DE2506196A1

DE2506196A1 - Gleichstrom-schaltvorrichtung

Info

Publication number: DE2506196A1
Application number: DE19752506196
Authority: DE
Inventors: Donald E Baker
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Sundstrand Corp
Priority date: 1974-02-21
Filing date: 1975-02-14
Publication date: 1975-08-28
Also published as: GB1500364A; CA990794A; NL7500208A; JPS50120554A; IT1029048B; US3898552A; FR2262449B1; FR2262449A1; JPS5513652B2; DE2506196C2

Description

DIPL.-ING. KL.AUS NEUBECKER

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9

Düsseldorf, 13. Febr. 1975 44,779 '

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh^ Pennsylvania, V.St.A.

Gleichstrom-Schaltvorrichtung

Die Erfindung betrifft allgemein ruhende Gleichstrom-Schaltvorrichtungen., und insbesondere Transistorschaltkreise zur Verwendung in elektrischen Systemen zur Stromversorgung.

Ein einzelner Transistor kann dazu verwendet werden, Leistung zwischen einer Spannungsquelle und einer Last zu schalten. Typische, allgemein erhältliche Transistoren haben eine Sättigungsspannung von 0,25 V bei 1 A und eine minimale Stromverstärkung von 40 im Sättigungsbereich bei einem Strom von 1 A. Ein für 1 A bemessener Schalter hätte dann eine gesamte Verlustleistung von etwa 1 W bei einer abgegebenen Versorgungsspannung von 30 V. Es läßt sich rechnerisch zeigen, daß dieses einem elektrischen Wirkungsgrad von 96,75% entspricht. Dieser Wirkungsgrad reicht für viele Leistungs-Schaltvorrichtungen aus. ' Ströme mit einem Nennwert bis zu 10 A können durch Auswahl der zur Zeit erhältlichen Transistoren befriedigend geschaltet werden.

über Strömen mit einem Nennwert von 10 A werden die Sättigungsspannung und die Stromverstärkung in der Sättigung bei im Handel erhältlichen Transistoren unbefriedigend, und es müssen Übertrager-Oszillatortreiberschaltungen verwendet werden, wie

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Telefon (O211) 320858 Telegramme Custopat

beschrieben ist in US PS 3 710 231.

Das Problem der herkömmlichen Schaltvorrichtungen besteht darin, daß sie nicht in der Lage sind, Spitzenströme hindurchzulassen, welche größer als der jeweilige Nennwert des Stromes sind, für welchen sie ausgelegt sind, ohne daß ein zusätzlicher Leistungsverlust auftritt. Bei vielen Leistungs-Schaltanwendungen ist es erforderlich, daß ein größerer Strom zur Fehlerermittlung, für nicht lineare Lasten, zum Anlassen von Motoren und dergleichen hindurchgelassen wird. Für den Fall, daß der Strom dreimal so groß wie der Nennwert ist, würde der Leistungsverbrauch bei einer Spannungsquelle für 30 V und im übrigen gleichbleibenden Bedingungen 2,5 W betragen, was einem elektrischen Wirkungsgrad von 92,25% entspricht. Somit verdoppelt die Zunahme des Basis-Treiberstromes zur Ermöglichung einer Überlast mit einem Faktor von drei die Verlustleistung und reduziert den Wirkungsgrad der Schaltvorrichtung in unerträglicher Weise.

