DE2506196C2

DE2506196C2 - Gleichstrom-Schaltvorrichtung zur Erhöhung des Spitzenstromes

Info

Publication number: DE2506196C2
Application number: DE2506196A
Authority: DE
Inventors: Donal E. Elida Ohio Baker
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Sundstrand Corp
Priority date: 1974-02-21
Filing date: 1975-02-14
Publication date: 1983-05-05
Also published as: IT1029048B; CA990794A; DE2506196A1; GB1500364A; FR2262449B1; JPS50120554A; FR2262449A1; US3898552A; JPS5513652B2; NL7500208A

Description

ΊΟ

Die Erfindung betrifft Gleichstrom-Transistorschaltkreise zur Verwendung in elektrischen Systemen zur Stromversorgung.

Ein einzelner Transistor kann dazu verwendet werden, Leistung zwischen einer Spannungsquelle und ü 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 Verlust- mi leistung von etwa I W bei einer abgegebenen Vcrsorgungsspannung von 30 V. Es läßt sich rechnerisch /eigen, daß dieses einem elektrischen Wirkungsgrad von 96,75% entspricht. Dieser Wirkungsgrad reicht für viele Leisttings-Schaltvorrichtungen aus. Ströme mit tr· einem Nennwert bis zu 10 A können durch Auswahl der z.ir /.cit erhältlichen Transistoren befriedigend geschaltet werden.

Ober 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 in US-PS 37 10 231 beschrieben ist

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 Ermögiichung 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 Darlingtonschaltung herabgesetzt wird. Solche Schaltkreise können 400% 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-Schaliung 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 durchgesciialteten Zustand im wesentlichen den Spannungsabfall Null aufweisen. Einige Abwandlungen -der grundlegenden Darlington-Schal'ung haben sich als einigermaßen brauchbar bezüglich des gewünschten Betriebsverhaltens erwiesen. Beispielsweise sind in den US-Patenten 36 71 833 und 36 78 291 Transistorschalt-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 Durchlaßrichtung vorgespannt ist, wenn die Last einen hohen Strom erfordert.

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

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltvorrichtung zu schaffen, welche Spitzenströ.ne ohne verminderten Wirkungsgrad weiterleiten kann.

Ausgehend von einer Festkörper-Schaltvorrichtung zur Steuerung der Gleichstromleistung, welche von einer Gleichspannungsquclle 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 ί 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 in des dritten Transistors mit einer Einrichtung zur Aufnahme von Eingangssignalen versehen ist

Es läßt sich zeigen, daß durch die Verwendung von allgemein erhältlichen Transistoren diese Schaltung eine Verlustleistung von 1 W und einen Wirkungsgrad r> von 96,75% hat und Spitzenströme von 1600A 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 _>n

Fig. 1 ein Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung und

Fig.2 ein Strom/Spannungsdiagramm zur Lrläuterung des Betriebsverhaltens der Schaltung semäß Fig. 1.

Gemäß F i g. 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 w Schaltungsanordnung darstellt, zweite und dritte Transistoren Q 2 und Q 3, welche die primären Basistreibertransistoren für den Transistor Q1 darstellen und einen vierten Transistor Q4, welcher der Treiberschaltung angehört aber als eine Konstantstromquelle dargestellt r, ist und durch getastete Steuersignale gespeist werden kann, wodurch der Betrieb der Schalteinrichtung ausgelöst wird.

Die ersten und dritten Transistoren Q\ und Q 3 haben eine erste Polarität, während die zweiten und au vierten Transistoren in diesem Beispiel die entgegengesetzte Polarität aufweisen. In dem Fall, daß die Gleichspannungsquelle ein gegenüber Masse positives Potential hat, sind die Transistoren Q\ und QZ PNP-Transistoren, und die Transistoren Q 2 und Q4 -n sind NPN-Transistoren.

Jeder diese." Transistoren hat naturgemäß Emitter-, Basis- und Kollektoranschlüsse. Mehrere spezielle Verbindungen dieser Bauelemente sind für die Erfindungwesentlich, und zwar: V)

1. Verbindung des Emitters von QX zur ersten Klemme 10 zum Anschluß an die Klemme V+ der Spannungsquelle,

2. Verbindung des Kollektors von Q 1 mit einer v> zweiten Klemme 12 zum Anschluß an die Last,

3. Verbindung der Basis von Q\ mit dem Kollektor von Q2unddem Emitter von QZ,

4. Verbindung des Emitters von Q 2 mit dem Kollektor von Q 1, w.

5. Verbindung der Basis von Q 2 mit dem Kollektor von Q 3.

Der Kollektor des Transistors C*4 ist über einen Widerstand R 1 mit der Basis des Transistors QZ zur <- > Zufuhr von Eingangssignalen verbunden. Der Emitter des Transistors Q4 wird auf einem Bezugspotential oder Massepotential gehalijn. und dessen Basis ist mit einer Quelle getasteter Steuersignale verbunden. Der Transistor Q 4 ist als Konstantstromquelle aufgebaut, wie sie bereits vorher verwendet wurde.

In herkömmlicher Weise sind zwischen den entsprechenden Basis/Emitterstrecken der Transistoren Ql, Q 2 und Q 3 in herkömmlicher Weise Widerstände R 2, R 3 und R 4 angeschlossen.

