DE2729549A1

DE2729549A1 - Kompensierte basistreibschaltung zum regulieren der stromverstaerkung eines gesaettigten transistors

Info

Publication number: DE2729549A1
Application number: DE19772729549
Authority: DE
Inventors: William Anders Peterson
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1976-07-02
Filing date: 1977-06-30
Publication date: 1978-01-05
Also published as: US4056734A; NL7707223A; SE421977B; FR2357097B1; AU2653577A; IT1080974B; CA1083668A; AU515440B2; SE7707254L; GB1577816A; JPS535730A; BE856379A; FR2357097A1

Description

BLUMBACH · WESEr? · BERGEN · KRAMER ZWIRNER . HIRSCH · BREHM

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN 27295/ 9

Patentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telelon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patenlconsull PatenUonsult Sonncnberger StraSe 43 6200 Wiesbaden Telelon (06121) 562943/541998 Te!e« 04-186237 Telegramme Paientconsul;

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Basissteuerungskompensationsnetzwerk gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Der Leistungstransistor in einer Y/andlerschaltung wird normalerweise periodisch von seinem Sperrzustand in einen Sättigungsbetrieb geschaltet. Die Größe des durch den gesättigten Transistor fließenden Stroms ist weitgehend durch die Anforderungen der mit dem Leistungstransistor verbundenen oder gekoppelten Last bestimmt. Dies führt zu einem speziellen Problem beim Steuern des Basistreibstroms für den gesättigten Leistungstransistor. In seinem gesättigten Zustand kann sich der von den Lastanforderungen abhängige Kollektorstrom ändern. Der Basistreibstrom bleibt jedoch normalerweise konstant. Wenn der Kollektorstrom niedrig wird, sammelt sich folglich übermäßige gespeicherte Ladung im gesättigten Transistor, was zu einer zeitlichen Verlängerung des nachfolgenden Umschaltübergangs intervalls vom Leiten zum Sperren führt. Andererseits kann

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München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing. . H. P. Brehm Dipl.-Chem. Or. phil. nat. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W-Ing.

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sich der Kollektorstrom auf eine derartige Größe erhöhen, daß der Transistor von seinem gesättigten Zustand aus ausfallen kann.

Bei bekannten Schaltungen wurde versucht, dieses Problem zu lösen durch Verwendung einer Übertragerrückkopplung mit einer synchron gleichrichtende Transistoren verwendenden Gleichrichterschaltung. Die Transistoren werden periodisch in Sättigung getrieben, um die angelegten Eingangswechselstromsignale gleichzurichten. Um den richtigen Basistreibstrom zu liefern, wenn der Transistor gesättigt ist, wird eine Mitkopplungsbasistreibanordnung verwendet, um die Transistoren in Sättigung zu treiben. Die Mitkopplungsbasistreibanordnung umfaßt einen Rückkopplungsübertrager, der einzelne Übertragerwicklungen aufweist, die mit der Basis und dem Kollektor der gleichrichtenden Transistoren verbunden sind, um einen gesteuerten Basistreibstrom zu erzeugen, der proportional zum Kollektorstrom ist. Diese Proportionalität wird durch die Mitkopplungswirkung des Übertragers erreicht, der den Kollektorstrom des gleichrichtenden Transistors in den Basistreibstrom umformt. Diese Anordnung hält zwar die gleichrichtenden Leistungstransistoren zufriedenstellend in ihrem gesättigten Zustand, Übertrager aufweisende Rückkopplungen wirken sich jedoch verteuernd und platzraubend aus. Zusätzlich neigt der zu steuernde Leistungstransistor aufgrund der Betriebsweise des Übertragers dazu, in einem leitenden oder einem nichtleitenden Zustand kleben zu bleiben.

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Die Lösung dieses Problems besteht in einem Basicsteuerungskonpensationsnetzwerk mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. Eine vorteilhafte Weiterbildung dieses Netzwerks ist im Unteranspruch angegeben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt einen unsymmetrischen V/andler oder Konventer, dessen Leistungsverstärker durch eine Vorspannschaltung gesteuert wird, die eine Basissteuerungskompensation umfaßt, um die Sättigungsstromverstärkung des Transistors entsprechend den erfindungsgemäßen Prinzipien zu stabilisieren.

