DE3710801C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschriebenen Art zum Ein- und Ausschalten eines Transistors. Eine solche Schaltung ist aus der DE-PS 33 00 682 bekannt.
Die bekannte Anordnung stellt eine Steuerschaltung für den Haupttransistor eines Spannungsumsetzers dar. Der Hauptstromkreis dieser Schaltung verläuft vom Pluspol einer Spannungsquelle über die Primärwicklung eines Transformators (Last) und die Kollektor-Emitter-Strecke eines Leistungstransistors (Haupttransistor) zur Primärwicklung eines Stromwandlers und von dort zum Minuspol der Spannungsquelle. Die Last befindet sich somit bei der bekannten Anordnung zwischen der Spannungsquelle und dem Kollektor des Haupttransistors. Die dem Haupttransistor vorgeschaltete Steuervorrichtung enthält einen ersten Steuerstromkreis mit einer als Mitkoppelwicklung geschalteten ersten Sekundärwicklung des Stromwandlers und einen zweiten, analog aufgebauten Steuerkreis mit einer als Gegenkopplungswicklung geschalteten zweiten Sekundärwicklung des Stromwandlers. Die beiden Steuerkreise werden zum Schalten des Haupttransistors mittels zweier Treibertransistoren abwechselnd ein- und ausgeschaltet.
Die bekannte Anordnung dient dazu, den Abschaltvorgang des Haupttransistors zu verbessern, d. h. die dabei auftretenden Verluste zu verringern. Dazu wird beim Einschalten des Haupttransistors eine positive Rückkopplung über die erste Sekundärwicklung des Stromwandlers und beim Ausschalten eine negative Rückkopplung über die zweite Sekundärwicklung des Stromwandlers bewirkt. Diese positiven und negativen Rückkopplungen können jedoch nur stattfinden, wenn bereits ein elektrischer Strom in der Richtung vom Kollektor zum Emitter des Haupttransistors fließt.
Nachteilig ist an der bekannten Anordnung neben einem komplizierten Schaltungsaufbau die hohe Leistung, die zum Einschalten des Haupttransistors erforderlich ist und die eine entsprechend aufwendige Auslegung der Steuerschaltung voraussetzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Anordnung der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Art so auszugestalten, daß bei einfachem Schaltungsaufbau nur eine geringe Schaltleistung erforderlich ist, daß mit anderen Worten die Stromversorgung für die Ansteuerung der Basis des Haupttransistors keine große Kapazität zu haben braucht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Im Gegensatz zu der bekannten Schaltung erfolgt bei der erfindungsgemäßen Schaltung keine negative Rückkopplung. Der an der Wechselstromsammelleitung angeordnete Stromtransformator bewirkt jedoch eine vorteilhafte Mitkopplung. Dabei ist keine positive Rückkopplung eines Gleich-Kurzschlußstromes möglich, auch wenn beide Haupttransistoren aufgrund eines Fehlers durchgeschaltet sind. Die Kollektorströme der Haupttransistoren sind damit automatisch begrenzt, da die Basisströme einen bestimmten Wert nicht übersteigen können, wodurch nicht nur die Verluste verringert werden, sondern auch die Notwendigkeit von Schutzschaltungen usw. entfällt.
Zum Rückmagnetisieren des Kernes des Stromtransformators ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung keine besondere Steuerschaltung erforderlich, da dieser jeweils automatisch, wenn beispielsweise von einer positiven Halbwelle des Wechselstromes ausgegangen wird, bei der negativen Halbwelle zurückmagnetisiert wird.
Darüber hinaus wird während des Rückmagnetisierungsvorganges des Transformators Energie gewonnen, die einerseits zurückgeführt werden kann und die andererseits dazu dient, Überspannungen in den Wicklungen des Transformators zu verhindern. Mit der erfindungsgemäßen Schaltung ist es auch möglich, die Basis der Haupttransistoren durch Steuern des durch die Wicklung des Stromtransformators fließenden Stromes mittels eines einfachen Ein/Ausschalters unabhängig vom Leistungsfaktor der Last zu steuern.
Die Unteransprüche 2 bis 5 beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen des Gegenstandes des Hauptanspruchs.
Bei der erfindungsgemäßen Basissteuerschaltung wird somit insgesamt der größte Teil des den Haupttransistoren zuzuführenden Basisstromes vom Stromtransformator an der Wechselstromsammelleitung geliefert und der in der Schaltung während des Durchschaltens der Haupttransistoren fließende Strom herabgesetzt, so daß die zum Ansteuern der Basis der Haupttransistoren erforderliche Leistung verhältnismäßig klein ist.
