DE3037319C2 - Steuerschaltung für einen statischen Transistorschalter für Gleichstromlasten mit hohem Einschaltstrom - Google Patents

Description

tels welcher eine Last entweder aus einer Niedrigspannungsquelle oder aus einer Hochspannungsquelle versorgt wird. Ein mit der Last verbundener Transistor leitet immer. Aus welchen der beiden Spanuungsquellen die Last versorgt wird, hängt von dem Steuersignal an der Basis eines Steuertransistors ab. Sperrt dieses Steuersignal den Steuertransistor, ist eine erste Diode gesperrt, während zwei weitere Dioden leiten. In diesem Betriebszustand wird die Last von der NiedrigspAnnungsquelle versorgt Bei einem den Steuertransistor leitend schaltenden Steuersignal leiten die erste und die zweite Diode, während die dritte Diode sperrt Unter diesen Bedingungen wird die Last von der Hochspannungsquelle versorgt Das Problem, eine Gleichstromlast in der Einschaltphase mit einem hohen Anlaufstrom und im eingelaufenen Betriebszustand mit möglichst geringem Spannungsverlust zu vertreiben, wird durch diese bekannte Schaltung jedoch nicht gelöst

Die Erfindung wird nun anhand von Ausiuhrungsformen näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. In dieser zeigt

F i g. 1 eine prinzipielle Schaltungsdarstellung der erfindungsgemäßen Steuerschaltung; und

F i g. 2 das Schaltbild einer praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerschaltung.

Fig. 1 zeigt einen pnp-Endtransistor 71, der als Schalter für eine Glühlampe RL dient, die zwischen den Kollektor des Endtransistors TX und den Positiven Pol + VS einer Konstantspannungsquelle geschaltet ist Der Emitter des Endtransistors TX ist mit dem negativen Pol der Spannungsquelle verbunden, der mit dem Massesymbol dargestellt ist Ein npn-Steuertransistor Tl ist mit dem Endtransistor TX in Darlington-Schaltung verbunden, das heißt, daß sein Kollektor mit dem Kollektor von 71 und sein Emitter mit der Basis von T\ verbunden ist Eine Diode D ist zwischen die Basis und den Kollektor von T2 geschaltet wobei die Anode an der Basis liegt. Die Basen von 7*1 und T2 sind je über einen Schalter 51 bzw. 52 mit einer Stromquelle GX bzw. G 2 verbunden. Die beiden Schalter 51 und 52 sind miteinander so gekoppelt daß sie sich gleichzeitig öffnen und schließen.

Sobald die beiden Schaler 51 und 52 geschlossen werden, fließt in die Basis von 7*1 ein Strom IB = /1 -f β 2 ■ 12, wobei β 2 die Stromverstärkung des Steuertransistors T2 ist und IX und /2 die von G1 bzw. G 2 erzeugten Ströme sind. Wenn mit β X die Stromverstärkung von 7*1 bezeichnet wird, fließt durch die Last RL ein Strom IC = ßX · IB = ßX (IX + β 2 · 12). Wenn die Stromquellen GX und G 2 sowie die Transistoren 71 und 7*2 in geeigneter Weise gewählt werden, kann erreicht werden, daß der Strom IC verhältnismäßig nahe am typischen Einschaltstrom der Lampe RL liegt, so daß diese in einer abnehmbaren Zeit eingeschaltet werden kann.

Nachstehend wird die Funktion der Schaltung der F i g. 1 ohne Diode D untersucht Wenn Γ2 kein Transistor eines im obigen Sinne speziellen Typs ist, kann es dazu kommen, daß er als invertierter Transistor wirkt, d. h_ daß die Anschlüsse von Kollektor und Emitter eine umgekehrte Funktion haben, wenn nach Eintritt der Sättigung sein Basis-Kollektor-Übergang in Durchlaßrichtung arbeitet und sein Emitter ein höheres Potential als sein Kollektor hat. Diese letztere Situation ist dadurch möglich, daß in die Basis von Tl der Strom /1 fließt, der dazu neigt, 7*1 zur Sättigung zu bringen. Die inverse Verstärkung von 72 würde, auch wenn sie minimal ist, dazu neigen, Strom von der Basis von 71 abzuziehen, was der Tendenz von 71 entgegensteht, in Sättigung zu gehen. Dieser Nachteil könnte dadurch vermieden werden, daß für 72 ein Transistor mit vernachlässigbarer inverser Verstärkung verwendet wird. Dabei würde jedoch die Aufgabe der Erfindung nicht vollständig gelöst weil ein Transistor mit sehr niedriger inverser Verstärkung ein verhältnismäßig teueres Bauteil ist Der Einatz der Diode D verhindert den erläuterten Nachteil, da für 72 ein völlig normaler Transistor verwendet

ίο wird.

