DE3248955T1 - Transistorverstaerker - Google Patents

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Reduzierung der Verlustleistung in Leistungstransistoren des MOS- (= Metalloxid Semiconductor)-Typs. Die Erfindung ist nicht anwendbar auf Transistoren mit nicht isolierter Gitterstruktur, z.B. auf bipolare Typen.

Der Leistungstransistor wird zum Zwecke der Steuerung des Stroms in einer externen Last verwendet. Der Transistor arbeitet als ein variabler Widerstand, deshalb wird der durch ihn fließende Strom unvermeidlich eine gewisse Wärme erzeugen, die abgeführt werden muß. Diese Wärme ist schädlich für die Anschlußstellen des Transistors, indem hier eine schnellere Zerstörung bewirkt wird, was schließlich zu einer Fehlfunktion des Transistors führt. Um mehr Energie abführen zu können, muß der Transistor physikalisch größer ausgebildet werden, was ihn auch teurer macht.

Deshalb versucht man, die Verlustleistung in Leistungstransistoranordnungen , z.B. durch schnellschaltende Kreise,zu reduzieren; diese sind aber teuer und verursachen viele Störungen. Alternativ muß die Kühlung mit Hilfe von Wärmetauschern oder den sogenannten Wärmesenken und auch mit Zwangsluftkühlung verbessert werden.

Alle diese Nachteile werden auf einfache Weise durch die vorliegende Erfindung überwunden. Das Prinzip, nämlich einen Widerstand zur Reduzierung der Verluste im Transistor zu verwenden und diese Verluste auf den Widerstand hin "zu verlagern", sind an sich bekannt. Nicht aber bis durch die Erfindung des MOS-Transistors der Weg geöffnet worden ist, zur Ausführung von einfachen

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Steuer- und Teilungsanordnungen,für den Transistor und Widerstandsstrom.

Die Erfindung beruht auf dem Prinzip, daß durch die Einführung einer "Schwellenspannung" zwischen den Gattern von zwei Transistoren Q und Q₂, Q₁ immer den vollen Strom leiten kann, während Q_ linear und kontinuierlich .gesteuert werden kann. Q kann linear und kontinuierlich gesteuert werden, wenn und wann immer Q_ abgeschaltet ist. Dies wird mit der bekannten Technik kombiniert: Einbringung eines Widerstands R. in Reihe mit Q₁ reduziert die Verluste in Q₁ . Dies führt jedoch zu einem Gesamtwiderstand, der nicht kleiner ist als der Wert von R₁, wenn Q_? nicht existiert „ Wenn diese Anordnung als variabler Widerstand verwendet werden soll, muß der Wert dieses Widerstands auf Null Ohm erniedrigt werden, was durch Q_ erreicht wird. Dessen Verlust wird dadurch reduziert, daß ein wesentlicher Teil des Gesamtstroms durch Q₁ und R₁ fließt, insbesondere wenn die Spannung über dieser Anordnung hoch ist. Wenn die Spannung niedrig ist, ist der Verlust in Q₇ trotzdem gering.

Diese Art der Steuerung, nämlich mit einer Schwellenspannung,, kann aber unmöglich mit bipolaren Transistoren ausgeführt werden, weil der Basiseingang von Q₁ einen Kurzschluß für die Schwellenspannung enthalten würde, welche Schwellenspannung auch "Vorspannung" von einer "eine konstante Gleichspannung liefernden Schaltung" bezeichnet wird.

Für die Gesamtdefinition der vorliegenden Erfindung wird auf die Patentansprüche verwiesen.

Die Arbeitsweisen der vorliegenden Erfindung sind in den Fig. 1 bis 5 dargestellt; es zeigen:

Fig. 1 die Ausbildung der Schaltung, welche so gesehen werden kann, daß ihre externen Anschlüsse zu denen eines MOS-Transistors, der an die Stelle dieser Schaltung treten kann, identisch sind;

Fig. 2 deren Einsatz in einer praktischen Schaltung, welche zusätzlich eine Leistungsquelle (PS.),eine Last (Z ) und einen Treiberverstärker (F₁) enthält,

t Fig. 3 die Ausgangsstrom-VEingangsspannung-

Charakteristik;

Fig. 4 den erforderlichen Vorspannungsschaltkreis; und

Fig. 5 die Ströme durch den Transistor während eines halben Sinuswellen-Zyklus in dem Lastwiderstand (Z ) in Fig. 2.

