DE3533885A1 - Elektronischer schalter - Google Patents
Elektronischer schalterInfo
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- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
- H03K17/06—Modifications for ensuring a fully conducting state
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- H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
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Description
Die Erfindung betrifft einen elektronischen Schalter gemäß
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In Steuerungs- und Automatisierungsanlagen werden in großer
Zahl digitale Schalter für Ströme im Bereich von
0,5 A bis 2 A eingesetzt. Es werden jeweils mehrere,
z. B. 32 Stück, auf je einer Flachbaugruppe angeordnet.
Bei Verwendung von bipolaren Transistoren mit einem Spannungsabfall
von etwa 1 V entsteht bei einem Strom von
0,5 A eine Verlustleistung von 0,5 W je Schalter, also
bei 32 Schaltern eine maximale Verlustleistung von 16 W
je Flachbaugruppe.
Im folgenden wird anhand der Fig. 1 und 2 die Verlustleistung
von elektronischen Schaltern errechnet, die aus
dem Siemens-Fachbuch "Schaltungen mit Halbleiter-Bauelementen",
Bd. 4, S. 114 und 137 bekannt sind. Der Schalter
nach Fig. 1 besteht im wesentlichen aus einem Treibertransistor
TS 2 und einem Endtransistor TS 3, in dessen
Emitterkreis eine Last RL liegt. Die Versorgungsspannung
U B betrage 24 V. Die Basis des Treibertransistor TS 2
ist über einen nicht bezeichneten Widerstand mit dem
Kollektor eines Steuertransistors TS 1 verbunden, dessen
Basis das Steuersignal zugeführt ist. Der Steuerstrom für
den Treiber TS 2 beträgt 0,2 mA, der für den Endtransistor
TS 3 20 mA und der Laststrom 0,5 A. Die Kollektor-Emitter-
Spannung des Transistors TS 3 ist gegeben durch die Basis-
Emitter-Spannung, die für den Ausgangsstrom von 0,5 A erforderlich
ist, das sind 0,75 V, und durch die Restspannung
des Treibertransistors TS 2, das sind etwa 0,05 V.
Die Verlustleistung beträgt daher etwa 0,8 V · 0,5 A
= 0,4 W. Die Verlustleistung im Kollektorkreis des Steuertransistors TS 1 kann vernachlässigt werden.
Die Schaltung nach Fig. 2 besteht im wesentlichen aus
einem Treibertransistor TS 4 und einem Endtransistor TS 5.
Die Last ist wieder mit RL bezeichnet. In diesem Falle
beträgt die Kollektor-Emitter-Restspannung 0,25 V, so daß
bei einem Ausgangsstrom von 0,5 A im Endtransistor TS 5
eine Verlustleistung von 0,125 W entsteht. Hinzu kommen
die Verluste, die durch den Steuerstrom in dem Treibertransistor
TS 4 und in dem in dessen Kollektorkreis liegenden,
nicht bezeichneten Widerstand entstehen; insgesamt
sind dies 24 V · 20 mA = 0,48 W; d. h., es entsteht im
elektronischen Schalter eine Verlustleistung von ca. 0,6 W.
Die Verlustleistung könnte zwar dadurch verringert werden,
daß anstelle der bipolaren Transistoren MOS-Leistungstransistoren
eingesetzt werden. Der Aufwand hierfür wäre jedoch,
insbesondere für kurzschlußfeste Schaltungen, erheblich.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen elektronischen Schalter zu schaffen, der bei einer
nur geringfügigen Erhöhung des Aufwandes eine erhebliche
Reduzierung der Verlustleistung bewirkt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden
Teil des Anspruchs 1 angegebenen Schaltungsmaßnahmen
erreicht. Diese Maßnahmen bewirken, daß sowohl Treiber-
als auch Endtransistor im Sättigungszustand, d. h.
bei geringstmöglicher Kollektor-Emitter-Spannung, betrieben
werden.
Die Fig. 3 und 4 zeigen zwei Ausführungsbeispiele der
Erfindung.
Der Schaltung nach Fig. 3 enthält einen Treibertransistor
TS 7 und einen Endtransistor TS 8, die von entgegengesetztem
Leitfähigkeitstyp sind. Im durchgeschalteten Zustand
wird der Treibertransistor TS 7 mit einem Steuerstrom
von 0,2 mA von einem Steuertransistor TS 6 durchgesteuert.
