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Die Erfindung bezieht sich auf eine Treiberschaltung zum
Schalten in einen Einschalt- und Ausschalt-Zustand eines
Schaltelements mit großer Kapazität, wie eines
Gate-Ausschalt-Thyristors (GTO), eines Leistungstransistors, eines
statischen induktiven Thyristors (SITH), und dergl., und
insbesondere auf eine Treiberschaltung zum Erzeugen eines
großen Stroms im Startzeitpunkt des Einschalt-Zustandes, was
eine sogenannte Overdrive-Funkt ion bedeutet.
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Als Treiberschaltung für ein Schaltelement und insbesondere
eine derartige Schaltung mit Overdrive-Funktion ist eine in
Fig.7 dargestellte Grundschaltung bekannt.
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Fig.7 zeigt nämlich allgemein eine übliche Ausführungsform
fur eine Treibergrundschaltung mit einer solchen Overdrive
Funktion. In Fig.7 ist mit 1 ein zu steuerndes Schaltelement
bezeichnet, 2, 3 und 4 sind Gleichstromquellen, 5 und 6 sind
Widerstände zur Strombegrenzung, 7 ein Schaltelement für das
Overdriving, 8 ein Schaltelement für einen dauernden
Einschalt-Zustand, 9 eine Inverterschaltung für das Umkehren der
Signalpolarität, 10 eine monostabile Multivibratorschaltung
zum Festlegen der Overdriveperiode und 11 ein Schaltelement
für den Auschalt-Zustand.
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Wenn ein Steuersignal Sc (in diesem Fall ein
Niederpegelsignal (L), wie in der Figur gezeigt), eingegeben wird, wird
das Schaltelement 11 ausgeschaltet und gleichzeitig arbeiten
die Inverterschaltung 9 und die monostabihe
Multivibratorschaltung 10 und bewirken ein Einschalten der Schaltelemente
8 und 7. In dieser Situation wird ein großer Overdrivestrom
von der Gleichstromquelle 4 über den Widerstand 5 zum
Steueranschluß des gesteuerten Schaltelements 1 gegeben, und
gleichzeitig wird ein ständiger Einschalt-Strom von der
Gleichstromquelle 2 über den Widerstand 6 auf die
Steuerklemme gegeben. Das Schaltelement 7 hält den Einschalt-Zustand
über eine Periode aufrecht, welche durch den monostabilen
Multivibrator 10 festgelegt wird, und nach dem Verstreichen
dieser Periode, d.h. nach dem Ausschalten, wird ein Strom nur
vom Schaltelement 8 geliefert.
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Wenn das Steuersignal Sc verschwindet, d.h. ein
Hochpegelsignal H an der Eingangsklemme auftritt, wird das
Schaltelement 8 ausgeschaltet, und gleichzeitig wird das
Schaltelement 11 eingeschaltet. Dann wird eine umgekehrte Polarität
von der Gleichstromquelle 3 zur Steuerklemme des gesteuerten
Schaltelements 1 gegeben, und dieses Element 1 wird durch
einen Ausschalt-Strom ausgeschaltet, der durch dasselbe
fließt.
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Bei einer solchen, in Fig.7 dargestellten bekannten Anordnung
werden jedoch die Widerstandswerte der Widerstände 5 und 6 so
festgelegt, daß man den minimalen Spannungswert in den
Spannungs-Änderungsbereichen der Gleichstromquellen 4 und 2, die
maximalen Werte des Einschaltzeit-Spannungsabfalls der
Schaltelemente 7 und 8 sowie den maximalen Wert des
Spannungsabfalls zwischen den Steuerklemmen des gesteuerten
Schaltelements 1 berücksichtigt, so daß unter
Berücksichtigung eines Falls, in welchem diese Werte normal sind, die
Kapazität des Treiberstroms des gesteuerten Schaltelements
unnötig groß wird.
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Daher hat eine solche bekannte Anordnung Nachteile und
Probleme, indem die Verluste in den Widerständen 5 und 6 zu groß
sind und indem die Kapazität der Gleichstromquellen zu groß
wird, da drei Kreise der Gleichstromquelle erforderlich sind.
