DE3533885A1

DE3533885A1 - Elektronischer schalter

Info

Publication number: DE3533885A1
Application number: DE19853533885
Authority: DE
Inventors: Jean Gloeckler; Detlev Dipl Ing Knauer; Hermann Dipl Ing Wille
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1985-09-23
Filing date: 1985-09-23
Publication date: 1987-03-26

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

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.

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.

5. Elektronischer Schalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsspannung ca. 0,9 V beträgt.