Die Diode D1 ist so geschaltet daß sie gesperrt ist, wenn der Steuertransistor 72 im aktiven Bereich seiner Kennlinie arbeitet Sobald jedoch 72 die Sättigung erreicht gelangt die Diode D in den Durchlaßbetrieb und

überbrückt daher den Basis-Kollektor-Übergang von 72, wobei 72 der Steuerstrom an der Basis entzogen und damit eine inverse Funktion verhindert wird. Es ist wesentlich, darauf hinzuweisen, daß diese Wirkung umso empfindlicher ist je geringer die Spannung an der in Durchlaßrichtung betriebenen Diode D bezüglich des Spannungsabfalles an dem ebenfajls in Durchlaßrichtung betriebenen Basis-Kollektor-Übergang des Steuertransistors 72 ist Die Auswahl der Diode D ist daher entscheidend hinsichtlich der korrekten Funktion der Schaltung.

Wenn der Steuertransistor 72 ausgeschaltet d. h. von der Diode D durch Nebenschluß überbrückt ist, ist der durch die Basis von 71 fließende Strom IB= IX. Die Stromquelle G 1 und der Endtransistor 71 sind so gewählt, daß dieser Strom /1 ausreicht, um 71 bei einem Strom /Cin Sättigung zu bringen, der gleich oder wenig größer als der Strom der Last RL im eingelaufenen Zustand ist

Die Schaltung gemäß der Erfindung verbraucht keine nutzlose Energie, weil sie nur dann mit der maximalen Stromstärke arbeitet, wenn dies notwendig ist d. h. beim Start. Sie erlaubt außerdem einen minimalen Spannungsabfall an der Last, weil dieser gleich dem Abfall zwischen dem Kollektor und dem Emitter von 71 im Sättigungszustand ist. Schließlich benötigt sie keine teuren Bauteile.

In dem in Fig.2 gezeigten Schaltbild, in dem mit F i g. 1 übereinstimmende Bauteile dieselben Bezugszeichen tragen, besteht und die Stromquelle G X aus einer Schaltung mit einem pnp-Transistor 73, dessen Kollektor mit Masse und dessen Emitter über einen Widerstand R 1 mit dem positiven Versorgungspol + VS verbunden ist, und zwei npn-Transistoren 74 und 75, die wie Stromverstärker in Kaskadenschaltung angeordnet

so sind, wobei der Emitter von 75 an die Bais von 71 und die Basis von 74 an den Emitter von 73 angeschlossen ist. Die von 74 und 75 gelieferten Ströme sind durch die Widerstände R 3 und R 4 bestimmt, die in Reihe mit den Kollektoren von 74 bzw. 75 geschaltet sind. Die Stromquelle G 2 besteht aus einer Schaltung, die sich von derjenigen der Stromquelle G X nur dadurch unterscheidet, daß sie anstatt zwei Verstärkungsti ansistoren nur einen Verstärkungstransistor 76 hat, dessen Stromstärke durch den Kollektorwiderstand R 5 bestimmt ist Die Zahl der Stromverstärkungstransistoren kann natürlich eine andere sein als in der gezeigten Schaltung, wenn nur die 71 und 72 zugeführten Ströme den oben bezüglich Fig. 1 genannten Bedingungen genügen. Der pnp-Transistor der Stromquelle G 2 ist mit 77 bezeichnet, und der zugehörige Emitterwiderstand ist mit R 2 bezeichnet.