Die Versorgungsspannung U B betrage 24 V. An sie
ist der Kollektor des Endtransistors TS 8 angeschlossen,
dessen Kollektor-Emitter-Strecke die Last RL in Reihe
geschaltet ist. Die Basis des Endtransistors TS 8 ist mit
dem Kollektor des Treibertransistors TS 7 verbunden, dessen
Emitter an eine Hilfsspannung U H1 von z. B. 0,6 V angeschlossen
ist. Die Hilfsspannung addiert sich zur Speisespannung
U B , so daß der Emitter des Transistors TS 7 auf
24,6 V liegt. Die Spannung an der Basis des Transistors
TS 8 kann daher größer als die Kollektorspannung sein, so
daß die Kollektor-Emitter-Spannung und damit die Verlustleistung
im Transistor TS 8 klein wird, und zwar ist sie
gleich der Summe der Basis-Emitter-Spannung und der
Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors TS 7 abzüglich
der Hilfsspannung von 0,6 V. Dies ergibt bei einer Basis-
Emitter-Spannung des Transistors TS 8 von 0,75 V und einer
Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors TS 7 von 0,05 V
eine Kollektor-Emitter-Spannung des Endtransistors von
0,2 V. Bei einem Ausgangsstrom von 0,5 A ist somit die
Verlustleistung in dem elektronischen Schalter 0,1 W.
Allerdings muß noch die Erzeugung der Hilfsspannung berücksichtigt
werden. Wird hierzu ein Gleichspannungswandler
mit einem Wirkungsgrad von 50% verwendet, dann
verdoppelt sich die in Transistor TS 7 auftretende Verlustleistung
von 0,012 W, so daß insgesamt eine Verlustleistung
von 0,024 W entsteht. Im Vergleich zur Schaltung
nach Fig. 1 ist damit die Verlustleistung auf etwa ein
Drittel herabgesetzt. Der zusätzliche Aufwand besteht
lediglich in einem Gleichspannungswandler für die Hilfsspannung.
Diese braucht nicht stabilisiert zu werden,
da bei höheren Spannungen von z. B. 1,2 V, die bei Teillast
auftreten können, der Treibertransistor den Spannungsüberschuß
übernimmt, wodurch die Kollektor-Emitter-
Spannung des Endtransistors noch weiter zurückgeht.
In Fig. 4 sind wie in Fig. 2 der Treibertransistor TS 9
und der Endtransistor TS 10 von gleichem Leitungstyp. In
diesem Falle ist die Hilfsspannung U H2 der Versorgungsspannung
U B entgegengerichtet. Sie beträgt 0,9 V, so daß
der Kollektor des Treibertransistors TS 9 auf etwa 23,1 V
liegt. Der von seinem Emitter zur Basis des Endtransistors
TS 10 fließende Steuerstrom beträgt 20 mA und erzeugt
damit eine Verlustleistung von 0,018 W. Die Kollektor-
Emitter-Spannung U CE des Transistors TS 10 beträgt wieder
0,2 V, so daß bei einem Laststrom von 0,5 A der Schalter
eine Verlustleistung von 0,118 W erzeugt. Gegebenenfalls
kommen hierzu noch die Verluste in einem die Hilfsspannung
erzeugenden Spannungswandler. Die gesamte Verlustleistung
ist somit im Vergleich zur Schaltung nach Fig. 2
auf etwa ein Viertel verringert.
Claims (5)
1. Elektrischer Schalter mit einem Treibertransistor
und einem an diesen angeschlossenen Endtransistor, dessen
Emitter-Kollektor-Strecke mit der Last in Reihe geschaltet
ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Treibertransistor (TS 7) an eine Hilfsspannung
(U H1) angeschlossen ist, die etwa gleich der Summe der
Restspannung des Treibertransistors (TS 7) und der für
die Durchsteuerung erforderlichen Steuerspannung des Endtransistors (TS 8) ist.
2. Elektronischer Schalter nach Anspruch 1, gekennzeichnet
durch
- Treibertransistor (TS 7) und Endtransistor (TS 8) sind von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp;
- die Last (RL) liegt im Emitterkreis des Endtransistors (TS 8);
- der Kollektor des Endtransistors liegt an einem Pol der Speisespannungsquelle (U B );
- die Basis des Endtransistors (TS 8) ist mit dem Kollektor des Treibertransistors (TS 7) verbunden;
- der Emitter des Treibertransistors liegt an der Hilfsspannung (U H1);
- das Steuersignal ist der Basis des Treibertransistors (TS 7) zugeführt.
