DE2940958C2

DE2940958C2 - Elektrische Schaltung zur Erzeugung von Impulsen mit kurzen Abfallflanken

Info

Publication number: DE2940958C2
Application number: DE19792940958
Authority: DE
Inventors: Jozef Hendricus Wakefield Mass. Hendriks
Original assignee: Teradyne Inc
Current assignee: Teradyne Inc
Priority date: 1979-10-09
Filing date: 1979-10-09
Publication date: 1982-04-01
Also published as: DE2940958A1

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 vorausgesetzt ist.

3ei solchen Schaltungen der erwähnten Art soll ein großer Basistreiberstrom zum schnellen Einschalten eines Leistungstransistors verfügbar sein, und dann soll eine Sperrspannung an die Basis geliefert werden, um das Abschalten des Transistors schneller zu bewerkstelligen. Ein Beispiel einer derartigen Schaltung ist beschrieben in der Arbeit »Base Drive and Snubber Techniques for Minimization of Transistor Switching Losses« von J. Chopra und D. Roark in der Veröffentlichung Proceedings of the First National Solid State Power Conversion Conference vom März 1975. Hierbei wird das Einschalten durch eine Mitkopplung vom Transistorausgang über einen Stromtransformator auf den Basistreiberkreis unterstützt, und das Abschalten wird durch Benutzung einer in einem Kondensator gespeicherten Ladung unterstützt, um den Transistor in Sperrichtung vorzuspannen.

Weitere Impulsschaltungen, bei denen das Umschalten des die Impulse letztlich liefernden Leistungstransistors durch eine Mitkopplung unterstützt wird, sind aus der DE-AS 20 14 218 und der US-PS 33 50 572 bekannt. Im erstgenannten Falle liegt in der Kollektorleitung des Schalttransistors eine Wicklung eines Transformators, über die eine den Einschalt- bzw. Ausschaltvorgang beschleunigende Spannung in eine zweite, zwischen Emitter und Basis des Schalttransistors geschaltete Wicklung übergekoppelt wird, welche das über eine dritte Wicklung des Transformators eingekoppelte Schaltsteuersignal unterstützt. Im Falle der genannten

ho US-Patentschrift werden Einschalt- bzw. Sperrsignale über getrennte Eingangswicklungen eines Steuertransformators eingekoppelt und gelangen über eine Sekundärwicklung in den Basiskreis des Schalttransistors, wobei sie unterstützt werden durch eine im

tn Emitterkreis dieses Transistors liegende Rückkopplungswicklung, die der Transformator ebenfalls aufweist. Außerdem liegt die Last im Emitterkreis, Der Transformator hat noch eine weitere Wicklung, welche

der Rücksetzung der periodisch angesteuerten Schaltung dient, während das über die zweite Eingangswicklung eingekoppelte Sperrsignal eine Schneilabschaltung des Transistors bei Überstromverhältr.issen bewirken soll.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin, eine Schaltung anzugeben, welche eine schnelle Entfernung von Ladungsträgern aus der Basiszone eines Leistungstransistors gestattet, um den Transistor schnell zu sperren, bzw. einen übermäßigen Anstieg seines Kollekiorstroms zu verhindern. Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei der erfincungsgemäßen Schaltung wird die Abschaltung des Leistungstransistors durch einen Ladungen aus der Basiszone dieses Transistors aktiv entfernenden Strom beschleunigt: Beim Sperren des normalen Basistreiberstroms fällt die durch die Transformatorwicklungen gekoppelte Spannung in der erfindungsgemäß verwendeten Gegenkopplungsschleife unter einen Schwellwert wobei ein Schalter geschlossen wird, über den dann der die Basisladungen abführende Strom fließen kann.

