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Ansteuerschaltung für einen kontaktlosen Schalter,
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der aus der Reihenschaltung eines bipolaren Transistors und eines
Feldeffekttransistors besteht.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Ansteuerschaltung für einen kontaktlosen
Schalter, der aus der Reihenschaltung eines bipolaren Transistors und eines Feldeffekttransistors
besteht, wobei der Steuerelektrode des Feldeffekttransistors die Signale zum Ein-
und Ausschalten des kontaktlosen Schalters zuführbar sind, während die Basis des
bipolaren Transistors mit einem von einer Hilfsspannung gespeisten Kondensator verbunden
ist, zu dem ein die Spannung an der Basis bei der Abschaltung begrenzendes Element
parallel geschaltet ist.
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Ein derartiger kontaktloser Schalter eignet sich für hohe Sperrspannungen,
die bis zu 1 000 Volt betragen, obwohl ein Feldeffekttransistor verwendet werden
kann, der für wesentlich niedrigere Sperrspannungen ausgelegt ist.
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Ein Feldeffekttransistor mit einer niedrigen Sperrspannung hat den
Vorteil, daß der Spannungabfall in leitendem Zustand ebenfalls klein ist. Dies bedeutet,
daß der eingangs beschriebene kontaktlose Schalter nicht nur für höhere Sperrspannungen,
sondern auch für höhere Ströme verwendet werden kann und daß die Verlustleistung
in leitendem Zustand trotzdem gering ist.
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Ein weiterer Vorteil des kontaktlosen Schalters ist in der hohen Schaltfrequenz
zu sehen, die zwar etwas kleiner als die bei einem Feldeffekttransistor erreichbare
Schaltfrequenz, aber wesentlich höher als die mit Triacs bei gleicher Leistung und
Sperrspannung erreichbare Schaltfrequenz ist. Während des Abklingens des Kollektorstroms
fließt negativer Ba sisstrom in den Kondensator. Als spannungsbegrenzendes Element
ist eine
Zenerdiode parallel zum Kondensator geschaltet. Übersteigt
die Spannung am Kondensator die Zenerspannung, dann übernimmt die Zenerdiode den
Strom, bei größeren Strömen wird in der Zenerdiode eine hohe Verlustleistung umgesetzt,
so daß die Zenerdiode für eine große Leistung bemessen sein muß. Der Kondensator
kann darüber hinaus unerwünschte Schwingungen beim Abschalten des kontakt losen
Schalters anregen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ansteuerschaltung der
eingang beschriebenen Gattung derart weiterzuentwickeln, daß die Verluste beim Abschalten
verkleinert werden und der Abschaltvorgang schneller und stabiler verläuft.
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Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebenen Maßnahmen gelöst.
Bei der im Anspruch 1 erläuterten Schaltung wird keine Zenerdiode benötigt. Da der
Kondensator während des Abschaltens überbrückt ist, klingt der Strom schneller ab.
Der weitere Transistor hat in gesättigtem Zustand einen geringen Spannungsabfall,
so daß nur kleine Verluste auch bei größeren Kollektorströmen auftreten.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß eine zweite
Sekundärwicklung über einen Transistor, der von den an der Steuerelektrode des Feldeffekttransistors
im kontakt losen Schalter anstehenden Abschaltsignal steuerbar ist, mit der Steuerelektrode
des als Feldeffekttransistor ausgebildeten weiteren Transistors verbunden ist, dessen
Steuerelektrode über einen Widerstand mit der Source-Elektrode verbunden ist.
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Bei der Anordnung wird der weitere Feldeffekttransistor nach dem Ende
des negativen Basisstroms in kurzer Zeit von selbst nicht leitend. Danach lädt sich
der Kondensator auf die Hilfsspannung auf.
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Eine zweckmäßige Ausführungsform ist derart ausgebildet, daß die Basis
des bipolaren Transistors über einen mit dem Abschaltsignal des Feldeffekttranssistors
im kontaktlosen Schalter eingeschalteten Transistor an die Hilfsspannungsquelle
gelegt ist. Bei dieser Anordnung wird dem Kondensator nur Ladestrom zugeführt, wenn
der bipolare Transistor des kontaktlosen Schalters ausgeschaltet ist. Dies bedeutet
eine weitere Verminderung der für die Steuerung des kontaktlosen Schalters benötigten
Leistung.
