DE2421341C3 - Schaltungsanordnung zum Schalten eines Leistungs-SchaHtransistors - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Schalten eines Transistors, der vorzugsweise in Emitterschaltung betrieben ist und zwischen dessen Kollektor und Basis zur Vermeidung des Sättigungszuttandes im durchgeschalteten Zustand eine kurze Schaltzeiten aufweisende Diode liegt, die so gepolt eingeschaltet ist, daß sie im Sperrzustand des Transistors ebenfalls sperrt.

Sollen steile Schaltflanken aufweisende Leistungsimpulse konstanter Amplitude erzeugt werden, so lassen sich bis zu gewissen Grenzen vorteilhaft L.eistungs-Schalttransistoren einsetzen. Aus Verlustleistiingsgründen und zum Auffangen der Streuung der Stromverstärkung verschiedener Transistoren wird der Leistungstransistor in der stromführenden Phase (durchgeschalteter Zustand) gewöhnlich im Sättigungszustand betrieben. Beim Abschalten aus diesem Betriebszustand in den Sperrzustand ergibt sich jedoch eine verhältnismäßig lange und. deshalb beim Einsatz als schneller Schalter störende Ausschaltzeit.

Es ist bekannt, daß das Einschwing- und Ausschwingverhalten von Transistoren bei großen Amplituden dadurch verbessert wird, daß der Sättigungszustand des leitenden Transistors vermieden wird, vgl. dazu das Rnrh von Shea »Transistortechnik«, 1960, Berliner

Union, Stuttgart, S. 320.

Aus der DT-OS 22 14 993 ist eine Schaltungsanordnung zum Schalten eines Transistors bekannt, zwischen dessen Kollektor und Basis zur Vermeidung des Sättiguiigszustandes im durchgeschalteten Zustand eine Diode mit kurzer Schaltzeit liegt, die so gepolt eingeschaltet ist, daß sie im Sperrzustand des Schalttransistors ebenfalls sperrt Jedoch wird die Heraussteuerung des Transistors aus dem Sättigungsbereich ausschließlich mit der Diode selbst erreicht und unterliegt damit deren besonderen elektrischen Eigenschaften. Die entstehende Verlustleistung während der stromführenden Phase des Transistors ist gegenüber dem Sättigungsbetrieb dabei sehr groß.

Aufgabe der Erfindung ist es vor allem, eine Schaltungsanordnung zum Schalten eines Leistungstransistors, der bei Durchschaltung nicht mehr ganz in den Sättigungsbereich gesteuert wird, trotzdem so auszubilden, daß ein genau definierter Durchschaltzustand des Transistors erzeugt wird. Die Verlustleistung in der stromführenden Phase des Transistors kann dann so gewählt werden, daß gegenüber dem Sättigungsbetrieb nur ein verhältnismäßig geringer Anstieg festzustellen ist, wobei die Ausschaltzeit gegenüber dem Sättigungszustand jedoch erheblich abnimmt. Gemäß der Erfindung, dii sich auf eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art bezieht, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der als Leistungsschalttransistor ausgebildete Transistor in seiner Kollektorspannungszuführung die Wicklung eines Übertragers aufweist, die in Form einer zusätzlichen Wicklung fortgesetzt ist, so daß der Kollektor des Transistors an einer Anzapfung der gesamten Wicklung angeschlossen ist, und daß das dem Kollektoranschluß abgewandte Ende dieser zusätzlichen Wicklung über die Diode mil der Basiselektrode des Transistors verbunden ist.

Auf Grund der an der zusätzlichen Wicklung entstehenden Gegenspannung, die im durchgeschalteten Zustand des Leistungstransistors über die schnell schaltende Diode der Basisansteuerung entgegenwirkt, wird erreicht, daß der Transistor nicht bis in den Sättigungszustand durchgeschaltet wird. An der Kollektor-Emitterstrecke des Leistungstransistors bleibt eine etwa dieser Gegenspannung entsprechende konstante Spannung stehen. Die zusätzliche Wicklung läßt sich mithin so dimensionieren, daß die an ihr abfallende Gegenspannung einen genau definierten Durchschallzustand des Transistors erzeugt

Aus der DT-AS 17 62 326 ist eine Schaltungsanordnung mit einem Hochspannungsleistungstransistor bekannt, wobei eine Diode verwendet wird, welche den Sättigungszustand des Schalttransistors vermeiden soll. Diese liegt zwischen der Basis und den Steuermitteln und ist als Zenerdiode ausgebildet, der ein Widerstand parallel geschaltet ist. Mit dieser bekannten Schaltung wird die Periode des Abschaltens des Basisstroms verlängert, so daß die überschüssige Anzahl von Ladungsträgern des Hochspannungsletstungstransistors ent fernt wird, bevor der Basis-Emitter-Übergang des Transistors gesperrt wird. Demgegenüber wird jedoch mit der Schaltungsanordnung nach der Erfindung ein erheblich schnelleres Abschalten des Kollektorstromes erzielt, da eine Aussteuerung in den Sättigungszustand des Leislungstransistors überhaupt nicht stattfindet.

