NL8801103A - Transistorschakeling met stuurstroombegrenzing. - Google Patents

Description

f £ PHN 12.532 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Transistorschakeling met stuurstroombegrenzing.

De uitvinding heeft betrekking op een transistorschakeling bevattende: - een eindtransistor, voorzien van een emitter, basis en collector, - een stuurtransistor, voorzien van een emitter, basis en collector, 5 waarvan de emitter is gekoppeld met de basis van de eindtransistor, - en middelen voor het begrenzen van een aan de basis van de stuurtransistor toegevoerde stuurstroom.

Een dergelijke schakeling is geschikt voor toepassing in vermogenseindtrappen van motoraansturingen.

10 In eindtrappen voor aansturing van motoren worden de eindtransistoren tot in verzadiging uitgestuurd zodat over de motor nagenoeg de gehele voedingsspanning beschikbaar komt. De aan de motor te leveren stroom kan, afhankelijk van de mechanische belasting ervan, sterk variëren. Opdat de eindtransistor bij de hoogste te verwachten 15 belastingsstroom en bij de laagste te verwachten stroomversterking van de eindtrap toch nog in verzadiging blijft, wordt de eindtrap met een zekere overmaat van ingangsstroom aangestuurd. Deze overmaat is naar verhouding het grootst als de eindtrap weinig stroom aan de belasting hoeft te leveren. Bekende en vaak toegepaste eindtrappen bestaan uit een 20 stuurtransistor en een eindtransistor. De basis van de stuurtransistor is de ingang van de eindtrap. In een eerste bekende eindtrap is de emitter van de stuurtransistor verbonden met de basis van de eindtransistor en de collector van de stuurtransistor meestal verbonden met een vaste voedingsspanning. In een tweede bekende eindtrap, de 25 Darlingtoneindtrap, is de collector van de stuurtransistor verbonden met de collector van de eindtransistor. In elk van de beide bekende eindtrappen wordt de belasting aangesloten tussen de collector van de eindtransistor en een voedingsspanning. De emitter van de eindtransistor is aan een, bij NPN-transistoren, lagere voedingsspanning aangesloten.

30 Als de eindtrap steeds met een lage stroom zou worden belast, dan geniet de tweede eindtrap van het Darlingtontype de voorkeur vanwege de lage warmtedissipatie in de stuurtransistor. Immers, de collector van de .8801103 PHN 12.532 2 stuurtransistor is verbonden met de lage uitgangsspanning van de eindtrap. Zelfs de overmaat aan ingangsstroom die versterkt door de stuurtransistor vloeit geeft geen dissipatieproblemen. De collector van de stuurtransistor in de eerste eindtrap staat op een meestal veel 5 hogere spanning aangesloten en zal onder verder gelijke omstandigheden meer warmte dissiperen, Juist de relatief grote oversturing van de eindtrap bij lage uitgangsstromen veroorzaakt in de stuurtransistor van de eerste eindtrap een niet onaanzienlijke dissipatie.

Als de eindtrap steeds met een hoge stroom zou worden belast, dan heeft 10 de eerste eindtrap de voorkeur wegens de veel geringere spanningsval over de eindtransistor. De dissipatie in de eindtrap wordt nu vrijwel geheel bepaald door de warmteontwikkeling in de eindtransistor. De dissipatie in de stuurtransistor is onder deze omstandigheden van ondergeschikt belang.

15 Het is met de bekende, tot in verzadiging uitgestuurde, eindtrappen niet mogelijk bij zowel hoge als lage belastingsstromen de laagst mogelijke warmtedissipatie in de eindtrap te bereiken.

Het is dan ook het doel van de uitvinding een transistorschakeling aan te geven waarmee de warmtedissipatie van een 20 tot in verzadiging uitgestuurde eindtrap onder wisselende belastingsstromen wordt beperkt.

Een transistorschakeling van een in de aanhef genoemde soort wordt volgens de uitvinding gekenmerkt, doordat de middelen bevatten een derde transistor, voorzien van een emitter, basis en 25 collector, waarvan de emitter is gekoppeld met de collector van de eindtransistor, de basis is gekoppeld met de basis van de eindtransistor en de collector is gekoppeld met de basis van de stuurtransistor.

De uitvinding berust op het inzicht dat de warmtedissipatie in de stuurtransistor van een eindtrap van het eerste 30 type bij lage belastingsstromen kan worden beperkt door te voorkomen dat de eindtransistor onnodig ver in verzadiging wordt gestuurd. De stuurtransistor hoeft in dat geval niet onnodig veel stuurstroom aan de eindtransistor te leveren zodat de dissipatie in de stuurtransistor lager wordt. Dit wordt bereikt door van de totale ingangsstroom van de 35 stuurtransistor een gedeelte af te voeren met behulp van een begrenzingstransistor, waarvan de basisemitterovergang wordt opengestuurd door de collectorbasisspanning van de te ver in verzadiging „8801103

If PHN 12.532 3 gestuurde eindtransistor en waarvan de collector is verbonden met de basis van de stuurtransistor.