Das Prinzip der Schaltung ist in Fig. 1 gezeigt. Es zeigt, daß die Transistorfunktion zwischen zwei Transistoren Q₁ und Q„ aufgeteilt ist, von denen Q₁ in Reihe mit einem Widerstand R. geschaltet ist. Zusätzlich ist eine Spannungsquelle V₀ vorhanden, welche zwischen den Gates angeschlossen ist und welche eine Polarität aufweist, die verhindert, daß Q_ vor Q₁ leitend wird, mit dem Erfolg, daß Q„ nicht zu leiten beginnt, bevor Q₁ den vollen Strom leitet. Die Eingangssteuerspannung kann an das Gate von Q₁ oder Q- angelegt werden; an welches von beiden ist jedoch unerheblich.

Es mag ungewöhnlich erscheinen, vier Komponenten anstatt einer zu verwenden, aber die folgenden Punkte sollen den Grund dafür erklären:

1. Die Komponenten sind Grundbauelemente;

2. Eine Verringerung in den Wärmeverlusten wird erreicht; theoretisch um 75% und praktisch zwischen etwa 65 und 70%;

3. Die Wärmeverluste treten niemals gleichzeitig in Q. und Q₂ auf, so daß diese auf der gleichen Wärmesenke montiert werden können.

Auf diese Weise wird der Wärmeverlust auf ein Drittel bis ein Viertel reduziert durch Hinzufügen von Komponenten, welche nur einen Teil der Kosten der Transistoren kosten.

Die Verbesserung macht sich insbesondere bei Wechselstrom und bei Blindlasten bemerkbar. Die Arbeitsweise ist jedoch zu komplex, um hier beschrieben zu werden.

Die Arbeitsweise ist aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich. Es sei angenommen, daß die MOS-Transistoren vom Anreicherungs-N-Kanal-Typ sind. Diese werden unter verschiedenen Namen, wie z.B. VMOS, SIPMOS usw. auf den Markt gebracht. Wenn die Spannung V„ = 0 V ist, sind diese gesperrt, unabhängig von der Spannung D-S (solange D positiv ist, was die normale Arbeitspolarität eines Transistors vom N-Kanal-Typ ist). Wenn V positiv gemacht wird, steigt der Strom als Quadrat der Spannung über einer bestimmten "Sperrspannung" an. Gemäß Fig. 2 wird Q₁ zuerst leitend. Wenn die Steuerspannung V um den Betrag V_ angestiegen ist, leitet Q- dieselbe Strommenge. In diesem Moment ist der Strom in Q weiter angestiegen und übersteigt den Nennstrom des Transistors (I Q₁ normal).

Der in Reihe mit Q₁ geschaltete Widerstand R₁ begrenzt diesen Strom auf eineri Wert, der niedriger ist als der, wie er sich aus Fig. 3 ergibt. Ein weiterer Strom kann

durch Q₂ geleitet werden, bei einem Betrag, der durch die äußere Impedanz und die Steuerspannung V bestimmt ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht die Steuereinrichtung ganz einfach aus:

,1) einer Eingangsklemme, welche mit dem Gate von Q, oder Qy verbunden ist,

2) eine Spannungsquelle V_, die so angepaßt ist, daß Q₂ einen geringen oder keinen Strom während des Intervalls leitet, wenn Q₁ einen Strom der Größe des Grund-Nennstroms leitet, d.h. Null gegenüber einem gegebenen Strom wird, der gleich ist der Größe des maximalen Ausgangsstroms. Diese Spannungsquelle wird in den Patentansprüchen als eine "eine konstante Gleichspannung erzeugende Schaltung" definiert.

Das vorstehend Gesagte bezieht sich auf die strommäßige Behandlung der Transistoren, welche nicht gleich mit derem wirklichen Strom ist. Der Strom in Q kann durch R₁ begrenzt werden, weil die Spannung über Q₁ auf einen niedrigen Wert, nahe Null, abfällt. Unter diesen Umständen wird jedes weitere Ansteigen des Stroms durch Q₇ erreicht, wenn die Steuerspannung V weiter angehoben wird. Mit dieser Erfindung ist es möglich, die Steuerspannung zu erhöhen, ohne daß Energie zugeführt werden muß, wobei die Spannungsquelle mehr als statisch, z.B. ein geladener Kondensator sein muß.

