DE2456190C3 - Transistor-Leistungs-Schaltverstärker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Transis'.or-Leistungs-Schaltverstärker mit einer Last im Kollektorkreis, Schalter zur Ansteuerung der Basis des Transistors und Kondensator im Basiskreis.

In industriellen Steuerungen werden leistungsintensive Gleichstromverbraucher — Glühlampen, Magnetventile, Schütze usw. — mit mechanischen oder elektronischen Schaltern ein- und ausgeschaltet. Die Wahl des Schalters hängt im wesentlichen von Faktoren, wie Schalthäufigkeit, Lebensdauer usw. ab.

Gleichstromverbraucher mit großer Leistung werden mit pulsierender Gleichspannung, gewonnen durch Gleichrichtung ohne nachfolgende Glättung, betrieben, was eine preisgünstige Stromversorgung mit geringem Innenwiderstand bedeutet. Eine derartige pulsierende Stromversorgung macht jedoch bei der Verwendung von kontaktlosen, elektronischen Schaltern gewisse Schwierigkeiten.

In elektronischen Schaltern finden überwiegend Transistoren als Schalter Verwendung, in deren Kollektorkreis die zu schaltende Last liegt. Die Ansteuerung erfolgt dabei über einen Schalter kleiner Leistung, der seinerseits wieder als Transistorschalter •usgebildet sein kann. Eine derartige Schaltung ist beispielsweise bekannt aus der Siemens-Publikation »Halbleiter-Sehaltbeispiele«, Ausgabe April 1968, Seiten 78 bis 80, insbesondere Bild 4/10- Im KoHektörkfeis eines Transistors T3 liegt als Last eine Reiäisspule und eine Diode als lastparalleler Löschkreis, Im Basiskreis des Transistors T3 liegen ein Kondensator und ein Widerstand, Zuf Ansteuerung des Transistors T₃ dient ein als Schalter wirkender weiterer Transistor T₂, Dieser Transistor Tj ist ein im ß-Betrieb arbeitender Wechselspannungsschalter, der nur die negativen Halbwellen verstärkt Der Kondensator im Basiskreis des Transistors T3 sorgt für eine Glättung der negativen Halbwellen, der Widerstand im Basiskreis für eine sichere Sperrung des Transistors T₃ bei ausgeschaltetem Transistor T₂.

Diese bekannte Schaltstufe, die Teil eines Wechselstrom-Schaltverstärkers für akustische Signale ist, wird mit einer geglätteten Versorgungsgleichspannung betrieben. Ein Betrieb mit pulsierender Versorgungsgleichspannung ist nicht vorgesehen und mit der bekannten Schaltung auch nicht möglich.

Diese und andere bekannte Schaltungen zum Schalten von Gleichstromverbrauchern größerer Leistungsaufnahme weisen folgende Nachteile auf, wenn man sie mit einer pulsierenden Versorgungsspannung betreibt:

Der Schalttransistor verliert bei jeder Nullstelle der pulsierenden Gleichspannung seine Ansteuerung, kommt aus der Sättigung und wird durch mit hohen Schaltverlustleistungen beansprucht Die Last erhält wegen des erstgenannten Defektes weniger Versorgungsspannung. Bei induktiven Lasten setzt im Bereich jeder Nullstelle der pulsierenden Gleichspannung ein Entmagnetisierungsstrom ein, der wegen der freiwerdenden magnetischen Energie sowohl den Schalttransistor als auch den erforderlichen Löschkreis beansprucht. Dies kann zur thermischen Überlastung der betreffenden Bauelemente führen. Ein in den Basiskreis eingeschalteter Kondensator, der bei einer impulsförmigen Ansteuerung Ansteuerenergie zwischenspeichert und somit für eine kontinuierliche Ansteuerung des Schalttransistors sorgt, führt zu einer Ein- und insbesondere Ausschaltverzögerung des Schalttransistors, die in

