DE3710801A1 - Basissteuerschaltung fuer einen transistor - Google Patents

Basissteuerschaltung fuer einen transistor

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Description

Die Erfindung betrifft eine Basissteuerschaltung für einen Transistor, bei der insbesondere die Leistung zum Versorgen des Transistors mit dem Durchschaltbasisstrom so gering wie möglich gemacht wird.
Eine bekannte Basissteuerschaltung für einen Transistor ist beispielsweise in "Technical Report of the Institute of Electrical Engineers of Japan", Teil II, Nr. 162, Fig. 3.19 dargestellt. Die dort beschriebene bekannte Schaltung, die auch in Fig. 1 der zugehörigen Zeichnung dargestellt ist, umfaßt im wesentlichen einen Haupttransistor 1, eine Basissteuerschaltung 2 zum Ansteuern des Haupttransistors 1 und einen Signalgenerator 6, der der Basissteuerschaltung 2 einen Durchschalt/Sperrbefehl gibt. Die Basissteuerschaltung 2 umfaßt eine Versorgungsschaltung 3, die den Haupttransistor 1 mit einem Durchschaltbasisstrom versorgt, eine Versorgungsschaltung 4, die den Haupttransistor 1 mit einem Sperrbasisstrom versorgt, und einen Verstärker 5, der den Durchschalt/Sperrbefehl für den Haupttransistor 1 verstärkt. Die Versorgungsschaltung 3 und die Versorgungsschaltung 4 sind mit Transistoren 3 a, 4 a, die abwechselnd nach Maßgabe des Befehls vom Verstärker 5 durchgeschaltet oder gesperrt gehalten werden, Widerständen 3 b, 4 b zum Begrenzen des Durchschaltstromes und des Sperrstromes der Transistoren 3 a, 4 a und Energiequellen 3 c, 4 c zum Liefern des Durchschaltstromes und des Sperrstromes zu den Schaltungen 3, 4 jeweils versehen.
Im Folgenden wird anhand der Fig. 2a bis f, die die Arbeitssignalwellenformen an jedem Teil der Schaltung von Fig. 1 zeigen, die Arbeitsweise der in Fig. 1 dargestellten Basissteuerschaltung beschrieben.
Wenn zu einem Zeitpunkt T₁ ein Signal Pon zum Durchschalten des Haupttransistors 1 vom Signalgenerator 6 dem Verstärker 5 geliefert wird, wie es in Fig. 2a dargestellt ist, wird aufgrund der Tatsache, daß der Verstärker 5 einen Durchschaltbasisstrom i₁ dem Transistor 3 a liefert, wie es in Fig. 2b dargestellt ist, der Transistor 3 a der Stromversorgungsschaltung 3 zum Liefern des Durchschaltstromes durch den Durchschaltbasisstrom i₁ durchgeschaltet, so daß die Basis des Haupttransistors 1 mit einem Strom
i B = (E₁ - V BE )/R₁ (1)
versorgt wird, der durch den Widerstand 3 b (Widerstandswert R₁) und die Energiequelle 3 c (Spannung E₁) und die Durchlaßspannung V BE zwischen der Basis und dem Emitter des Haupttransistors 1 bestimmt ist, um den Haupttransistor 1 durchzuschalten.
Wenn zum Zeitpunkt T₂ der Befehl Pon auf einen niedrigen Pegel kommt, wird aufgrund der Tatsache, daß der Ausgang des Verstärkers 5 einen derartigen Strom liefert, daß der Transistor 4 a durchgeschaltet und der Transistor 3 a gesperrt wird, die Basis des Haupttransistors 1 mit dem Strom
i B = -E₂/R₂
versorgt, wobei E₂ die Quellenspannung der Energiequelle 4 c, und R₂ der Widerstandswert des Widerstandes 4 b sind, so daß der Speicherträger des Haupttransistors 1 verlorengeht und der Haupttransistor 1 zum Zeitpunkt T₃ sperrt. Nach dem Zeitpunkt fließt ein Strom, der durch den äquivalenten Widerstand zwischen der Basis und dem Emitter des Haupttransistors 1 bestimmt ist.
