DE2916105B1

DE2916105B1 - Schaltungsanordnung zur Verbesserung des Einschaltverhaltens eines Schalttransistors

Info

Publication number: DE2916105B1
Application number: DE19792916105
Authority: DE
Inventors: Manfred Ing Bete
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1979-04-20
Filing date: 1979-04-20
Publication date: 1980-05-08
Also published as: DE2916105C2

Description

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Sekundärwicklung eine Anzapfung aufweist und daß die Basis des Schalttransistors mit der Steuerspannungsquelle, über ein Gleichrichterelement mit der Anzapfung der Sekundärwicklungund über einen ersten elektronischen Schalter mit einem ersten Ende der Sekundärwicklung verbunden ist, wobei der Steuereingang des ersten elektronischen Schalters über ein Einschaltverzögerungsglied mit der Steuerspannungsquelle verbunden ist Bei dieser Schaltungsanordnung kann durch entsprechende Wahl der Windungsverhältnisse von Primär-und Sekundärwicklung der auf die Basis zurückgekoppelte Strom beim Einschalten sehr hoch gewählt werden, so daß eine starke Übersteuerung des Transistors und damit eine kurze Einschaltzeit auftritt.
Sobald der Transistor im Sättigungszustand ist, wird über das Einschaltverzögerungsglied, das auf die Einschaltzeit des Transistors eingestellt ist, der rückgekoppelte Strom verringert und damit der Baisstrom auf den in Abhängigkeit vom Kollektorstrom zur Sättigung des Transistors erforderlichen Wert gebracht Beim Ausschalten des Transistors ist daher die Basiszone nicht unnötig mit Ladungsträgern überflutet, so daß auch die Ausschaltzeit kurz bleibt.
Zweckmäßigerweise kann das zweite Ende der Sekundärwicklung und der Verbindungspunkt zwischen Schalttransistor und Primärwicklung auf dem Bezugspotential der Schaltungsanordnung liegen. Damit kann die Ansteuerung der Basis des Schalttransistors gegen das Bezugspotential der Schaltung erfolgen, wodurch sich eine besonders einfache Schaltungsanordnung ergibt.
Das Einschaltverzögerungsglied kann ein RC-Glied sein, dessen Widerstand zwischen Steuerspannungsquelle und Steuereingang des ersten elektronischen Schalters liegt und dessen Kondensator zwischen diesem Steuereingang und einem Potential liegt, das höchstens gleich dem Bezugspotential der Schaltungsanordnung ist. Dieses RC-Glied stellt eine einfache Möglichkeit zur Realisierung des Einschaltverzögerungsgliedes dar.
Der erste elektronische Schalter ist am einfachsten ein erster Hilfstransistor.
Bei einer Schaltungsanordnung, bei der die Steuerspannungsquelle einen gegenüber dem Bezugspotential der Schaltungsanordnung positiven Einschaltimpuls liefert, kann die Basis des ersten Hilfstransistors und, unter Zwischenschaltung einer Diode, die Basis des Schalttransistors über einen Widerstand und die Kollektor-Emitter-Strecke eines zweiten Hilfstransistors mit dem negativen Anschluß einer Hilfsspannungsquelle verbunden sein, wobei der zweite Hilfstransistor von der Steuerspannungsquelle so angesteuert wird, daß er bei fehlendem Einschaltimpuls leitend wird. Dabei wird, sobald der Einschaltimpuls verschwindet, sowohl die Basis des Schalttransistors als auch die Basis des ersten Hilfstransistors mit einer negativen Spannung verbunden, so daß beide Transistoren sperren. Der zweite Hilfstransistor wird dabei zweckmäßigerweise dadurch angesteuert, daß seine Basis mit der Anzapfung eines Spannungsteilers verbunden ist und daß ein Anschluß des Spannungsteilers am negativen Anschluß der Hilfsspannungsquelle und der andere Anschluß des Spannungsteilers über einen dritten Hilfstransistor am positiven Anschluß einer Versorgungsspannungsquelle liegt, wobei die Basis des dritten Hilfstransistors mit der Steuerspannungsquelle verbunden ist Vorteilhafterweise liegt in Reihe zum Gleichrichterelement ein vierter Hilfstransistor, dessen Basis über einen Widerstand mit der Steuerspannungsquelle und über die Reihenschaltung eines Widerstandes und des zweiten Hilfstransistors mit dem negativen Anschluß der Hilfsspannungsquelle verbunden ist und zwischen Basis des Schalttransistors und der Basis des vierten Hilfstransistors eine Diode, deren Anode an der Basis des Schalttransistors angeschlossen ist. Damit wird erreicht, daß beim Ausschalten die Basis des Schalttransistors nahezu auf dem negativen Potential der Hilfsspannungsquelle liegt, so daß das Ausschaltverhalten des Schalttransistors verbessert wird.