vielen Fällen nicht tragbar ist. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist c, den eingangs beschriebenen bekannten Schaltverstärker für den Betrieb an einer pulsierenden Gleichspannung *o einsetzbar zu machen. Diese Aufpabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Damit ergibt sich der Vorteil, daß der Schalttransistor auch in den Nullstellen der Versorgungsspannung durchgeschaltet bleibt, so daß keine zusätzlichen Schaltverluste auftreten und die Last immer die volle Versorgungsspannung behält. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß für den Fall, daß die Last eine induktive Komponente besitzt, sich ein Freilaufkreis über den weiterhin bis in die Sättigung gesteuerten Schalttransistor und den Gleichrichter des Netzteils ergibt. Dieser Freilaufkreis isi mit dem Stromversorgungskreis identisch und daher auf Dauerbelastung ausgelegt. Der lastparallele Freilaufkreis tritt nur noch dann in Aktion, wenn der Schalttransistor durch Wegfall der Ansteuerung ausgeschaltet wird Der lastparallele Freilaufkreis muß daher nur für eine einmalige Belastung, nicht für e>ne Dauerbelastung im Rhythmus der pulsierenden Gleichspannung ausgelegt sein Vorzugsweise sind beide Schalter miteinander gekop pelt Dies hat den garu wesentlichen Vorteil, daß mit dem Abschalten der Ansteuerung auch der die Ansteüerenergie zwischenspeichernde Kondensator abgeschaltet wird, so daß der Schalttransistor sofort in den Sperfzustand übergehen kann. Der Kondensator bleibt dabei vorgeladen, so daß beim nächstfolgenden Einschalten auch die Einschaltverzögerung weiter verringert wird,

Gemäß einer Vorteilhaften Weiterbildung ist in Serie

zum Spannungsteiler eine Diode so geschaltet, daß sie Strom zur Aufladung des Kondensators durchläßt auf diese Weise wird verhindert, daß sich der Kondensator zusätzlich über den Spannungsteiler entladen kann.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form eines Ausführungsbeispiela näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. la eine ausreichend geglättete und stabilisierte Gleichspannung zur Versorgung herkömmlicher Transistor-Schaltstufen,

Fig. Ib eine durch Gleichrichtung in einem Elrükkengleichrichter erzeugte, nicht geglättete, pulsierende Gleichspannung zur Versorgung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindun§;s,gemäße Transistor-Schaltstufe.

Fig. la zeigt den Verlauf einer Gleichspannung, die durch Gleichrichtung einer einphasigen Wechselspannung mittels Brückengleichrichter und anschließender Glättung mit Hilfe eines Kondensators erzeugt wird. Fig. ib zeigt die gleiche Spannung, jedoch ohne Glättung durch einen Glättungskondensator. Man erkennt, daß die Spannung periodisch auf Null zurückgeht, so daß ein an eine solche Spannung angeschlossener Verbraucher in den gleichen periodi· sehen Abständen stromlos wird.

F i g. 2 zeigt eine Transistor-Schaltstufe, bei der aus der Sekundärspannung eines Netztransformators 9 mit Hilfe von in Brückenschaltung betriebener. Dioden 10 eine pulsierende Gleichspannung nach Fig. Ib erzeugt wird.

Ein Schalttransistor 1 wird über einen Schalter 3 angesteuert. Diese Ansteuerung mittels Kontakt ist der Verständlichkeit halber gewählt; in der Praxis finden hier vorwiegend Halbleiterschalter, insbesondere Transistoren. Anwendung. Die Last bzw. der Verbraucher ist mit 2 bezeichnet und kann beispielsweise eine Schützspule oder ein Magnetventil sein. Die Diode 7 und die Zener-Diode 8 dienen als lastparalleler Löschkreis für induktive Verbraucher In diesen Bauteilen soll die magnetische Energie des Verbrauchers 2 beim Abschalten des Transistorb 1 vernichtet werden, ohne daß die Spannung zu hoch ansteigt.

Die Ansteuerung des Schalttransistors 1 erfolgt über die Widerstände 4, 4', 5 im Basispreis. Durch eine nicht dargestellte Transistoranordnung wira der Schaller 3 eingeschaltet, der Transistor 1 wird leitend und der Verbraucher 2 mit Spannung versorgt. Der Steuerstrom für die Basis des Schalttransistors 1 fließt über die Wide'stände 4, 4. die Diode 6 und den geschlossenen Schalter 3. Dieser Steuerstrom fließt nur. wenn die Versorgungsspannung einen gewissen Mindestwert aufweist Bei einer pulsierenden G'eichspannung entsprechend Fig Ib tritt bei jedem Spannungsminimum eine Sperrung des Transistors ein. Dieses Umschalten vom leitenden in den sperrenden Zustand im Takt der Net/freqi'en/; führt zu einer starken Belastung aller im Laststromkreis liegenuen Bauteile in'.besondere durch die im Verbraucher 2 gespeicherte magnetische Energie, Durch Schließen des zweiten Schaltkoiitäkts 3' beim Durchschalten des Trarsistors 1 wird der Kondensator 11 mit einer Ladung entsprechend der Versorgongsspannung geladen. Dieser Kondensator ist vorwiegend als Elektrolyt-Kondensator ausgebildet und hat je nach Schaltungsausführung eine Kapazität von 0,5 bis 50 μΡ. Die in bekannten Schaltungen zum Glätten der Versorgungsspannung verwendeten Kondensatoren können zwar auch einen dauerhaften Schaltzustand am Leistungstransistor erzeugen, benötigen dafür allerdings eine Kapazität von mehreren 1000 μΡ; dieser Wert ist somit um etwa den Faktor 100 größer als der Wert des Kondensators in einer erfindungsgemäßen Anordnung.

