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taststromabhängige Ansteuerung eines Schalttransistors Die Erfindung
betrifft eine Anordnung zur laststromabhängigen Ansteuerung eines Schalttransistors
mit minimalem externen Steuerleistungsaufwand.
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Das netzsynchrone Ein- und Ausschalten von großen Gleich-und Wechsel
strömen konnte bisher nur mit Thyristorschaltern erfolgen, die über aufwendige und
teure Zwangskommutierungseinrichtungen verfügen. Ausschalthare Thyristoren, sogenannte
Gate-Turn-Off-Thyristoren (GTO), gibt es derzeit nur für kleie Ströme-Außerdem weisen
sie gegenüber normalen Thyristoren weitere wesentliche Nachteile auf, die einenEinsatz
in Lastschaltern ausschließen, insbesondere einen größeren Durchlaßspannungsabfall
und Steuerleistungsbedarf sowie einen höheren Preis. Demgegenüber eröffnete die
weitere Entwicklung der Transistoren
zu hohen Kollektor-Emitter-Spannungen
und größeren Strömen einen Weg, elektronische Lastschalter zum netzsyn chronen Ein-
und Ausschalten ohne aufwendige Zwangskommutierungseinrichtungen zu entwickeln.
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In der Figur 1 ist die Anwendung von Transistor-Schalteinheiten nach
Figur 2 als Wechselstromschalter dargestellt.
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Die Figur la zeigt das Blockschaltbild eines Wechselstrom-Transistorschalters
mit zwei Transistor-Schalteinheiten ST, denen je eine Diode gegenparallel geschaltet
ist.
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Der in Figur ib dargestellte zeitliche Verlauf der Ströme und Spannungen
macht die Funktionsweise des Wechselstrom-Transistorschalters nach Figur la deutlich.
Durch wechselweises Zuführen von Zündimpulsen in iz und Löschimpulsen il werden
in der positiven Halbwelle der anliegenden Wechselspannung u gestrichelte Stromblöcke
i und in der negativen Halbwelle strichpunktierte Stromblöcke herausgeschnitten,
deren Fläche durch Verlagerung der Zünd- und Löschimpulse verändert werden kann.
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Zwei andere schaltungsmäßige Anordnungen von Wechselstrom-Transistorschaltern
zeigen die Figuren lc und ld.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zur laststromabhängigen
Ansteuerung eines Transistorschalters für große Gleich- und Wechsel ströme zu schaffen,
bei der auch bei externer minimaler<Steuerleistung zum Ansteuern ein zuverlässiger
und optimaler Betrieb des Schalttransistors gewährleistet ist.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß a) in Reihe zur laststromdurchflossenen
Emitter-Kollektor-Strecke des Schalttransistors die Primärwicklung eines Stromwandlers,
b) parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Schalttransistors sowohl die Sekundärwicklung
des Stromwandlers, als auch die Reihenschaltung der Emitter-Kollektor-Strecke eines
ersten Transistors und der Parallelschaltung aus Speicherkondensator und Zenerdiode,
c) parallel zur Basis-Kollektor-Strecke des Schalttransistors die Reihenschaltung
der Tertiärwicklung und einer ersten Diode mit kathodenseitigem Anschluß am Kollektor
des Schalttransistors, d) parallel zur ersten Diode die Reihenschaltung einer Quartiärwicklung
des Stromwandlers mit einer zweiten in Durchlaßrichtung zum kollektorseitigen Anschluß
des
Transistorschalters gepolten Diode, eIner in Durchlaßrichtung
auf die Kathode der zweiten Diode geschalteten Ladediode und eines Ladewiderstandes
angeordnet ist, daß an die Kathodenverbindung der zweiten Diode und der Ladediode
sowohl die Verbindung zwischen Kollektor des ersten Transistors und Speicherkondensators
als auch der Kollektor eines zweiten Transistors angeschlossen sind, daß der Emitter
des zweiten Transistors mit dem Steueranschluß eines Halbleiterschalters verbunden
ist, dessen einer Hauptanschluß an den Emitteranschluß des Transistorschalters und
dessen anderer Hauptaschluß an einen beliebigen Abgriff der Tertiärwicklung oder
Quartiärwicklung oder zwischen beiden Wicklungen angeschlossen sind, und daß die
Basis des zweiten Transistors mit einem Löschimpulseingang und die Basis des ersten
Transistors mit einem Zündimpulseingang verbunden sind.