Es ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Basissteuerungskompensationsschaltung beschrieben, bei der eine steuerbare Stromsenke verwendet v/ird, um die Stromverstärkung eines gesättigten Leistungstransistors zu steuern. Die Größe des von der Senke gezogenen Stroms ist für den wirklichen Kollektorstromausgang des gesättigten Leistungsverstärkers verantwortlich. Die Stromverstärkung des gesättigten Leistungstransistors wird dadurch konstant gehalten, daß Basistreibstrom in dem Maß vom gesättigten Transistor abgezweigt wird, wie es erforderlich ist, um die Stromverstärkung entsprechend dem v/irklichen Kollektorstrom zu stabilisieren. Die Basissteuerungskompensationsschaltungsanordnung umfaßt eine Widerstandsvorspannstromsenke, die so geschaltet ist, daß sie Basistreibstrom von der

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Basis des Leistungstransistors abzweigt. Die die Vorspannung für den Leistungstransistor liefernde Spannungsquelle ist mit einem Bezugsstromzweig der Stromsenke verbunden. Ein Stromabzugzweig der Strornsenke ist mit der Basiselektrode des Leistungstransistors verbunden. Ein Teil des Widerstandswertes im Stromabzugszweig befindet sich in Serienschaltung mit dem Hauptstromweg des gesättigten Leistungstransistors. Der Spannungsabfall über diesem Teil des Widerstandswertes steuert den Strom im Stromabzugszweig, um eine Änderung umgekehrt zum Strom im Hauptstromweg des gesättigten Leistungstransistors zu erhalten. Da dieser Strom von der Basiselektrode abgezogen v/ird, ist der Basisstrom proportional zum Kollektorstrom des gesättigten Leistungstransistors.

Die einzige Figur zeigt einen unsymmetrischen oder einseitig geerdeten Konverter mit einer Basissteuerungskompensations zur Steuerung der Sättigungsstromverstärkung des Leistungstransistors. Die nicht gezeigte Gleichspannungsquelle ist mit Eingangsanschlüssen 1 und 2 verbunden. Die Anschlüsse 1 und 2 v/erden in Abhängigkeit vom periodischen Schalten eines Schalttransistors 28 periodisch elektrisch in Reihe mit der Primärwicklung 6 eines Leistungsübertragers 9 verbunden. Die Sekundärwicklung 7 ist über eine Gleichrichtdiode 10 und ein Ausgangsfilter mit einer Spule 12 und einem Kondensator 13 mit Ausgangsanschlüssen 14 und 15 verbunden, an die eine Last ange-

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schlossen v/erden kann. Eine Kommut ie rungs- oder Rücklauf diode 11 ist eingefügt, um den Ausgangs strom \-/ährend jener Intervalle zu leiten, während welcher die Gleichrichtdiode 10 sperrt.

Im Moment des anfänglichen Anlegens der Gleichstromquellenspannung sperrt der Transistor 28. Es fließt jedoch Strom vom Eingangsanschluß 1 über einen Widerstand 5 zur Basis des Leistungsschal ttransistors 28. Ein mit der Basis des Transistors 28 verbundener Varistor 22 wird verwendet, um zu verhindern, daß dieser Treibstrom von der Basis des Transistors 28 weggeleitet wird.

Der Transistor 28 wird in Abhängigkeit von diesem von der angelegten Gleichspannung erzeugten Treibstrom leitend vorgespannt. Wenn der Transistor 28 leitet, wird der Primärwicklung 6 eine Gleichspannung zugeführt, und zwar über einen vervollständigten Leistungsweg, wie folgt: Eingangsanschluß 1, Induktivität U, Wicklung 6, Transistor 28, Leitung 29, Widerstand 19, Leitung 30 und Eingangsanschluß 2. Beim Widerstand 19 handelt es sich um einen Stromabtastwiderstand niedriger Impedanz, der in der beschriebenen Basissteuerungskompensationsschaltung verwendet wird. Aufgrund dieser über der Wicklung 6 angelegten Gleichspannung werden in der Sekundärwicklung 7 und in einer Rückkopplung swicklung 8 Spannungen entsprechend den gezeigten Wicklungspunktmarkierungen induziert. Die über der Wicklung 7 indu-

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zierte Spannung spannt die Gleichrichtdiode 10 in Durchlaßrichtung vor, und es gelangt ein Strom über die Ausgangsfilterinduktivität 12 zum Ausgangsanschluß 14 und von dort zu einer an diesen angeschlossenen Last. Ein die Ausgangsanschlüsse 14 und 15 überbrückender Filterkondensator 13 wird verwendet, um die Welligkeit der Ausgangsspannung auf ein Minimum zu reduzieren.