Durch die Ert indunmg sollen die oben erwähnten Probleme
gelöst werden.
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JP-A-62088425 beschreibt eine Treiberschaltung für eine
Halbleiteranordnung mit zwei in Reihe geschalteten
Gleichspannungsquellen, die jeweils über Schalter mit einer klemme
einer Induktanz verbunden sind, deren andere Klemme über
einen Stromdetektor mit einem Ausgangsknoten verbunden ist,
der zum Anschluß an eine Steuerklemme der Halbleiteranordnung
geeignet ist. Ein Ausgang des Stromdetektors ist mit einer
vergleichsschaltung verbunden, die den Betrieb der Schalter
steuert.
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Gemäß einer weiteren vorveröffentlichung JP-A-61254066 ist
ein R-C-Kreis mit einer Reihendiode an einen Gateausschalt-
Thyristor angeschlossen, wobei ein Konstantspannungselement
parallel zum Kondensator liegt. Die Anordnung kann so
betrieben werden, daß ein Overdrive-Strom auf die Gateausschalt-
Anordnung gegeben wird.
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Die Erfindung schafft eine Treiberschaltung für ein
gesteuertes Schaltelement, wobei die Treiberschaltung aufweist: eine
Gleichspannungsquelle auf der positiven Seite und eine
Gleichspannungsquelle auf der negativen Seite, die in Reihe
geschaltet sind, eine Reihenschaltung mit einem
Zerhackerschaltelement, einem Stromerfassungselement und einer
Drosselspule, wobei die Reihenschaltung zwischen eine positive
Klemme der Gleichspannungsquelle auf der positiven Seite und
einen Ausgangsknoten geschaltet ist, der mit einer
Steuerklemme des gesteuerten Schaltelements verbindbar ist, sowie
eine negative Klemme der Gleichspannungsquelle auf der
positiven Seite, die mit einer Bezugsklemme des gesteuerten
Schaltelements verbindbar ist, gekennzeichnet durch eine
Diode, deren Kathode mit einem Anschlußpunkt zwischen dem
Zerhackerschaltelement und dem Stromerfassungselement
verbunden ist und deren Anode mit der negativen Klemme der
Gleichspannungsquelle auf der negativen Seite verbunden ist, und
durch ein Steuerschaltelement, das zwischen den
Ausgangsknoten und die negative Klemme der Gleichspannungsquelle auf der
negativen Seite geschaltet ist, wobei das
Zerhackerschaltelement von einem Hysteresekomparator getrieben wird, der durch
einen Ausgang des Stromerfassungselements betätigt wird, der
Hysteresekomparator mit dem Steuerschaltelement operativ
verbunden ist und wobei die Steuerung so erfolgt, daß sich
ein höherer oberer Grenzwert und ein höherer unterer
Grenzwert für den Strom durch die Drosselspule während der
Einschaltzeit des Steuerschaltelements als während der
Ausschaltzeit des Steuerschaltelements ergibt.
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Bei einer Ausführungsform wird der Treiberstrom zum
Einschalten von einem Konstantstromkreis geliefert. Der
Konstantstromkreis ist so ausgebildet und angeordnet, daß er einen
hohen Strom nur im Startzeitpunkt des Einschaltzustands des
gesteuerten Schaltelements durch Erhöhung des Stromwerts in
einem Zeitpunkt unmittelbar vor der Einschaltzeit des
gesteuerten Schaltelements liefert, während sich dieses noch im
Ausschaltzustand befindet, und danach wird der Strom
allmählich verringert, um das gesteuerte Schaltelement mit einem
Strom zu betreiben, der für seinen Betrieb erforderlich ist.