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Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht ein laststromabhängiges Ansteuern
des Schalttransistors mit minimaler externer Steuerleistung wie sie beispielsweise
beim Ansteuern mit Lichtenergie oder mit integrierten Schaltungen gegeben ist.
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Eine vorteilhafte Gestaltung des Stromwandlers besteht darin, die
vier Stromwandlerwicklungen auf einem gemeinsamen Kern anzubringen.
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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei spieles
soll der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke näher erläutert werden. Es zeigen
Figur 2 das Prinzipschaltbild einer Anordnung zur Ansteuerung eines Schalttransistors
Figur 3 und Figur 4 Anordnungen zur Ansteuerung von Transistorschaltern eines Wechselstromschalters.
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Das in Figur 2 dargestellte Prinzipschaltbild zur laststromabhängigen
Ansteuerung eines Schalttransistors 1 wird bestimmt durch die Funktionseinheit des
einen Vier-Wicklungs-Stromwanaler darstellenden Stromwandlers 2. Whrend die Primärwicklung
21 des Stromwandlers 2 in Reihe zur Kollektor-Emitter-Strecke des Schalttransistors
1, der Laststrecke, geschaltet ist, sind o die Sekundärwicklung 22 und die Tertlärwicklung
23 mit einer in Reihe geschalteten kathodenseitig mit dem Kollektor des Schalttransistors
1 verbundenen ersten Diode 7 parallel zur Basis-Emitter-Strecke bzw. parallel zur
Basis-Kollektor-Strecke des Transistorschalters 1 geschaltet. Parallel zur Sekundärwicklung
22 ist die Reihenschaltung eines als Zünd- und Löschquelle energie'dienenden Speicherkondensators
3 mit der Kollektor-Emitter-Strecke eines ersten Transistors 4 angeordnet. Die Aufladung
des Speicherkondensators 3 erfolgt entweder über eine
in Reihe zu
ihm geschaltete Reihenschaltung einer Ladediode 9 und eines Widerstandes 10, die
am Kollektor des Schalttransistors 1 angeschlossen sind, oder über die Reienschaltung
einer Quartiärwicklung 24 des Stromwandlers 2 und einer kathodenseitig auf dem Kathodenpotential
der Ladediode 9 befindlichen zweiten Diode 8, die zwischen Ladediode 9 und Speicherkondensator
3 sowie zwischen Tertiärwicklung 23 und erster Diode 7 angeschlossen ist. Ebenfalls
an die Verbindung zwischen Ladediode 9 und Speicherkondensator 3 ist der Kollektor
eines zweiten Transistors 5 angeschlossen, dessen Emitter mit dem Steueranschluß
eines Halbleiterschal ters 6, im Ausführur.gsbei spiel ein Thyristor, verbunden
ist. Die Schaltstrecke des Halbleiterschalters 6 ist einerseits durch den Anschluß
an den Emitter des Schalttransistors 1 und anderseits durch den Anschluß an einen
Abgriff, der an der Tertiär- und der Quartiärwicklung oder dazwischen liegen kann,
gegeben.
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Der Steueranschluß für die Löschimpulse i1 ist mit der Basis des zweiten
Transistors 5, wahlweise über einen Widerstand, und der Steueranschluß für die Zündimpulse
in iz mit der Basis des ersten Transistors 4, ebenfalls wahlweise über einen Widerstand,
verbunden.