Die Erfindung benutzt also eine Gegenkopplungsschleife zur Sperrvorspannung des Transistors beim Abschalten und aktiven Abführen in der Basis des Transistors gespeicherten Ladungen. Ein Element stellt das Einleiten des Abschaltens fest und aktiviert die Schleife, worauf der Basisstrom des Transistors in seiner Richtung umgekehrt wire und der Ausgangsstrom des Transistors abnimmt.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung reagiert das die Einleitung des Sperrens feststellende Element auch auf die Größe des Emitterstroms, um die Schleife zum Abführen von Strom aus der Basis des Transistors zu aktivieren, wenn der Emitterstrom einen sicheren Wert überschreitet, um auf diese Weise ein Durchbrennen des Leistungstransistors und eine Sättigung eines vom Leistungstransistor gespeisten Ausgangstransformators zu verhindern. Der Transistor liegt in zwei Rückführungsschleifen mit positiver bzw. negativer Übertragungsfunktion, und während des Einschaltens wird ein Schalter geschlossen, welcher einen Strom in mitkoppelndem Sinne in die Basis des Transistors fließen läßt, und beim Sperren des Transistors wird der Schalter geöffnet, damit ein Strom in gegenkoppelndem Sinne aus der Basis herausfließt. Bei diesen Ausführungsformen haben die beiden Schleifen auch einen gemeinsamen Transformator, der einseitig mit dem Emitter des Transistors verbunden ist und der auf seiner anderen Seite mit einer Wicklung in der Mitkopplungsschleife liegt, um einen zum Emiiterstrom proportionalen Basisstrom zuzuführen, wenn der Schalter geschlossen ist, und mit einer zweiten Wicklung in der Gegenkopplungsschleife liegt, um die Sperrspannung und einen Stromfluß auf die induzierten Spannungsänderungen hin zu liefern, welche im Transformator auftreten, wenn der Schalter zur Einleitung des Sperrens geöffnet wird. Der Strom zur oder von der Basis ist so immer proportional zum Transistorausgangsstrom, von dem er abgeleitet wird, und der Schalter kann für minimale Verlustleistung ausgewählt werden. Der Wirkungsgrad ist auch bei niedriger Belastung gut, und die Schaltung kann unkritische und preiswerte Komponenten verwenden einschließlich eines wirkungsgradmäßig günstigen Ringkerntransformators bei einer am häufigsten bevorzugten Gegentaktverstärkerschaltung. Wann zwei Leistungstransistoren im Gegentakt geschaltet sind, dann wird durch die Strombegrenzungsfunktion der Gegenkopplungsschlei· fe vorteilhafterweise im Falle eines Fehlers bei einem der Transistoren der andere geschützt.

Die Erfindung sei nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild einer geschalteten geregelten

ίο Leistungsquelle mit einem Gegentaktverstärker gemäß der Erfindung und

F i g. 2 ein Blockschaltbild zur Erläuterung der Betriebsweise einer der beiden Verstärkerschaltungen gemäß F ig. 1.

η In Fig. 1 ist ein Gegentakt- oder symmetrischer Verstärker 10 über Leitungen 20 und 22 an eine Hochfrequenz-Signalquelle 14 angeschlossen und über Leitungen 26 und 28 mit Eingangswicklungen 23 und 24 eines Ausgangstransformators 25 verbunden. An die inneren Enden der Wicklungen 23 und 24 ist eine Gleichspannungsquelle 30 angeschlossen. Der Ausgang des Transforma'ors 25 liegt über Gleichrichterdioden 32 und 34 und ein Filter 36 an einer Last 38. Über ein nicht dargestelltes Servosystem verlaufen Rückführungsleitungen 42 und 44 zur Signalquelle 14 für die Regelung der Breitenmodulation der Ausgangsimpulse.

Der Verstärker 10 wird aus zwei Verstärkerkreisen mit Leistungstransistoren 50 bzw. 52 gebildet. Jeder Transistor ist mit seinem Kollektor an eine Ausgangsleitung 26 bzw. 28 und mit seinem Emitter an ein äußeres Ende einer Wicklung 54 bzw. 56 eines toroidförmig gewickelten Transformators 58 angeschlossen. Die inneren Enden der Wicklungen 54 und 56 liegen über einen Strombegrenzungswiderstand 60 an Masse. Die Wicklungen 62 und 64 des Transformators 58 sind mit ihren äußeren Enden (also mit den Punkten 110 und 112) über Dioden 66 und 68 an die Kollektoren der Transistoren 70 und 72 angeschlossen. Der Punkt 110 ist über eine Zenerdiode 76 und eine Diode 80 auch an den Emitter des Transistors 72 und die Basis des Transistors 52 angeschlossen. Der Punkt 112 liegt über eine Zenerdiode 74 und eine Diode 78 am Emitter des Transistors 70 und der Basis des Transistors 50. Die inneren Enden der Wicklungen 62 und 64 liegen über einen Widerstand 82 an Masse. Die Basen der Transistoren 70 und 72 sind mit den Eingangsleitungen 20 bzw. 22 verbunden, die über Widerstände 84 bzw. 86 an Masse liegen. Die Basen der Transistoren 50 und 52 sind über Widerstände 88 bzw. 90 ebenfalls an Masse geführt.