Wenn das gesteuerte Schaltelement in den Ausschaltzustand
gebracht wird, wird die Konstantstromguelle überbrückt, und
gleichzeitig wird der Ausschaltstrom des gesteuerten
Schaltelements von einem Steuerschaltelement geliefert. Daher kann
der übliche Steuerbegrenzungswiderstand weggelassen werden,
so daß durch einen einfachen Stromkreisaufbau ein
Overdrivestrom erzeugt werden kann und der Treiberstrom des
gesteuerten Schaltelements sich durch die Spannungsänderung der
Gleichstromquellen-Spannungen nicht ändern kann.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die Figuren
Bezug genommen. Es zeigt:
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Fig.1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen
Grundschaltungsaufbaus;
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Fig.2 ein erläuterndes Schaltbild für das Schalten des
gesteuerten Schaltelements;
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Fig.3 ein Zeitdiagramm beim Einschalt- und
Ausschaltzeitpunkt des gesteuerten Schaltelements;
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Fig.4 ein erläuterndes Schaltbild für das Abschalten des
gesteuerten Schaltelements;
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Fig.5 ein Gesamtzeitdiagramm der erfindungsgemäßen
Anordnung;
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Fig.6 ein Schaltbild einer praktischen Ausführungsform
eines Hysteresekomparators; und
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Fig.7 einen Grundschaltungsaufbau einer bekannten
Ausführungsform, die oben erläutert wurde.
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Die Anmelderin hat in der Japanischen Anmeldung Nr. 22 161/89
eine "Treibergrundschaltung eines Transistors" vorgeschlagen.
Die vorliegende Erfindung dient zur Erweiterung der früheren
Beschreibung und betrifft insbesondere eine Hinzufügung der
Overdrive - Funktion.
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Um ein leichteres Verständnis der technischen Grundidee der
Erfindung zu ermöglichen, wird eine Grundschaltung derselben
mit Bezugnahme auf Fig.1 erläutert.
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Fig.1 zeigt einen Grundschaltungsaufbau gemäß der Erfindung,
der ein Schaltelement 12 zum Bewirken des Zerhackens, ein
Stromerfassungselement 13, eine Drosselspule 14, einen
Hysteresekomparator 15 und eine Diode 16 enthält. In dieser Figur
sind die gleichen Bestandteile wie in Fig.7 mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
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Dabei erfaßt der Hysteresekomparator 15 eine Ausgangsspannung
des Stromerfassungselements 13 und steuert das Schaltelement
12 in den Ausschaltzustand bei einem vorbestimmten oberen
Grenzwert der Ausgangsspannung, und in den Einschaltzustand
bei seinem unteren Grenzwert, und der obere und untere
Grenzwert kann durch ein Steuersignal Sc verschoben werden.
Eine praktische Ausführungsform dieses Hysteresekomparators
ist in Fig.6 dargestellt und wird im einzelnen weiter
unten erläutert.
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In Kürze gesagt, wie aus Fig.6 ersichtlich, sind zwei in
Reihe geschaltete Gleichstromquellen 2 und 3 jeweils auf der
positiven und negativen Seite angeordnet. Zwischen der
positiven Klemme der Gleichstromquelle 2 und der Last ist eine
Reihenschaltungseinheit mit den folgenden Bestandteilen
angeschlossen:
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Schaltelement 12 T Stromerfassungs-
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element 13 T Drosselspule 14 T Steuer-
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klemme des gesteuerten Schaltelements.
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Ferner ist eine Diode 16 mit ihrer Kathodenseite an die
Ausgangsseite des Schaltelements 12 angeschlossen und ein
Schaltelement 11 zum Steuern des gesteuerten Schaltelements 1
ist zwischen die negative Klemme der Gleichstromquelle 3 und
die Steuerklemme des gesteuerten Schaltelements 1 geschaltet.
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Der Betrieb der in der obigen Weise aufgebauten
Treiberschaltung
wird mit Bezugnahme auf die Figuren 2 bis 5 beschrieben.
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Figuren 2 und 4 zeigen Betriebsschaltbilder zum Ein- und
Ausschalten des gesteuerten Schaltelements, und Figuren 3 und
zeigen Gesamtzeitdiagramme im Einschalt- und Ausschalt-
Zustand des gesteuerten Schaltelements.