Vorteilhafterweise liegt parallel zu mindestens einem Wicklungsabschnitt des Stromwandlers ein Entmagnetisierungswiderstand. Damit wird der Stromwandler während der Ausschaltzeiten entmagnetisiert, so daß eine Sättigung vermieden wird.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird nachfolgend beispielhaft anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Prinzipschaltbild der Schaltungsanordnung. Zwischen den Anschlußklemmen 22 und 23, an die beispielsweise die Reihenschaltung einer Lastspannungsquelle und einer zu schaltenden Last angeschlossen werden kann, liegt die Reihenschaltung der Kollektor-Emitter-Strecke eines als Schalter wirkenden Schalttransistors 1 und der Primärwicklung 3 eines Stromwandlers 2. Der Verbindungspunkt zwischen dem Emitter des Schalttransistors 1 und dem Anschluß 3a der Primärwicklung 3 des Stromwandlers 2 ist mit dem Bezugspotentialleiter der Schaltungsanordnung verbunden. Die Basis des Schalttransistors 1 wird von der Steuerspannungsquelle 5 angesteuert. Dazu ist sie über einen Widerstand 21 mit der Steuerspannungsquelle 5 verbunden. Außerdem ist die Basis des Schalttransistors 1 über einen Schalter 7 mit dem Ende 4a der Sekundärwicklung 4 des Stromwandlers 2 und über eine Diode 6 mit der Anzapfung 4c derselben Sekundärwicklung 4 verbunden. Dabei ist die Kathode der Diode 6 der Basis des Schalttransistors 1 zugewandt.
Der Schalter 7 wird von der Steuerspannungsquelle 5 über ein Einschaltverzögerungsglied 8 angesteuert.
Die Funktion der Schaltung nach Fig.1 wird im folgenden anhand einer Ansteuerperiode des Transistors VI erläutert Dabei zeigt F i g. 2 den prinzipiellen Verlauf des Basisstromes XB und des Kollektorstomes ic des Schalttransistors. Die F i g. 2 ist nicht maßstäblich, da Anstieg und Abfall des Basisstromes XB deutlich dargestellt werden sollen. Wenn die Steuerspannungsquelle 5 einen positiven Impuls liefert, wird dem Schalttransistor 1 über den Widerstand 21 zunächst ein relativ geringer Basisstrom XB I zugeführt, der in F i g. 2 gestrichelt eingezeichnet ist. Dieser Basisstrom führt zu einem von der Last und der Stromverstärkung des Schalttransistors 1 abhängigen Strom ic im Kollektor-Emitter-Kreis. Dieser Strom ic durchfließt auch die Primärwicklung 3 mit der Windungszahl N I des Stromwandlers 2. Der Schalter 7 ist bis zum Ablauf der am Einschaltverzögerungsglied 8 eingestellten Verzögerungszeit t geöffnet. Solange der Schalter 7 geöffnet ist, fließt über den Bezugsleiter, die Anzapfung 4c der Sekundärwicklung 4 und die Diode 6 ein Strom 1B2, der sich zum Strom isi vom Widerstand 21 addiert und somit eine Erhöhung des Basisstroms 1B ergibt Der Strom in2 hängt vom Kollektorstrom ic und vom Verhältnis der Windungszahl der Primärwicklung 3 zur Windungszahl des zwischen den Anschlüssen 4b und 4c liegenden Teils der Sekundärwicklung 4 ab. Wenn der zwischen den Anschlüssen 4b und 4c liegende Teil der Sekundärwicklung 4 N2 Windungen aufweist, ergibt sich der Strom 1B2 nach folgender Gleichung: iB2 = iC- N1/N2 Der Strom in2 ist wesentlich größer als Ob 1. so daß XB I vernachlässigt werden kann und XB etwa gleich is2 ist Das Verhältnis der Windungszahlen N 1/N2 wird so gewählt, daß der Schalttransistor 1 übersteuert wird und somit sehr schnell einschaltet.
