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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ein-
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schalten von im Schaltbetrieb arbeitenden Leistungstransistoren und
auf Schaltungsanordnungen zur Durchführung des Verfahrens.
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Der zulässige Arbeitsbereich eines Transistors ist durch den maximalen
Kollektorstrom ICmax' die maximale Verlustleistung, den sekundären Durchbruch und
die maximale Kollektorspannung UCEmax begrenzt. Die maximale Kollektorspannung UCEmax
ist die maximal zulässige Spannung zwischen Kollektor und Emitter. Diese Spannung
wird mit UCE0 bezeichnet, wenn die Basis des Transistors offen, d. h. nicht beschaltet
ist. Bei offener Basis fließt der Sperrstrom, der durch die Kollektor-Basis-Diode
des Transistors fließt, auch durch die Emitter-Basis-Diode. Er wirkt wie ein von
außen eingeprägter Basisstrom und wird auch wie ein solcher verstärkt. Deshalb ergibt
sich für den Basisstrom 1B = ein relativ hoher Kollektorstrom. Liegt dagegen zwischen
Basis und Emitter des Transistors ein Beschaltungswiderstand mit endlichem Wert,
so ist die maximal zulässige Spannung zwischen Kollektor und Emitter höher. Diese
Spannung wird mit UcER bezeichnet. Bei beschalteter Basis CER fließt der Kollektor-Basis-Sperrstrom
zu einem großen Teil über den Beschaltungswiderstand ab, d. h. es fli-eßt ein negativer
Basisstrom 1B Die maximal zulässige Spannung zwischen Kollektor und Emitter des
Transistors ist um so
größer je kleiner der Widerstand zwischen
Basis und Emitter ist. Bei kurzgeschlossener Basis erhält man den mit UCES bezeichneten
Maximalwert. Bei negativ vorgespannter Basis erhöht sich die maximal zulässige Spannung
zwischen Kollektor und Emitter auf einen noch größeren, mit UCEX bezeichneten Wert.
Es ist somit grundsätzlich möglich, im Schaltbetrieb arbeitende Transistoren an
einer Versorgungsspannung zu betreiben, die zwischen UCE0 und UCEX liegt, wenn der
im gesperrten Zustand fließende Strom nicht größer als der Kollektor-Emitter-Sperrstrom
ist. Jedoch besteht beim Einschalten des Transistors die Gefahr, daß der zulässige
Arbeitsbereich des Transrstors überschritten wird, wenn die Ansteuerung und der
Stromfluß schon eingesetzt haben und die Kollektor-Emitter-Spannung größer als der
sich aus dem zulässigen Arbeitsbereich ergebende, für diesen Strom maximal zulässige
Wert der Kollektor-Emitter-Spannung ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben,
die den Betrieb von im Schaltbetrieb arbeitenden Leistungstransistoren an einer
Versorgungsspannung erlaubt, die zwischen der bei Ansteuerung des Leistungstransistors
zulässigen Kollektor-Emitter-Spannung und der der Beschaltung der Basis entsprechen.
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den maximal zulässigen Kollektor-Emitter-Spannung liegt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Verfahrens
durch
die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Schaltungsanordnung
sowohl durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 2 als auch durch
die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 3 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
und Ausgestaltungen der Schaltungsanordnungen nach den Ansprüchen 2 und 3 sind in
den Ansprüchen 4 bis 10 gekennzeichnet.
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Die Erfindung wird im folgenden mit ihren weiteren Einzelheiten und
Vorteilen anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher
erläutert. Es zeigt Figur 1 das Prinzipschaltbild einer ersten Schaltungsanordnung,
die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet, Figur 2 das Prinzipschaltbild
einer zweiten Schaltungsanordnung, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet;
Figur 3 das Schaltbild einer Schaltungsanordnung entsprechend Figur 2 mit einem
Zeitglied und mit verbessertem Abschaltverhalten und Figur 4 das Prinzipschaltbild
einer Schaltungsanordnung entsprechend Figur 2 jedoch mit einem Thyristor als hochsperrenden
elektronischen Schalter.
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Gleiche Bauelemente sind in den Zeichnungen mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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Die Figur 1 zeigt das Prinzipschaltbild einer ersten Schaltungsanordnung,
die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet. Parallel zu der Kollektor-Emitter-Strecke
eines Leistungstransistors 1 ist ein Feldeffekttransistor 2 geschaltet, dessen Steuereingang
mit einer Eingangsklemme 3 verbunden ist. Die Basis des Leistungstransistors 1 ist
über eine Logikschaltung 4 mit der Eingangsklemme 3 verbunden.