Ausführungsbeispiele für die Steuerschaltung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 das Schaltbild einer ersten Ausführungsform einer Basissteuerschaltung,
Fig. 2 ein Wellenformdiagramm, das die Arbeitsweise der in der Fig. 3 dargestellten Basissteuerschaltung darstellt,
Fig. 3 und 4 die Schaltbilder einer zweiten und einer dritten Ausführungsform der Basissteuerschaltung, wobei die Schaltelemente in verschiedenen Stellungen dargestellt sind, und
Fig. 5 das Schaltbild einer vierten Ausführungsform der Basissteuerschaltung.
In den Fig. 1 und 2 sind ein Schaltbild und ein Wellenformdiagramm zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Basissteuerschaltung gezeigt. Wie in Fig. 1 dargestellt, 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, eine Schalteinrichtung 16, einen Stromtransformator 17, eine Diode 18 und eine Überspannungsunterdrückungsschaltung 19.
Eine Wechselstromsammelleitung mit der Last 13 ist zwischen den Verbindungspunkt der Haupttransistoren 14, 15 und den Verbindungspunkt der Gleichstromquellen 11, 12 geschaltet. Parallel zu den Haupttransistoren 14, 15 liegen jeweils Rückkoppeldioden 14 D, 15 D.
Die Schalteinrichtung 16 umfaßt eine Diode 16 a, ein Schaltelement 16 b zum Nebenschluß, ein Schaltelement 16 c zum Liefern des Basisstromes zum Haupttransistor 14, eine Anfangsstromversorgungsschaltung 16 d 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 erste Sekundärwicklung 17 a und eine zweite Sekundärwicklung 17 b auf. Die Wicklung 17 b ist in Reihe mit der Diode 18 und der Überspannungsunterdrückungsschaltung 19 geschaltet und bewirkt eine Rückmagnetisierung des Kernes des Stromtransformators 17.
Die Fig. 2 zeigt ein Wellenformdiagramm für jeden Teil der in Fig. 1 dargestellten Schaltung. Es sei angenommen, daß die angeschlossene Last 13 eine induktive Last ist und daß die Haupttransistoren 14, 15 zu den in Fig. 2 dargestellten Zeitpunkten geschaltet werden, so daß ein Wechselstrom i₁ in der Wechselstromsammelleitung fließt. Da die Haupttransistoren 14, 15 jeweils den gleichen Arbeitsvorgang mit einem Zeitunterschied von einem halben Zyklus ausführen, wird als Beispiel der Vorgang auf der Seite des Transistors 14 beschrieben.
Damit der Transistor 14 zum Zeitpunkt T₁ durchgeschaltet wird, wird das Schaltelement 16 c angeschaltet. Da in der Sekundärwicklung 17 a zum Zeitpunkt T₁ kein Strom fließt, wird die Basis des Haupttransistors 14 mit dem Strom
versorgt, der durch die Stromquelle 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 die Basis des Haupttransistors 14 mit der Summe des obenerwähnten Stromes (1) über das Schaltelement 16 c und des Stromes
von der Sekundärwicklung 17 a des Stromtransformators 17 versorgt, wobei N₁ die Anzahl der Wicklungen der Primärwicklung und N₂ die Anzahl der Wicklungen der Sekundärwicklung ist, d. h. sie wird mit dem Strom
versorgt.
Wenn das Schaltelement 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 das Schaltelement 16 c ausgeschaltet und das Nebenschlußschaltelement 16 b angeschaltet, so daß die Basis des Haupttransistors 14 nicht mehr mit dem Strom von der Sekundärwicklung 17 a versorgt wird. Gleichzeitig wird das Sperrschaltelement 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 (Widerstandswert R₂) bestimmt ist, wodurch der Haupttransistor 14 zum Zeitpunkt T₄ sperrt. Wenn angenommen wird, daß das Schaltelement 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 es wird die Diode 18 leitend, die mit der zweiten Sekundärwicklung 17 b verbunden ist. Das hat zur Folge, daß die Spannung E₃ der Überspannungsunterdrückungsschaltung 19 an der Wicklung 17 b anliegt und daß bis zum Zeitpunkt T₆ zum Abführen 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 zweiten Sekundärwicklung 17) durch die Diode 18 in die Überspannungsunterdrückungsschaltung 19 fließt. Während dieses Zeitintervalls wird der Kern des Stromtransformators 17 in die umgekehrte Richtung erregt und rückmagnetisiert.
Bei dieser Ausführungsform ist eine Diode 16 a zum Gleichrichten des Sekundärstromes des Stromtransformators 17 pro Sekundärwicklung 17 a des Stromtransformators 17 vorgesehen. Es können jedoch auch in der bei der zweiten Ausführungsform von Fig. 3 dargestellten Weise Dioden 16 k, 16 l separat in dem Weg zum Zuführen des Basisstromes und einem Weg vorgesehen sein, um diesen kurzzuschließen.
Wie es bei der dritten, in der Fig. 4 dargestellten Ausführungsform der Fall ist, kann die Schaltung 16 d zum Liefern des Anfangsstromes auch ein Schaltelement 16 m enthalten, so daß der Anfangsstrom der Basis des Haupttransistors 14 nicht über das Schaltelement 16 c zugeführt wird.