Wenn die Versorgungsspannung ein Spannungsminimum durchläuft, hält der Kondensator 11 dank seiner Ladung den Basisstrom für den Transistor 1 aufrecht und sorgt so dafür, daß der Transistor 1 eingeschaltet bleibt. Der in einem induktiven Verbraucher 2 jetzt auftretende Entmagnetisierungsstrom Im \ fließt über den weiterhin trotz Fehlens der "ersorgungsspannung durchgeschalteten Transistor 1 und -^e Dioden 10 des Netzteils ungehindert weiter, wobei die Spannung am Verbraucher 2 begrenzt wird auf die Summe der Durchlaßspannungen von Transistor 1 und Dioden 10.

D JT lastparallele Löschkreis, bestehend aus der Diode 7 und der Zenerdiode 8 wirkt nur noch dann, wenn der Transistor 1 durch öffnen des Schalters 3 abgeschaltet wird. Da dieses Abschalten relativ selten ist im Verhältnis zu den Spannungsminimd der Versorgungsspannung, können die Dioden 7, 8 verhältnismäßig schwach dimensioniert werden. Der sich dabei einstellende Entmagnetisierungsstrom Im 2 ist ebenfalls gestrichelt eingezeichnet. Wesentlich ist dabei die Funktion der Zenerdiode 8. Diese sorgt dafür, daß die Spannungsschwelle im lastparallelen Löschkreis höher liegt als die Summe der Durchlaßspannungen von Transistor 1 und Dioden 10.

Die Diode 6 zwischen Spannungsteiierwickrstand 4' und Steuerschalter 3 ist so gepolt, daß über sie nur Strom zur Aufladung des Kondensators 11 fließen kann, oie dient also zur Entkoppelung. Der Widerstand 5 zwischen Basis und Emitter des Schalttransistors I dient zum sicheren Sperren des Schalttransistors bei geöffnetem Schalter 3'.

Die beiden Schalter 3, 3' sind miteinander gekoppelt, wenn eine Ausschaltverzögerung des Schalttransistor«. 1 vermieden werden soll. Wird bei fest angeschlossenem Kondensator H nur der Schalter 3 geöffnet, wird zwar die Nachlieferung von Ansteuerenergie sofort unterbrochen, der Transistor 1 bleibt jedoch wegen der im Kondensator 11 gespeicherten Ladung noch so linge eingeschaltet, bis diese Ladung völlig abgebaut ist Bei g.of.'netem Schalter 3' kann sich jedoch der Kondensator nicht mehr entladen und der Transistor 1 schaltet wegen des Fohlens von Ansteuerencrgie in den Sperrzustand. Beim nächsten Ansteuern des Transistors 1 durch Schließen der Schalter 3 und 3' sorgt die auf dem Kondensator 11 weiterhin gespeicherte Ladung für eine verringerte Aufladezeit und damit für ein schnelleres Einschalten des Transistors 1,

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Transistor-Leistungs-Schaltverstärker mit einer Last im Kollektorkreis, Schalter zur Ansteuerung der Basis des Transistors und Kondensator im Basiskreis, dadurch gekennzeichnet, daß in der Anwendung des Transistor-Leistungs-Schalterverstärkers bei Betrieb an pulsierender Gleichspannung parallel zum Verbraucher (2) ein Löschkreis aus einer Diode (7) und einer Zenerdiode (8) liegt und daß zwischen einem ersten Schalter (3) und dem Emitter des Transistors (1) ein Spannungsteiler (Spannungsteiler-Widerstände 4,4', 5) geschaltet ist, wobei die Basis des Transistors (1) an einen Abgriff zwischen zwei Spannungsteiler-Widerständen (5, 4) und ein zweiter Schalter (3') an einen weiteren Abgriff zwischen zwei Spannungsteiler-Widerständen (4,4') geschaltet ist und daß zwischen den zweiten Schalter (3') und den Emitter des Transistors (1) der Kondensator (11) für die Zwischenspeicherung der Ansteuerenergie vorgesehen ist

2. Transistor-Leistungs-Schaltverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Schalter (3,3') miteinander gekoppelt sind.

3. Transistor-Leistungs-Schaltverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie zum Spannungsteiler eine Diode (6) so geschaltet ist, daß sie Strom zur Aufladung des Kondensators (11) durchläßt