Bei der hier beschriebenen Ausführungsform liefert die Gleichspannungsquelle 30 25 bis 50 Volt, und die Signalquelle 14 steuert den symmetrischen Verstärker 10 mit 16 kHz an, so daß an die Last 38 eine Gleichspannung von 5 Volt und ein Strom bis zu 10 Ampere geliefert wird. Jede der Primärwicklungen des Transformators 25, also die Wicklungen 23 und 24, hat 50 Windungen, jede Sekundärwicklung hat 14 Windungen. Der Transformator 58 hat einen Ringkern und

to seine Wicklungen 54 und 56 haben sechs Windungen, seine Wicklungen 62 und 64 sechzig Windungen. Die Widerstände 88 und 90 haben 100 Ohm, die Widerstände fe4 und 86 1 000 Ohm, der Widerstand 60 0,2 Ohm und der Widerstand 82 hat 2 Ohm. Die Widerstände 88 und

h^r> 90 haben V₂ Watt, während die anderen V₄ Watt-Widerstände sind, und alle Widerstände sind 5% Schichtwiderstände. Die Signalquelle 14 arbeitet mit Impulsbreitenregelung.

Die Betriebsweise der Verstärkerschaltung mit dem Transistor 50 sei anhand von Fig. 2 erläutert. Eine Mitkopplungsschleife L1 verläuft vom Emitter des Transistors 50 über die Wicklungen 54 und 62 des Transformators 58 und über die Diode 66 und einen Transistor 70, der als Si-haltcr S1 arbeitet, zur Basis des Transistors 50. Eine Gegenkopplungsschleife L 2 enthält ebenfalls die Transformatorwicklung 54 und verläuft weiter über die Wicklung 64 und die Kombination der Zenerdiode 74 mit der Diode 78, welche zusammen als Schalter 52 arbeiten, zur Basis des Transistors 50.

Die über die Leitungen 20, 22, 26 und 28 laufenden Schwingungsformen sind in F i g. 1 eingezeichnet. Wenn der Teii A der Schwingungsform iöö zur Basis des Transistors 70 gelangt, dann wird dieser in seinen Nichtleitungs- oder Sperrzustand gesteuert. Der Transistor 50 erhält daher keinen Basistreiberstrom und wird ebenfalls in den Sperrzustand gebracht. Die Widerstände 84 und 88 lassen Basisleckstrom aus den Transistoren fließen.

Wenn die Schwingungsform 100 am Punkt B eine positive Spannung anzunehmen beginnt, dann beginnt Strom in die Basis des Transistors 70 zu fließen und diesen Transistor in seinen Leitungszustand zu schalten (der Schalter Sl wird also geschlossen). Aus dem Emitter des Transistors 70 fließt Strom in die Basis des Transistors 50 und schaltet ihn leitfähig. Es beginnt Strom von der Spannungsquelle 30 über die Wicklung 23 des Transformators 25, den Transistor 50, die Wicklung 54 des Transformators 58 und den Widerstand 60 nach Masse zu fließen. Der in der Wicklung 54 fließende Strom induziert eine Spannung über den Wicklungen 62 und 64 des Transformators 58, und die Spannung des Schaltungspunktes 110 wird gegenüber dem Punkt 114 positiv, die Spannung des Schaltungspunktes 112 dagegen negativ. Es fließt nun ein Strom in der Wicklung 62, aus dem Schaltungspunkt 110 und durch die Diode 66 und den Transistor 70 in die Basis des Transistors 50, so daß der von der Spannungsquelle 30 durch den Transistor 50 und die Wicklung 54 fließende Strom anwächst. Die Stromverstärkung um die Schleife L 1 ist größer als 1, so daß die gewünschte Mitkopplung, als positive Rückkopplung, entsteht.