Da die bekannte Basissteuerschaltung in der oben beschriebenen Weise aufgebaut ist, ist zum Durchschalten des Haupttransistors dann, wenn der durch die Gleichung (1) angegebene Basisstrom geliefert wird, der nicht so sehr von der Änderung der Basisemitterspannung des Haupttransistors abhängt (gewöhnlich V BE = etwa 1 bis 3 V bei einem Darlington-Transistor), eine Energiequelle erforderlich, die eine wesentlich höhere Spannung als das Maximum von V BE hat. Wenn eine Energiequelle mit einer Spannung E₁ = 7 V benutzt wird, um den Basisstrom i B = 3 A zu liefern und der Haupttransistor mit einer Leitungsrate von 50% betrieben wird, wird eine hohe Leistung von 1/2 × (7 V × 3 A) = 10,5 W allein dazu benötigt, den Durchschaltbasisstrom zu liefern. Dementsprechend muß die Energiequelle für die Basissteuerschaltung eine große Kapazität haben, wenn der Transistor mit einem großen Basisstrom versorgt werden muß oder wenn die Anzahl der Transistoren zunimmt.
Um diese Mängel der bekannten Schaltung zu beseitigen, soll durch die Erfindung eine Basissteuerschaltung geschaffen werden, bei der die Leistung zur Lieferung des Durchschaltbasisstromes so gering wie möglich ist.
Bei der erfindungsgemäßen Basissteuerschaltung für einen Transistor ist jede Wicklung eines Stromtransformators an der Wechselstromleitung mit einer Gleichrichterschaltung versehen, so daß der vom Stromtransformator gelieferte Strom durch die Sekundärwicklung und die Tertiärwicklung entsprechend der Polung des Stromes in der Hauptschaltung fließt, wobei der Strom von der Sekundärwicklung, der der Basis des Haupttransistors bei einem Durchschaltbefehl auf der Haupttransistorleitung geliefert wird, der Basis bei einem Sperrbefehl nicht geliefert wird und der Kern des Stromtransformators bei einem in der Tertiärwicklung fließenden Strom rückmagnetisiert wird.
Im Folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 das Schaltbild eines Beispiels einer bekannten Basissteuerschaltung für einen Transistor,
Fig. 2a bis 2f das Arbeitswellenformendiagramm zur Darstellung der Arbeitsweise jedes Teils der in Fig. 1 dargestellten Basissteuerschaltung,
Fig. 3 das Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Basissteuerschaltung,
Fig. 4 ein Arbeitswellenformendiagramm, das die Arbeitsweise jedes Teils der in Fig. 3 dargestellten Basissteuerschaltung dargestellt,
Fig. 5 und 6 die Schaltbilder eines zweiten und eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Basissteuerschaltung, wobei die Schaltelemente in verschiedenen Stellungen dargestellt sind, und
Fig. 7 das Schaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Basissteuerschaltung.
In Fig. 3 und 4 sind ein Schaltbild und ein Arbeitswellenformendiagramm zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Basissteuerschaltung gezeigt. Wie es in Fig. 3 dargestellt ist, umfaßt die Basissteuerschaltung im wesentlichen Gleichstromquellen 11, 12 in Reihenschaltung, eine Last 13, Haupttransistoren 14, 15, die in Reihe zu den Gleichstromquellen 11, 12 geschaltet sind und eine Hauptschaltung bilden, ein Schaltelement 16 der Basissteuerschaltung, einen Stromtransformator 17, eine Diode 18 und eine Überspannungsunterdrückungsschaltung 19.
Eine Gleichstromsammelleitung mit einer Last 13 ist zwischen den Verbindungspunkt der Haupttransistoren 14, 15, die die Hauptschaltung bilden, und den Verbindungspunkt der Gleichstromquellen 11, 12 geschaltet. Rückkopplungsdioden 14 D, 15 D liegen parallel zu den Haupttransistoren 14, 15 jeweils.
Das Schaltelement 16 der Basissteuerschaltung umfaßt eine Diode 16 a, ein Schaltelement 16 b zum Nebenschluß, ein Schaltelement 16 c zum Liefern des Basisstromes zum Haupttransistor 14, eine Energiequellenschaltung 16 d als Anfangsstromversorgungsschaltung aus einem Widerstand 16 e und einer Stromquelle 16 f zum Liefern eines Anfangsbasisstromes, eine Energiequelle 16 g für den Sperrbetrieb, ein Schaltelement 16 j, das angeschaltet wird, wenn der Haupttransistor 14 sperrt, und einen Widerstand 16 h zum Begrenzen des Sperrstromes.