Aufgrund der der Primärwicklung 6 zugeführten Spannung wird in der Rückkopplungswicklung 8 eine Mitkopplungsspannung induziert. Diese induzierte Rückkopplungsspannung wird über einen Widerstand 21 und den Varistor 22 auf die Basis des Transistors 28 gegeben, um diesen über die Mitkopplung weiter in seinen Leitungszustand und schließlich in den Sättigungszustand zu treiben. Diese Mitkopplungsspannung lädt auch Kondensatoren 23 und 26 auf eine positive Spannung auf. Die Größe der Spannung am Kondensator 26 nimmt mit der Rückkopplungsaufladung zu. Diese positive Spannung wird der Basis eines Transistors 27 zugeführt, und wenn die Spannung einen vorbestimmten Spannungsschwellenwert erreicht, bringt sie diesen Transistor zum Leiten. Leitet der Transistor 27, wird der dem Transistor 28 zugeführte Basisstrom über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 27 von der Basis des Transistors 28 nach Erde oder zum Bezugsspannungswert am Eingangsanschluß 2 abgezweigt. Der Schalttransistor 28 wird nichtleitend vorgespannt, und die Gleichspannung wird von der Primärwicklung 6 abgeschaltet. Aufgrund dieses Abschaltens

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der Spannung wird in den Übertragerwicklungen 7 und 8 eine umgekehrte Spannung induziert.

Die über der Sekundärwicklung-7 induzierte umgekehrte Spannung spannt die Gleichrichterdiode 10 in Sperrichtung vor. Der Laststrom wird nun aufgrund der in der Induktivität 12 induzierten Spannung über die Rücklaufdiode 11 geleitet und über den Anschluß 14 der Last zugeführt. Die in der Wicklung 8 erzeugte umgekehrte Spannung lädt die Kondensatoren 23 und 26 in einer Polaritätsrichtung auf, die negativ ist im Vergleich zur positiven Polaritätsaufladung, die aufgrund des vom Transistor 8 geleiteten Stroms induziert wird. Die positive Spannung, die ursprünglich im Kondensator 23 während des Leitens des Transistors 28 gespeichert worden ist, wird über die Kollektor-Basis-Strecke des Transistors 27 entladen.

Der Kern des Übertragers 9 geht zum Anfangszustand zurück, und die Spannungen über den Wicklungen 6, 7 und 8 fallen auf Null ab. Die im Kondensator 23 gespeicherte Ladung und der über den Widerstand 5 vom Eingang fließende Strom bewirken, daß der Schalttransistor 28 wieder eingeschaltet wird. Der Arbeitszyklus des Konverters v/ird in der zuvor beschriebenen Weise wiederholt.

Die Konverterschaltung umfaßt eine Basissteuerungskompensationsschaltungsanordnung, um die Stromverstärkung des gesättigten

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Schalttransistors 20 unabhängig von Änderungen der Laststromgröße und von Änderungen der den Eingangsanschlüssen 1 und 2 zugeführten Eingangccpannung zu stabilisieren. Die Basissteuerungskorapensationsschaltung verhindert vorteilhafterweise eine Anhäufung übermäßiger gespeicherter Ladung irn Schalttransistor 28, die eine große Speicherzeit aufgrund umfangreicher Kollektorstromwogen oder -Schwankungen verursachen kann. Wie erwähnt wird der Basistreibstrom von der Mitkopplungswicklung 8 abgeleitet und der Basiselektrode des Transistors 28 über den Widerstand 21 und den Varistor 22 zugeführt. Eine zweiarmige Stromabzugsnchaltung 40 ist mit dieser Rückkopplungsbasissteuerung verbunden, um steuerbar Basistreibstrom zu dem Zweck abzuzweigen, die erzwungene Stromverstärkung des gesättigten Leistungsverstärkers aufrechtzuerhalten. Ein Bezugsstromzweig mit einer Diode 17 erzeugt ein Bezugssignal zur Vorspannung eines Transistors 31. Die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 31 befindet sich in einem Stromsenkenzweig, der mit der Basis des Leistungstransistors 28 verbunden ist.

Unter Normalbedingungen liefert die Rückkopplungsspannung über der Rückkopplungswicklung S Treibstrom über den Widerstand 16 an den Transistor 31 im Stromsenkenzweig. Dadurch wird der Transistor 31 leitend vorgespannt. Leitet der Transistor 31, wird während des Sättigungsintervalls des Transistors 28 ein gesteuerter Teil des Basistreibstroras über die Kollektor-Emitter-

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Strecke des Transistors 31 von der Basis des Leistungstransistors 28 abgezweigt.