Somit ist die hohe Eingangsimpedanz des MOS-Transistors ein notwendiges Erfordernis für diese Erfindung.

Eine Ausbildung der "eine konstante Gleichspannung erzeugenden Schaltung" ist in Fig. 4 dargestellt, welche

eine Quellenspannung zeigt, welche von D₁, R, und gegebenenfalls C. ausgeht. Durch den Widerstand R_, der einen hohen Widerstandswert aufweist und deshalb die Steuerspannung V nicht auflädt, entsteht eine Spannung entlang der Zenerdiode C₁. Da die Gates von Q₁ und Q_ isoliert sind, kann das Gate von Q₁ positiver gemacht werden und zwar mehr als erforderlich, um Q für den Strom voll leitfähig zu machen; dies ist mit einem bipolaren Transistor nicht möglich. Die Überspannung wird ohne jede Last an D. oder C₁ erreicht, mit Ausnahme der Last von R,„ Das Aussteuern und Übersteuern ist damit ohne Leistungsverlust erreicht.

Die Erfindung macht es möglich, Verstärker in Modulform mit verschiedenen Leistungsbereichen zu bauen. Die Grundform kann nur Q/ enthalten. Größere Leistungen können auf einfache Weise durch Hinzufügung von Q₂ (der gegebenenfalls auf der gleichen Wärmesenke angeordnet werden kann), R und D₁, R₃ sowie C₁ erreicht werden. In diesem Fall kann die abgegebene Leistung drei- bis viermal höher sein.

Die Grundidee der Erfindung besteht darin, Q₁, Q- und R₁ einerseits, die eine Schaltung bilden, zusammen mit der Vorspannungsschaltung oder der "eine konstante Gleichspannung erzeugenden Schaltung" V_ so zu kombinie-

Jj

ren, daß die gewünschte Teilung des Stroms bei verschiedenen Intervallen stattfindet. Die Anordnung wird sehr einfach, da die Gates der Transistoren isoliert sind.

Da die Gleichstrom-Leistung an V_ Null ist, kann die Spannung mit Hilfe des Kondensators C₁ konstant gehalten werden/ auch während starker Spannungswellen, die ursächlich sind für die Umkehrung der Spannungspolarität an R-. Es ist jedoch nur die Durchschnittsspannung über

R- bedeutsam.

Es gibt auch andere Möglichkeiten, die Vorspannungsquelle V_n zu gestalten. Die Diode D₁ kann durch einen Transistor oder eine andere nicht-lineare Anordnung ersetzt werden. Die Quelle kann selbsterzeugend sein, d.h., daß die Spannung mit Hilfe von Impedanzen, die an das Null-Potential über Dioden angeschlossen sind, erhalten wird. Sie kann auch durch serienmäßige Gleichrichterkreise erhalten werden, oder durch Verwendung von Trockenzellen, da sie nur einen sehr geringen Strom zieht. Die Möglichkeiten sind zu vielfältig, um sie hier alle erläutern zu können.

In Wechselstromverstärkern werden zwei solcher Kreise, wie sie in Fig. 2 gezeigt sind, verwendet, wobei der Teil des Kreises zur linken der Anschlüsse mit Z verbunden

Li

ist. Die zwei Kreise sind an dieselben Anschlüsse angeschlossen, sie haben aber entgegengesetzte Polaritäten ( + anstatt -) und auch entgegengesetzte Typen von Kanalstruktur-Transistoren (N-Kanal anstatt P-Kanal)„ Jeder Kreis erzeugt seine eigene Polarität des Ausgangsstroms. Mit einem sinusförmigen Ausgangsstrom und einer Widerstandslast Z. werden die Ströme gemäß Fig. 5 erhalten,

Li

welche die Arbeitsweise in einfacher Weise erklären.

Zu Beginn steigt der Ausgangsstrom I an und wird identisch zum Strom Q., weil D_ nicht leitend ist. Q_ beginnt nicht zu leiten, solange Q nicht in der Lage ist, mehr Strom zu liefern. Die Ausgangsspannung ist durch eine vorbestimmte vorhandene negative Rückkopplung linear gemacht. Bei ungefähr der Hälfte des begrenzten Stroms,, Punkt A (wenn R₁ «■ Z.), wird die Spannung über Q₁ «

I Li i

Die Spannung aus PS₁ teilt sich zu gleichen Teilen auf R₁ und Z auf. Ein weiteres Ansteigen des Stroms durch

