kleine Leistungen eignet.
In der US-PS 32 73 050 ist ein Schaltkreis zur Leistungsregelung einer induktiven Belastung beschrieben,
bei dem die Basis eines Transistorleistungsschalters über eine Mitkopplungswicklung eines Transformators
und eine Diode mit seinem Emitter verbunden ist. Eine weitere Wicklung des Transformators liegt in Reihe mit
dem Kollektor des Transistorleistungsschalters und der Belastung. Parallel zur Basis-Emitter-Strecke des
Transistorleistungsschalters liegt außerdem die Kollektor-Emitter-Strecke eines Steuertransistors, durch den
dei Transistorleistungsschalter vorzeitig abschaltbar ist. Der Kern des Transformators ist vor dem Einschalten
des Leistungstransistors magnetisch gesättigt, jedoch befindet sich der Transformatorkern im Ruhezustand
nicht in der Sättigung. Der Schaltkreis ist nicht für schnelle Abschaltzeiten des Leistungstransistors ausgelegt,
so daß der Schaltkreis nicht mit hohen Strömen und Leistungen betrieben werden kann.
Bei der eingangs genannten bekannten Schaltungsanordnung (Supplement to IEEE Transactions on Aerospace an Electronic Systems, Vol. AES-3, Nr. 6,
November 1967, S. 410 bis 417. insbes. F i g. 5) ist ein sät ligbarer Transformator mit vier Wicklungen vorgesehen,
von denen die erste im Kollektorkreis des Leistungstransistors und die zweite im Basiskreis des
Lcislungstransistors liegen, während die dritte und die vierte Wicklung in den Kollektorkreisen von zwei
Steuertransistoren angeordnet sind, die an ihren Basen im Gegentakt digital angesteuert werden. Einer der
beiden Steuertransistoren dient zur Zündung, der andere zur Löschung des Leistungstrr-nsistors. Die
beiden Wicklungen im Kollektorkreis und im Basiskreis des Leistungstransistors sind im Sinne einer Mitkopplung
geschaltet. Diese bewirkt, daß der durch einen Zündimpuls in den Leitzustand versetzte Leistungstransistor
bis zum nächsten Löschimpuls leitend bleibt. Der zur Löschung des Leistungstransistors dienende Steuertransistor
liegt in Reihe mit einer Traniformatorwicklung und einem Widerstand, wobei dieser Reihenschal- '°
tung ein Kondensator parallel geschaltet ist. Diese Parallelschaltung ist über einen weiteren Widerstand an
eine Gleichstromquelle angeschlossen. Der Kondensator kann sich nur über den erstgenannten Widerstand
und die Transformatorwicklung entladen. Der Strom wird durch den Widerstand begrenzt, so daß die
Spannung nicht direkt an der Transformatorwicklung anliegt und keine schnelle Kernrückstellung erfolgen
kann. Somit ist eine schnelle Löschung des Leistungstransistors nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu
schaffen, bei der eine besonders schnelle Kernrückstellung des Transformators erreicht und somit der
Leistungstransistor mit besonders niedrigen Ausschalt- ?s
zeiten und besonders hohem Wirkungsgrad betrieben wird, wobei der Schaltungsaufwand verhältnismäßig
gering sein soll.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Reihenschaltung aus dritter Wicklung und
Steuertransistor unmittelbar zu dem Kondensator parallel liegt und allein die Steuerenergie zum Einleiten
des Einschaltens und zum Ausschalten des Transistorleistungsschalters liefert und daß der vorgenannte
Widerstand ein steuerbarer Widerstand ist, der zwei vorgegebene Widerstandswerte annehmen kann, und
eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die den Widerstandswert des steuerbaren Widerstandes bei Überschreiten
eines vorgegebenen Grenzwertes der Spannung am Kondensator vom höheren auf den niedrigeren
Widerstandswert steuert und umgekehrt.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen,
daß der steuerbare Widerstand aus zwei parallelen Widerständen besteht, von denen einer mit
Hilfe eines Schalttransistors abschaltbar ist. Eine Weiterbildung der Erfindung geht dahin, daß dem
Kondensator eine Diode in Sperrichtung parallel geschaltet ist.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht neben der Erzielung eines extrem hohen Wirkungsgrades, der
sich besonders positiv bei der Anwendung der Schaltungsanordnung in Satelliten auswirkt, darin, daß
hohe Ströme mit hohen Pulsfolgefrcquenzen geschaltet werden können, da infolge der an den Transformatorwicklungen
anliegenden hohen Spannungen eine rasche Rückstellung des Transformatorkerns erfolgt. Es werden
Siebmillel im Lastkreis eingespart, was zu einer bei Flugkörpern erwünschten Gewichts- und Kostenersparnis
führt. Da ein Transformator mit nur drei Wicklungen und nur ein einziger Steuertransistor
vorgesehen ist, ist der schaltungstechnischc Aufwand verhältnismäßig gering.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der
Erfindung dargestellt, und zwar zeigt
F i g. 1 eine Schaltungsanordnung und
F i g. 2 die Magneiisierungskennlinie des Transformatorkerns.