Obwohl die Überspannungsunterdrückungsschaltung 19 dem Stromtransformator 17 entspricht, wie es in der Fig. 1 beim ersten Ausführungsbeispiel dargestellt ist, kann sie auch gemeinsam mit der Schaltung zum Rückmagnetisieren eines anderen Stromtransformators verwendet werden.
Obwohl bei dem ersten Ausführungsbeispiel eine Halbwellengleichrichterschaltung für die Wicklung 17 b vorgesehen wurde, kann auch eine Vollwellengleichrichterschaltung verwendet werden.
Der Stromtransformator 17 umfaßt wie beschrieben die Sekundärwicklung 17 a, die mit der Schalteinrichtung 16 verbunden ist, und die zweite Sekundärwicklung 17 b, die in Reihe zur Diode 18 und zur Überspannungsunterdrückungsschaltung 19 geschaltet ist. Es kann jedoch auch in der beim vierten Ausführungsbeispiel in Fig. 5 dargestellten Weise dann, wenn der Stromtransformator 17 mit einer dritten Sekundärwicklung 17 c und einer Gleichstromquelle 20 zum Unterdrücken der Wechselstromwelligkeit in Reihe mit der Wicklung 17 c versehen ist, so daß der Gleichstrom in der Wicklung 17 c fließt, der Kern des Stromtransformators 17 sicher selbst in der Anfangsphase rückmagnetisiert werden.
Obwohl jedes der obigen Ausführungsbeispiele einen Halbbrückenspannungsinverter darstellt, kann die entsprechende Ausbildung auch bei einem Vollbrücken-Spannungsinverter oder bei einem Strominverter angewendet werden.

Claims (5)

1. Steuerschaltung zum Ein- und Ausschalten eines ersten Haupttransistors (14), der in Reihe mit wenigstens einer Gleichstromquelle (11, 12) geschaltet ist,
- mit einem Stromtransformator (17), dessen Primärwicklung zwischen den ersten Haupttransistor (14) und der Gleichstromquelle (11, 12) geschaltet ist; und
- mit einer Schalteinrichtung (16) mit einem ersten Gleichrichterelement (16 a) zum Gleichrichten des in einer ersten Sekundärwicklung (17 a) des Stromtransformators (17) induzierten Stromes und einem ersten Schaltelement (16 c) zum Liefern des gleichgerichteten Ausgangsstromes des ersten Gleichrichterelementes (16 a) an die Basis des ersten Haupttransistors (14);
dadurch gekennzeichnet, daß
- die Primärwicklung des Stromtransformators (17) eine Wechselstromsammelleitung benutzt, die parallel zwischen den Verbindungspunkt des ersten Haupttransistors (14) mit einem zweiten Haupttransistor (15), der in Reihe mit dem ersten Haupttransistor (14) verbunden ist, und die Gleichstromquelle (11, 12) geschaltet ist;
- daß eine Anfangsstromversorgungsschaltung (16 d) zum Liefern eines Anfangsstromes an die Basis des ersten Haupttransistors (14) in Überlagerung mit dem Strom, der durch das erste Schaltelement (16 c) fließt, vorgesehen ist;
- daß in der Schalteinrichtung (16) ein zweites Schaltelement (16 b) zum Kurzzschließen des gleichgerichteten Stromes enthalten ist, so daß dieser nicht der Basis des ersten Haupttransistors (14) zugeführt wird; und
- daß eine Überspannungsunterdrückungsschaltung (19) mit einem zweiten Gleichrichterelement (18), das an eine zweite Sekundärwicklung (17 b) des Stromtransformators (17) angeschlossen ist, vorhanden ist, die am Kern des Stromtransformators (17) eine Rückmagnetisierung bewirkt. (Fig. 1)
2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer dritten Sekundärwicklung (17 c) des Stromtransformators (17) eine Gleichstromquelle (20) mit der Funktion einer Unterdrückung der Wechselstromwelligkeit verbunden ist (Fig. 5).
3. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Gleichrichterelement zwei Dioden (16 k, 16 l) aufweist, die jeweils in den Weg zum Zuführen des Basisstromes bzw. den Kurzschlußweg geschaltet sind (Fig. 3).
4. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anfangsstromversorgungsschaltung (16 d) eine Reihenschaltung aus einem Widerstand (16 e) und einer Stromquelle (16 f) an der Versorgungsseite des gleichgerichteten Stromes aufweist (Fig. 1).
5. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anfangsstromversorgungsschaltung (16 d) eine Reihenschaltung aus einem Widerstand (16 e), einer Stromquelle (16 f) und einem dritten Schaltelement (16 m) an der Versorgungsseite des gleichgerichteten Stromes aufweist (Fig. 4).
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