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Vorzugsweise ist in Reihe mit der ersten Sekundärwicklung des Stromwandlers
ein Widerstand gelegt, der mit einer Strommeßeinrichtung verbunden ist. Der Stromwandler
wird bei dieser Anordnung zugleich für die Überwachung des Stroms im Kollektorkreis
des bipolaren Transistors des kontaktlosen Schalters ausgenutzt. Fur die Strommessung
ist kein Widerstand in Reihe mit der Last bzw. der Spannungsquelle notwendig.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in einer Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert, aus dem sich weitere Merkmale sowei Vorteile
ergeben.
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Es zeigen: Figur 1 ein Schaltbild einer Ansteuerschaltung für einen
kontaktlosen Schalter, der aus einer Reihenschaltung eines bipolaren Transistors
und eines Feldeffekttransistors besteht, Figur 2 ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform
einer Ansteuerschaltung für einen kontakt losen Schalter.
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Ein kontaktloser Schalter 1 besteht aus der Reihenschaltung eines
bipolaren Transistors 2 und eines Feldeffekttransistors 3, bei dem es sich vorzugsweise
um einen Mosfet handelt, z. B. einen n-Kanal-Mosfet. Der Schalter 1 ist in Reihe
mit der Primärseite 3a eines Stromwaiidlers und einer Last 4 an die Pole 5, 6 einer
Gleichspannungsquelle angeschlossen. Die Steuerelektrode des Feldeffekttransistors
3 ist mit einem Eingang 7 verbunden.
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Während die Source-Elektrode des Feldeffekttansistors 3 an den negativen
Pol 6 der Gleichspannungsquelle gelegt ist, steht die Drain-Elektrode mit dem Emitter
des Transistors 2 in Verbindung, dessen Kollektor an die Primärseite 3 angeschlossen
ist. Zwischen der Basis des Transistors 2 und der Source-Elektrode des Feldeffekttransistors
3 ist ein Kondensator 8 angeordnet. Die Basis des Transistors 2 steht weiterhin
über einen Widerstand 9 mit einem Pol 10 einer Hilfsspannungsquelle in Verbindung,
deren nicht dargestellter zweiter Pol z. B. mit dem Pol 6 verbunden ist. Der Pol
10 führt positives Potential. Parallel zum Kondensator 8 ist die Reihenschaltung
einer ersten Sekundärwicklung 11 des Stromwandlers und einz Diode 12 angeordnet,
die in bezug auf das Potential des Pols 10 in Sperrrichtung gepolt ist. Zur Sekundärwicklung
11 liegt ein Widerstand 13 parallel.
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Zum Kondensator 8 ist weiterhin ein Transistor 14 parallel geschaltet.
Der Transistor 14 ist vorzugsweise ein Feldeffekttransistor, z. B. ein n-Kanal-Mosfet,
dessen Drain mit der Basis des Transistors 2 und dessen Source mit dem Pol 6 verbunden
ist. Die Steuerelektrode des Feldeffekttransistors 14 ist einerseits über einen
Widerstand 15 an den Pol 6 und andererseits über einen Widerstand 16 an den Kollektor
eines Transistors 17 angeschlossen, dessen Emitter über eine Diode 18 mit der zweiten
Sekundärwicklung 19 des Stromwandlers verbunden ist. Zwischen dem Emitter und der
Basis des Transistors 17 liegt ein Widerstand 20. Die Basis des Transistors 17 ist
weiterhin über einen Widerstand 20 mit der Steuerelektrode des Feldeffekttransistors
3 verbunden.
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In leitendem Zustand des Schalters 1 liegt am Eingang 7 ein positives
Potential. Ein für 100 Volt Sperrspannung ausgelegter Feldeffekttransistor hat bei
Nennstrom einen Spannungsabfall von wenigen Volt. Bei leitendem Feldeffekttransistor
3 ist der Transistor 2 ebenfalls leitend, da er über den Pol 10 und den Widerstand
9 mit Basisstrom versorgt wird. Bei ansteigendem Strom im Kollektorkreis des Transistors
2 tritt in der ersten Sekundär wicklung 3 ein Strom auf, der über die Diode 12 in
die Basis eingespeist wird.
