DE3710801A1 - Basissteuerschaltung fuer einen transistor - Google Patents
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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
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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