DE2358322C3 - Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Transistorleistungsschalters - Google Patents

Description

·<;' Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Transistorleistungsschalters unter Verwendung eines eine Kollektor-Basis-Mitkopplung bewirkenden sättigbaren Transformators, Jessen Kern jeweils vor dem Einschalten des Transistorleistungsschalters gesättigt ist, wobei eine erste Wicklung des Transformators im Koliektorkreis des Transistorleistungsschaiters eine zweite Wicklung im Basiskreis des Transistorleistungsschalters und eine dritte Wicklung im Kollektorkreis eines im Schaltbetrieb gesteuerten Steuertransistors mit derartiger Polung liegt, daß beim Einschalten des Steuertransistors 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. Eine solche Schaltungsanordnung ist bekannt (Supplement to IEEE

Transactions on Aerospace and Electronic Systems, VoI, AES-3, Nr. 6, November 1967, S. 410 bis 417, insbes.

Solche Schaltutt&sanordnuRgen werden sum 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 Glättung,

Aus der DT-OS 1563050 ist ein regelbarer Gleichspannungswandler mit konstanter, einstellbarer Ausgangsspannung bekannt, der aus einem Sägezahngenerator, einem Gleichstromverstärker, einem nachfolgenden Impulsverstärker und einer anschließenden Anordnung zur Glättung der zerhackten Gleichspannung besteht Bei dem Wandler wird die Batteriespannung durch 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 Transistorleistungsschalter induziert über eine Rückkopp'ungswicklung 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 Kollektor-Widerstand 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 Steuerener gie 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 dahe,- nur fur kleine Leistungen eignet

In der US-PS 32 73050 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 der Transistorleistungsschalter vorzeitig abschaltbar ist Der Kerr, 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 io IEEE Transactions on Aerospace an Electronic Systems, Vol. AES-3, Nr. 6, November 1967, S. 410 bis 417, insbes. Fig.5) ist ein sättigbarer Transformator mit vier Wicklungen vorgesehen, von denen die erste im Kollektorkreis des Leistungstransistors und die zweite im Basiskreis des Leistungstransistors liegen, während die dritte und die vierte Wicklung in den Kollektorkreisen von zwei Steuertransistoren angeordnet sind, die an ihren Basen im Gegentakt digital angesteuert v/erden. Einer der

beiden Sieuertransistoren dierit zur Zündung, der andere zur Löschung des Leistungstransistors. Die beiden Wicklungen im Kollektorkrcir, und im Basiskreis tfes Leistungstransistors sind im Sinne einer Mitkopplung geschähet. Diese bewirkt, daß der durch einen Zündimpuis in den Leitzustand versetzte Leistungstransistor bis zum nächsten f^schimpuls leitend bleibt. Der zur Löschung des Leistungstransistors dienende Steuertransistor liegt in Reihe mit einer Transformatorwicklung 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 ikann. Somit ist eine schnelle Löschung des Leistungs- - transistors nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine -Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu ' schaffen, bei der eine besonders schnelle Kernrückstel-■ lung des Transformators erreicht und somit der Leistungstransistor mit besonders niedrigen Ausschaltzeiten und besonders hohem Wirkungsgrad beirieben wird, wobei der Schaltungsaufwand verhältnismäßig goring 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 abschaitbar 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 jo sich besonders positiv bei der Anwendung der Schaltungsanordnung in Satelliten ausv/irkt, darin, daß hohe Ströme mit hohen Pulsfolgefrequenzen geschaltet werden können, da infolge der an den Transformatorwicklungen anliegenden hohen Spannungen eine rasche Rückstellung des Transformatorkerns erfolgt. Es werden Siebmittei 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 schaltungstechnische 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 Magnetisierungskennlinie des Transformatorkerns.

In Fi g. I weist der Transformator 1 drei Wicklungen

2,3 und 4 auf, Die Wicklung 2 liegt im Kollektorkreis des Trnnsistorleistungsschalters 5. die Wicklung 3 im Basiskreis des Transistorleistungsschalters 5 und die Wicklung 4 im Kollekiorkreis des Steuertransistors 6, Die Wicklungen 2 und 3 sind im Sinne einer Mitkopplung geschaltet. Der Lsstkreis 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 parallelgeschaltet 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 Ladekondensator ti 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 (veränder liehen) Widerstand 14, 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 gesperr! 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 u 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 dej Transistorleistungsschalters 5 aufrechterhalten. Sein Kollektorstrom nimmt dabei zu. Während der Steuer transistor 6 sperrt und der Transistorleistungsschalter 5 leitet, wird der Kondensator 13 aufgeladen Zum Zeitpunkt h versetzt der impulsgenerator Ί2 den Steuertransistor 6 wieder in den Leiizustand. 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 Transistorleistungsschalter also geringer und der Wirkungsgrad demnach höher.

Nach Sperrung des Transistorleistungsschalters 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, Kernrückstellung 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 Sättigungszustandes sinkt die Spannung an Wicklung 4 und damit auch am Kondensator 13 praktisch auf kleinste Werte, worauf die Steuereinrichtung 16 über den Transistor J9 den Widerstand 18 abschaltet. Die schnelle Kernrückstellung erlaubt es, die Schaltung mit wesentlich höheren Pulsfolgefrequenzen zu fahren, als dies bei den bekannten Schaltungen möglich ist.

F i g. 2 zeigt die Magnetisierungskennlinie des Transformatorkernes mit dem beim Pulsbetrieb auftretenden Verlauf des Arbeitspunktes. Für die Schaltungsanordnung des Ausführungsbeispieles ist ein Kern mitnahezu rechfeckförmiger Kennlinie gewählt. Kurz vor dem Abschalten des Steuert.'ansistors 6 liegt der Arbeitspunkt auf Punkt 21 der Kennlinie im-Sättigüngsbereich. Wird zum Zeitpunkt /| der Steuertransistor 6 gesperrt, dann wandert der Aibeitspunkt von 21 über 22 nach 23. Zwischen den Punkten 22 und 23 leitet derTransisforleistungsschalter 5. Zum Zeitpunkt f₂ 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 Transistoneistungsschalters 5.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (3)

1. Patentansprüche:

   , t. Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Transisforlcistungsschalters unter Verwendung eines eine Kollektor-Basis-Mitkopplung bewirkenden sättigbaren Transformators, dessen Kern jeweils vor dem Einschalten des Transistorleietungs-Khalters 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 Schaitbetr'ieb gesteuerten Steuertransistors mit derartiger Polung liegt, daß beim Einschalten des Steuertransistors der Transistorleistungsschalter gesperrt wird und beim Ausschalten des Steuertransistors der Transistorleistungsschalter eingeschaltet wird, und wobei zu der aus dem Steuertransistor und der dritten Transfor-'matorwicklung bestehenden Reihenschaltung ein Kondensator parallelgeschaltet ist und diese Parallelschaltung über einen Widerstand an eine Gleichstromquelle angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung ius 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 Transistorfeistungsschalters (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 eines vorgegebenen Grenzwertes der Spannung am Kondensator (13) vom höheren auf den niedrigeren Widerstandswert steuert und umgekehrt
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daC der steuerbare Widerstand (14) aus zwei parallelen Widerständen (17, 18) besteht, von denen einer (13) mit Hilfe eines Schalttransistors (19) abschaltbar ist
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß derr Kondensator (13) eine Diode (20) in Sperrichtung parallelgeschaltet ist.