In F i p. 1 weist· der Transformator 1 drei Wicklungen
2,3 und 4 auf. Die Wicklung 2 liegt im Kollektorkreis des Transistorleistungsschalters 5, die Wicklung 3 im
Basiskreis des Transistorleistungsschalters 5 und die Wicklung 4 im Kollektorkreis des Steuertransistors 6.
Die Wicklungen 2 und 3 sind im Sinne einer Mitkopplung geschaltet. Der Lastkreis wird von der
Gleichstromquelle 7 über eine Speicherdrossel 8 gespeist. Zwischen der Speicherdrossel 8 und der
Wicklung 2 wird der Verbraucherstrom des Lastkreises abgezweigt und über eine Diode 9 dem Verbraucher 10
zugeführt, dem ein Ladekondensator 11 parallelgeschallet ist. Die Speicherdrossel 8, die Diode 9 und der im
Pulsbetrieb arbeitende Transistorleistungsschalter 5 bilden zusammen einen Spannungsverstärker. Sie
bewirken, daß die Gleichspannung am Ladekondensator 11 größer ist als die Spannung an der Gleichstromquelle
7 des Lastkreises. Dabei hängt die Gleichspannung am Ladekondensaior 11 von dem Pulsbreitenverhältnis
des durch den Transistorleistungsschalter 5 fließenden Stromes ab.
Der Transistorleistungsschalter 5 wird von dem Steuertransistor 6 gesteuert, an dessen Basis der
Impulsgenerator 12 angeschlossen ist. Die Gleichspannung am Verbraucher 10 kann also durch Pulsbreitenmodulation
am Impulsgenerator 12 gesteuert werden. Der aus dem Steuertransistor 6 und der Wicklung 4
bestehenden Reihenschaltung ist der Kondensator 13 parallelgeschaltet. Bei leitendem Steuertransistor 6
bilden die Wicklung 4 und der Kondensator 13 einen Schwingkreis, zu dessen Dämpfung eine Diode 20 dem
Kondensator 13 parallel geschaltet ist. Die gesamte Steueranordnung ist über einen steuerbaren (veränderlichen)
Widerstand 1Λ, der zwei vorgegebene Werte annehmen kann, an eine Gleichstromquelle 15 angeschlossen.
Der veränderliche Widerstand 14 besteht aus zwei parallelen Widerständen 17, 18, von denen der
Widerstand 18 abschaltbar ist. Zur Abschaltung des Widerstandes 18 dient der Transistor 19, der von der
Steuereinrichtung 16 gesperrt wird, wenn die Spannung am Kondensator 13 einen bestimmten Wert unterschreitet.
Zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltungsanordnung sei angenommen, daß der Steuertransistor 6
leitet und Transistorleistungsschalter 5 gesperrt ist. Zum Zeitpunkt /1 sperrt der Impulsgenerator 12 den
Steuertransistor 6, so daß der durch die Wicklung 4 fließende Kollektorstrom abbricht. Dadurch wird über
die Wicklung 3 ein positiver Impuls an der Basis des Transistorleistungsschalters 5 erzeugt, worauf dieser zu
leiten beginnt. Über die zwischen den Wicklungen 2 und 3 bestehende induktive Mitkopplung wird der Leitzustand
des Transistorleistungsschalters 5 aufrechterhalten. Sein Kollektorstrom nimmt dabei zu. Während der
Steuertransistor 6 sperrt und der Transistorleistungsschalter 5 leitet, wird der Kondensator 13 aufgeladen.
Zum Zeitpunkt h versetzt der Impulsgenerator 12 den
Steuertransistor 6 wieder in den Leitzustand. Unterstützt durch den Kondensator 13 kann jetzt in der
Wicklung 4 ein Strom fließen.
Der Kondensator 13 liefert einen kurzen steilen Stromstoß, der zunächst die Stromtransformation von
Wicklung 2 nach Wicklung 3 unterbricht und dann in kurzer Zeit die Basis-Ladungsträger des Transistorleistungsschalters
5 ausräumt, indem eine negative Spannung an die Basis dieses Transistors gelegt wird.
Der mögliche schnelle Stromanstieg in Wicklung 4, bedingt durch den sehr geringen differentiellen
Innenwiderstand des Kondensators 13, führt zu einer
verkürzten Abschaltzeit des Transistorleistungsschalters 5. Dessen Übergang vom Leitzustand in den
Sperrzustand vollzieht sich wesentlich schneller als bei den Leistungstransistoren der vergleichbaren bekannten
Schaltungen. Bei der erfindungsgemäßen Schaltung sind die Wärmeverluste am Transistorleistungsschaltcr
also geringer und der Wirkungsgrad demnach höher.