Es ist weiterhin bekannt, die Verlustleistung dadurch herabzusetzen, daß der erforderliche Basis-Treiberstrom mit Hilfe der Darlington-Schaltung herabgesetzt wird. Solche Schaltkreise können 4OO% des Nennstromes bei den gleichen Basis-Treiberverlusten wie im ersten Beispiel hindurchlassen. Somit wird eine gute Bewältigung von Spitzenströmen ohne eine Zunahme der Basis-Treiberverluste erreicht. Die Sättigungsspannung einer Darlington-Schaltung kann jedoch nicht auf weniger als 1,2 V herabgesetzt werden. Dieser Wert ist jedoch für höher entwickelte Leistungsregeleinrichtungen unannehmbar, bei denen natürlich mit Festkörperbauteilen das Schaltungsverhalten elektromechanischer Relais erreicht werden soll, welche im durchgeschalteten Zustand im wesentlichen den Spannungsabfall Null aufweisen. Einige Abwandlungen der grundlegenden Darlington-Schaltung haben sich als einigermaßen brauchbar bezüglich des gewünschten Betriebsverhaltens erwiesen. Beispielsweise sind in den US Patenten 3 671 833 und 3 678 291 Transistorschalt-

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Vorrichtungen beschrieben, bei denen die Darlington-Grundschaltung durch eine Diode abgewandelt wurde, die zwischen den Transistoren derart verbunden und angepaßt ist, daß sie in Sperr-Richtung vorgespannt ist, wenn die Schaltung mit dem üblichen Laststrom betrieben wird, während die Diode in Durch- laßrichtung vorgespannt ist, wenn die Last einen hohen Strom erfordert. .

Auch Thyristoren sind, bekannte Festkörper-Leistungsschaltvorrichtungen mit guten Überlasteigenschaften. Die verfügbaren Thyristoren haben jedoch eine Sättigungsspannung von mehr als 1 V und erfordern insbesondere in Gleichstrom-Schaltkreisen relativ aufwendige Löschschaltungen.

Es ist vor allem Aufgabe der Erfindung, eine Schaltvorrichtung zu schaffen, welche Spitzenströme ohne verminderten Wirkungsgrad weiterleiten kann.

Ausgehend von einer Pestkörper-Schaltvorrichtung zur Steuerung der Gleichstromleistung, welche von einer Gleichspannungsquelle an eine Last übertragen wird, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein erster Transistor einer ersten Polarität vorgesehen ist, eine erste Klemme mit dem Emitter zum Anschluß an die Leistungsquelle und eine zweite Klemme mit dem Kollektor zum Anschluß an die Last verbunden ist, ein zweiter Transistor der entgegengesetzten Polarität vorgesehen ist, die Basis des ersten Transistors mit dem Kollektor des zweiten Transistors verbunden ist, der Emitter des zweiten Transistors mit der zweiten Klemme verbunden ist, ein dritter Transistor mit der ersten Polarität vorgesehen ist, der Kollektor des zweiten Transistors und der Emitter des dritten Transistors miteinander verbunden sind, die Basis des zweiten Transistors und der Kollektor des dritten Transistors miteinander verbunden sind und die Basis des dritten Transistors mit einer Einrichtung zur Aufnahme von Eingangssignalen versehen ist.

Es läßt sich zeigen, daß durch die Verwendung von allgemein

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erhältlichen Transistoren diese Schaltung eine Verlustleistung von 1 W und einen Wirkungsgrad von 96,75% hat und Spitzenströme von 16CX) A bei einem Nennwert von 1 A beherrscht.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert; es stellen dar:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 2 ein Strom/Spannungsdiagramm zur Erläuterung des BetriebsVerhaltens der Schaltung gemäß Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 ist eine Festkörper-Schaltvorrichtung zum Steuern des von einer Gleichspannungsquelle V+ an eine Last abgegebenen Gleichstroms vorgesehen. Die Schaltvorrichtung enthält einen ersten Transistor Ql, welcher die Haupt-Leistungsschalteinrichtung der Schaltungsanordnung darstellt, zweite und dritte Transistoren Q2 und Q3, welche die primären Basistreibertransistoren für den Transistor Ql darstellen und "einen vierten Transistor Q4, welcher der Treiberschaltung angehört, aber als Beispiel eine.: Konstantstromquelle dargestellt ist und durch getastete Steuersignale gespeist werden kann, wodurch der Betrieb der Schalteinrichtung ausgelöst wird.

