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BESCHREIBUNG
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Schaltungsanordnung mt einer Vielzahl von parallel geschalteten Leistungsstufen
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einer Vielzahl von parallel
geschalteten Leistungsstufen, deren mit ihrer Basis an eine gemeinsame Treiberstufe
angeschlossene Leistungstransistoren über jeweils zugeordnete Emitterwiderstände
Teilströme eines höheren Gesamtstromes steuern.
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Derartige Schaltungsanordnungen zur Realisierung von Leistungsendstufen
sind bekannt und bestehen aus mehreren mit ihren Basisanschlüssen verbundenen Leistungstransistoren,
in deren Emitterleitungen Emitterwiderstände von beispielsweise 1,5 bis 3 Ohm liegen,
durch die infolge eines Selbsregeleffektes verhindert wird, daß bei mehreren parallel
geschalteten Transistoren beispielsweise infolge der Streuungen in der Verstärkung
eine ungleiche Stromverteilung auf die Transistoren erfolgt. Weiterhin bewirken
die Emitterwiderstände eine Strombegrenzung zum Schutz der Leistungsstufen. Dabei
muß jedoch eine hohe Verlustleistung in Kauf genommen werden. Zum Schutz der Transistoren
wurden bereits Schmelzsicherungen im Kollektorkreis oder Emitterkreis verwendet.
Diese benötigen jedoch bis zum Ansprechen eine verhältnismäßig lange Zeit, so daß
während dieser Zeit der Strom durch einen defekt werdenden Transistor nicht am Ansteigen
gehindert wird. Weiterhin hat der Einsatz von Schmelzsicherungen den Nachteil, daß
Halterungen vorgesehen werden müssen, die zusätzliche Probleme verursachen.
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Schließlich ergibt sich bei Verwendung von Stoß- und Puls strömen
infolge der Magnetostriktion des Sicherungsdrahtes eine schnelle Alterung und damit
ein vorzeitiges Brechen des Sicherungsdrahtes.
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Zur Ansteuerung einer solchen Leistungsendstufe werden Darlington-Schaltungen
oder Emitterfolgerstufen verwendet, deren Kollektoranschlüsse mit den Kollektoren
der Leistungstransistoren verbunden sind und deren Emitterwiderstände mit ihrem
kalten Ende mit den kalten Enden der Emitterwiderstände der Leistungstransitoren
verbunden sind. Aus diesem Grunde muß die gemeinsame Stromquelle für die Leistungsendstufe
und die Treiberstufe eine um mehrere Volt gegenüber der eigentlichen Betriebsspannung
für den Verbraucher der Leistungsendstufe erhöhte Spannung aufweisen, was jedoch
zu einer Erhöhung der Verlustwärme in der Schaltung führt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die es
gestattet, bei geringer Verlustleistung durch defekte Transistoren bewirkte Erhöhungen
der Verlustleistung und Störungen der Gesamtschaltungsanordnung zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in den Basisleitungen
der Leistungstransistoren jeweils eine in Steuerstromrichtung gepolte Diode liegt.
Auf diese Weise kann die Verlustleistung an den Emitterwiderständen klein gehalten
werden, ohne daß befürchtet werden muß, daß beim Durchschlagen eines Transistors
Fehlströme zu den übrigen Transistoren gelangen können und diese ebenfalls gefährden.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Belastbarkeit der
Emitterwiderstände niedriger als die bei einem Effekt eines Leistungstransistors
auftretende Belastung. Eine entsprechende Belastbarkeitsgrenze kann
bei
den Basiswiderständen vorgesehen sein, so daß bei einem Transistordefekt ein Abtrennen
des Leistungstransistors aus dem Leistungsstromkreis erfolgt. Auf diese Weise ist
es möglich, die Schaltungsanordnung weiterzubetreiben, wobei der Strom des defekten
Leistungstransistors von den übrigen Leistungstransistoren übernommen wird, ohne
daß die Schaltungsanordnung insgesamt ausfällt, , da durch die geschilderten Funktionszusammenhänge
beim und nach dem Defekt dieser Transistor nur noch mit einem Anschluß mit der Gesamtschaltung
verbunden ist. Bei einem zweckmäßigen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine
Treiberstufe vorgesehen, die einen Leistungstransistor aufweist, durch den über
einen Widerstand alle Anoden der Dioden mit einer von der Kollektorstromquelle der
Leistungstransistoren getrennten zweiten Stromquelle verbunden sind.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der
Zeichnung, die als einzige Figur ein Schaltbild der Schaltungsanordnung darstellt,
erläutert.