Die Diode der F i g. 1 ist im Schaltungskreis der Fig.2 durch zwei Dioden DX und D2 ersetzt, die in

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Reihe geschaltet und in derselben Richtung angeordnet sind, wobei die Anode von D1 mit der Basis von T6

verbunden ist. In dieser Schaltung sind zwei Dioden .,

vorgesehen, um dem Spannungsabfall an dem Basis- ,·

Emitter-Übergang von Γ6 Rechnung zu tragen. Sie s _(|

müssen keine besonderen Bedingungen wie im Fall der Schaltung der F i g. 1 erfüllen, weil, sobald die Sättigungsschwelle erreicht wird, das Ausschalten von Tl durch Ausschalten von T6 gesichert ist

Die Funktion der beiden synchron gesteuerten Schalter Sl und S2 wird in der Schaltung der Fig.2 von einem pnp-Transistor TS übernommen, dessen Kollektor mit Masse, dessen Emitter direkt mit den Basen von T3 und Tl und dessen Basis mit einer nicht dargestellten Schaltung, beispielsweise einer Logik-Schaltung, verbunden ist, die eine Stufenspannung VG erzeugen kann, deren Amplitude ausreicht, um T9 in den Sperrzustand zu bringen. Der »hohe« und »tiefe« Pegel der Spannung VG entspricht den Zuständen »geschlossen« bzw. »geöffnet« der Schalter S1 und 52

Die Vorrichtung der F i g. 2 eignet sich sehr gut für eine monolithisch integrierte Schaltung, sowohl dann, wenn sie die Transistoren TX und Tl enthält, als auch dann, wenn sie lediglich aus der eigentlichen Steuerschaltung besteht. Im letzteren Fall kann für das Paar Ti und Tl vorteilhafterweise ein übliches Bauelement bekannter Bauart wie beispielsweise eine monolithische Darlington-Schaltung verwendet werden.

Claims (1)

1 2 triebsstrom. Benutzt man zur Steuerung einer derarti- Patentansprüche: gen Gleichstromlast einen einzigen Schalttransistor, reicht der der Basis dieses Schalttransistors zugeführte

1. Steuerschaltung für einen eine Gleichstromlast Steuerstrom oft nicht aus, um bei dem hohen Einschaltschaltenden Transistorschalter in Form einer Dar- 5 strom die Umschaltung des Schalttransistors vom lington-Schaltung, die einen Steuertransistor (T2) Sperrzustand in den Sättigungszustand zu schaffen. Die- und einen Endtransistor (Ti) übereinstimmenden ses Problem kann man dadurch überwinden, daß man Leitfähigkeitstyps aufweist, anstelle eines einzigen Schalttransistors eine Steuermiteiner den Endtransistor (Ti) beeinflussenden er- schaltung der einleitend angegebenen Art verwendet, sten Stromquelle (G 1) und einer mit der Basis des io die eine Darlington-Schaltung aufweist, die es aufgrund Steuertransistors (T2) verbundenen zweiten Strom- ihrer höheren Stromverstärkung erlaubt, die Gleichquelle (G 2\ stromlast mit relativ niedrigen Steuerströmen zu schal- und mit einer Schalteinrichtung (Si, S2), mittels ten. Damit handelt man sich jedoch den Nachteil ein, welcher jede der beiden Stromquellen (Gi, G 2) daß eine Darlington-Schaltung eine Sättigungsspanentweder in einen Stromabgabe- oder einen Strom- is nung aufweist, die wesentlich größer ist als diejenige sperrzustand schaltbar ist, dadurch gekenn- eines einzelnen Transistors. Bei vorgegebener Versorzeichnet, gungsspannung erzielt man daher an der Last eine wedaß die erste Stromquelle (G 1) im Stromabgabezu- sentlich geringere Nutzspannung als bei Verwendung stand direkt an die Basis des Endtransistors (Ti) nur eines einzigen Schalttransistors,
angeschlossen ist, 20 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für das daß die Schalteinrichtung (S I, S 2) beide Stromquel- Schalten von Gleichsspannungslasten mit hohem Anlen (G i,G2) gemeinsam in den Stromabgabe- oder laufstrom eine Steuerschaltung verfügbar zu machen, den Stromsperrzustand schaltet, die mit technisch einfachen und damit kostengünstigen und daß zwischen den Kollektor des Steuertransi- Mitteln einen hohen Anlaufstrom hervorruft, ohne die stors (T2) und die zweite Stromquelle (G 2) eine 25 Nutzspannung für die Gleichstromlast um mehr als die Diodeneinrichtung ("Zugeschaltet ist, die je nachdem, Sättigungsspannung eines einzelnen Schalttransistors ob die Transistoren (Ti, T2) der Darlington-Schal- zu verringern.