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Beim Einschalten des gesteuerten Schaltelements 1 wird das
steuernde Schaltelement 11 ausgeschaltet und gleichzeitig
geregelt, daß der Erfassungswert des Hysteresekomparators 15
sowohl für den oberen Grenzwert als auch für den unteren
Grenzwert abgesenkt wird. Sodann werden diese Werte als
oberer Grenzwert für die Einschaltzeit bzw. als unterer
Grenzwert für die Einschaltzeit bezeichnet. Während der Dauer
des Einschaltzustands des steuernden Schaltelements 11 wird
der durch die Drosselspule 14 fließende Strom auf hohen Pegel
gesetzt (nachfolgend als oberer Grenzwert für die
Ausschaltzeit und unterer Grenzwert für die Ausschaltzeit bezeichnet).
Dieser Strom sinkt durch die Wirkung der Drosselspule 14 im
Ausschaltzustand des steuernden Schaltelements 11 nicht
schnell. Dementsprechend bewirkt der Hysteresekomparator 15
das Halten des Schaltelements 12 im Ausschaltzustand, bis der
Hysteresekomparator 15 den unteren Grenzwert der
Einschaltzeit erreicht. Nach dieser Zeit arbeitet der
Hysteresekomparator 15 zwischen dem unteren Grenzwert der Einschaltzeit und
dem oberen Grenzwert der Einschaltzeit und treibt das
Schaltelement 12 in den Einschalt- und Ausschaltzustand. Wenn das
Schaltelement 12 sich im Einschaltzustand befindet, fließt
ein Strom I&sub1; auf einem Weg, der durch eine ausgezogene
Linie angedeutet ist, und dient zum Treiben des Stroms für
das gesteuerte Schaltelement 1.
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Wenn sich das Schaltelement 12 im Ausschaltzustand befindet,
fließt ein Strom I&sub2;, der durch die angesammelte Energie
der Drosselspule 14 induziert wird, in der Folge auf einem
Schaltungsweg, der durch eine gestrichelte Linie in Fig.2
angezeigt ist, und dieser Strom I&sub2; hält den Treiberstrom
des gesteuerten Schaltelements 1 aufrecht. Dementsprechend,
wie im einzelnen auch in dem oben erwähnten früheren
Vorschlag der Anmelderin erläutert, kann durch Bewirken einer
Steuerung des Einschalt- und Ausschaltverhältnisses des
Schaltelements 12 durch den Hysteresekomparator 15 ein
Konstantstrom mit einem Wellenstrom ΔI erzielt werden. In
Fig.3 stellt IH den hohen Pegel und IL den niedrigen
Pegel dar.
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Wenn das Steuersignal Sc weggenommen wird, d.h. bei
diesem Beispiel der hohe Pegel IH eingestellt wird, wird
das Schaltelement 11 eingeschaltet und gleichzeitig wird der
eingestellte Stromwert des Hysteresekomparators auf den
oberen Grenzwert der Ausschaltzeit bzw. den unteren Grenzwert
der Ausschaltzeit geschaltet. Dadurch wird der Strom, der
durch die Drosselspule 14 geflossen ist, so umgeschaltet, daß
er durch das Schaltelement 11 fließt, und gleichzeitig fließt
der aus dem gesteuerten Schaltelement 1 stammende
Ausschaltstrom auf dem folgenden Weg und das gesteuerte Schaltelement
wird ausgeschaltet:
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Steuerklemme des gesteuerten
Schaltelements 1 T Schaltelement 11 T
Gleichstromquelle 3.
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Wenn andererseits der eingestellte Stromwert des
Hystersekomparators 15 auf den hohen Pegel eingestellt wird, bleibt das
Schaltelement 12 weiterhin in seinem Einschaltzustand.