Die ersten und dritten Transistoren Ql und Q3 haben eine erste Polarität, während die zweiten und vierten Transistoren in diesem Beispiel die entgegengesetzte Polarität aufweisen. In dem Fall, daß die Gleichspannungsquelle ein gegenüber Masse positives Potential hat, sind die Transistoren Ql und Q3 PNP-Transistoren, und die Transistoren Q2 und Q4 sind NPN-Transistoren.

Jeder dieser Transistoren hat naturgemäß Emitter-, Basis- und Kollektoranschlüsse. Mehrere spezielle Verbindungen dieser Bauelemente sind für die Erfindung wesentlich ;, und zwar:

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Ι. Verbindung des Emitters von Ql zur ersten Klemme IO zum Anschluß an die Klemme V+ der Spannungsquelle,

2. Verbindung des Kollektors von Ql mit einer zweiten Klemme 12 zum Anschluß an die Last,

3. Verbindung der Basis von Ql mit dem Kollektor von Q2 und dem Emitter von Q3, .

4. Verbindung des Emitters von Q2 mit dem Kollektor von

5. Verbindung der Basis von Q2 mit dem Kollektor von Q3.

Der Kollektor des Transistors Q4 ist über einen Widerstand Rl mit der Basis des Transistors Q3 zur Zufuhr von Eingangs-Signalen verbunden. Der Emitter des Transistors Q4 wird auf einem Bezugspotential oder Massepotential gehalten, und dessen Basis ist mit einer Quelle getasteter Steuersignale verbunden. Der Transistor Q4 ist als Konstantstromquelle aufgebaut, wie sie bereits vorher verwendet wurde.

In herkömmlicher Weise sind zwischen den entsprechenden Basis/ Emitterstrecken der Transistoren Ql, Q2 und Q3 in herkömmlicher Weise Widerstände R2, R3 und R4 angeschlossen.

Die dargestellte Schaltung hat nur einen Basistreiberwiderstand« Diese Schaltung kann außerdem mit einem zweiten Widerstand R5 zwischen der Basis des Transistors Ql und dem Kollektor des Transistors Q4 versehen sein. Die Verwendung eines derartigen zusätzlichen Widerstandes führt dazu, daß die Belastbarkeit mit Spitzenströmen für einen festen Wert von ¹Bl ^{β 1}Rl ^{+ 1}RS ^iierab9^esetzt wird.

Im Betrieb der Schaltung gemäß Fig. 1 arbeiten die Transistoren Q2 und Q3 nicht, wenn der Transistor Ql ganz in der Sättigung

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ist (d.h. I <^_ 1 A). Dieses beruht darauf, daß die Kollektor/ Emitteranschlüsse des Transistors Q2 geringfügig in Sperr-Richtung beaufschlagt sind (da der Transistor Ql sich in der Sättigung befindet), so daß der Transistor Q2 nicht durchgeschaltet ist. Die Kollektor/Emitteranschlüsse des Transistors Q3 sind über den Widerstand R3 infolge der Sättigung des Transistors Ql geringfügig in Sperr-Richtung beaufschlagt, so daß der Transistor Q3 ebenfalls nicht durchgeschaltet ist. Somit fließt der maximale Basistreiberstrom durch den Widerstand Ql, da die Spannung lediglich an dem Widerstand Rl abfällt. Somit arbeitet der Transistor Ql als einziger Transistor, während die Transistoren Q2 oder Q3 im wesentlichen passiv sind. Die Verluste bei Nennstrom und der Wirkungsgrad können in der hier beschriebenen Weise berechnet werden.