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Wie man dem Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung entnehmen
kann, verfügt die Schaltungsanordnung über eine Treiberstufe 1 für eine Leistungsendstufe
2, die beispielsweise als Leistungsstellglied für ein elektrisches Schweißgerät
verwendet sein kann, das als gestrichelt eingezeichneter Lastwiderstand 3 dargestellt
ist. Eine Elektrode des durch den Lastwiderstand 3 veranschaulichten Elektroschweißgerätes
ist unmittelbar mit dem Minuspol einer hochbelastbaren Stromquelle 4 verbunden,
deren Pluspol die positive Speisespannung für die Leistungsendstufe 2 liefert. Der
Stromkreis der Stromquelle 4 ist über die Leistungsendstufe
2 und
den Lastwiderstand 3 geschlossen, an dessen nicht unmittelbar an der Stromquelle
4 angeschlossenen Ende die positive Elektrodenspannung Ende die positvie Elektrodenspannung
anliegt, die mit Hilfe der Leistungsendstufe 2 gesteuert bzw. geregelt ist. Die
Spannung der Stromquelle 4 beträgt beispielsweise 70 V und liefert beispielsweise
einen Strom von bis zu 500 A.
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Der von der Stromquelle 4 gelieferte Strom verteilt sich in der Leistungsendstufe
2 auf eine Vielzahl von Leistungstransistoren 5, 6 und 7 wobei die Bezugszeichen
5 und 6 die ersten beiden Leistungstransistoren einer Parallelschaltung von beispielsweise
500 Leistungstransistoren bezeichnen und das Bezugszeichen 7 dem letzten Leistungstransistor
zugeordnet ist.
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Die Leistungstransistoren 5, 6 und 7 der Leistungsendstufe 2 bilde
jeweils das steuerbare Element einer Leistungsstufe, wobei ein hoher Gesamtstrom
dadurch erzielt wird, daß eine große Zahl von Leistungsstufen parallel geschaltet
wird. Um bei mehreren parallel geschalteten Leistungstransistoren 5, 6, 7 die immer
von Exemplar zu Exemplar streuende Verstärkung sowie die unterschiedlichen Basisemitterspannungen
auszugleichen, ist in jeder Emitterleitung der Leistungstransistoren 5, 6, 7 ein
Emitterwiderstand 8 vorgesehen, so daß sich eine etwa gleiche Stromverteilung für
alle Leistungstransistoren 5, 6 und 7 ergibt. Bei dem in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiel der Erfindung haben die Emitterwiderstände 8 einen Widerstandswert
von 1 Ohm und eine Belastbarkeit von 4 W bis 7 W. Die von den Emittern der Transistoren
5, 6 und 7 wegweisenden Enden der Emitterwiderstände 8 sind
mit
dem positiven Anschluß des Lastwiderstandes 3 und über den Lastwiderstand 3 mit
dem negativen Anschluß der Stromquelle 4 verbunden.
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Jedem Leistungstransistor 5, 6, 7 ist ein Basiswiderstand 9 zugeordnet,
der die Basis des jeweiligen Leistungstransistors 5, 6, 7 mit dem kalten Ende des
jeweiligen Emitterwiderstandes 8 verbindet. Der Widerstandswert der Basiswiderstände
9 beträgt beispielsweise 510 Ohm. Die Belastbarkeit der Basiswiderstände 9 liegt
beispielsweise zwischen 0,15 und 0,2 W.
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Die Ansteuerung der Leistungstransistoren 5, 6, 7 erfolgt über Dioden
10, die in Durchflußrichtung geschaltet sind und bei dem in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiel anodenseitig miteinander verbunden sind, während die Kathodenseiten
an die einzelnen Leistungstransistoren 5, 6, 7 angeschlossen sind.
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Die Einspeisung des Steuerstromes für die Vielzahl der Leistungstransistoren
5, 6, 7 erfolgt über einen Widerstand 11, der mit der Sourceelektrode eines Feldeffekttransistors
13 verbunden ist. Die Drainelektrode 14 ist an den Pluspol einer zweiten Stromquelle
20 angeschlossen, deren Spannung beispielsweise 6 V beträgt und die zur Ansteuerung
der Vielzahl der Leistungsstufen einen Strom von beispielsweise 10 A liefert. Die
Gateelektrode 15 des Feldeffekttransistors 13 ist an den Ausgang 16 eines Operationsverstärkers
17 angeschlossen, so daß mit Hilfe der geringen Eingangsströme des Operationsverstärkers
17 die sehr hohen Ströme der Leistungsendstufe 2 gesteuert werden können. Durch
in der Zeichnung nicht dargestellte Bauelemente kann der
Strom
über die als Lastwiderstand 3 veranschaulichten Elektroden eines Elektroschweißgerätes
erfaßt werden und zur Erzeugung von Steuersignalen für den Operationsverstärker
17 ausgewertet werden.