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Zur funktionellen Vervollständigung wird parallel zum Speicherkondensator
3 zum Zwecke der Spannungskonstanz eine erste
Zenerdiode 14, und
parallel zur Sekundärwicklung 22 des Stromwandlers 2 zum Zwecke des Schutzes der
Basis-Emitter-Stre&,ce des Schalttransistors 1 die Reihenschaltung einer dritten
Diode 1 und einer zweiten Zenerdiode 12 mit entgegengesetzter Polung der Durchlaßrichtung
geschaltet, so daß die Diode 11 kathodenseitig mit der Basis des Schalttransistors
1 verbunden ist.
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Beim Abschalten eines Laststromes mit induktivem Anteil, treten am
Schalttransistor 1 Überspannungen auf, die dessen Zerstörung zur Folge haben können.
Die Parallelschaltung einer modifizierten RC-Kombination 13, die aus der Reihenschaltung
eier Diode mit parallelgeschaltetem Widerstand und eines Überspannungsbedämpfungskondensators
besteht, verhindert dies. Dabei muß der Überspannungsbedämpfungskondensator so dimensioniert
sein, daß die beim Abschalten auftretende Kollektor-Emitter-Spannung ces Schalttransistors
1 den vom Transistorhersteller garantierten Maximalwert nicht überschreitet. Der
parallel zur Diode angeordnete Widerstand ist so zu dimensionieren, daß er einerseits
die Einschaltverluste des Schalttransistors 1 begrenzt, andererseits aber ein sicheres
Entladen des Überspannungsbedämpfungs kondensators während der Einschaltphase erlaubt.
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Bei geeigneter Dimensionierung kann der Vier-Wicklung-Stromwandler
2 in einem weiten Frequenzbereich (einige Hertz bis einige zehn Kilohertz) eingesetzt
werden. Für Wechselstromanwendungen
bieten sich die in den Figuren
3 und 4 dargestellten Schaltungsvarianten an, wobei das Zusammenfassen der Vielfachwicklungen
auf einen Transformatorkern möglich ist.
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Die Funktionsweise der Anordnung soll nachfolgend erläutert werden.
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Unter Vernachlässigung der genauen Verläufe der statischen (und dynamischen)
Stromverstärkungsfaktoren erfordert jeder als Schalttransistor dienende Leistungstransistor
eine kollektorstromproportionale Basisansteuerung, um im Bereich der Sättigung oder
an dessen Grenze betrieben werden zu können.
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Unter diesem Gesichtspunkt bietet sich bei dem Betrieb von Leistungstransistoren
mit zeitlich veränderlichem Kollektorstrom das Prinzip eines über einen Stromwandler
in den Basis-Emitter-Kreis eingeprägten kollektorstromproportionalen Ansteuerstromes
an. Dieses Verfahren wird dadurch verwirklicht, daß der durch die Primärwicklung
21 fließende Laststrom an der Sekundärwicklung 22 eine Spannung induziert, die einen
durch das Wicklungsverhältnis von Primärwicklung zu Sekundärwicklung festgelegten
Basisstrom treibt. Das Wicklungsverhältnis Sekundärwicklung zu Primärwicklung muß
mindestens gleich der Stromverstärkung gewählt werden, die für den maximal zu erwartenden
Kollektorstrom bei dem verwendeten Transistortyp im ungünstigsten Fall zutrifft,
damit jener stets mindestens an der Sättigungsgrenze betrieben wird.