Der Stromtransformator 17 verwendet die Wechselstromsammelleitung als Primärwicklung und weist eine Sekundärwicklung 17 a und eine Tertiärwicklung 17 b auf. Die Tertiärwicklung 17 b ist in Reihe mit der Diode 18 und der Überspannungsunterdrückungsschaltung 19 geschaltet und bewirkt eine Rückmagnetisierung des Kernes des Stromtransformators 17.
Fig. 4 zeigt ein Wellenformendiagramm für jeden Teil der in Fig. 3 dargestellten Schaltung. Die Arbeitsweise der in Fig. 3 dargestellten Schaltung wird im Folgenden anhand dieses Wellenformendiagramms beschrieben. Es sei angenommen, daß die angeschlossene Last die induktive Last 13 ist und daß die Haupttransistoren 14, 15 zu den in Fig. 4 dargestellten Zeitpunkten geschaltet werden, so daß ein Wechselstrom i₁ in der Wechselstromsammelleitung fließt. Da die Haupttransistoren 14, 15 den gleichen Arbeitsvorgang mit einem Zeitunterschied von einem halben Zyklus ausführen, wird als Beispiel die Arbeit auf der Seite des Transistors 14 beschrieben.
Damit der Transistor 14 zum Zeitpunkt T₁ durchgeschaltet wird, wird der Schalter 16 c angeschaltet. Da von der Sekundärwicklung 17 a zum Zeitpunkt T₁ kein Strom fließt, wird die Basis des Haupttransistors 14 mit dem Strom
versorgt, der durch die Energiequelle 16 f der Schaltung 16 d (Spannung E₁), die den Anfangsstrom liefert, den Widerstand 16 e (Widerstandswert R₁) und die Basisemitterspannung V BE des Haupttransistors 14 bestimmt ist.
Wenn die Polung des Stromes i₁ der Wechselstromsammelleitung zum Zeitpunkt T₂ umgekehrt wird, wird die Diode 16 a leitend und wird die Basis des Haupttransistors 14 mit der Summe des obenerwähnten Stromes (2) über den Schalter 16 c und des Stromes
von der Sekundärwicklung 17 a des Stromtransformators 17, wobei
N₁: Anzahl der Wicklungen der Primärwicklung und
N₂: Anzahl der Wicklungen der Sekundärwicklung,
d. h. mit dem Strom
versorgt.
Wenn der Schalter 16 c als idealer Schalter angenommen wird, liegen die Durchlaßspannung der Diode 16 a und die Basisemitterspannung V BE des Haupttransistors 14 an der Sekundärwicklung 17 a.
Damit der Haupttransistor 14 zum Zeitpunkt T₃ sperrt, wird der Schalter 16 c ausgeschaltet und wird der Nebenschlußschalter 16 b ausgeschaltet, so daß die Basis des Haupttransistors 14 nicht mit dem Strom von der Sekundärwicklung 17 a versorgt wird. Gleichzeitig wird der Sperrschalter 16 j angeschaltet, um die Basis des Haupttransistors 14 mit dem Basisstrom -
zu versorgen, der durch die Sperrspannungsquelle 16 g (Spannung E₂) und den Widerstand 16 h (Widerstand R₂) bestimmt ist, wodurch der Haupttransistor 14 zum Zeitpunkt T₄ sperrt. Wenn angenommen wird, daß der Schalter 16 b ein idealer Schalter ist, so liegt vom Zeitpunkt T₄ bis zum Zeitpunkt T₅ die Durchlaßspannung der Diode 16 a an.