Sobald die am Einschaltverzögerungsglied 8 eingestellte Verzögerungszeit t abgelaufen ist, wird der Schalter 7 geschlossen. Das Einschaltverzögerungsglied 8 ist so eingestellt, daß die Verzögerungszeit t etwa gleich der Einschaltzeit des Schalttransistors 1 ist Sobald der Schalter 7 einschaltet, wird der Strom iB2 durch den Strom iß3 abgelöst, da der Strom is3 von einer höheren Spannung getrieben wird. Der Strom is2 wird zu Null, der Strom iB3 ergibt sich nach folgender Gleichung: iB3 = N1IN3 Dabei ist N3 die gesamte Windungszahl der Sekundärwicklung 4. Da N3 größer als N2 ist, ergibt sich für iB3 ein kleinerer Wert als für iB2. Der Basisstrom iB wird also verringert, wie in F i g. 2 deutlich zu sehen ist. Das Verhältnis der Windungszahlen N 1/N3 wird so gewählt, daß der Strom 1B3 gerade ausreicht, den Schalttransistor 1 in Sättigung zu halten Mit der angegebenen Schaltung wird also erreicht, daß der Schalttransistor 1 zunächst mit einem sehr hohen, dem Kollektorstrom ic proportionalen Basisstrom iBangesteuert wird. Damit gelangt der Schalttransistor 1 sehr schnell in den Sättigungsbereich. Sobald der Schalttransistor 1 gesättigt ist, wird der Basisstrom eauf einen Wert reduziert, der zur Erhaltung des Sättigungszustandes notwendig ist. Der dafür erforderliche Basisstrom ist etwa proportional dem Kollektorstrom ic. Die beschriebene Schaltung liefert für jeden Kollektorstrom icden gerade erforderlichen Basisstrom is, da iß der mit dem Übersetzungsverhältnis N 11N3 transformierte Kollektorstrom ic ist. Mit der erläuterten Schaltung wird also eine unnötige Überflutung der Basiszone des Transistors 1 vermieden, da der Basisstrom iß nur während der Einschaltzeit sehr hoch ist und dann auf den in Abhängigkeit vom Kollektorstrom ic gerade notwendigen Wert verringert wird.
Damit ist auch ein sehr schnelles Ausschalten des Schalttransistors 1 möglich. Beim Ausschalten sinkt der Basisstrom i& wie in F i g. 2 dargestellt, kurzzeitig auf einen negativen Wert.
Der Ausschaltkreis, der in F i g. 1 der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt ist, wird im folgenden anhand der F i g. 3 und 4 erläutert.