Q. ist nicht möglich. Von der negativen Rückkopplung aus (welche eine Voraussetzung für die Linearität, nicht jedoch für die Funktion ist), besteht eine Forderung nach mehr Strom I . Die Steuerspannung wird dann weiter erhöht und Q_ beginnt zu leiten (gestrichelte Linie in Fig . 5 ) . Q- findet einen wechselstromparallelen An-Schluß von R₁ und Z_r vor, so daß sein Strom zweimal so schnell wächst und zweimal so groß wird wie der Strom von Q₁, wenn der Strom von Q₁ in dem Maße abnimmt, wie die Spannung über R₁ abnimmt. ₍

Es ist ersichtlich, daß Q₁ und Q₂ nicht zur gleichen Zeit Spannung und Strom führen. Die maximale Energie, die in Q₁ verbraucht wird, ist ein Viertel der maximalen Energie, die in R verbraucht wird.

Die Energie, die in Q₂ verbraucht wird, sollte durch irgendeine Form einer elektronischen Strombegrenzung begrenzt werden. R„ in Fig. 2 kann zum Abtasten des Ausgangsstroms verwendet werden. Es gibt verschiedene Möglichkeiten für die Grenzcharakteristik. Die Prinzipien der Strombegrenzer sind in der Leistungsverstärker-Auslegetechnik allgemein bekannt.

Ein großer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß durch die Begrenzung eines konstanten (geraden) Stroms eine Begrenzung ohne übermäßigen Leistungsverlust im Transistor möglich ist. Diese Strombegrenzung schützt den Transistor auch im Falle eines Kurzschlusses im Ausgang (Z₁ =0). Im Falle

Li

eines Kurzschlusses wird die Spannung über Q₁ gleich 0. Die Gesamtspannung, die von PS₁ ausgeht, verläuft über R₁, wobei zur gleichen Zeit der Strom in Q₂ zu 0 wird, vorausgesetzt, daß der begrenzende Strom geeignet ist (gleich dem maximalen Strom durch R₁). Ein Kurzschluß verursacht keinerlei Energieverluste in Q. oder Q₂,

Claims (2)

1. Bengt Gustaf Olsson, Saltsjö-Boo, Schweden

   Transistorverstärker

   Patentansprüche

   Verstärker, bestehend aus zwei MOS-Transistoren (Q₁, Q₇) sowie einem Widerstand (R-), welcher als Zweipol zwischen einer Gleichstromquelle (PS.) und einer Last (Z.) geschaltet ist, um nachteilige Einflüsse auf den Verstärker vom Laststrom her zu vermeiden und um eine einfache Steuereinheit für diesen Zweck zu erhalten, wobei

   a) die Emitter (Sources) von Q₁ und Q_? den einen Pol dieses Zweipols bilden und die eine Seite von R₁ in Reihe mit dem Kollektor (drain) von Q verbunden ist und die andere Seite von R₁ zusammen mit dem Kollektor (drain) von Q_ den anderen Pol des Zweipols bilden;

   b) der Widerstand von R₁ von der gleichen Größe ist wie

   c) eine im wesentlichen eine konstante Gleichspannung

   erzeugende Schaltung (V_) zwischen den Gates von

   Q- und Q_ geschaltet ist, mit einer Polarität, die bewirkt, daß Q_? weniger leitet als Q₁,und mit einer Spannung, die bewirkt, daß Q_? nicht leitet, bevor Q₁ leitet oder sich darauf einstellt, den vollen Nennstrom zu leiten, d.h. den Strom von der gleichen Größe wie der Ausgangsstrom;

   ' Αλ .

   d) die Treiberstufe an das Gate von Q₁ oder an das Gate von Q₂ oder an irgendeinen anderen Punkt, in der eine konstante Gleichspannung erzeugenden

   Schaltung (V_n) angeschlossen ist. fcj
2. 2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine konstante Gleichspannung erzeugende Schaltung (V_) aus einer Zenerdiode (D₁) besteht, die ge- o ι

   gebenenfalls parallel zu einem Kondensator (C₁) geschal tet ist und von einem hochohmigen Widerstand (R,) stromversorgt ist, welcher an das entgegengesetzte Gatter angeschlossen ist, an das die Treiberstufe angeschlossen ist, wobei die Zenerspannung von gleicher Größe ist wie die Spannung, die erforderlich ist, um einen Transistor von Null auf einen Nennstrom zu bringen.