Das Eingangssignal 100 dient primär zur Einleitung des Rückkopplungsvorganges. Durch die Mitkopplung erhöht sich der Basistreiberstrom des Transistors 50 proportional zum wachsenden Transistorausgangsstrom, so daß die Einschaltzeit verringert wird und die Anstiegszeit der Ausgangsschwingungsform 110 kurz wird und in erster Linie von der Last 38 abhängt. Das heißt, daß der Stromfluß in der Wicklung 23 des Transformators 25 von der in die Wicklung 23 transformierten Impedanz der Last 38 abhängt, der Stromfluß in der Wicklung LX daher eine Funktion dieser Last ist Weil die Stromverstärkung in der Schleife L1 größer als 1 ist, ist der zum Transistor 50 fließende Basisstrom immer größer als derjenige, welcher für den Stromfluß durch die Wicklung 23 benötigt wird, so daß der Transistor 50 immer in der Sättigung ist, wenn er erst einmal eingeschaltet ist Der Transistor 50 bietet daher immer seinen minimalen Widerstand für den Strom in der Wicklung 23, und auf der Leitung 26 erscheint das maximale Signal

Beginnt die Spannung der Schwingungsform 100 am Punkt C abzufallen, dann nimmt der in die Basis des Transistors 70 fließende Strom ab, und der Transistor 70 wird in den Sperrzustand gesteuert (der Schalter 51 wird also geöffnet), und der von der Wicklung 62 zum Transistor 50 gelieferte Basisstrom wird unterbrochen. Die Unterbrechung des durch die Wicklung 62 fließenden Stromes bewirkt, daß die Spannungen an den Wicklungen 62 und 64 ansteigen, bis die Spannung am Punkt 112 genügend negativ gegenüber der Spannung am Punkt 114 wird und die Spannung an der Basis des Transistors 50 die Schwellenspannung der Zenerdiode

ίο 74 übersteigt. Die Dioden 74 und 78 beginnen zu leiten, und aus der Basis des Transistors 50 fließt ein Strom durch die Wicklung 64. Infolgedessen nimmt der durch den Transistor 50 und die Wicklung 54 fließende Strom ab, so daß die gewünschte Gegenkopplungswirkung in

!■> der Schleife L 2 entsteht und in aktiver Weise die in der Basis des Transistors 50 gespeicherte Ladung abzieht und auf diese Weise die Abschaltzeit des Transistors verringert und die Abfallzeit der Schwingungsform 120 verkürzt.

Sollte der Emitterstrom des Transistors 50 über einen zulässigen Wert, also einen Pegel, welcher die zulässige Verlustleistung des Transistors 50 überschreitet, ansteigen, dann bewirkt der Widerstand 60, daß die Basisspannung des Transistors 50 ansteigt, bis die Schwellenspannung der Zenerdiode 74 überschritten wird, so daß die Gegenkopplungsschleife aktiviert wird und der überschüssige Basisstrom abgeführt wird. Sowohl die Mitkopplungs- als auch die Gegenkopplungsschleife arbeiten bei dieser Strombegrenzung gleichzeitig, wobei der durch die Mitkopplungsschleife bedingte überschüssige Basisstrom durch die Gegenkopplungsschleife abgeführt wird. Die Schwellwertspannung der Zenerdiode 74 kann somit überschritten werden entweder durch einen Abfall der Spannung am Punkt 112 während des Sperrens des Transistors 50 oder durch einen Anstieg der Spannung an der Basis des Transistors 50, wenn durch die Kollektor-Emitter-Strekke dieses Transistors ein übermäßiger Strom fließt.

Der Transistor 52 und die zugehörigen Bauelemente arbeiten in gleicher Weise zur Erzeugung des Ausgangssignals 122. Im Ganzen gesehen arbeiten die Transistoren 50 und 52 wegen der 180° -Phasenverschiebung zwischen den Eingangssignalen 100 und 102 abwechselnd. Die in den Wicklungen 62 und 64 über die Wicklung 56 induzierten Spannungen sind ebenso groß wie die in der Wicklung 54 induzierten Spannungen, jedoch von entgegengesetzter Polarität; die beiden Mitkopplungsschleifen und die beiden Gegenkopplungsschleifen ergänzen sich somit einander im Betrieb.

so Wenn einer der beiden Transistoren 50 oder 52 ausfällt, dann wird der andere infolge der Strombegrenzungswirkung der Gegenkopplungsschleife gegen ein Durchbrennen geschützt
Die Ausgangssignale 120 und 122 werden im Transformator 25 zusammengefaßt, dessen Ausgangssignal nach Gleichrichtung und Filterung die gewünschte Gleichspannung ergibt