Dadurch steigt der durch die Drosselspule 14 fließende Strom,
bis dieser Strom den oberen Grenzwert der Ausschaltzeit
erreicht. Wenn der obere Grenzwert der Ausschaltzeit erreicht
ist, wird das Schaltelement 12 ausgeschaltet und sodann wird
der durch die Drosselspule 14 fließende Strom so gesteuert,
daß er zwischen dem oberen Grenzwert der Ausschaltzeit und
dem unteren Grenzwert der Ausschaltzeit liegt. Auf diese
Weise fließt, wenn sich das Schaltelement 12 im
Einschaltzustand befindet, der Strom auf einem Weg, der durch die
ausgezogene Linie in Fig.4 angegeben ist, und, wenn es sich im
Ausschaltzustand befindet, fließt der Strom auf einem Weg,
der durch die gestrichelte Linie angegeben ist.
Dementsprechend kann in der gleichen Weise in der Einschaltzeit des
gesteuerten Schaltelements 1 der durch die Drosselspule 14
fließende Strom gesteuert werden.
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Sodann wird zum Einschalten des gesteuerten Schaltelements 1
das Steuersignal Sc eingegeben (bei dieser
Ausführungsform für die Veränderung auf den niedrigen Pegel) sowie zum
Ausschalten des Schaltelements 11 und gleichzeitig wird der
Hysteresekomparator 15 auf den oberen Grenzwert der
Einschaltzeit und auf den unteren Grenzwert der Einschaltzeit
geschaltet.
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Bei Betrieb der Schaltung mit dem in Fig.1 gezeigten Aufbau
ist es möglich, dem gesteuerten Schaltelement 1 einen
stabilen Overdrivestrom und einen folgenden dauernden
Einschaltstrom zuzuführen.
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Eine praktische Ausführungsform des in Fig.6 gezeigten
Hystersekomparators wird nun ausführlicher erläutert.
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In Fig.6 ist ein einfacher Widerstand als
Stromerfassungselement 13 verwendet. Der Hysteresekomparator 15 weist einen
Spannungskomparator 151 und Widerständde 152 bis 156 auf.
Dabei wirkt der Widerstand 152 zur Berechnung der vom
Stromerfassungselement 13 zugeführten Spannung, der Widerstand 153
setzt den oberen und unteren Grenzwert im Einschaltzustand
fest, der Widerstand 156 setzt den oberen und unteren
Grenzwert im Ausschaltzustand fest und der Widerstand 154 wirkt
als positiver Rückkopplungswiderstand zur Festlegung der
Hysteresebreite (Differenz zwischen dem oberen Grenzwert und
dem unteren Grenzwert).
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Die Anwendung dieses Hysteresekomparators auf die
erfindungsgemäße Treiberschaltung wird nun weiter erläutert. Wenn der
durch die Drosselspule 14 fließende Strom im Einschaltzustand
des Schaltelements 12 erhöht wird, steigt auch die Spannung
am Stromerfassungselement 13 und das Potential an der
positiven Klemme (+) des Spannungskomparatos 151 wird gesenkt. Wenn
dieses Potential an der (+)-Klemme weniger sinkt als das
Potential der (-)-Klemme, kehrt der Spannungskomparator 151
seinen Zustand um, und durch diese Wirkung kommt sein
Ausgangssignal auf den Wert "L", und durch eine positive
Rückkopplungswirkung des Widerstands 154 kommt das Ausgangssignal
endgültig auf den niedrigen Pegel.
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Durch diese Pegeländerung wird das Schaltelement 12
ausgeschaltet und der durch die Drosselspule 14 fließende Strom
sinkt, und als Folge steigt das Potential an der (+)-Klemme
des Spannungskomparators 151, und wenn dieses Potential das
Potential seiner (-)-Klemme übersteigt, kehrt der
Spannungskomparator sein Verhältnis wieder um und liefert den hohen
Pegel "H" an seinem Ausgang und schaltet das Schaltelement 12
wieder ein. Sodann wird der gleiche Vorgang wiederholt.
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Ferner, wenn das Steuersignal Sc auf den hohen Pegel "H"
kommt, steigt die Spannung am Stromerfassungselement 13 zum
Speisen des Spannungskomparators 151, da ein Strom in der
(+)-Klemme des Spannungskomparators 151 über den Widerstand
156 fließt. Der durch die Drosselspule 14 fließende Strom
steigt in diesem Fall.
