-
-
Schaltungsanordnung für einen elektronischen Schalter
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für einen
elektronischen Schalter mit einem stromgesteuerten Transistor in der Schaltstrecke
und einer Stromsteuerstufe zur Ansteuerung des Transistors.
-
Elektronische Schalter mit stromgestellert.en Transistoren sind in
zahlreichen Varianten bekannt. Bei derartigen Schaltern läßt sich durch Steuerung
des Steuerstromes die Schalterfunktion beeinflussen, wofür aufgrund der erforderlichen
Spannung eine entsprechende Steuerleistung benötigt wird.Eine einwandfreie Schalterfunktion
erfordert dabei fUr den Durch- -sch@tzustand einen bestimmten Mindestwert fiir den
Steuerstrom, da sonst über der Schaltstrecke aufgrund des Laststromes ein zu großer
Spannungsabfall entstehen würde.
-
Es ist üblich, elektronische 5 Falter nach dem maximalen Laststrom
auszulegen, d. h den Steuerstrom hierfür einzustellen und konstant zu halten.
-
Das bedeutet, daß die nicht nur am Transistor sondern auch in der
Stromsteuerstufe auftretcnde Steuerleistung vom größten laststrom des Transistors
bestimmt wird und dann von Nachteil ist, wenn der elektronische Schalter für veränderliche
l astströme vorgeschen ist. Bei veränderlichen Lastströ:.c-n und konstanter Steuerleistung
nimmt der Wirkungsgrad mit abnehmenden Lastströmen ab, so ddß derartige elektronische
Schalter für schwankende Lastströme als unbefriedigend gelien.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen elektronischen
Schalter mit stromgesteuertem Transistor vorzusehen mit optimalem Wirkungsgrad auch
bei schwankenden Lastströmen. Gemäß der Erfindung ist diese Aufyabe durch die Kennzeichenmerkmale
des Patentanspruchs gelöst.
-
Die erfindungsyeinäße Maßnahme benutzt den Spannungsabfall am Transistor
des elektronischen Schalters um damit den eigenen Steuerstrom zu beeinflussen. Der
Steuerstrom wird dadurch dem jeweiligen Laststrom angepaßt, wodurch sich bei kleineren
Lastströmen kleine Steuerleistungen und folglich auch ein optimaler Wirkungsgrad
ergibt.
-
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind
den Unteranspriichen zu entnehmen.
-
Die Erfindung wird anhand der beiliegenden 7eichnung näher erläutert.
-
Es zeigen: Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung und Fig. 2 eine praktische Ausführungsform für eine erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung.
-
In der Darstellung nach Fig. 1 ist ein Blockschaltbild zu sehen mit
einem elektonischen Schalter 10, der mit einer in Reihe liegenden Last 11 zwischen
einer Stromquelle 12 liegt. Parallel zum Schalter 10 liegt ein Spannungssensor 13,
dessen Ausgangssignal einer den Schalter 10 steuernden Stromsieuerstufe 14 zugeführt
ist. Wie aus der weiteren Beschreibung noch hervoreht, wird für den Schalter 10
ein stromgesteuerter Transistor 15 eingesetzt, dessen Steuerstrom so bemessen ist,
daß sich daran im Durch-
schaltzustand lediglich ein yeritlger Spannungsabfall
einstellt. Der Spannsensor 13 stellt im Betrieb des Schalters dabei fest, ob die
Schaltstrecke des Transistors hinreich@nd durchgeschaltet hat oder geyebenen-falls
nachgesteuert werden miß Bei große Spannungsabfall über der Schaltstrecke hat der
Transistor 15 nicht hinreichend durchgeschaltet, während geringer Spannungsabfall
hinreichende Durchschaltung signalisiert. Je nach Durchschaltzustand ergibt sich
dabei im Spannungssensor 13 ein Ausgangssignal, welches die Stromsteuerstufe 14
zur Stromsteuerung des Transistors 15 ansteuert.
-
Fig. 2 zeigt eine praktische Ausführungsform für die erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung, in welcher für den Schalter 10, wie bereits erwähnt, ein stromgesteuerter
Transistor 15 eingesetzt ist. Der Spannungssensor 13 besteht hierbei aus einem Differenzverstärker
16 und einer Referenzspannungsquelle 17. Diese Ref>renzspannungsquelle 17 steuert
einen Eingang des Differenzverstärkers 16, dessen zweiter Eingang mit dem Kollektor
des Transistors 15 verbunden ist. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers steuert
die Stromsteuerstufe 14, die1 wie durch einen Pfeil 18 angedeutetaSchaltbefehle
zum Ein- und Ausschalten des elektronischen Schalters erhält.
-
Bei einem gegebenen Laststrom und einem iiber den Pfeil 18 angedeuteten
Einschaltbefehl befindet sich der Transistor 15 zunächst im Sperrzustand.