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Da die Speicherzeit von Leistungstransistoren stark mit dem Grad der
Sättigung wächst und die husschaltverluste mit wachsender Speicherzeit vergrößert
werden, wird mit Hilfe der Tertiärwicklung 23 und der am Kollektor angeschlosseren
ersten Diode 7 dafür gesorgt, daß der verwendete Leistungstransistor stets an der
Grenze des Sättigungsbereiches betrieben wird. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt,
daß die Basis-Emitter-Spannung unabhängig vom Laststrom und dem Sättlgungs zustand
des Schalttransistors bei ca. 1,0 Volt liegt, während die Kollektor-Emitter-Spannung
abhängig vom Sättigungsgrad bis unter 0,5 Volt absinken kann. Bei geeigneter Wahl
des Wicklungsverhältnisses von Primar- zu Tertiarwicklung ist es somit möglich,
einen Teil des Basisstromes abzuzweigen und über die erste Diode 7 in den Kollektor
des Transistorschalters 1 fließen zu lassen, sobald die Kollektor-Emitter-Spannung
des Leistungstransistors 1 einen für die Sättigungsgrenze typischen Wert, beispielsweise
1,5 Volt erreicht.
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Das Ziel, einen Transistorschalter für große Gleich- und Wechsel ströme
mit minimalem externen Steuerleistungsaufwand zu betreiben, kann erreicht werden,
wenn die erforderliche Steuerleistung von der am Transistorschalter anliegenden
Spannung und/oder vom Laststrom abgeleitet wird. Das kann im dargestellten Ausführungsbeispiel
entweder über eine Ladediode 9 und Widerstand 10, oder mit Hilfe einer Quartiärwicklung
24
des Stromwandlers und eine Diode 8 erfolgen. Da, wie oben erläutert,
die Spannung an der Sekundärwicklung 22 des Stromwandlers 2 aus transistorphysikalischen
Gründen bei ca. 1,0 Volt liegt, kann durch angemessene Wahl des Übersetzungsverhältnisses
von Quartiär- zu Sekundärwicklung erreicht werden, daß während der Dauer der Stromführung
der Speicherkondensator 3 aus dem Stromwandler 2 nachgeladen wird, was während der
stromlosen Zeit über die Reihenschaltung Ladediode 9 und Widerstand 10 erfolgt.
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Während für die Dauer der Stromführung die Ansteuerung des Schalttransistors
1 selbsttätig von der Sekundär- und Tertiärwicklung des Stromwandlers 2 vorgenommen
wird, ist es erforderlich, zur einleitung und zur Beendigung der Einschaltphase
externe Steuerbefehle zu erteilen. In dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
wird durch das Steuersignal i über den ersten Transistor 4 der Speicherkondensator
3 auf die Transistorbasis geschaltet und so die Stromführung eingeleitet.
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Mit dem Löschimpuls il kann über den zweiten Transistor 5 der Halbleiterschalter
6 eingeschaltet werden. Dieser ruft einen niederohmigen Kurzschluß der Windungen
des Stromwandlers hervor, die zwischen seinen Hauptanschlüssen liegen, so daß der
in die Basis fließende Ansteuerstrom in den Halbleiterschalter 6 kommutiert und
der stromführende Schalttransistor 1 gelöscht wird.
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Für den ersten und zweiten Transistor 4 und 5 bieten sich beispielsweise
Darlington-Transistoren oder optoelektronische Koppelelemente an. Für den als Thyristor
dargestellten i3albleiterschalter 6 kann auch ein Transistor eingesetzt werden.
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Die Ansteuerung der Basen der Transistoren 4 und 5 und damit des Schalttransistors
kann sowohl optoelektronisch bei der Verwendung von optoelektronischen Koppelelementen
als auch galvanisch getrennt oder galvanisch verbunden bei der Verwendung von Transistoren
oder Darlington-Transistoren erfolgen.
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Die in den Figuren 3 und 4 dargestellten Schaltbilder zeigen Anwendungen
der erfindungsgemäßen Ansteueranordnung auf Wechselstrom-Transistorschalter. Dabei
entspricht die Anordnung der Figur 3 einer Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung
auf die Figur la und die der Figur 4 einer Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung
auf die Figur 1c. Bei einer Anordnung nach Figur 3 und 4 ist das Zusammenfassen
der Vielfachwicklungen auf einen Transforatorkern möglich. Die Ansteueranordnungen
der Schalttransistoren ST1 und ST2 entsprechen ansonsten der Anordnung nach Figur
2.