-
Schaltungsanordnung zum Schutz gegen Überspannungen an
-
Transistoren Herkömmliche Stromversorgungsgeräte enthalten einen Netztransformator
mit nachfolgender Gleichrichterschaltung. Da solche Geräte wegen des Netztransformators
viel Raum benötigen und eine relativ hohe Verlustleistung aufweisen, arbeiten moderne
Stromversorgungsgeräte ohne einen Netztransformator. Hierbei wird die Netzspannung
direkt gleichgerichtet und einem Umrichter zugeführt, indem die verhältnismäßig
hohe Spannung mittels eines Transistorschalters intermittierend an einen Übertrager
gelegt wird, der je nach der nachfolgenden Gleichrichterschaltung als Durchfluß
- oder Sperrwandler arbeitet. Die Ausgangsspannung wird durch Verändern des Tastverhältnisses
des Transistorschalters geregelt bzw. stabilisiert. Dabei soll dieser Transistorschalter
mit möglichst großer Impulsfolgefrequenz arbeiten.
-
Beim Sperren des Transistorschalters wird durch die steilen Stromänderungen
an parasitären Induktivitäten, wie Leitungs-und Streuinduktivitäten eine hohe Spannung
induziert. Außerdem können der Netzspannung, verursacht durch Schaltvorgänge, steile
Spannungsspitzen überlagert sein, welche mehrere Tausend Volt betragen können. Durch
solche Spannungsspitzen würde aber der Schalttransistor zerstört.
-
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, die Transistoren
gegen Überspannungen schützt.
-
Eine bekannte Schaltungsanordnung stellt die Fig. 1 dar. Hier ist
der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T der Varistor V (VDR, spannungsabhängiger
Widerstand) parallel geschaltet.
-
Liegt die anliegende Spannung U unter der Nennspannung UN des Varistors
V, so ist dieser hochohmig. Übersteigt U die Nennspannung UN des Varistors V, so
wird dieser niederohmig und begrenzt auf diese Weise die Spannung U auf UN.
-
Ein großer Nachteil dieser Anordnung ist aber, daß steile Spannungsspitzen,
wie sie in aber Versorgungsspannung oder beim Sperren des Transistors auftreten
können, von dem Varistor V nur teilweise begrenzt werden können (vgl.Fig.4b).
-
Das bedeutet, daß in diesem Fall sehr spannungsfeste Transistoren
verwendet werden müßten, um vor einer Zerstörung sicher zu sein. Spannungsfeste
Transistoren haben aber den Nachteil, daß sie nicht so "schnell" sind wie weniger
spannungsfeste Iransistoren und außerdem stärkere Verluste aufweisen ("schnell"
bedeutet, daß der Transistor in kurzer Zeit aus der Sperrung in die Sättigung und
umgekehrt gesteuert werden kann).
-
Aufgabe der Erfindung ist, eine Schaltungsanordnung anzugeben, welche
Überspannungen an Transistoren vollständig und sicher begrenzt, bedämpfend wirkt
und geringe Verluste verursacht.
-
Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, daß der Kollektor-Emitter-Strecke
eines Transistors ein Netzwerk parallel geschaltet ist, bestehend aus der Hintereinanderschaltung
einer Diode mit der Parallelschaltung eines Varistors mit einem Kondensator.
-
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung besteht
in der' Hintereinanderschaltung mehrerer Transistoren, wobei jedem einzelnen Transistor
das erfindungsgemäße Netzwerk parallel geschaltet ist. Diese Anordnung hat den besonderen
Vorteil, daß hier die Schaltungsanordnung nicht nur spannungsbegrenzend sondern
auch symmetrierend wirkt.
-
Anhand der Figuren wird im folgenden die Erfindung näher erläutert.
-
Fig. 1 zeigt die bekannte Schaltung, Fig. 2 die erfindungsgemäße Anordnung
an einem Transistor, Fig. 3 die erfindungsgemäße Anordnung bei zwei hintereinandergeschalteten
Transistoren, Fig. 4a, b und c die anliegende Spannung U in Abhängigkeit von der
Zeit t (UN = Nennspannung des Varistors V).