Im Ausführungsbeispiel nach der F i g. 3 ist als Schalter 7 ein Hilfstransistor eingesetzt. In Reihe zum Hilfstransistor 7 liegt eine Diode 24, die Spannungen in Sperrichtung des Transistors 7 aufnimmt. Die Basis des Transistors 7 ist über die Widerstände 8a und 25 mit der Steuerspannungsquelle 5 verbunden. Zwischen dem Anschlußpunkt der Widerstände 8a und 25 sowie dem negativen Pol einer Hilfsspannungsquelle 11, deren positiver Pol mit dem Bezugspotentialleiter verbunden ist, liegt ein Kondensator 8b. Der Widerstand 8a und der Kondensator 8b bilden zusammen ein RC-Glied, das als Einschaltverzögerungsglied 8 dient. Bei Auftreten eines positiven Impulses am Ausgang der Steuerspannungsquelle 5 wird der Kondensator 8b über den Widerstand 8a aufgeladen. Sobald dieser eine positive Spannung erreicht, wird über den Widerstand 25 als Basiswiderstand der Transistor 7 durchgesteuert. Zum Schutz der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 7 vor Spannungen in Sperrichtung ist diese Strecke mit einer entgegengesetzt gepolten Diode 12 überbrückt Mit den Anschlüssen 4D und 4c der Sekundärwicklung 4 ist ein Entmagnetisierungswiderstand 20 verbunden. Über diesen Entmagnetisierungswiderstand 20 wird der Stromwandler 2 während der Ausschaltzeit des Schalttransistors 1 entmagnetisiert Damit wird eine Sättigung des Stromwandlerkerns 2 verhindert Die Basis des Transistors 7 ist außerdem über einen Widerstand 9 und die Kollektor-Emitter-Strecke eines weiteren Hilfstransistors 10 mit dem negativen Pol der Hilfsspannungsquelle 11 verbunden. Über diese Strecke wird der Transistor 7 bei leitendem Hilfstransistor 10 ausgeschaltet. Während der Leitphase des Transistors 10 wird außerdem der Kondensator 8b über die Widerstände 25 und 9 entladen. Zur Ansteuerung des Transistors 10 ist dessen Basis mit der Anzapfung eines aus den Widerständen 13 und 14 bestehenden Spannungsteilers verbunden. Dieser Spannungsteiler liegt zwischen dem Kollektor eines weiteren Hilfstransistors 15 und dem negativen Pol der Hilfsspannungsquelle 11. Der Emitter des Hilfstransistors 15 ist mit dem positiven Pol der Speisespannungsquelle 16 verbunden.
Die Basis des Hilfstransistors 15 wird über einen Widerstand 26 von der Steuerspannungsquelle 5 angesteuert. Der Hilfstransistor 15 wird leitend, wenn die Steuerspannung der Steuerspannungsquelle 5 einen bestimmten Wert unterschreitet, z.B. Null wird. Mit leitendem Transistor 15 erhoht sich die an der Basis des Transistors 10 anstehende Spannung, so daß auch dieser leitend wird. Damit ist die Basis des Hilfstransistors 7 sowie über die Diode 12 auch die Basis des Schalttransistors 1 über einen Widerstand 9 mit dem negativen Pol der Hilfsspannungsquelle 11 verbunden.
Sowohl der Schalttransistor 1 als auch der Hilfstransistor 7 werden also in den sperrenden Zustand geschaltet. Allerdings wird das an der Basis des Schalttransistors 1 anstehende Potential nicht negativ, sondern sinkt lediglich auf das über die Anzapfung 4c der Sekundärwicklung 4 und die Diode 6 vorgegebene Bezugspotential.
Eine Verringerung der Ausschaltzeit des Transistors 1 durch eine negative Basisspannung beim Ausschalten wird mit einer Schaltung nach F i g. 4 erreicht Diese unterscheidet sich von der Schaltung nach F i g. 3 im wesentlichen dadurch, daß in Serie zur Diode 6 die Kollektor-Emitter-Strecke eines weiteren Hilfstransistors 17 liegt. Die Basis dieses Hilfstransistors ist über einen Widerstand 18 mit der Steuerspannungsquelle 5 und über einen Widerstand 19 mit dem Kollektor des Hilfstransistors 10 verbunden. Die Emitter-Basis-Strekke des Hilfstransistors 17 ist über eine entgegengesetzt zu dieser Strecke gepolte Diode 28 überbrückt.