Wenn die Polung des Stromes i₁ der Wechselstromsammelleitung zum Zeitpunkt T₅ umgekehrt wird, sperrt die Diode 16 a und wird die Diode 18 leitend, die mit der Tertiärwicklung 17 b verbunden ist. Das hat zur Folge, daß die Spannung E₃ der Überspannungsunterdrückungsschaltung 19 an der Tertiärwicklung 17 b zu liegen beginnt und daß bis zum Zeitpunkt T₆ zum Ausschalten des Spannungszeitproduktes am Kern des Stromtransformators 17 von der Sekundärwicklung 17 a vom Zeitpunkt T₂ bis zum Zeitpunkt T₅ der Strom
(N₃: Anzahl der Windungen der Tertiärwicklung 17) durch die Dioede 18 in die Überspannungsunterdrückungsschaltung 19 fließt. Während dieses Zeitintervalls wird der Kern des Stromtransformators 17 in die umgekehrte Richtung erregt und rückmagnetisiert.
Obwohl eine Diode 16 a zum Gleichrichten des Sekundärstromes des Stromtransformators 17 pro Sekundärwicklung 17 a des Stromtransformators 17 bei dem obigen Ausführungsbeispiel vorgesehen ist, ist die erfindungsgemäße Ausbildung darauf nicht beschränkt, vielmehr können in der beim zweiten Ausführungsbeispiel von Fig. 5 dargegestellten Weise Dioden 16 k, 16 l separat in einem Weg zum Liefern des Basisstromes und einem Weg vorgesehen sein, um diesen kurzzuschließen.
Wie es bei dem dritten in Fig. 6 dargestelten Ausführungsbeispiel der Fall ist, kann die Schaltung 16 d zum Liefern des Anfangsstromes auch einen Schalter 16 m enthalten, so daß der Anfangsstrom der Basis des Haupttransistors 14 geliefert wird, ohne über den Schalter 16 c zu gehen.
Obwohl die Überspannungsunterdrückungsschaltung 19 dem Stromtransformator 17 entspricht, wie es in Fig. 3 beim ersten Ausführungsbeispiel dargestellt ist, kann sie auch gemeinsam mit der Schaltung zum Rückmagnetisieren eines anderen Stromtransformators verwandt werden.
Obwohl die Halbwellengleichrichterschaltung als Gleichrichtereinrichtung für die Tertiärwicklung 17 b bei dem ersten Ausführungasbeispiel beschrieben wurde, kann sie auch aus einer Vollwellengleichrichterschaltung bestehen.
Obwohl der Stromtransformator 17 die Sekundärwicklung 17 a, die mit dem Schalterelement 16 verbunden ist, und die Tertiärwicklung 17 b umfaßt, die in Reihe zur Diode 18 und zur Überspannungsunterdrückungsschaltung 19 geschaltet ist, wie es oben beschrieben wurde, ist die erfindungsgemäße Ausbildung darauf nicht beschränkt, vielmehr kann in der beim vierten Ausführungsbeispiel in Fig. 7 dargestellten Weise dann, wenn der Stromtransformator 17 mit einer quartären Wicklung 17 c und einer Gleichstromquelle 20 zum Unterdrücken der Wechselstromwelligkeit in Reihe mit der quartären Wicklung 17 c versehen ist, so daß der Gleichstrom in der quartären Wicklung 17 c fließt, der Kern des Stromtransformators 17 sicher selbst an der Anfangsphase der Wechselrichtereinrichtung rückmagnetisiert werden.
Obwohl jedes der obigen Ausführungsbeispiele im obigen in einem Wechselrichter vom Halbbrückenspannungsversorgungstyp verwandt wurde, kann die erfindungsgemäße Ausbildung auch bei einem Vollbrückenwechselrichter oder bei einem Strom liefernden Wechselrichter angewandt werden.
Wie es oben im einzelnen beschrieben wurde, wird bei der erfindungsgemäßen Basissteuerschaltung für einen Transistor der größte Teil des dem Haupttransistor zu liefernden Basisstromes vom Stromtransformator an der Wechselstromsammelleitung geliefert und wird der in der Schaltung während des Durchschaltzeitintervalls des Haupttransistors fließende Strom sicher herabgesetzt, so daß die zum Betreiben der Basissteuerschaltung gelieferte Leistung verringert werden kann.