-
Dabei ist gezeigt, wie in Fig. 4a der Verlauf der Spannung an einem
Schalttransistor ohne Schutzschaltung aussehen kann.
-
Fig. 4b zeigt die Wirkung der bekannten Anordnung nach Fig. 1. Hier
werden steile Spannungsspitzen nur teilweise begrenzt. Fig. 4c zeigt die Wirkungsweise
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nach Fig. 2. Hier werden auch steile Spannungsspitzen
vollständig kompensiert.
-
In Fig. 2 ist der Transistor T beispielsweise Teil dieser Regelschaltung
und wirkt in dieser als Schalter. Die Regelschaltung ist zum Verständnis der Erfindung
nicht nötig und wegen der besseren Übersichtlichkeit daher weggelassen. Das Netzwerk
parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke besteht aus einer Diode in Serie zu einer
Parallelschaltung aus einem Kondensator C und einem Varistor V. Die Diode ist so
gepolt, daß eine eventuell auf dem Kondensator C vorhandene Ladung nicht über die
Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors T abfließen kann, so daß dieser hierdurch
nicht belastet wird. Treten in der Schaltung kurze Spannungsspitzen mit sehr steiler
Anstiegsflanke auf, so gelangen diese über die Diode D an den Kondensator 9, welcher
die Energie übernimmt bis der Varistor V wirksam, d.h.
-
niederohmig wird. Die überschüssige Energie in C wird jetzt über den
niederohmigen Varistor V abgeleitet. Dadurch wird die Spannung am Kondensator C
äuf etwa die Nennspannung UN von V begrenzt. Sobald die Spannung U wieder unter
die Nennspannung UN sinkt, wird der Varistor V hochohmig, so daß nun nur noch eine
geringe Entladung von C erfolgt. Die Verluste, dieser Schaltung sind also etwa nur
so groß wie die überschüssige Energie, die den Transistor gefährden könnte.
-
Das bedeutet, daß die erfindungsgemäße Schaltung durch ihre statische
und dynamische Wirkung den Transistor nicht nur sicher vor Überspannungen schützt,
sondern auch besonders verlustarm ist.
-
Bei bestimmten Anwendungsfällen, beispielsweise bei direkter Anschaltung
eines Umrichters an die gleichgerichtete Netzspannung, ist es erforderlich, zwei
oder mehrere solcher Schalttransistoren in Reihe zu schalten, um sie spannungsmäßig
zu entlasten. Ein solches Ausführungsbeispiel mit zwei Transistoren zeigt Fig. 3.
Obwohl die Basen beider Transistoren Tl und T2 mit derselben Impulsfolge angesteuert
werden, ist es infolge der Streuung ihrer Kennwerte nicht gewährleistet, daß beide
genau zum selben Zeitpunkt in die Sperrung bzw.
-
Sättigung gesteuert werden0 Würde beispielsweise Tl gerade sperren
und T2 wäre gerade noch leitend, würde ohne Schutzschaltung die volle Spannung U
einschließlich auftretender Spannungsspitzen und nicht nur die Teilspannung Ul an
T1 liegen, was die Zerstörung des Transistors Tl zur Foige hätte (Durchbruch an
der Kollektor-Emitter-Schicht) und als Folge würde auch T2 zerstört werden. Dies
wird bei dieser besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung durch die Anwendung
der erfindungsgemäßen Maßnahmen bei jedem der beideS Transistoren wirksam verhindert.
Dadurch wird also nicht nur jeder Transistor einzeln geschützt sondern die Schaltung
insgesamt symmetriert, wodurch eine sichere und zuverlässig arbeitende Reihenschaltung
der Transistoren erst möglich wird; In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist
es vorteilhaft, Varistoren mit steiler Kennlinie, beispielsweise Siliziumoxid-Varistoren,
und schnelle Dioden zu verwenden.
-
Leerseite