Außerdem liegt in Reihe zum Widerstand 9 eine Diode 27, deren Kathode dem Kollektor des Hilfstransistors 10 zugewandt ist. Der Hilfstransistor 17 wird über den Widerstand 18 durch einen Einschaltimpuls der Steuerspannungsquelle 5 unverzögert eingeschaltet Beim Einschaltvorgang besteht in der Funktion kein Unterschied zu den Schaltungen nach F i g. 1 und F i g. 3.
Beim Ausschalten des Schalttransistors 1 werden sowohl der Hilfstransistor 7 über den Widerstand 9 und die Diode 27 als auch der Hilfstransistor 17 über den Widerstand 19 gesperrt Im Unterschied zu den bisher beschriebenen Schaltungen liegt jedoch hier die Basis des Schalttransistors 1 über die Diode 12, den Widerstand 9 und die Diode 27 sowie über die Diode 28 und den Widerstand 19 bei eingeschalteten Hilfstransistor 10 am negativen Pol der Hilfsspannungsquelle 11.
Die Basis des Schalttransistors 1 weist daher beim Ausschaltvorgang eine negative Basisspannung auf. was zu einer Verkürzung der Ausschaltzeit beiträgt. Im Gegensatz zu den Schaltungen nach Fig. 1 und F i g. 3 kann das Bezugspotential über die Diode 6 nicht zur Wirkung kommen, da beim Ausschalten der Transistor 17gesperrt ist. Der Widerstand 18 kann so groß gewählt werden. daß der Ausgangspegel der Steuerspannungsquelle 5 die Basisspannung des Schalttransistors 1 beim Ausschalten praktisch nicht beeinflußt.

Claims

Patentansprüche: 1. Schaltungsanordnung zur Verbesserung des Einschaltverhaltens eines von einer Steuerspannungsquelle angesteuerten Schalttransistors mit einem Stromwandler mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung, wobei die Primärwicklung im Kollektor-Emitter-Kreis des Schalttransistors liegt und der in der Sekundärwicklung fließende Strom den Basisstrom des Schalttransistors beeinflußt, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung (4) eine Anzapfung (4c) aufweist und daß die Basis des Schalttransistors (1) mit der Steuerspannungsquelle (5), über ein Gleichrichterelement (6) mit der Anzapfung (4c) der Sekundärwicklung (4) und über einen ersten elektronischen Schalter (7) mit einem ersten Ende (4a) der Sekundärwicklung (4) verbunden ist, wobei der Steuereingang des ersten elektronischen Schalters (7) über ein Einschaltverzögerungsglied (8) mit der Steuerspannungsquelle (5) verbunden ist 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ende (4b) der Sekundärwicklung (4) und der Verbindungspunkt zwischen Schalttransistor (1) und Primärwicklung (3) auf dem Bezugspotential der Schaltungsanordnung liegen.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Einschaltverzögerungsglied (8) ein RC-Glied ist, dessen Widerstand (8a) zwischen Steuerspannungsquelle (5) und Steuereingang des ersten elektronischen Schalters (7) liegt und dessen Kondensator (8b) zwischen diesem Steuereingang und einem Potential liegt, das höchstens gleich dem Bezugspotential der Schaltungsanordnung ist 4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste elektronische Schalter (7) ein erster Hilfstransistor ist 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, wobei die Steuerspannungsquelle einen gegenüber dem Bezugspotential der Schaltungsanordnung positiven Einschaltimpuls liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des ersten Hilfstransistors (7) und, unter Zwischenschaltung einer Diode (12), die Basis des Schalttransistors (1) über einen Widerstand (9) und die Kollektor-Emitter-Strecke eines zweiten Hilfstransistors (10) mit dem negativen Anschluß einer Hilfsspannungsquelle (11) verbunden sind, wobei der zweite Hilfstransistor (10) von der Steuerspannungsquelle (5) so angesteuert wird, daß er bei fehlendem Einschaltimpuls leitend wird.