Erhöht sich der Sättigungskollektorstrom des Leistungstransistors 28, erhöht sich auch dor Spannungsabfall über dem Widerstand 19. Die Diode 17 und der Widerstand 18 des mit der Wicklung 3 verbundenen Bezugsstromzv.'eiges überbrücken die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 31 und die dazu in Serie geschalteten Widerstände 19 und 20. Der erhöhte Spannungsabfall über dem Widerstand 19 aufgrund des erhöhten Kollektorstroras bewirkt, daß der Widerstand 18 und die Diode 17 Basistreibstrom vom Transistor 31 abzv/eigen. Folglich nimmt das Leitungsvermögen des Transistors 31 ab. Da weniger Treibstrom von der Basis des Transistors 28 abgezweigt wird, erhöht sich der Basistreibstrom für den Transistor 28 proportional zu dessen angestiegenem Kollektorstrom, und die Sättigungsstromverstärkung ist auf einen konstanten Wert stabilisiert.

Sollte der Kollektorstrom des Transistors 28 abnehmen, reagiert der Transistor 31 damit, daß er mehr Strom leitet, da die Vorspannschaltung sein Leitungsvermögen erhöht. Die Stromverstärkung des gesättigten Leistungstransistors 28 v/ird konstant gehalten, da der Transistor 31 darauf beschränkt ist, umgekehrt zum Kollektorausgangsstrom des Transistors 28 zu leiten.

Die beschriebene Basissteuerungskompensationsschaltung begrenzt vorteilhafterweise Basissteuerungsänderungen, die aufgrund von

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Änderungen der angelegten Basistreibquellenspannung auftreten können. Diesen Vorteil erhält man, da der Strom im Stromsenkenzv/eig dem Strom durch den Bezugsstromzv/eig folgt.

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Claims

BLUMBACH · WECER · BARGEN · KRAMER ZWIRNER · HIRSCH · BREHM PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN 27 295 A 9 Patcniconsült Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 833603/833604 Telex 05-212313 Telegramme- Patenlconsult FaierT.consult Sennenberger Straße 43 6200 Wieoboden Telefon (06121) 562943/561993 Tflex 04-186 237 Tclcgrjmrne Patentconsul! Western Electric Company, Incorporated New York, N.Y., USA Peterson 5 Kompensierte Basistreibschal tuner zum Regulieren der Stronverdürkunp; eines gesättigten Transistors Patentansprüche

1. Basissteuerungskompensationsnetzwerk mit einem im Sättigungsbereich betreibbaren Leistungstransistor, mit einer dem Leistungstransistor einen Basistreibstrom liefernden Einrichtung und mit einer Einrichtung zum Abzweigen von Basistreibstrom von der Basis des Leistungstransistors, dadurch gekennzeichnet , daß mit der Basis des Leistungstransistors (28) ein Stromsenkentransistor (31) verbunden ist, daß mit einer Steuerelektrode des Stromsenkentransistors eine Einrichtung (17) zur Erzeugung einer Steuervorspannung verbunden ist und daß eine Abtasteinrichtung (19)

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München: R. Kramer Dipl.-Ing . W. Weser Dipl.-Phvs. Dr. rer. nat. · P Hirsch Dipl.-Ing. · H. P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. ph.l. nai. Wiesbaden: P. G. Biumbach Dipt.-Ing. . P. Bergan Dipl.-Ing. Dr. jur. · 3. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

ORIGINAL INSPECTED

zum Abtasten der Größe des Stroms in einem Hauptstromweg des Leistungstransistors vorgesehen ist, die ein der Stromgröße proportionales Signal erzeugt und einerseits mit einer Ausgangselektrode des Stromsenkentransistors verbunden ist und andererseits mit der Einrichtung zur Erzeugung einer Steuervorspannung, um die Größe der in dieser erzeugten Vorspannung zu steuern, so daß die Größe eines von der Basis des Leistungstransistors abgezweigten Stroms durch das der Stromgröße proportionale Signal gesteuert wird.

2. Netzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung einen Widerstand (19) aufweist und daß die Einrichtung zur Erzeugung einer Steuervorspannung einen Halbleiterübergang (17) aufweist, der mit einem Emitter-Basis-Übergang des Stromsenkentransistors (31) verbunden ist.

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