tung npn- oder pnp-Transistoren sind, mit der Ka- Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1

thodenseite bzw. mit der Anodenseite mit dem KoI- angegeben und kann gemäß Anspruch 2 vorteilhaft wei-

lektor des Steuertransistors (T2) verbunden ist 30 tergebildet werden.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch ge- Erfindungsgemäß wird also eine modifizierte Darlingkennzeichnet, daß die zweite Stromquelle (G 2) ei- ton-Schaltung verwendet, deren Steuertransistor und nen Stromverstärkungstransistor (T6) aufweist, der deren Endtransistor im Einschaltzustand je von einer vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Transistoren Stromquelle gespeist werden. Daher kommt zu dem (Ti, T2) der Darlington-Schaltung ist und dessen 35 Stromanteil, den eine übliche Darlington-Schaltung lie-Emitter mit der Basis des Steuertransistors (T2) ver- fert, für die Last noch ein Stromanteil hinzu, der gleich bunden ist, und daß die Diodeneinrichtung zwei in dem Strom aus der mit der Basis des Endtransistors gleicher Leitungsrichtung in Reihe geschaltete Di- verbundenen Stromquelle mal dem Stromverstärkungsoden (D 1, D 2) aufweist, deren nicht mit dem KoI- faktor des Endtransistors ist. Mit der zwischen den Kollektor des Steuertransistors (T2) verbundene Seite 40 lektor des Steuertransistors und die zweite Stromquelle mit der Basis des Stromverstärkungstransistors (T6) geschalteten Dioden-Einrichtung wird zweierlei erverbunden ist. reicht. Zum einen wird verhindert, daß der Steuertransistor nach Eintritt der Sättigung im Inversbetrieb arbei-

tet und der Basis des Endtransistors Strom entzieht und

45 somit den Endtransistor daran hindert, im Sättigungsbetrieb zu arbeiten. Zum anderen schaltet die Diodenein-

Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung gemäß richtung den Steuertransistor aus, sobald dieser in die

Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Sättigung gelangt Nach der Einschaltphase wird daher

Eine derartige Steuerschaltung ist aus der DE-AS an die Gleichstromlast nur noch ein Strom geliefert, der 12 495 bekannt. Diese bekannte Steuerschaltung 50 dem von der ersten Stromquelle gelieferten Strom mal dient als Treiberschaltung für ein polarisiertes oder der Stromverstärkung des Endtransistors entspricht nicht-polarisiertes Relais. Um polarisiertes Schalten zu und der im eingelaufenen Zustand zur Versorgung der ermöglichen, werden zwei Gegentaktschalter verwen- Gleichstromlast ausreicht. Da in diesem Betriebszudet, die je eine Darlington-Schaltung aufweisen. Mit ei- stand der Steuertransistor ausgeschaltet ist, macht sich ' nem Polaritätssteuersignal kann die eine oder die ande- 55 für die Nutzspannung an der Gleichstromlast nur noch re Darlington-Schaltung leitend geschaltet werden, die Sättigungsspannung am Endtransistor bemerkbar, wenn ein Steuersignal zur Relais Erregung auftritt Jede Durch die erfindungsgemäße Lösung erreicht man also der beiden Darlington-Stufen ist mit einer schaltbaren einen hohen Strom in der Einschaltphase sowie einen Konstantstromquelle einschaltbar. Jeder Darlington- geringen Spannungsverlust im eingelaufenen Betriebs-Stufe ist außerdem eine Blockierstufe zugeordnet, die 60 zustand mit einem eerineen zusätzlichen Schaltungsaufdurch das Einschalten der jeweils der anderen Darling- wand.

ton-Stufe zugeordneten Konstantstromquelle aktiviert Bei einer eine Gleichstromlast versorgenden Transi-

wird und dann den Endtransistor der zugehörigen Dar- storschaltung eine Diodeneinrichtung zu verwenden,

lington-Stufe rasch in den Sperrzustand bringt. um die Schaltung je nachdem, ob die Diode in den lei-

Es gibt Gleichstromlasten, beispielsweise Glühlam- 65 tenden oder den sperrenden Zustand gebracht wird, in

pen oder Induktionsmotoren, die einen hohen Einschalt- einen ersten oder einen zweiten Betriebszustand zu

oder Anlaufstrom brauchen, der wesentlich größer ist schalten, ist an sich aus der US-PS 36 36 381 bekannt,

als der im eingelaufenen Zustand erforderliche Be- Diese Druckschrift zeigt allerdings eine Schaltung, mit-