Wenn jedoch der Laststrom bis zu einem Punkt zunimmt, so daß der Transistor Ql aus der Sättigung heraus-geführt wird, dann werden die Transistoren Q2 und Q3 in Durchlaßrichtung beaufschlagt und aufgetastet. Der maximale Basistreiberstrom für den Transistor Ql wird nun durch I_ß^ mal der Stromverstärkung/Jvon Q2 mal. der Stromverstärkung von Q3 bestimmt. Dieser erhöhte Basisstrom, welcher dem Transistor Ql zur Verfügung steht, hält die Sättigungsspannung dieses Transistors auf maximal etwa 2,0 ν, bis der Laststrom und damit der Basisstrombedarf des Transistors Ql so groß sind, daß die Transistoren Q2 und Q3 aus der Sättigung kommen. Dieser Laststrom entspricht I_B·^ mal den Beta-Verstärkungen der Transistoren Ql, Q2 und Q3. Jede weitere Zunahme der Last bewirkt, daß die Schaltung aus der Sättigung kommt, während der Laststrom im wesentlichen festgehalten wird. Dieses ergibt sich aus Fig. 2. Die unmittelbare Sättigungsspannung von 2,0 V entspricht der Summe der Basis/ Emitterspannung des Transistors Ql, der Basis/Emitterspannung des Transistors Q2 und der Kollektor/Emitterspannung des Transistors Q3.

Die dargestellte Schaltung hat folgende Eigenschaften, wobei

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von den für kommerziell erhältlichen Bauteile gültigen Werten ausgegangen wird:

V+ = 30 V DC I (Laststrom = 1 A Nennwert) die Beta-Verstärkung für jeden der Transistoren Ql, Q2 und Q3 beträgt 40 die Sättigungsspannung V . für Ql ist 0,25 V bei IA

¹Bl' ^^{er Bas}i^streit^)erstrom beträgt O,O25 A. Dann beträgt die Verlustleistung Pd =

Der Wirkungsgrad bei Nennlast beträgt 100% » 96,75%

dabei bedeutet:

P_1n = (V+)(I_L + I_B1) = (V+)(1 + 0,025).

Es ergibt sich, daß die spezielle Treiberstrom-Verstärkeran ordnung die erwünschte Verbesserung bezüglich der Schaltung von Spitzenströmen ohne die Hinnahme anderer Eigenschaften ermöglicht.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche :

Schaltvorrichtung zum Steuern des von einer Gleichspannungsquelle an eine Last abgegebenen Gleichstroms, dadurch gekennzeichnet , daß ein erster Transistor (Ql) mit einer ersten Polarität vorgesehen ist, eine erste Klemme (10) mit dem Emitter dieses Transistors zum Anschluß an die Spannungsquelle und eine zweite Klemme (12) mit dem Kollektor dieses Transistors zum Anschluß an die Last vorgesehen ist, ein zweiter Transistor (Q2) mit der entgegengesetzten Polarität vorgesehen ist, die Basis des ersten Transistors und der Kollektor des zweiten Transistors miteinander verbunden sind, der Emitter des zweiten Transistors mit der zweiten Klemme verbunden ist, ein dritter Transistor (Q3) der ersten Polarität vorgesehen ist, der Kollektor des zweiten Transistors und der Emitter des dritten Transistors miteinander verbunden sind, die Basis des zweiten Transistors und der Kollektor des dritten Transistors miteinander verbunden sind und die Basis des dritten Transistors eine Einrichtung zur Aufnahme von Eingangsignalen aufweist.

Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und dritten Transistoren (QIf Q3) vom PNP-Typ sind und der zweite Transistor ein NPN-Transistor ist.

Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß diese mit einer Gleichspannungsquelle und einer Last derart verbindbar ist, daß der Emitter des ersten Transistors bezüglich der Basis dieses Transistors in Durchlaßrichtung vorgespannt ist.

Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

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dadurch gekennzeichnet , daß ein vierter Transistor (Q4) mit gegenüber dem ersten Transistor entgegengesetzter Polarität vorgesehen ist, der Kollektor dieses vierten Transistors über einen Widerstand (Rl) mit der Basis des dritten Transistors (Q3) verbunden ist, der Emitter des vierten Transistors mit einem Bezugspotential verbindbar ist und die Basis des vierten Transistors mit einer Quelle für getastete (ein/aus) Signale verbunden ist.

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