De uitvinding wordt nader toegelicht aan de hand van bijgaande tekening, waarin 5 figuur 1 een eerste bekende transistorschakeling voor een eindtrap toont, figuur 2 een tweede bekende transistorschakeling voor een eindtrap toont, en figuur 3 een uitvoeringsvorm van een transistorschakeling 10 voor een eindtrap volgens de uitvinding toont.

Figuur 1 toont een bekende eindtrap met Darlingtontransistorpaar T1 en T2. T1 is de eindtransistor en T2 is de stuurtransistor. De eindtrap kan via aansluitpunt 2 een stroom II leveren door een belasting Rl vanuit een positief voedingsspanningspunt 15 1. Rl is in de praktijk een electromotor die, afhankelijk van zijn mechanische belasting, een grote of kleine stroom II veroorzaakt. De emitter van eindtransistor T1 is gekoppeld met een negatief voedingsspanningspunt 3 dat in dit voorbeeld aan massa is gelegd. De eindtrap wordt op ingangspunt 4, dat gekoppeld is met de basis van 20 stuurtransistor T2, tot in verzadiging aangestuurd door een stroombron Ii vanuit de positieve voedingsspanning. Elke andere aansturing die hetzelfde resultaat levert is echter ook mogelijk. Stroombron Ii wordt zodanig bemeten dat, bij minimale stroomversterking van de transistoren T1 en T2 en bij maximale belastingsstroom II, eindtransistor T1 in 25 verzadiging komt. In de praktijk wordt stroombron Ii in- en uitgeschakeld teneinde de motor te starten of te stoppen, dan wel van draairichting te laten omkeren. De verzadigingsspanning over T1 (VCESAT) bedraagt ongeveer 1 volt. Deze tamelijke hoge waarde is typerend voor een Darlingtontransistorpaar. Als veel stroom aan 30 belasting Rl moet worden geleverd, dan wordt nagenoeg alle stuurstroom Ii gebruikt om eindtransistor T1 in verzadiging te houden. De warmteontwikkeling in de eindtransistor is vrij hoog vanwege de hoge verzadigingsspanning VCESAT. De dissipatie in stuurtransistor T2 is naar verhouding gering en kan verwaarloosd worden. Als er weinig stroom moet 35 worden geleverd aan belasting Rl, dan is de dissipatie in de eindtransistor T1 gering. De nu naar verhouding veel te grote ingangsstroom Ii wordt door stuurtransistor T2 versterkt en aan de basis <8801103 'f

V

PHN 12.532 4 van de eindtransistor Tl toegevoerd. Omdat de collector van stuurtransistor T2 is doorverbonden met de lage collectorspanning van eindtransistor T1, blijft de dissipatie in de stuurtransistor gering. De Darlingtoneindtrap heeft dus een gunstig rendement bij lage 5 belastingstromen en een ongunstig rendement bij hoge belastingsstromen.

In figuur 2 wordt een andere bekende eindtrap getoond met eindtransistor T1 en stuurtransistor T2. De collector van stuurtransistor T2 is hier verbonden met voedingspunt 5, dat in dit voorbeeld met het positieve voedingsspunt 1 is verbonden. Alle overige 10 verwijzingen uit figuur 2 hebben dezelfde betekens als in figuur 1. Deze eindtrap heeft een veel lagere verzadigingsspanning VCESAT dan de Darlington uit figuur 1, namelijke ongeveer 0,3 volt. Bij hoge belastingsstroom II is de dissipatie in eindtransistor T1 daarom aanzienlijk geringer dan in die van de Darlingtoneindtrap. Omdat de 15 collector van stuurtransistor T2 aan een hogere spanning is aangesloten is de dissipatie in stuurtransistor T2 weliswaar groter dan in de stuurtransistor van de Darlingtoneindtrap maar hij is nog steeds klein ten opzichte van de dissipatie in de eindtransistor. Bij lage belastingsstroom II is de dissipatie in de eindtransistor T1 gering, 20 maar de nu naar verhouding veel te grote ingangsstroom Ii veroorzaakt een niet te verwaarlozen dissipatie in de stuurtransistor. Het rendement van de eindtrap van figuur 2 is hoog bij hoge belastingsstromen en laag bij lage belastingssstromen. Het is met de bekende schakelingen niet mogelijk de totale dissipatie van de eindtrap onder sterk wisselende 25 belastingen zo klein mogelijk te houden.