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des zweiten Hilfstransistors (10) mit der Anzapfung eines Spannungsteilers (13, 14) verbunden ist und daß ein Anschluß des Spannungsteilers (13,14) am negativen Anschluß der Hilfsspannungsquelle (11) und der andere Anschluß des Spannungsteilers (13, 14) über einen dritten Hilfstransistor (15) am positiven Anschluß einer Versorgungsspannungsquelle (16) liegt, wobei die Basis des dritten Hilfstransistors (15) mit der Steuerspannungsquelle (5) verbunden ist 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zum Gleichrichterelement (6) ein vierter Hilfstransistor (17) liegt, dessen Basis über einen Widerstand (18) mit der Steuerspannungsquelle (5) und über die Reihenschaltung eines Widerstandes (19) und des zweiten Hilfstransistors (10) mit dem negativen Anschluß der Hilfsspannungsquelle (11) verbunden ist und daß zwischen Basis des Schalttransistors (1) und der Basis des vierten Hilfstransistors (17) eine Diode (28) liegt, deren Anode an der Basis des Schalttransistors (1) angeschlossen ist 8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu mindestens einem Wicklungsabschnitt des Stromwandlers (2) ein Entmagnetisierungswiderstand (20) liegt Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Verbesserung des Einschaltverhaltens eines von einer Steuerspannungsquelle angesteuerten Schalttransistors mit einem Stromwandler mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung, wobei die Primärwicklung im Kollektor-Emitter-Kreis des Schalttransistors liegt und der in der Sekundärwicklung fließende Strom den Basisstrom des Schalttransistors beeinflußt Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der DE-AS 2354 104 bekannt. Dabei ist in einer Schaltungsanordnung für pulsgesteuerte Leistungstransistoren in Darlington-Anordnung ein Stromrückkopplungsübertrager vorgesehen. Der Kollektorkreis des Treibertransistors ist mit einem Ende mit der Sekundärwicklung dieses Übertragers verbunden, dessen anderes Ende am Bezugspotential liegt Dabei ist zur Durchsteuerung des Transistors nur ein geringer Steuerstrom nötig, da ein großer Teil des Basisstroms aus der Kollektor-Emitter-Strecke zurückgekoppelt wird.

Um einen Transistor in den Sättigungsbereich zu bringen, ist ein Basisstrom notwendig, der umgekehrt proportional zur Größe des Kollektorwiderstandes und damit proportional zur Größe des Kollektorstromes ist.

Das geht beispielsweise aus den Ausführungen auf Seite 189 des Buches »Bauelemente der Halbleiterelektronik, Teil 1« von H. Tholl, erste Auflage 1976 hervor. Die eingangs beschriebene Schaltung hat daher den Vorteil, daß der Basisstrom an den zur Sättigung benötigten Basisstrom angepaßt werden kann, da der aus dem Kollektor-Emitter-Kreis auf die Basis zurückgekoppelte Strom dem Kollektorstrom proportional ist. Damit kann eine unnötige Überflutung der Basisstrecke mit Ladungsträgern, die zu einer Verlängerung der Ausschaltzeit führen würde, vermieden werden. Zur Verringerung der Einschaltzeit wäre es wünschenswert, den Transistor zu übersteuern, d. h. einen höheren Basisstrom als den zur Erreichung der Sättigung erforderlichen zuzuführen. Dabei müßte man jedoch bei der eingangs genannten Schaltung eine Verlängerung der Ausschaltzeit in Kauf nehmen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Einschaltzeit des Transistors ohne Verlängerung der Ausschaltzeit verkürzt wird.