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Das Potential einer weiteren Eingangsklemme 5 dient als Bezugspotential
für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung. Wird der Leistungstransistor 1 an
einer Spannung betrieben, die zwischen UCEO und UCEX liegt, so besteht beim Einschalten
des Transistors die Gefahr, daß beim Einsetzen des Stromflusses die für die jeweilige
Höhe des fließenden Stromes maximal zulässige Kollektor-Emitter-Spannung des Leistungstransistors
1 überschritten ist.
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Der Feldeffekttransistor 2 ist so ausgewählt, daß er den in der Einschaltphase
fließenden Strom führen kann, ohne daß sein Arbeitsbereich überschritten ist; er
ist jedoch nicht in der Lage, den gesamten Strom auf Dauer zu führen. Hierfür ist
der Einsatz eines Leistungstransistors erforderlich.
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Ein Einschaltimpuls, der den Eingangsklemmen 3 und 5 zugeführt ist,
schaltet zunächst den Feldeffekttransistor 2 in den leitenden Zustand. Damit verringert
sich die an der Kollektor-Emitter-Strecke des Leistungstransistors 1 anstehende
Spannung, ohne daß über den Leistungstransistor 1 Strom fließt.
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Die Logikschaltung 4 führt der Basis des Leistungstransistors den
Einschaltimpuls mit einer Verzögerung zu, die so groß ist
daß beim
Einschalten des Leistungstransistors 1 die an seiner Kollektor-Emitter-Strecke anstehende
Spannung die bei Ansteuerung des Leistungstransistors 1 maximal zulässige Kollektor-Emitter-Spannung
unterschritten hat.
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Hierzu ist der Logikschaltung 4 das Ausgangssignal einer Spannungsmeßeinrichtung
6 zugeführt, die parallel zu der Kollektor-Emitter-Strecke des Leistungstransistors
1 geschaltet ist. Ist der Zeitraum bekannt, innerhalb dessen die an der Kollektor-Emitter-Strecke
des Leistungstransistors 1 anstehende Spannung den bei Ansteuerung maximal zulässigen
Wert unterschritten hat, so kann die Spannungsmeßeinrichtung 6 durch ein Zeitglied
in der Logikschaltung 4 ersetzt werden, das den Einschaltimpuls um einen vorgebbaren
Wert At verzögert.
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Eine Erhöhung der maximal zulässigen Spannung zwischen Kollektor und
Emitter des Leistungstransistors ist möglich, wenn zwischen Basis und Emitter des
Leistungstransistors 1 eine in Sperrichtung der Basis-Emitter-Strecke des Leistungstransistors
1 gepolte Spannungsquelle 7 geschaltet ist.
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Die Spannungsquelle 7 ersetzt die direkte V-erbindung zwischen den
Schaltungspunkten a und b.
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Die Figur 2 zeigt das Prinzipschaltbild einer zweiten Schaltungsanordnung,
die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet. Parallel zu der Koll.ektor-Basis-Strecke
des Leistungstransistors 1 ist ein hochsperrender Transistor 8
geschaltet,
dessen Basis mit der Anschlußklemme 3 verbunden ist. Parallel zu der Basis-Emitter-Strecke
des Leistungstransistors 1 ist ein Kleinsignaltransistor 9 geschaltet. Die Transistoren
8 und 9 sind von demselben Leitfähigkeitstyp wie der Leistungstransistor 1. Die
Basis des hochsperrenden Transistors 8 ist direkt mit der Eingangsklemme 3 verbunden,
und die Basis des Kleinsignaltransistors 9 ist über eine Logikschaltung 10 mit der
Eingangsklemme 3 verbunden. Der hochsperrende Transistor 8 ist so ausgewählt, daß
er den in der Einschaltphase fließenden Strom führen kann, ohne daß sein Arbeitsbereich
überschritten ist; er ist jedoch nicht in der Lage, den gesamten Strom auf Dauer
zu führen. Hierfür ist der Einsatz eines Leistungstransistors erforderlich. Ein
Einschaltimpuls, der den Eingangsklemmen 3 und 5 zugeführt ist, schaltet zunächst
die Transistoren 8 und 9 in den leitenden Zustand.