Aus der DT-AS 20 63 293 ist eine Schaltung zur schnellen Abschaltung eines Transistors bekannt, bei der von der Erkenntnis ausgegangen ist, daß ein Transistor dann eine kurze Abschaltzeit aufweist, wenn das

Abschalten vom nicht gesättigten Zustand ausgeht. Zu diesem Zweck wird bei dieser Schaltung die Leitdauer des Transistors gesteuert, d. h. er wird vom gesättigten Zustand mittels einer Zeitschaltung in den ungesättigten Zustand gesteuert und dann rrst abgeschaltet. Bei 5 dieser bekannten Schaltung ist jedoch die durch die Zeitschaltung bedingte Übergangsdauer vom Sättigungszustand in den Nichtsättigungszustand won Nachteil.

Zweckmäßig wird entsprechend einer Weiterbildung der Erfindung die zusätzliche Wicklung so bemessen, daß die an ihr abfallende Gegenspannung ein bis einige Volt beträgt Dadurch steigt die entstehende Verlustleistung in der stromführenden Phase des Transistors gegenüber dem Sättigungsbetrieb nur in verhältnismäßig ι; geringem Maße an, wogegen die Ausschaltzeit spürbar abnimmt

Vorteilhaft wird ein Signalverstärk^r in die Basiszuführung des Schalttransistors eingeschaltet. Durch diese Maßnahme läßt sich die Einschaltzeit des Leistungs- ;o transistors wesentlich verkürzen. Der Transistor wird dann beim Einschaltvorgang an der Basis sehr stark übersteuert. Sobald er jedoch leitet, fließt der überschüssige Basisstrom über die Diode ab. Eine weitere Verkürzung der Ausschaltzeit läßt sich durch sögenanntes »Ausräumen« der Basis des Leistungstransistors erreichen, was beispielsweise durch Spaiinungsumkehr des vorgeschalteten Signalverstärkers am Pulsende erreicht wird.

Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß zur Begrenzung des Emitterstroms des Schalttransistors in der Emitterzuführung ein ohmscher Widerstand und an der Basiselektrode als Querglied eine Diode mit einer Konstantspannungsquelle in Serie dazu vorgesehen ist. Die Schaltung wird durch diese Maßnahme unempfindlich gegen Lastkurzschlüsse. Wird der Übertrager aus Leistungs-Anpassungsgründen nicht in einer mit zwei getrennten Wicklungen ausgebildeten Bauweise benötigt, so kann er beispielsweise als Spartransformator ausgeführt werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von zwei Schaltungsbeispielen näher erläutert.

F i g. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung mit einem Leistungs-Schalttransistor ohne Emitterstrombegrenzung und

F i g. 2 eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung mit einem Leistungs-Schalttransistor mit Emitterstrombegrenzung.

Die Schaltungsanordnung nach F i g. 1 ist mit einem in Emitter-Schaltung betriebenen npn-Leistungs-Schalttransistor 1 versehen, dessen Emitter unmittelbar an negatives Betriebsspannungspotential aufweisende Masse angeschaltet und dessen Kollektor über eine Wicklung 2 auf der Primärseite eines Übertragers 3 mit dem positiven Pol + Ub der Betriebsspannungsquelle verbunden ist. An den Enden der Sekundärwicklung 4 des Übertragers 3 ist eine Last 5 angeschlossen. Auf der Primärseite des Übertragers 3 liegt mit einem Anschluß am Kollektor des Transistors 1 eine zusätzliche Übertragerwicklung 6, deren anderer Anschluß über eine schnell schaltende Diode 7 mit der Basiselektrode des Transistors 1 verbunden ist An der Basiselektrode liegt außerdem zur Masse hin ein Querwiderstand 8. während die Zuführung der Steuerimpulse 9 zur Basiselektrode über einen Basisvorwiderstand 10 erfolgt.