Nach Sperrung des Transistorleistungsschaltcrs 5 arbeitet der Transformator im Leerlauf. Das bedeutet,
daß die Wicklung 4 solange eine große Induktivität darstellt, bis der Strom durch die Wicklung 4 die
Sättigungsfeldstärke erreicht. Eine schnelle Einstellung des Sättigungszustandes ist erwünscht, damit der Kern
für die nächste Einschaltung bereit ist. Die schnelle Kcrnriickstellung wird durch Anlegen einer konstanten
Spannung an die Wicklung 4 erreicht. Damit steigt der Strom in Wicklung 4 linear an. Eine konstante Spannung
ist durch den inzwischen wieder aufgeladenen Kondensator 13 und den geringen Widerstand 18 bei leitendem
Transistor 19 gegeben. Beim Erreichen des Sältigungs-/ustandcs sinkt die Spannung an Wicklung 4 und damit
auch am Kondensator 13 praktisch auf kleinste Werte, worauf die Steuereinrichtung 16 über den Transistor 19
den Widerstand 18 abschaltet. Die schnelle Kcrnrückstellung erlaubt es, die Schaltung mit wesentlich
höheren Pulsfolgefrequenzcn zu fahren, als dies bei den bekannten Schaltungen möglich ist.
F i g. 2 zeigt die Magnetisierungskcnnlinie des Transformatorkcrnes
mit dem beim Pulsbetrieb auftretenden Verlauf des Arbeitspunktes. Für die Schaltungsanordnung
des Ausführungsbcispieles ist ein Kern mit nahezu
ίο rechtcckförmiger Kennlinie gewählt. Kurz vor dem
Abschalten des Steuertransistors 6 liegt der Arbeitspunkt auf Punkt 21 der Kennlinie im Sättigungsbereich.
Wird zum Zeitpunkt Λ der Steuertransistor 6 gesperrt,
dann wandert der Arbeitspunkt von 21 über 22 nach 23.
Zwischen den Punkten 22 und 23 leitet der Transistorleistungsschalter
5. Zum Zeitpunkt h wird der Steuertransistor 6 leitend. Der Strom in der Wicklung steigt an und
der Kernarbeitspunkt wandert von 23 über 24 und 25 nach 21 zurück. Die Lage des Punktes 23 richtet sich
dabei nach der Einschaltdauer des Transistorleistungsschaltcrs 5.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
- Patentansprüche:,. Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Transistorleistungsschalters unter Verwendung eines eine Kollektor-Basis-Mitkopplung bewirkenden sättigbaren Transformators, dessen Kern jeweils vor dem Einschalten des Transistorleistungsschalters gesättigt ist, wobei eine erste Wicklung des Transformators im Kollektorkreis des Transistorleistungsschalters, eine zweite Wicklung im Basiskreis des Transistorleistungsschalters und eine dritte Wicklung im Kollektorkreis eines im Schaltbetrieb gesteuerten Steuertransisiors mit derartiger Polung liegt, daß beim Einschalten des Steuertransisiors der Transistorleistungsschalter gesperrt wird und beim Ausschalten des Steuertransistors der Transistorleistungsschalter eingeschaltet wird, und wobei zu der aus dem Steuertransistor und der dritten Transformatorwicklung bestehenden Reihenschaltung ein Kondensator parallelgeschaltet ist und diese Parallelschaltung über einen Widerstand an eine Gleichstromquelle angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung aus dritter Wicklung (4) und Steuertransistor (6) unmittelbar zu dem Kondensator (13) parallel liegt und allein die Steuerenergie zum Einleiten des Einschaltens und zum Ausschalten des Transistorleistungsschalters (5) liefert und daß der vorgenannte Widerstand (14) ein steuerbarer Widerstand ist, der zwei vorgegebene Widerstandswerte annehmen kann, und eine Steuereinrichtung (16) vorgesehen ist, die den Widerstandswert des steuerbaren Widerstandes (14) bei Überschreiten eires vorgegebenen Grenzwertes der Spannung am Kondensator (13) vom höheren auf den niedrigeren Widerstandswert steuert und umgekehrt.
- 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Widerstand (14) aus zwei parallelen Widerständen (17, 18) besteht, von denen einer (18) mit Hilfe eines Schalttransistors (19) abschaltbar ist.
- 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kondensator (13) eine Diode (20) in Sperrichtung parallelgeschaltet ist.
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19732358322 DE2358322C3 (de) | 1973-11-23 | Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Transistorleistungsschalters | |
FR7438357A FR2252705B1 (de) | 1973-11-23 | 1974-11-21 | |
GB5054074A GB1483744A (en) | 1973-11-23 | 1974-11-21 | Transistor switching circuit |
IT2973274A IT1025929B (it) | 1973-11-23 | 1974-11-22 | Dispositivo circuitale per il comando di un interruttore di potenza a transistori |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19732358322 DE2358322C3 (de) | 1973-11-23 | Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Transistorleistungsschalters |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2358322A1 DE2358322A1 (de) | 1975-10-09 |
DE2358322B2 true DE2358322B2 (de) | 1976-09-16 |
DE2358322C3 DE2358322C3 (de) | 1977-04-21 |
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ID=
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FR2252705B1 (de) | 1978-06-16 |
IT1025929B (it) | 1978-08-30 |
FR2252705A1 (de) | 1975-06-20 |
DE2358322A1 (de) | 1975-10-09 |
GB1483744A (en) | 1977-08-24 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |