DE3333653C1 - Elektronische Schaltvorrichtung - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Schaltvorrichtung mit einem Leistungstransistor als Schaltelement, mit einer zur Kollektor-Emitter-Strecke des Leistungstransistors parallel Hegenden RCD-Schaltung, die einen Kondensator in Reihe mit einer Diode, deren Durchlaßrichtung mit der Durchlaßrichtung des Leistungstransistors übereinstimmt, und einen Entladewiderstand aufweist, gegebenenfalls mit einer Freilaufdiode zum Schutz des Leistungstransistors bei einem induktiven Verbraucher, mit einem Steuersignalgenerator, mit einer den Leistungstransistor aufweisenden Schaltstufe und mit einer wenigstens eine Diode aufweisenden Antisättigungsschaltung, die zwischen dem Steuersignalgenerator und einem Punkt der RCD-Schaltung liegt.

Bei einer bekannten Schaltvorrichtung dieser Art (GB 15 61 450) ist die Diode der Antisättigungsschaltung direkt mit dem Kollektor des Leistungstransistors verbunden. Beim Durchschalten des Leistungstransistors fällt seine Kollektor-Emitter-Spannung daher zwar sofort fast bis auf Null ab. Entsprechend schnell nimmt aber auch sein Basisstrom ab, da ein Teil des Basisstroms über die Antisättigungsdiode und die Kollektor-Emitter-Strecke des Leistungstransistors abgezweigt wird. Wegen der Sperrverzögerungszeit der Diode schwankt der Basisstrom zunächst eine kurze Zeit um einen sehr niedrigen Wert, um sich erst danach auf einen Wert einzustellen, der ausreichend hoch ist, um den Leistungstransistor im gewünschten Einschallzustand zu halten. Bedingt durch das verzögerte Erreichen einer hinreichenden Durchsteuerung ergeben sich unerwünschte Einschaltverluste. Außerdem werden wegen des raschen und hohen Spannungssprungs am Kollektor des Leistungstransistors hohe Anforderungen an die Umschaltgeschwindigkeit der mit diesem Kollektor verbundenen Antisättigungsdiode gestellt, die außerdem eine Hochspannungsdiode sein muß. Eine Ansteuerung der Schaltstufe durch eine Steuerspannung bzw. einen Steuerstrom mit, wie üblich, zunächst hoher steiler Spitze und einem sich anschließenden konstanten Abschnitt wirkt sich dann auf den Leistungstransistor kaum im Sinne einer Entlastung aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltvorrichtung der gattungsgemäßen Art anzugeben, die bei geringem Aufwand mit geringeren Umschaltverlusten des Leistungstransistors auskommt.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Diode der Antisättigungsschaltung mit dem Verbindungspunkt von Kondensator und Entladewiderstand der flCD-Schaltung verbunden ist.

Bei dieser Lösung wird die Antisättigungsschaltung erst dann wirksam, wenn sich der Kondensator der ,RCD-Schaltung von der hohen Betriebsspannung (gegebenenfalls ihrem zweifachen Wert) bis unter die niedrige Steuerspannung des Steuersignalgenerators entladen hat. Der Leistungstransislor wird daher rasch ohne nennenswerte Schaltverluste bis in den gewünschten Einschaltzustand durchgesteuert. Da die Spannung am Kondensator nur mit einer Geschwindigkeit entsprechend seiner Entladezeitkonstanle abnimmt, sinkt auch die Spannung an der Diode der Antisättigungsschaltung entsprechend langsamer. Die Diode braucht daher keine Hochgeschwindigkeitsdiode zu sein. Darüber hinaus wirkt der Kondensator stabilisierend auf den Steuerstromverlauf, so daß der Basis-Emitter-Strom des Leistungstransistors zwar schnell, aber nicht zu schnell abfällt, wenn der Leistungstransistor durchgesteuert wird. Sein Basisstrom kann nach einer Zündstromspitze zunächst auf einem mittleren Wert gehalten werden, so daß der Leistungstransistor hinreichend durchgesteuert wird, ehe der Basisstrom durch die Antisättigungsdiode verringert wird. Hierbei fließt ein Strom über die Diode der Antisättigungsschaltung, den Entladewiderstand und die Kollcktor-Emitter-Strecke des Leistungstransistors. Auf diese Weise kommt man mit einem wesentlich kleineren Basisstrom aus und nutzt die Verstärkung des Leistungstransistors aus.

Vorzugsweise wird der Kondensator über die Basis-Emitter-Strecke des Leistungstransistors entladen. Auf diese Weise wird die Ladung des Kondensators ebenfalls zur Aussteuerung des Leistungstransistors herangezogen und ein rasches Einschalten des Leistungstransistors mit entsprechend geringen Umschallverluslen sichergestellt.

Ferner kann die Kollektor-Emitter-Strecke eines Steuertransistors in Reihe mit einer gleichsinnig gepolten Enlkopplungsdiode zwischen Kollektor und Basis des Leistungstransistors liegen und der Enlladewiderstand der ffCD-Schaltung mit dem Verbindungspunkt von Entkopplungsdiode und Steuertransistor verbunden sein. Während der Entladestrom des Kondensators

weiterhin — über die Kollektor-Emitterslrecke des Sleuertninsislors — der Basis des Leislungs<ransistors zur Slcuci'slromcntlnstung zugeführt wird, is! dennoch sichergestellt, daß die Basisslromverringerung über die Antisältigungsschaltung nicht, wie bei direkter Verbin- ^r> dung von Antisättigungsdiode und Leistungstransistor, zu einer weitgehenden Sperrung des Leistungslransistors wegen dieser Basisstromverringerung mit der Folge eines Anstiegs der Kollektor-Emitterspannung des Leistungstransistors und mangelhafter Entladung des Kondensators bis zur nächsten Einschaltung des Leistungstransistors führt. Die Entkopplungsdiode verhindert sodann bei einem Wechselrichter mit induktivem Verbraucher, daß sich der Kondensator entlädt, wenn die Freilaufdiode leitend ist.

Sodann kann die Signalübertragungsstufe ein RC-Glied enthalten, das dieser Stufe ein nachgebendes Übertragungsverhalten verleiht, um den Leislungstransistor anfänglich besonders rasch durchzusteuern.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachstehend anhand der Zeichnung bevorzugter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektronischen Schaltvorrichtung, die

F i g. 2 bis 5 Spannungs- und Stromverläufe zur Erläuterung der Wirkungsweise und Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung und

Fig.6 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektronischen Schaltvorrichtung.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 enthält die Schaltvorrichtung zwei abwechselnd betätigbare Schaltstufen S\ und S2, die gleich ausgebildet sind und jeweils durch eine eigene Steuerstufe C steuerbar sind, wobei zur Vereinfachung der Darstellung nur die Sleuerstufe Cfür die Schaltstufe S\ ausführlicher dargestellt ist.

Die Schaltstufe Si enthält einen Leistungstransislor 1 als Schaltelement. Die Basis des Leistungstransistors 1 ist mit einem Steueranschluß 3 verbunden. In Reihe mit dem Leistungstransistor 1 liegt ein induktiver Verbraueher 4. Parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke des Leistungstransistors 1 liegt eine gegensinnig zu dieser gepolte Freilaufdiode 5. Die Reihenschaltung aus Verbraucher 4 und Leistungstransistor 1 liegt an einer Betriebsspannungsquelle 6, die eine Gleichspannung Un 4"> von etwa 300 Volt erzeugt. Der Emitter des Leistungstransistors 1 ist mit einem zweiten Steueranschluß 7 verbunden, wobei die Steueranschlüsse 3 und 7 den Steuereingang der Schaltstufe S\ bilden. Den Steueranschlüssen werden Steuersignale aus der Steuerstufe C zugeführt.

Parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke des Leistungstransistors 1 liegt eine Reihenschaltung, bestehend aus einer Diode 10 und einem Kondensator 11, wobei die Diode 10 gleichsinnig mit dem Leistungstransistor 1 gepolt ist. Parallel zur Diode 10 liegt ein ohmscher Entladewiderstand 12. Zwischen einem weiteren Eingangsanschluß 8 der Schaltstufe S\ und dem Verbindungspunkt 21 von Widerstand 12 und Kondensator 11 liegt eine Anlisättigungsdiode 22, deren Anode mit dem Eingangsanschluß 8 und deren Kathode mit dem Verbindungspunkt 21 verbunden ist.

Die Steuerstufe C enthält einen Steuersignalgenerator 23 und eine Steuersignalübertragungsstufe 24. Der Sleuersignaigenerator 23 wird aus einer eine Gleichspannung von 16 Volt erzeugenden Spannungsquelle 25 mit Mittelanzapfung gespeist, wobei die Mittelanzapfung über einen Nulleiter 26 mit dem Steueranschluß 7 verbunden ist. Das vom Steuersignalgenerator 23 erzeugte Steuersignal ist rcchteckformig und symmetrisch zum Nullpunkt der Spannungsquelle 25. Die Impulsbreite der Steuerimpulse beträgt mindestens etwa 15 Mikrosekunden. Das Steuersignal wird über einen zwischen dem Ausgang des Steuersignalgenerators 23 und dem Nulleiter 26 liegenden Spannungsteiler aus ohmschen Widerständen 27,28 von 1 Kiloohm und 4,7 Kiloohm dem Eingang der Steuersignalübertragungsstufe 24 zugeführt. Zwischen dem Abgriff A des Spannungsteilers 27, 28 und dem Pluspol der Spannungsquelle 25 liegen zwei Dioden 29 und 3t gleichsinnig in Reihe, wobei die Kathode der Diode 31 mit dem Pluspol der Spannungsquelle 25 verbunden ist. Die Kathode der Diode 29 ist über den Eingangsanschluß 8 der Schaltstufe Si mit der Anode der Antisättigungsdiode 22 verbunden. Ferner liegen an der Spannungsquelle 25 in Reihe: ein RC-G\\ed aus einem ohmschen Widerstand 32 von 10 Ohm und einem parallel zu diesem liegenden Kondensator 33 von 470 Nanofarad, eine aus zwei Transistoren 34 und 35 gebildete Darlington-Schaltung, eine weitere aus zwei Transistoren 36 und 37 gebildete Darlington-Schaltung und ein ohmscher Widerstand 38 von 1 Ohm. Die Basen der beiden Steuertransistoren 34, 36 der beiden Darlington-Schaltungen sind mit dem Abgriff A des Spannungsteilers 27, 28 verbunden. Der Steuertransistor 36 der zweiten Darlington-Schaltung ist ein pnp-Transistor, während die übrigen Transistoren 34, 35, 37 der Darlington-Schaltungen npn-Transistoren sind.

Wenn der Steuersignalgenerator 23 einen negativen Impuls erzeugt, werden die Transistoren 36, 37 eingeschaltet (leitend) und der Transistor 1 ausgeschaltet (gesperrt), so daß sich der Kondensator 11 über die Diode 10 und den Verbraucher 4 allmählich auf das Zweifache der Spannung Uu der Gleichspannungsquelle 6 auflädt. Der Kondensator 11 stellt dabei sicher, daß die Kollektor-Emitter-Spannung des zuvor eingeschalteten Leistungstransistors 1 nicht schlagartig ansteigt, noch bevor der über den Leistungstransistor 1 fließende Verbraucherstrom nennenswert abgeklungen ist. Andernfalls würde eine zu hohe Verlustleistung im Leistungstransistor 1 umgesetzt. Dies setzt jedoch voraus, daß der Kondensator 11 zuvor, d.h. im leitenden Zustand des Leistungstransistors 1, hinreichend entladen wurde. Die Entladung erfolgt während eines positiven Impulses des Steuersignals des Steuersignalgenerators 23. Dieser Impuls schaltet die Transistoren 34,35 und damit auch den Transistor 1 im Zeitpunkt ii ein, so daß sich der Kondensator 11 über den Widerstand 12 und die Kollektor-Emitter-Strecke des Leistungstransistors 1 entlädt und die Spannung Un am Kondensator 11 gemäß Fig.2 abnimmt. Die Entladung setzt sofort mit dem positiven Steuerimpuls ein, da der Kondensator 33 im ersten Augenblick praktisch einen Kurzschluß darstellt, so daß der Leistungstransistor 1 vollständig durchgeschaltet wird, wie der Verlauf der Kollektor-Emitter-Spannung Uce des Leistungstransistors in Fi g. 4 zeigt. Dabei bleiben die Dioden 29 und 22 so lange gesperrt, wie die Spannung am Kondensator 11 höher als der Steuerimpuls am Abgriff Λ ist. Sobald die Spannung Uu am Kondensator 11 (das Potential des Punktes 21) niedriger als der Steuerimpuls am Abgriff A des Spannungsteilers 27, 28 bzw. am Eingang der Steuersignalübertragungsstufe 24 ist, was im Zeitpunkt h der Fall ist, werden auch die Dioden 29 und 22 leitend. Dabei ist der Spannungsabfall an den Dioden 29 und 22 und dem Widerstand 12 insgesamt etwa gleich dem Spannungsabfall an den Basis-

Emitter-Strecken der Transistoren 34 und 35, deren Spannungsabfälle jeweils etwa dem einer Diode entsprechen. Das Potential der Basis des Leistungstransistors 1 liegt daher etwa bei dem (praktisch etwas tiefer als das) Potential des Kollektors des Leistungstransistors 1, wobei der Spannungsabfall am Widerstand 12 vernachlässigbar klein ist. Der Leistungstransistor 1 ist mithin nicht weit in die Sättigung durchgesteuert. Der Kondensator 11 kann sich daher auf eine Spannung ent* laden, die etwa gleich der sehr niedrigen Kollektor-Emitter-Spannung des gesättigten, aber nicht übersättigten Leistungstransistors 1 ist. Während der Entladung des Kondensators 11 zwischen den Zeitpunkten ?i und f2 nach F i g. 3 wird auch der Basisstrom h des Leistungstransistors 1 begrenzt, da zwischenzeitlich der Konden- sator 33 aufgeladen und der Basisstrom /« des Leistungstransistors 1 nur noch durch den Widerstand 32 bestimmt wird. Am Ende der Entladung des Kondensators 11 im Zeitpunkt h hat das Leitendwerden der Dioden 29 und 22 zur Folge, daß das Potential am Abgriff A und damit der Basisstrom (F i g. 3) des Leistungstransistors 1 noch weiter verringert wird. Wenn dann der nächste negative Steuerimpuls auftritt, wird der Transistor 1 sehr rasch ausgeschaltet, da er in seinem Basisraum nur (noch) relativ geringe Ladungsmengen speichert, die das Ausschalten bis zu ihrer Abfuhr verzögern. Insgesamt ist daher ein sehr rasches Einschalten des Leistungstransistors 1 wegen der anfänglichen Basisstromspitze (F i g. 3) über den Kondensator 33 in Verbindung mit der kurzzeitigen Aufrechterhaltung des anschließenden Basisstrom-Zwischenwertes und ein sehr rasches Ausschalten des Leistungstransistors 1 wegen der Verhinderung einer Übersättigung des Leistungstransistors 1 durch die Dioden 22 und 29 ohne hohe Anforderungen an die Umschaltgeschwindigkeit der Dioden 22, 29 wegen der allmählichen Entladung des Kondensators 11 sichergestellt.

Ein Vergleich des Verlaufs der in den F i g. 2 und 3 dargestellten Kondensatorspannung Uw und des Leistungstransistor-Basisstroms Ib der Schaltvorrichtung nach Fig. 1 mit dem in den Fig.4 und 5 dargestellten Verlauf der Kollektor-Emitter-Spannung Ua- und des Leistungstransistor-Basisstroms ig bei einer bekannten Schaltvorrichtung, bei der die Antisättigungsdiode direkt mit dem Kollektor des Leistungstransistors vcrbunden ist, zeigt, daß bei der bekannten Anschlußart die Kollektor-Emitter-Spannung Uce ebenso wie bei der Schaltvorrichtung nach F i g. 1 beim Einschalten des Leistungstransistors im Zeitpunkt fi sofort praktisch bis auf Null abfällt, so daß die Antisättigungsdiode im bekannten Fall mit einem raschen Spannungssprung belastet wird. Auch wird der Basisstrom h im bekannten Fall nach F i g. 5 über die Antisättigungsdiode vorzeitig verringert, der Leistungstransistor praktisch sofort wieder weitgehend gesperrt und der Kondensator der RCD-Schaltung nicht hinreichend während der Einschaltzeit des Leistungstransistors entladen. Demgegenüber wird bei Verbindung der Antisättigungsdiode 22 mit dem Verbindungspunkt 21 gemäß F i g. 1 der Basisstrom nicht sofort bei Zuführung eines Einschaltimpulses ver- eo ringert, wie es in F ig. 3 dargestellt ist. Der Kondensator 11 kann sich daher ausreichend entladen. Da dieEntlailung nicht schlagartig geschieht, sind die Anforderungen an die Umschaltgeschwindigkeit der Diode 22 geringer. Außerdem sorgt der Kondensator 11 für einen schwingungsfreien Verlauf des Basisstroms. Der Leisiungstransistor wird effektiver durchgeschaltet.