Figuur 3 toont een uitvoeringsvorm van een transistorschakeling volgens de uitvinding. De schakeling onderscheidt zich van die in figuur 2 door de toevoeging van een begrenzingstransistor T3, waarvan de basis is verbonden met de basis van 30 eindtransistor T1, de emitter met de collector van eindtransistor T1 en de collector is gekoppeld met de basis van stuurtransistor T1. Alle overige verwijzingen in figuur 3 hebben dezelfde betekenis als in figuur 2 of figuur 1. Bij hoge belastingsstroom II gedraagt de schakeling zich zoals die van figuur 2. Nagenoeg alle ingangsstroom Ii, versterkt door 35 stuurtransistor T2 is nodig om eindtransistor T2 in verzadiging te brengen en het rendement is hoog. Als de belastingsstroom II laag is, dan wordt eindtransistor T1 onnodig ver in verzadiging gestuurd door de .8801103 PHN 12.532 5 ψ overmaat aan ingangsstroom Ii. Het gevolg is dat de collectorspanning van eindtransistor T1 zover beneden zijn basisspanning daalt dat de basis-emitterovergang van begrenzingstransistor T3 in geleiding komt. Er gaat dan een collectorstroom Ic door begrenzingstransistor T3 lopen 5 vanaf de basis van stuurtransistor T2 naar de collector van eindtransistor T1 en via transistor T1 naar het negatieve voedingspunt 3. Van de beschikbare stroom Ii zal nu nog maar een gedeelte Ii-Ic overblijven als basisstroom Ib voor stuurtransistor T2. Hoe verder eindtransistor T1 in verzadiging wordt gestuurd, des te meer 10 begrenzingstransistor T3 gaat geleiden en des te kleiner de resterende basisstroom voor T2 wordt. Er stelt zich een evenwichtssituatie in die de basisstroom van de stuurtransistor en daardoor ook de dissipatie in de stuurtransistoren beperkt. Stroomaandeel Ic hoeft nu niet meer in versterkte vorm door de stuurtransistor gedissipeerd te worden, maar 15 vloeit af via de begrenzingstransistor en de eindtransistor. De daarbij ontwikkelde warmte in die twee transistoren is gering. De vermindering in dissipatie in de stuurtransistor is veel groter dan de vermeerdering in dissipatie in de begrenzingstransistor en de eindtransistor. Het rendement van de eindtrap is door toevoeging van begrenzingstransistor 20 T3 verbeterd bij lage belastingsstroom II.

De uitvinding is niet beperkt tot de getoonde uitvoeringsvorm. Er zijn binnen het kader van de uitvinding voor de vakman variaties mogelijk. Zo kunnen transistoren van tegengesteld geleidingstype worden toegepast of elk op zich worden vervangen door een 25 Darlingtontransistor. Verder kan de schakeling deel uitmaken van een groter geheel, bijvoorbeeld van een push-pulleindtrap. Er kunnen ook weerstanden in serie worden gezet met elke basis, emitter en collector van de getoonde transistoren, er kunnen weerstanden geschakeld worden over de basis-emitterovergang van elk der getoonde transistoren, en 30 tussen de emitter van transistor T2 en het negatieve voedingsspanningspunt 3 kan een stroombron geschakeld zijn zonder het wezen en de werking van de uitvinding aan te tasten. De belasting hoeft geen electromotor te zijn en de eindtrap kan ook deel uitmaken van een normalerwijze niet tot in verzadiging gestuurd systeem. Bijvoorbeeld in 35 audioversterkers met enkelvoudige of push-pulluitgangen. Bij ongewenste of onopzettelijke oversturing van dergelijke eindtrappen ontstaat feitelijk dezelfde situatie als bij tot in verzadiging gestuurde .8801103 * PHN 12.532 6 eindtrappen. De schakeling vqlgens de uitvinding beschermt in dat geval de eindtrap tegen buitensporige oversturing en beperkt de daarmee gepaard gaande dissipatie in de stuurtransistor.

„8801103

Claims (1)

1. \ $ PHN 12.532 7 Transistorschakeling bevattende: - een eindtransistor, voorzien van een emitter, basis en collector, - een stuurtransistor, voorzien van een emitter, basis en collector, waarvan de emitter is gekoppeld met de basis van de eindtransistor, 5. en middelen voor het begrenzen van een aan de basis van de stuurtransistor toegevoerde stuurstroom. met het kenmerk dat de middelen bevatten een derde transistor, voorzien van een emitter, basis en collector, waarvan de emitter is gekoppeld met de collector van de eindtransistor, de basis is gekoppeld met de basis 10 van de eindtransistor en de collector is gekoppeld met de basis van de stuurtransistor. .8801103