Claims (13)

1. Basissteuerschaltung für einen Transistor, bei der die Basis eines ersten und eines zweiten Transistors mit Strom versorgt wird, die in Reihe zu einer Gleichstromquelle geschaltet sind, und bei der die Transistoren durchgeschaltet und gesperrt werden, gekennzeichnet durch einen Stromtransformator (17), der als Primärwicklung eine Wechselstromsammelleitung benutzt, die parallel zwischen den Verbindungspunkt des ersten und zweiten Transistors (14, 15) und die Gleichstromquelle geschaltet ist, und der eine sekundäre, d. h. zweite bis n-te Wicklung (n = positive ganze Zahl) aufweist, die vom Strom der Primärwicklung erregt werden und einen Strom induzieren, eine Schalteinrichtung (16) mit einem ersten Gleichrichterelement (16 a) zum Gleichrichten des Stromes, der in einer der zweiten bis n-ten Wicklung des Stromtransformators (17) induziert wird, einem ersten Schaltelement (16 j) zum Liefern des gleichgerichteten Ausgangsstroms vom ersten Gleichrichterelement (16 a) zur Basis des ersten oder zweiten Transistors (14, 15), eine Anfangsstromversorgungsschaltung (16 d) zum Liefern eines Anfangsstroms der Basis des Transistors (14, 15) an der Versorgungsseite des gleichgerichteten Stromes in einer Überlagerung mit dem Strom, der durch das erste Schaltelement (16 j) fließt, und mit einem zweiten Schaltelement (16 a) zum Nebenschließen des gleichgerichteten Stromes, so daß dieser nicht der Basis des Transistors (14, 15) zugeführt wird, und eine Überspannungsunterdrückungseinrichtung (19) mit einem zweiten Gleichrichterelement (18), die mit einer der zweiten bis n-ten Wicklung verbunden ist, um den in der Wicklung induzierten Strom gleichzurichten und an den Kern des Stromtransformators (17) eine Rückmagnetisierung zu legen.
2. Basissteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (16) mit der Sekundärwicklung (17 a) des Stromtransformators (17) verbunden ist.
3. Basissteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überspannungsunterdrückungseinrichtung (19) mit der Tertiärwicklung (17 b) des Stromtransformators (17) verbunden ist.
4. Basissteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gleichstromquelle (20) mit der Funktion der Unterdrückung eines Wechselstromwelligkeitsanteils mit der quartären Wicklung (17 c) des Stromtransformators (17) verbunden ist.
5. Basissteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Gleichrichterelement (16 a) in der Schalteinrichtung (16) aus einer Diode besteht, die eine Halbwellengleichrichtung des Stromes durchführt, der in der Sekundärwicklung (17 a) des Stromtransformators (17) induziert wird.
6. Basissteuerschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Gleichrichterelement (16 k, l) separat in dem Weg zum Liefern des Basisstromes und in dem Weg vorgesehen ist, der diesen kurzschließt.
7. Basissteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anfangsstromversorgungsschaltung (16 d), die Bestandteil der Schalteinrichtung (16) ist, aus einem Widerstand (16 e) zum Liefern des Anfangsstromes zur Basis des Transistors (14, 15) an der Versorgungsseite des gleichgerichteten Stromes, und einer Stromquellenschaltung besteht, die eine Energiequelle (16 f) umfaßt, die in Reihe zum Widerstand (16 e) geschaltet ist.
8. Basissteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anfangsstromversorgungsschaltung (16 d), die einen Bestandteil der Schalteinrichtung (16) bildet, aus einem Widerstand (16 e) zum Liefern des Anfangsstromes, einer Gleichstromquelle (16 f) und einem dritten Schaltelement (16 m) in Reihenschaltung besteht, wobei die Anfangsstromversorgungsschaltung (16 d) parallel zwischen die Basis und den Emitter des Transistors (14, 15) an der Versorgungsseite des gleichgerichteten Stromes geschaltet ist.
9. Basissteuerschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Schaltelement (16 m) aus Transistoren besteht.
10. Basissteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Schaltelement (16 d, 16 j), die Bestandteil der Schalteinrichtung (16) sind, aus Transistoren bestehen.
11. Basissteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (16) aus einer Wechselrichtereinrichtung vom Halbbrückenspannungsversorgungstyp besteht.
12. Basissteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (16) aus einer Wechselrichtereinrichtung vom Vollbrückenspannungsversorgungstyp besteht.
13. Basissteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (16) aus einer Wechselrichtereinrichtung vom Stromversorgungstyp besteht.
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