Abwandlungen der vorstehend beschriebenen Ausführungsform sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet So können beispielsweise die Dioden 74, 78 und 76, 80 durch eine Zenerdiode mit doppelter Anode ersetzt werden, und zwischen Basen und Kollektoren der Transistoren 70 und 72 könnte eine Schottky-Baker-Klemmdiode zur virtuellen Eliminierung der gesamten Speicherzeit dieser Transistoren beim Abschalten eingefügt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrische Schaltung zur Erzeugung von Impulsen mit kurzen Abfallflanken, mit einem Leistungstransistor, einer durch die Kollektor-Emitter-Strecke dieses Transistors einen Strom liefernden Spannungsquelle, einem das Ein- bzw. Ausschalten des Leistungstransistors einleitenden Steuerschalter und einer zwischen Emitter und Basis des Leistungstransistors geschalteten Rückkopplungsschleife, die einen Transformator mit drei Wicklungen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsschleife gegenkoppelnd wirkt (Gegenkoppiungsschieife 50, 54, 64, 74, 78) und außer dem Transformator (58) einen Schwellwertschalter (74,78) solcher Polung enthält, daß über ihn Ladungsträger aus der Basiszone des Leistungstransistors (50) abführbar sind.

2. Schaltung nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gegenkopplungsschleife eine erste Wicklung (54) des Transformators (58) im Emitter-Kollektor-Kreis des Leistungstransistors (50) liegt und der Schwellwertschalter (74, 78) zwischen die Basis des Leistungstransistors und eine zweite Wicklung (Anschluß 112 der Wicklung 64) des Transformators (58) geschaltet ist, in welcher beim Sperren des Steuerschalters (Transistor 70) eine den Schwellwert (des Schalters 74, 78) übersteigende Spannung im Sinne der Basisladungsabführung induziert wird.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerschalter (Transistor 70) in einer beim Einschalten wirksamen Mitkopplungsschleife (50, 54, 62, 66, 70) zwischen der Basis des Leistungstransistors (50) und einer dritten, den Basis-Leitungsstrom für den Leistungstransistor liefernden Wicklung (Anschluß 110 der Wicklung 62) des Transformators (58) liegt.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und dritte Wicklung (54, 62) derart gepolt sind, daß bei einer Emitterstromerhöhung des Leistungstransistors (50) eine Durchlaß-Basisspannung für diesen in der dritten Wicklung (62) induziert wird.

5. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Emitterkreis des Leistungstransistors (50) ein Gegenkopplungswiderstand (60) solcher Bemessung eingefügt ist, daß bei Ansteigen des Emitterstroms des Leistungstransistors (50) über einen zulässigen Wert der Schwellwertschalter 74, 78) aufgrund des Spannungsabfalls am Gegenkopplungswiderstand (60) zur Abführung von Basisladungsträgern aus dem Leistungstransistor (50) leitend wird.

6. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwertschalter (74,78) derart bemessen ist, daß seine Schaltspannung größer als die beim Einschalten und kleiner als die beim Abschalten des Leistungstransistors (50) in der zweiten Wicklung (64) induzierte Spannung ist.

7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwertschalter eine Zenerdiode (74) enthält.

8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Zenerdiode (74) eine in Durchbruchrichtung der Zenerdiode gepolte Gleichrichterdiode (78) liegt.

9. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen mit dem Leistungstransistor (50) eine Gegentaktschaltung bildenden zweiten Leistungstransistor (52), in dessen Emitter-Kollektor-Kreis eine vierte Wicklung (56) des Transformators (58) liegt und dessen Basis über einen zweiten Steuerschalter (Transistor 72) mit der zweiten Transformatorwicklung (Anschluß 112 der Wicklung 64) und über einen zweiten Schwellwertschalter (76, 80) mit der dritten Transformatorwicklung (Anschluß 110 der Wicklung 62) gekoppelt ist.

10. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und vierte Transformatorwicklung (54, 56) einseitig miteinander verbunden und über den Gegenkopplungswiderstand (60) an ein Bezugspotential angeschlossen sind.

11. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite und dritte Transformatorwickiung (62, 64) einseitig zusammengeschaltet und an ein Bezugspotential geführt sind und daß ihre anderen Enden (110, 112) über di£ Schalter (70, 74, 78; 72, 76, 80) kreuzweise an die Basen der Leistungstransistoren (50, 52) angeschlossen sind.