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Damit verringert sich die an der Kollektor-Emitter-Strecke des Leistungstransistors
1 anstehende Spannung, ohne daß über den Leistungstransistor 1 Strom fließt. Die
Logikschaltung 10 sperrt den Kleinsignaltransistor 9 wieder, wenn die an der Kollektor-Emitter-Strecke
des Leistungstransisors 1 anstehende Spannung die bei Ansteuerung maximal zulässige
Kollektor-Emitter-Spannung unterschritten hat. Das Ende des Zeitraumes, innerhalb
dessen der Kleinsignaltransistor 9 nach Beginn eines Einschaltimpulses in den leitenden
Zustand geschaltet ist, kann entweder - wie im Zusammenhang mit der
Figur
1 beschrieben - durch eine Spannungsmeßeinrichtung oder durch ein Verzögerungsglied
mit vorgegebener Verzögerungszeit bestimmt sein. Nach Beendigung der Einschaltphase
des Leistungstransistors 1 und bei weiterhin an den Eingangsklemmen 3 und.5 anstehendem
Einschaltimpuls ist der Kleinsignaltransistor 9 gesperrt, und der Basisstrom des
Leistungstransistors 1 fließt im wesentlichen über den weiterhin leitenden hochsperrenden
Transistor 8. Anstelle des gesamten Basisstromes für den Leistungstransistor 1 -
wie in der Figur 1 - braucht hier nur noch der Basisstrom für den hochsperrenden
Transistor 8 über die Eingangsklemmen 3 und 5 zugeführt zu werden, während der Kollektorstrom
des hochsperrenden Transistors 8 den wesentlichen Anteil des Basisstromes für den
Leistungstransistor 1 liefert.
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Die Figur 3 zeigt das Schaltbild einer Schaltungsanordnung nach Figur
2. Die Logikschaltung 10. enthält ein Zeitglied, das aus einem Kondensator 11 und
einem Widerstand 12 besteht.
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Die Basis des hochsperrenden Transistors 8 ist über einen Widerstand
13, der zur Begrenzung des Basisstromes dient, mit der Eingangsklemme 3 verbunden.
Eine Diode 15 begrenzt beim Entladen des Kondensators 11 die Spannung zwischen Basis
und Emitter des Kleinsignaltransistors 9. Die Entladung des Kondensators 11 erfolgt
über eine schematisch dargestellte Signalspannungsquelle 16 mit dem Innenqiderstand
17, die an die Eingangsklemmen 3 und 5 angeschlossen ist. Ein Einschaltimpuls, der
den Eingangsklemmen 3 und 5
zugeführt ist, schaltet den hochsperrenden
Transistor 8 in den leitenden Zustand. Da der Kondensator im ersten Augenblick als
Kurzschluß angesehen werden kann, ist auch der Kleinsignaltransistor 9 in den leitenden
Zustand geschaltet. Nach einer vorgegebenen Zeit at ist der Kondensator 11 so weit
geladen, daß der Kleinsignaltransistor 9 wieder sperrt. Während der Dauer des Einschaltimpulses
bleibt der Kondensator 11 geladen. Er entlädt sich erst nach dem Ende des Einschaltimpulses.
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Der Kleinsignaltransistor 9 hat in der in der Figur 3 dargestellten
Schaltungsanordnung eine zweite Aufgabe. Er sorgt dafür, daß beim Abschalten des
Leistungstransistors 1, also nach dem Ende des Einschaltimpulses der Kollektorstrom
des Leistungstransistors schneller abklingt. Parallel zu der Kollektor-Emitter-Strecke
des Leistungstransistors 1 ist.
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die Reihenschaltung einer Diode 18, eines Kondensators 19 und eines
Widerstandes 20 geschaltet. Ist der Leistungstransistor 1 leitend, so entlädt sich
der Kondensator 19 über einen parallel zu der Diode 18 liegenden Widerstand 21,
die leitende Kollektor-Emitter-Strecke des Leistungstransisto: 1 und den Widerstand
20. Die an dem Widerstand 20 abfallende Spannung ist über einen Widerstand 22 der
Basis des Kleinsignaltransistors 9 zugeführt. Nach-dem Ende des Einschaltimpulses
wird der hochsperrende Transistor 8 gesperrt und damit der Basisstrom für den Leistungstransistor
1 abgeschaltet. Für die Dauer der Speicherzeit des Leistungstransistors
1
fließt der Kollektorstrom des Leistungstransistors 1 in der bisherigen Höhe weiter.
Nach dem -Ablauf der Speicherzeit verringert sich der Kollektorstrom und der Differenzbetrag
zu dem vor dem Abschalten des Basisstromes fließenden Kollektorstrom fließt über
die Diode 18, den Kondensator 19 und den Widerstand 20.
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Der über den Kondensator 19 fließende Ladestrom verursacht an dem
Widerstand 20 einen Spannungsabfall, der den Kleinsignaltransistor 9 in den leitenden
Zustand steuert.
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Durch die leitende Kollektor-Emitter-Strecke des Kleinsignaltransistors
9, die parallel zu der Basis-Emitter-.
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Strecke des Leistungstransistors 1 liegt, wird die Basis des Leistungstransistors
1 nach Ablauf der Speicherzeit verstärkt ausgeräumt, wodurch der Kollektorstrom
des Leistungstransistors 1 wesentlich schneller absinkt.