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Wenn der Kollektorstrom in einem der Leistungstransistoren, beispielsweise
dem Leistungstransistor 5, infolge eines internen Defektes ansteigt, erhitzt sich
der beispielsweise für 1 A Dauerstrom dimensionierte dem Leistungstransistor 5 zugeordnete
Emitterwiderstand 8 zunächst sehr stark und begrenzt dadurch den Kollektorstrom.
Bricht der Leistungstransistor 5 anschließend zum inneren Kurzschluß durch, was
in der Regel beim Auftreten eines internen Defektes der Fall ist, so liegt die volle
Kollektorspannung, d. h. beim Ausführungsbeispiel eine Spannung von 70 V, am Emitterwiderstand
8 und am Basiswiderstand 9 an. Beide werden dann schlagartig überhitzt und brennen
durch. Auf diese Weise wird der Leistungstransistor 5 emitterseitig abgeschaltet,
da die Emitterleitung unterbrochen ist.
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Eine entsprechende Abschaltung erfolgt durch die Unterbrechung im
Basiswiderstand 9. Die dem defekten Leistungstransistor 5 zugeordnete Diode 10 ist
für die zu seiner Kathode gelangende Kollektorspannung gesperrt, so daß über den
defekten Leistungstransistor 5 kein Steuerstrom auf die gemeinsame Ansteuerleitung
18 gelangen kann, wodurch ein unerwünschtes Ansteigen der Basispotentiale der übrigen
Leistungstransitoren 6, 7 verursacht würde. Die Dioden 10 der Leistungsendstufe
2 erfüllen somit eine Schutzfunktion, indem sie beim Auftreten eines Transistordefektes
die übrigen nicht defekten Transistoren vor einer Fehlspannung an der Basis schützen.
Das Durchbrennen der in ihrer Belastbarkeit
entsprechend schwach
dimensionierten Emitterwiderstände 8 und Basiswiderstände 9 im Fall eines Transistordefektes
verhindert, daß in der defekten Stufe eine hohe Verlustleistung anfällt. In der
oben erörterten Schaltung wird somit ein defekter Leistungstransistor 5 wirkungslos
gemacht, so daß die übrige Schaltung ungestört weiterarbeiten kann. Der in der defekten
Leistungsstufe ausfallende Teilstrom wird von den Leistungstransistoren 6, 7 der
übrigen Leistungsstufen übernommen, was wegen der hohen Zahl der Leistungstransistoren
5, 6, 7 völlig problemlos ist. Wenn beispielsweise 500 Leistungstransistoren 5,
6, 7 parallel geschaltet sind und jeweils einen Strom von 1 A übernehmen, beträgt
der beim Ausfall eines Leistungstransistors von den übrigen Transistoren jeweils
zu übernehmende Strom lediglich 2 mA, was gegenüber dem ursprünglichen Strom von
1 A praktisch vernachlässigbar ist.
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Da in der oben beschriebenen Schaltung die Emitterwiderstände 8 lediglich
einen Wert von 1 Ohm haben, was eine noch gute Symmetrierwirkung (Selbstregelung)
des Emitter-Basis-Spannungspotentials UBE gestattet, ergibt sich pro Emitterwiderstand
8 lediglich eine Verlustleistung von 1 W, wenn durch den Emitterwiderstand 8 ein
Strom von 1 A fließt.
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Geht man davon aus, daß über der Strecke Emitterwiderstand-Leistungstransistor
jeweils eine Spannung von 1,25 V abfällt, so ergibt sich bei 500 Transistoren mit
1 A eine Verlustleistung von 625 W. Wegen des Basisstroms aus der zweiten Stromquelle
20, die bei einer Spannung von 6 V beispielsweise 10 A liefert, ergeben sich weitere
60 W Verlustleistung, so daß die Verlustleistung insgesamt 685 W beträgt. Bei einer
herkömmlichen
Schaltungstechnik mit 500 parallel geschalteten
Transistoren mit zur schützenden Strombegrenzung dimensionierten Emitterwiderständen
und mit einer Treiberstufe aus einer Darlington-Schaltung oder einer Emitter-Folger-Stufe
ergibt sich bei einem Gesamtstrom von 500 A eine Verlustleistung von 3 KW. Bei dem
erörterten Beispiel werden somit etwa 2,3 KW Energie bei gleichzeitiger Lebensdauerverbesserung
und der sich durch die Energieeinsparung ergebenden Kühlaufwandreduzierung eingespart.
Durch die Entkopplung des Treiberstromkreises mit der getrennten zweiten Stromquelle
20 wird die Möglichkeit geschaffen, die Spannung der Stromquelle 4 um etwa 4,75
V niedriger zu halten, ohne Nachteile bei der Betriebsfähigkeit bei Vollast und
Netzunterspannungen hinnehmen zu müssen.
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