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Um den Schalter 1 abzuschalten, wird die Steuerelektrode des Feldeffekttransistors
3 mit Nullpotential oder negativem Potential beaufschlagt. Damit sperrt der Feldeffekttransistor
3 und unterbricht den Emitterstrom des Transistors 2. Der Kollektorstrom fließt
deshalb als negativer Basisstrom weiter. In der zweiten Sekundärwicklung 19 entsteht
bei Abnahme des Kollektorstroms ein Strom, der über den durch das Potential an der
Steuerelektrode des Feldeffekttransistors 3 leitend gesteuerten bipolaren Transistor
17 und über die Widerstände 16 und 15 fließt. Dieser Strom erzeugt an der Steuerelektrode
des Feldeffekttransistors 14 ein positives Potential, durch das dieser leitend wird
und damit den Kondensator 8 kurzschließt.
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Der negative Basisstrom fließt deshalb über den Feldeffekttransistor
14 zum Pol 6. Dabei klingt der negative Basisstrom ab. Nach dem Abklingen ist auch
der Strom in der zweiten Sekundärwicklung 19 und damit die Treiberspannung für den
Transistor 17 verschwunden. Die Eingangskapazität des Feldeffekttransistors 14 entlädt
sich über den Widerstand 15. Nach der wegen der kleinen Kapazität sehr kurzen Entladezeit
sperrt der Feldeffekttransistor 14, so daß das Potential an der Basis des Transistors
2 durch die
Aufladung des Kondensators 8 bis zum Potential der Hilfsspannung
ansteigt.
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Bei einem positiven Potential an der Steuerelektrode des Feldeffekttransistors
3 wird der Transistor 17 gesperrt. Ein solches Potential herrscht während der Einschaltung
des kontaktlosen Schalters 2. Im abgschalteten Zustand schützt die Basis-Kollektorsperrspannung
des bipolaren Transistors 2 den Feldeffekttransistor 3. Die Gleichspannungsquelle
kann daher eine hohe Spannung haben. Bei der in Figur 2 dargestellten Anordnung
sind übereinstimmende Elemente mit der Anordnung gemäß Figur 1 mit den gleichen
Bezugsziffern versehen. Die Anordnung gemäß Figur 2 weist gegenüber der in Figur
1 dargestellten einen mit der ersten Sekundärwicklung 11 in Reihe angeordneten Widerstand
22 auf, an den eine Spannung für ein Strommeßelement 23 abgegriffen wird. Das Strommeßelement
23 ist z. B. ein Schmitt-Trigger, der bei einem bestimmten Strom ein Warnsignal
abgibt. Weiterhin ist ein bipolarer Transistor 24 mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke
zwischen dem Pol 10 und dem Widerstand 9 angeordnet. Die Basis des Tranistors 24
ist über einen Widerstand 25 mit der Steuerelektrode des Feldeffekttransistors 3
verbunden. Zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 24 ist ein Widerstand
26 angeordnet. Die Anordnung gemäß Figur 2 arbeitet bis auf die Strommessung und
die Ladung des Kondensators 8 auf die oben in Verbindung mit Figur 1 erläuterte
Weise. Die Strommessung hat den Zweck, ohne ohmschen Widerstand in der zwischen
den Polen 5, 6 angeordneten Reihenschaltung Überströme feststellen zu können. Bei
Überströmen kann die Speisespannung über einen nicht dargestellten Schalter abgeschaltet
werden. Der Transistor 24 wird bei Nullpotential oder negativem Potential an der
Steuerelektrode des Feldeffekttransistors 3 leitend. Deshalb findet, während der
Transistor 2 abgeschaltet ist, eine Aufladung des Kondensators 8 statt. Im eingeschalteten
Zustand des kontakt losen Schalters 1 versorgt die erste Sekundärwicklung 11 den
Transistor 2 mit Basisstrom. Der Stromfluß über den Widerstand 9 ist daher während
der Einschaltung des Transistors 2 unterbrochen. Damit werden die Stromwärmeverluste
bei der Ansteuerung reduziert.
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