DE2358322B2 - Schaltungsanordnung zur steuerung eines transistorleistungsschalters - Google Patents

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)

1. 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. 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. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kondensator (13) eine Diode (20) in Sperrichtung parallelgeschaltet ist.