F i g. 6 stellt ein zweites Ausführungsbeispiel dar, das sich von dem nach Fig. 1 wie folgt unterscheidet: Zwischen dem Steueranschluß 3 und der Basis des Leistungstransistors 1 ist die Basis-Emitter-Strecke eines Steuertransistors 2 geschaltet, bei dem es sich um einen Darlington-Transistor (zwei Transistoren in Darlington-Schaltung) handelt. Der Kollektor des Steuertransistors 2 ist mit der Kathode einer Entkoppelungsdiode 15 verbunden, deren Anode mit dem Kollektor des Leistungstransistors 1 verbunden ist. Der Entladewiderstand 12 liegt zwischen dem Verbindungspunkt 21 und dem Kollektor des Steuerlransistors 2. Um den Spannungsabfall an der Basis-Emilter-Strecke des Steuertransistors 2 zu kompensieren, liegt eine weitere Diode 30 zwischen den Dioden 29 und 22. Eine zusätzliche Diode 39, deren Kathode mit der Basis des Steuertransistors 2 und deren Anode mit der Basis des Leistungstransistors 1 verbunden ist, ermöglicht das Abschalten des Leistungstransistors.

Bei diesem Ausführungsbeispiel entlädt sich der Kondensator 11 nicht über die Kollektor-Emitter-Strecke des Leistungstransistors 1, sondern über die Kollektor-Emitter-Strecke des Steuertransistors 2 und die Basis-Emitter-Strecke des Leistungstransistors 1. Der Entladestrom des Kondensators 11 belastet die Kollektor-Emitter-Slrecke des Leistungstransistors 1 daher nicht zusätzlich, und der Steuerstrom für die Schaltstufe S\ kann entsprechend verringert werden. Gegenüber einer Ausführung, bei der die Kollektoren der Transistoren 1 und 2 verbunden wären, verhindert die Enlkopplungsdiode 15, daß sich der Kondensator 11 über die Freilaufdiode 5 entladen kann, wenn diese wegen des induktiven Verbrauchers 4 leitend ist. Gleichzeitig ermöglicht die Entkopplungsdiode 15 eine etwas weitere Entladung des Kondensators 11, da das Kollektorpotential des Steuertransistors 2 bei leitenden Transistoren 1 und 2 um den Spannungsabfall der Kntkopplungsdiodc 15 niedriger als das Kollektorpotential des Leistungstransistors 1 ist. Im übrigen entspricht die Wirkungsweise des Ausführungsbeispiels nach F i g. 6 weitgehend dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1.

Anstelle der dargestellten zweiphasigen Wechselrichteranordnungen mit den beiden Schaltstufen Si und 52, die abwechselnd und entgegengesetzt einen Strom durch den Verbraucher 4 fließen lassen, können auch einphasige Ausführungen verwendet werden, bei denen gegenüber den dargestellten Ausfiihrungsbeispielen lediglich die zweite Schaltstufe 52 und deren Gleichspannungsquelle 6 weggelassen sind und die Freilaufdiode 5 parallel zum. Verbraucher 4 geschaltet ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

33 Patentansprüche:

1. Elektronische Schaltvorrichtung mit einem Leistungstransistor als Schaltelement, mit einer zur Kollektor-Emitter-Strecke des Leistungstransistors parallel liegenden /iCD-Schaltung, die einen Kondensator in Reihe mit einer Diode, deren Durchlaßrichtung mit der Durchlaßrichtung des Leistungstransistors übereinstimmt, und einen Entladewider- stand aufweist, gegebenenfalls mit einer Freilaufdiode zum Schutz des Leistungstransistors bei einem induktiven Verbraucher, mit einem Steuersignalgenerator, mit einer den Leistungstransistor aufweisenden Schaltstufe und mit einer wenigstens einer Diode aufweisenden Antisättigungsschaltung, die zwischen dem Steuersignalgenerator und einem Punkt der /?CD-Schaltung liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (22) der Antisättigungsschaltung (22, 29—31) mit dem Verbindungspunkt (21) von Kondensator (II) und Entladewiderstand (12) der /?C£>-Schaltung (10,11,12) verbunden ist.

2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (11) über die Basis-Emitter-Strecke des Leistungstransistors (1) entladen wird.

3. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektor-Emitter-Strecke eines Steuertransistors (2) in Reihe mit einer gleichsinnig gepolten Entkopplungsdiode (15) zwischen Kollektor und Basis des Leistungstransistors (1) liegt und der Widerstand (12) der flCD-Schaltung (10—12) mit dem Verbindungspunkt von Enlkopplungsdiode (15) und Steuertransistor (2) verbunden ist.

4. Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuersignalübertragungsstufe (24) ein RC-G\\ed (32,33) enthält, das dieser Stufe (24) ein nachgebendes Übertragungsverhalten verleiht.