Die dargestellte Schaltung hat nur einen Basistreiberwiderstand. Diese Schaltung kann außerdem mit einem zweiten Widerstand R 5 zwischen der Basis des Transistors Ql und dem Kollektor des Transistors Q 4 versehen sein. Die Verwendung eines derartigen zusätzlichen Widerstandes führt dazu, daß die Belastbarkeit mit Spitzenströmen für einen festen Wert von Ib\ = Ir\ + Ir5 herabgesetzt wird.

Im Betrieb der Schaltung gemäß F i g. 1 arbeiten die Transistoren Q 2 und Q 3 nicht, wenn der Transistor Q1 ganz in der Sättigung ist (d.h. Λ.<Α). Dieses beruht darauf, daß die Kollektor/Emitteranschlüsse des Transistors Q 2 geringfügig in Sperr-Richtung beaufschlagt sind (da der Transistor Q1 sich ir der Sättigung befindet), so daß der Transistor Q 2 nicht durchgeschaltet ist. Die Kollektor/Emitteranschlüsse des Transistors Q 3 sind über den Widerstand R 3 infolge der Sättigung des Transistors Q1 geringfügig in Sperr-Richtung beaufschlagt, so daß der Transistor Q 3 ebenfaüs nicht durchgeschaltet ist. Somit fließt der maximale Basistreiberstrom durch den Transistor Q1, da die Spannung lediglich an dem Widerstand R 1 abfällt Somit arbeitet der Transistor Q1 als einziger Transistor, während die Transistoren Q 2 oder Q 3 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 Q1 aus der Sättigung herausgeführt wird, dann werden die Transistoren Q 2 und Q3 in Durchlaßrichtung beaufschlagt und aufgetastet. Der maximale Basistreiberstrom für den Transistor Q 1 wird nun durch Ib\ mal der Stromverstärkung β von Q 2 mal der Stromverstärkung von Q3 bestimmt. Diese" erhöhte Basisstrom, welcher dem Transistor Q1 zur Verfügung steht, hält die Sättigungsspannung dieses Transistors auf maximal etwa 2,0 V, bis der I.aststrom und damit der Basisstrombedarf des Transistors Q 1 so groß sind, daß die Transistoren Q 2 und Q 3 aus, der Sättigung kommen. Dieser Laststrom entspricht I_B\ mal den Beta-Verstärkungen der Transistoren Qi, 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 F i g. 2. Die unmittelbare Sättigungsspannung von 2,0 V entspricht der Summe der Basis/Emitterspannun? des Transistors Ql, der Basis/Emitterspannung des Transistors Q2 und der Kollektor/Emitterspannung des Transistors Q 3.

Die dargestellte Schaltung hat folgende Eigenschaften, wobei von den für kommerziell erhältlichen Bauteile gültigen Werten ausgegangen wird:

V+ = 30 V Gleichstrom,

/o(Laststrom= 1 A Nennwert),

die Beta-Verstärkung für jeden der Transistoren Q1.Q2und(?3beträgt40,

die Sau :£ungsspa .rung l/„, für Q 1 ist 0.25 V hei 1 A,

Ir i, der Basistreiberstrom, beträgt 0,025 A.

Dann beträgt die Verlustleistung Pd- dabei bedeutet:

C«) Uo) + {V+) UeO 1 W. P_1n = (V+) (/,+/„,) = (V + ) (1 +0,025).

Der Wirkungsgrad bei Nennlast beträgt < Es ergibt sich, daß die spezielle Treiberstrom-Ver-

stärkeranordnung die erwünschte Verbesserung bezüg-

Pd\ . _ „ _„. lieh der Schaltung von Spitzenströmen ohne die

y lUÜA - Vö,/3/. Hinnahme anderer Eigenschaften ermöglicht.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltvorrichtung zur Erhöhung des von einer Gleichspannungsquelle an eine Last abgegebenen > Spitzenstromes, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Transistor (Qi) mit einem ersten Leitfähigkeitstyp vorgesehen ist, eine erste Klemme (10) mit dem Emitter dieses Transistors zum Anschluß an die Spannungsquelle und eine zweite ι η Klemme (12) mit dem Kollektor dieses Transistors zum Anschluß an die last vorgesehen ist, ein zweiter Transistor (Q 2) mit dem entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp 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 (Q 3) des ersten Leitfähigkeitstyps vorgesehen ist, der Kollektor des zweiten Transistors und der Emitter des dritten m 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 Eingangssignalen aufweist. 2ί

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

3. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, jo dadurch gekennzeichnet, daß diese mit einer Gleichspanr.„ngsquelle und einer Last derart verbunden ist, daß der E-nitter ^s ersten Transistors bezüglich der Basis dieses Transistors in Durchlaßrichtung vorgespannt ist. π

4. Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein vierter Transistor (Q4) mit gegenüber dem trsten Transistor entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp vorgesehen ist, der Kollektor dieses vierten Transistors -in über einen Widerstand (R 1) mit der basis des dritten Transistors (Q3 ) verbunden ist, der Emitter des vierten Transistors mit einem Bczugspotenti-I verbunden ist und die Basis des vierten Transistors mit einer Quelle für getastete (ein/aus Signale verbunden ist.