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Die in Sperrichtung der Basis-Emitter-Strecke des Leistungstransistors
1 gepolte Spannungsquelle 7 erhöht nicht nur die maximal zulässige Spannung zwischen
Kollektor und Emitter des Leistungstransistors 1 sondern beschleunigt zusätzlich
das Ausräumen der Basis des Leistungstransistors nach Ablauf der Speicherzeit.
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Die Figur 4 zeigt das Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung
entsprechend der Figur 2, in der der hochsperrende Transistor 8 durch einen Thyristor
23 ersetzt ist.
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Der gemeinsame Schaltungspunkt des Kleinsignaltransistors 9 und des
Thyristors 23 ist über einen Widerstand 24 mit der Basis des Leistungstransistors
1 verbunden. Zwischen Basis
und Emitter des Leistungstransistors
ist ein weiterer Widerstand 25 geschaltet, der im gesperrten Zustand des Leistungstransistors
1 evtl. auftretende Restströme an der Basis-Emitter-Strecke des Leistungstransistors
1 vorbeileitet. Das Einschalten des Leistungstransistors 1 erfolgt über einen Übertrager
26, der mit einer Primärwicklung 26a und zwei Sekundärwicklungen 26b und 26c versehen
ist. Das Ausschalten des Leistungstransistors 1 erfolgt über einen weiteren Übertrager
27, der mit einer Primärwicklung 27a und einer Sekundärwicklung 27b versehen ist.
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Dies führt zu einer galvanischen Trennung zwischen Steuerkreis (Primärwicklungen
26a und 27a) und Leistungsteil. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß - wie im
folgenden noch ausgeführt ist - die Ansteuerung auf der Primärseite nicht während
der ganzen Einschaltdauer des Leistungstransistors 1 zu erfolgen braucht, sondern
daß kurze Steuerimpulse genügen, um den Leistungstransistor 1 ein- und auszuschalten.
In der dazwischen liegenden Zeit erhält der Leistungstransistor 1 seinen Basisstrom
über den Widerstand 24 und den Thyristor 23 der nach seinem Einschalten so lange
leitend bleibt, wie der fließende Strom den Haltestrom nicht unterschreitet. Beim
Einschalten leitet eine Diode 28 nur eine Polarität des Ausgangsimpulses der Sekundärwicklung
26b an einen aus zwei Widerständen 29 und 30 gebildeten Spannungsteiler weiter.
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Die an dem Widerstand 30 abfallende Spannung ist der Steuerstrecke
des Thyristors 23 als Zündimpuls zugeführt. Beim Einschalten leitet eine Diode 31
nur eine Polarität des Ausgangssignales der Sekundärwicklung 26c an einen aus zwei
t
Widerständen 32 und 33 gebildeten Spannungsteiler weiter und schaltet für die Dauer
des Ausgangsimpulses der Se- 4 kundärwicklung 26c den Kleinsignaltransistor 9 in
den leitenden Zustand. Damit sind beim Einschalten zunächst der Thyristor 23 und
der Kleinsignaltransistor 9 leitend.
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Der über den Thyristor 23 fließende Strom fließt über den leitenden
Kleinsignaltransistor 9 an dem Leistungstransistor 1 vorbei bis der Ausgangsimpuls
der Sekundärwicklung 26c abgeklungen ist und der Kleinsignaltransistor 9 wieder
sperrt.
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Nachdem jetzt die an der Kollektor-Emitter-Strecke des Leistungstransistors
1 anstehende Spannung verringert ist, fließt der über den Thyristor 23 fließende
Strom über den Widerstand 24 und im wesentlichen weiter in die Basis des Leistungstransistors
1. Damit ist auch der Leistungstransistor 1 leitend. Der Widerstand 33 dient zum
Entladen der Basis-Emitter-Kapazität des Kleinsignaltransistors 9. Beim Ausschalten
leitet eine Diode 34 nur eine Polarität des Ausgangsimpulses der Sekundärwicklung
27b über den Widerstand 24 an die Basis des Transistors 1. Dieser Impuls verursacht
an dem Widerstand 24 einen Spannungsabfall, der das auf den Emitter des Leistungstransistors
1 bezogene Potential des gemeinsamen Schaltungspunktes von Thyristor 23 und Kleinsignaltransistor
9 so weit erhöht, daß an dem Thyristor 23 eine Spannung in Sperrichtung ansteht.
Der über den Thyristor 23 fließende Strom verringert sich und unterschreitet seinen
Haltestrom. Während dieser Zeit liefert der Ausgangsimpuls
der
Sekundärwicklung 27b den Basisstrom für den Leistungstransistor 1. Nach dem Abklingen
des Ausgangsimpulses der Sekundärwicklung 27b sperrt auch der Leistungstransistor
1.