-
Das hat zur Folge, daß am Kollektor des Transistors 15 die gesamte
Spannung des Laststromkreises ansteht. Durch Vergleich mit der vorgegebenen Spannung
der Referenzspannungsquelle 17 erzeugt der Differenzverstärker 16 ein Steuersignal,
welches die Stromsteuerstufe 14 zur Erhöhung des Steuerstromes fiir den Transistor
15 ansteuert.Mit dem Durchschalten des Transistors 15 fällt die Spannung an seinem
Klletür, bis sie den eingestellten Wert der Referenzspannungsquelle 17 erreicht
Dieser
Schaltzustand wird als voll durchgeschaltet betrachtetlwodurch das Ausgangssignal
des Differenzverstärkers 16 keine weitere Erhöhung des Steuerstromes für den Transistor
15 in der Stromsteuerstufe 14 befiehlt. Da bei strongesteuerten Transistoren die
Stromverstärkung laststromabhängig und bei kleinen Lastströmen größer als bei größeren
Lastströmen ist, bedeutet dies, daß der Transistor 15 bei kleineren Lastströmen
nicht nur proportional kleinere Steuerströme@ sondern aufgrund der größeren Stromverstärkung
erheblich kleinere Steuerströme benötigt. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
trägt dieser Tatsache Rechnung und verbessert damit den Wirkungsgrad eines erfindungsgemdß
aufgebauten elektronischen Schalters erheblich.
-
Da der Spannungsabfall über dem Transistor neben Schwankungen des
Laststromes auch von Temeperaturschwankungen und Exemplarstreuungen abhängig ist,
ist es notwendig1 diesen Einflüssen vorzubeugen.Durch eine entsprechende Beeinflussung
der Spannung der Referenzspannungsquelle kann diesen Abhängigkeiten begegnet werden.
-
Zur Kompensation der Laststromabhängigkeit des Spannungsabfalls über
dem Transistor 15 wird eine vom Steuerstrom abgeleitete@ z. B. mit einem Stromfühlerwiderstand
in der Steuerstufe 14 erfaßte Größe benutzt und damit die Referenzspannungsquelle
17 beeinflußt. Diese Beeinflussung ist dabei so, dafl bei steigenden Lastströmen
und damit größer werdenden Spannungsabfällen am Transistor 15 und folglich größeren
dafür erforderlichen Steuerströmen die Referenzspannung erhöht wird.
-
Hierduich wird dem Erfordernis einer größeren Referenzspannung für
den Trans tor 15 bei steigenden Laststrbmen Rechnung getragen. Durch einen am Trarsistor
15 vorgesehenen Temperaturfühler 19 ( Fig. 2 ) läßt sich ein Signal erzeugen, welches
der Referenzspannungsquelle 17 zur Sompensation von Spannungsschwankungen über der
Schaltstrecke aufgrund von Temperaturschwankungen zugefijlirt ist. Dem Einfluß unterschiedlicher
Spannungs-@@fälle iib.r dem Transistor 15 aufgrund von Exemplarstrnuungen kann durch
einen
individuellen Abgleich begegnet werden. Durch die temperaturabhängige und laststrambahängige
Steuerung der Referenzspannung wird diese jeweils auf don kleinstm@glichen Wert
für den betreffenden lastfall und die Betriebstemperatur eingestellt. Der Transistor
5 befindet sich dabei in einem noch über die Basis (Steu@rstrom) steuerbaren Betriebszustand
nahe der Sättingsungsgrenze.
-
Der erfindungsgemäße elektronische Schalter ldßt sich besonders vorteilhaft
bei stark wechselden Lastströmen einsetzen. Ein solcher @.wendungsfall ist z. B.
ein Wechselrichter, welcher eine Eingangsgleichspannung in eine Ausgangswechselspannung
wandelt. Wechselrichter erzeugen in der Regel eine sinu-sförmige Ausgangsspannung
und lastabhängig einen sinusförmigen oder angenähert sinu-sförmigen Strom. Da der
Ausgangsstrom-durch die weiteren Bauelemente eines Wechselrichters nicht wesentlich
beeinflußt wird, fließt der Ausgangsstrom über die Schalter des Wechselrichters.
Das bedeutet, daß der laststrom des jeweiligen elektronischen Schalters nicht konstant
ist sondern einem Sinusverlauf folgt. Außerdem kommt hinzu, daß Wechseirichter in
der Regel für eine Nennleistung und für eine überlastreserve ausgelegt werden.
-
Der Steuerstrom für die bei Wechselrichern eingesetzten elektronischen
Schalter muß daher nicht nur den im Nennlastfall auftretenden Lastströmen entsprechen,
sondern auch demjenigen im Oberlastfall. Da der Normalbetrieb eines Wechselrichters
jedoch eine Teillasthetriebsart ist, bedeutet dies ohne den Einsatz erfindungsgemäßer
elektronischer Schalter, daß der für den Überlastfall bemessene Transistorensteuerstrom
stark überbemessen ist und daher den Wirkungsgrad eines Wechselrichters ungüstig
beeinflußt, Der Einsatz der erfindungsgemäßen elektronischen Schalter bringt hier
eine erhebliche Steigerurrg des Wirk-ungsgrades, da der Steuerstrom iiir die Schalttransisteren
und somit die erforderliche Steuerleistung dem jeweiligen Leststrom und dem Ang@blichkeitswert
des zeitlichen Verlaufs angitpaßt werden.
Leerseite