Liegt kein Steuerimpuls 9 am Eingang 11 der Schaltung, so befindet sich der Transistor 1 im gesperrten Zustand. In diesem Zustand ist auch die Diode 7 nichtleitend, da der Kollektor des Transistors 1 etwa auf dem positiven Betriebsspannungspoteniial + Ub liegt. Gelangt nun ein positiver Steuerimpuls an den Eingang 11, so wird der Transistor 1 auf Grund der positiven Basis-Emitterspannung in eine stromführende Phase umgeschaltet. An der Wicklung 2 des Übertragers 3 entsteht ein Spannungsabfall Ut, während an der zusätzlichen Wicklung 6 eine Spannung Uc abfällt. Durch die Spannung Ug, die in der stromführenden Phase des Transistors 1 über die Diode 7 der Basisansteuerung entgegenwirkt, wird erreicht, daß der Transistor 1 nicht bis in den Sättigungszustand durchgeschaltet wird. An der Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 1 bleibt dann eine konstante Spannung stehen, die ungefähr gleich dieser Gegenspannung Uc ist. Die Wicklung 6 wird zweckmäßig so bemessen, daß die Gegenspannung Uc nicht sehr groß wird, d. h. nur ein bis einige Volt beträgt. Dadurch steigt die entstehende Verlustleistung in der stromführenden Phase gegenüber der Sättigungsbetriebsweise in unerheblichem Ausmaß an. wogegen die Abschaltzeit stark abnimmt.

Die Einschaltzeit der Schaltung läßt sich durch vorherige Verstärkung der Basisansteuerimpulse 9 verkürzen. Der Transistor 1 wird dann beim Umschalten vom gesperrten Zustand in seine stromführende Phase sehr stark übersteuert. Sobald er sich jedoch im leitenden Zustand befindet, fließt der überschüssige Basissirotn über die Diode 7 ab. Läßt man den Ansteuerimpuls an seinem Ende ins Negative gehen, so fließt während der Abschaltzeit des Leistungstransistors 1 ein erhöhter Ausräumstrom aus seiner Basis, und die Abschaltzeit verkürzt sich weiter.

Die Schaltung nach F i g. 2 stimmt zum größten Teil mit derjenigen nach F i g. 1 überein. Es ist jedoch noch eine zusätzliche Einrichtung zur Emilterstrombegrenzung vorgesehen, die in der Einfügung eines Emitterwiderstands 12 und einer aus einer Diode 13 sowie einer Konstantspannungsquelle 14 mit der Spannung Uk bestehenden Serienschaltung als Querglied zwischen der Basiselektrode des Transistors 1 und Masse besteht. Dadurch, daß durch Begrenzung der Basisspannung Ubo gegenüber Masse der maximale Emitterstrom begrenzt wird, wird die Schaltung unempfindlich gegen Lastkurzschlüsse.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Schalten eines Transistors, der vorzugsweise in Emitterschaltung be- S trieben ist und zwLrhen dessen Kollektor und Basis zur Vermeidung des Sättigungszustandes im durchgeschalteten Zustand eine kurze Schaltzeiten aufweisende Diode liegt, die so gepolt eingeschaltet ist, daß sie im Sperrzustand des Transistors ebenfalls sperrt, dadurch gekennzeichnet, daß der als Leistungsschalttransistor ausgebildete Transistor (1) in seiner Kollektorspannungszuführung die Wicklung (2) eines Übertragers (3) aufweist, die in Form einer zusätzlichen Wicklung (6) fortgesetzt ist, so daß der Kollektor des Transistors (1) an einer Anzapfung der gesamten Wicklung (2, 6) angeschlossen ist, und daß das dem Kollektoranschluß abgewandte Ende dieser zusätzlichen Wicklung (6) über die Diode (7) mit der Basiselektrode des Transistors (1) verbunden ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspru :h ^:. dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung des Emitterstroms des i>chalttransistors (1) in der Emitterzuführung ein ohmscher Widerstand (12) und an der Basiselektrode als Querglied eine Diode (13) mit einer Konstantspannungsquelle (14) in Serie dazu vorgesehen ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Ausführung des Übertragers als Sparübertrager.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Einschaltung eines Signalverstärkers in die Basiszuführung des Schalttransistors (1).

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sismalverstärker derart ausgebildet ist, daß er einen Basisausräumstrom für den Schalttransistor (1) erzeugt.

40