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Die erfindungsgemäße Ausführungsform wurde für einen Fall
erläutert, in welchem die Steuerung bewirkt wurde, um den
durch die Drosseispule 14 fließenden Strom auf den hohen
Pegel einzustellen. Es ist jedoch auch möglich, daß der
Hysteresekomparator 15 in bekannter Weise so abgeändert wird,
daß er die folgenden Funktionen (1) und (2) besitzt.
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(1) Nach Erreichen des Ausschaltzustandes des
gesteuerten Schaltelements 1 (Einschaltzustand des Schaltelements
11) werden die eingestellten Stromwerte des
Hysteresekomparators 15 nicht unmittelbar umgeschaltet und halten die
eingestellten Werte der Einschaltzeit aufrecht und schalten die
eingestellten Stromwerte auf den hohen Pegel unmittelbar vor
dem Einschalten des gesteuerten Schaltelements 1 (Ausschalten
des Schaltelements 11), und nach dem Erreichen des hohen
Pegels des Stroms in der Drosselspule 14 wird das
Schaltelement 11 ausgeschaltet.
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(2) Unmittelbar nach dem Erreichen des
Ausschaltzustands des gesteuerten Schaltelements 1 (Einschaltzustand des
Schaltelements 11) werden die eingestellten Stromwerte des
Hysteresekomparators 15 auf Null geändert, und unmittelbar
vor Erreichen des Einschaltzustands des gesteuerten
Schaltelements (Ausschaltzustand des Schaltelements 11) werden die
eingestellten Stromwerte des Hysteresekomparators 15 auf den
hohen Pegel geschaltet, und nach dem Erreichen des hohen
Pegels des Stroms in der Drosselspule 14 wird das
Schaltelement 11 ausgeschaltet.
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Ferner ist es möglich, die Drosselspule 14 so auszubilden,
daß sie einen Eisenkern besitzt und daß dieser Eisenkern ein
magnetisch nicht gesättigter Bereich durch einen durch die
Drosselspule 14 in der Einschaltzeit des gesteuerten
Schaltelements 1 wird, und er wird ein gesättigter Bereich durch
einen Strom, der etwas größer ist als dieser Strom. Hierdurch
nimmt die Induktanz der Drosselspule 14 einen Wert nahe
demjenigen an, wenn ein solcher Eisenkern nicht vorgesehen
ist, und der durch die Drosselspule 14 fließende Strom kann
mit verhältnismäßig großer Geschwindigkeit erniedrigt oder
erhöht werden. Es ist ersichtlich, daß diese Anordnung für
eine Treiberschaltung eines bei hohen Frequenzen arbeitenden
Schaltelements sehr wirksam ist.
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Ferner kann für das Schaltelement zum Zerhacken und Steuern
jede Art von Transistor oder Feldeffekttransistor (FET) oder
dergleichen verwendet werden. Es ist klar, daß als
Stromerfassungselement Widerstände oder ein Hall-Element oder
dergleichen verwendet werden können. Die Anordnung in der
Schaltung kann frei geändert werden. Beispielsweise kann die
Anschlußreihenfolge des Stromerfassungselements und der
Drosselspule umgekehrt werden.
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Wie oben erläutert, weist die Erfindung eine besondere
Schaltanordnung auf, und diese hat eine praktische Funktion
zur Steuerung des Treiberstroms für das gesteuerte
Schaltelement, der durch die Spannungsänderung der Gleichstromquellen
und durch die Abweichung der Eigenschaften der Bestandteile
nicht verändert wird, so daß ein Konstantstrom mit einem
genauen Overdrivestrom im Entstehungszeitpunkt und ein sehr
stabiler Schaltvorgang möglich wird. Die Erfindung hat eine
bemerkenswerte praktische Wirkung.
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In der erfindungsgemäßen Schaltung kann ein
Strombegrenzerwiderstand weggelassen werden. So kann unnotige
Wärmeerzeugung verhindert und die Gleichstromkapazitanz erniedrigt
werden.