- Treibertransistor (TS 7) und Endtransistor (TS 8) sind von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp;
- die Last (RL) liegt im Emitterkreis des Endtransistors (TS 8);
- der Kollektor des Endtransistors liegt an einem Pol der Speisespannungsquelle (U B );
- die Basis des Endtransistors (TS 8) ist mit dem Kollektor des Treibertransistors (TS 7) verbunden;
- der Emitter des Treibertransistors liegt an der Hilfsspannung (U H1);
- das Steuersignal ist der Basis des Treibertransistors (TS 7) zugeführt.
3. Elektronischer Schalter nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die zwischen
dem Emitter des Treibertransistors (TS 7) und dem
Kollektor des Endtransistors (TS 8) liegende Hilfsspannung
(U H1) etwa 0,6 V beträgt.
4. Elektronischer Schalter nach Anspruch 1, gekennzeichnet
durch
- Treibertransistor (TS 9) und Endtransistor (TS 10) sind von gleichem Leitungstyp;
- der Emitter des Endtransistors (TS 10) ist mit dem einen Pol der Speisespannungsquelle (U B ) verbunden;
- die Last (RL) liegt im Kollektorkreis des Endtransistors (TS 10);
- die Basis des Endtransistors (TS 10) ist mit dem Emitter des Treibertransistors (TS 9) verbunden;
- die Hilfsspannung (U H2) hat zur Speisespannung (U B ) engegengesetzte Polarität und liegt zwischen dem Emitter des Endtransistors (TS 10) und dem Kollektor des Treibertransistors (TS 9);
- das Steuersignal ist der Basis des Treibertransistors (TS 9) zugeführt.
- Treibertransistor (TS 9) und Endtransistor (TS 10) sind von gleichem Leitungstyp;
- der Emitter des Endtransistors (TS 10) ist mit dem einen Pol der Speisespannungsquelle (U B ) verbunden;
- die Last (RL) liegt im Kollektorkreis des Endtransistors (TS 10);
- die Basis des Endtransistors (TS 10) ist mit dem Emitter des Treibertransistors (TS 9) verbunden;
- die Hilfsspannung (U H2) hat zur Speisespannung (U B ) engegengesetzte Polarität und liegt zwischen dem Emitter des Endtransistors (TS 10) und dem Kollektor des Treibertransistors (TS 9);
- das Steuersignal ist der Basis des Treibertransistors (TS 9) zugeführt.
5. Elektronischer Schalter nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die
Hilfsspannung ca. 0,9 V beträgt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19853533885 DE3533885A1 (de) | 1985-09-23 | 1985-09-23 | Elektronischer schalter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19853533885 DE3533885A1 (de) | 1985-09-23 | 1985-09-23 | Elektronischer schalter |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3533885A1 true DE3533885A1 (de) | 1987-03-26 |
Family
ID=6281697
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19853533885 Withdrawn DE3533885A1 (de) | 1985-09-23 | 1985-09-23 | Elektronischer schalter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3533885A1 (de) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2301017C2 (de) * | 1973-01-10 | 1979-03-01 | Kay 2000 Hamburg Bitterling | Niederfrequenzverstärker |
DE2834394A1 (de) * | 1977-08-31 | 1979-03-15 | Exxon Research Engineering Co | Hochleistungsschaltverstaerker |
-
1985
- 1985-09-23 DE DE19853533885 patent/DE3533885A1/de not_active Withdrawn
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2301017C2 (de) * | 1973-01-10 | 1979-03-01 | Kay 2000 Hamburg Bitterling | Niederfrequenzverstärker |
DE2834394A1 (de) * | 1977-08-31 | 1979-03-15 | Exxon Research Engineering Co | Hochleistungsschaltverstaerker |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
van der BROECK,H., van WYK,J.D., SCHOEMAN,J.J.: Neuartige Darlingtonschaltung mit sehr niederiger Durchlaßspannung durch Verwendung einer Kompen- sationsspannungsquelle, In: etz Archiv, Bd.5, (1983) H.6, S.183-188 * |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8130 | Withdrawal |