NO160040B - Koblingskrets for inn-og utkobling av en krafttransistor. - Google Patents

Description

Oppfinnelsens bakgrunn

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en koblingskrets for inn- og utkobling av en krafttransistor med en basis, en kollektor og en emitter, hvor koblingskretsen omfatter et drivsystem som er forbundet med transistorens basis for overføring av et signal som tilveiebringer en positiv eller negativ strøm til basis av transistoren slik at denne innkobles eller utkobles, og en krets som styrer drivsystemet og som består av en koblings-logikk som er forbundet med drivsystemet og som i en første funksjonstilstand styrer drivsystemet for overføring av et signal som tilveiebringer en positiv strøm til transistoren slik at denne innkobles, og som i en andre funksjonstilstand styrer drivsystemet slik at signaloverføringen til transistoren avbrytes som innledning til utkobling av transistoren.

Teknikkens stand

Krafttransistorer har funnet anvendelse i utstrakt grad

ved omkobling av strøm av høy spenning og styrke. En transistor som omkobles fra sperretilstand til ledetilstand vil påføres liten, om overhode noen, belastning grunnet bruken av basisstrøm som bevirker at transistoren leder belastningstrøm. Ved omkobling til sperretilstand av en transistor som i ledetilstand overfører høye belastningstrømmer, kan det imidlertid oppstå sekundærgjennombrudd i transistoren. Ved utkobling av transistoren reverseres basisstrømmens polaritet, for å eliminere ladningsbærere i tran-; sistorens basissone. Etter reverseringen av basisstrømmens polaritet, blir basisemittersjiktet ladet negativt i økende grad, hvorved kollektorstrømmen i sin helhet fokuseres i et smalt bånd i midten av den aktive emittersone. Denne fokusering av kollektor-strømmen i den aktive emittersone forårsaker et sekundærgjennombrudd i krafttransistoren.

Det er kjent demperkretser for momentan avleding av belast-ningstrømmen ved omkobling av transistoren fra ledetilstand til sperretilstand. Slike demperkretser omfatter typisk en parallell kombinasjon av en diode og en motstand som er koblet i serie med en kondensator mellom krafttransistorens kollektor og emitter. Ved reversering av basisstrømmens polaritet vil en del av belast-ningstrømmen avledes gjennom den ytre demperkrets, hvorved den totale kollektorstrøm nedbringes på et nivå godt under transistorens angitte gjennombruddsgrense.

Disse kjente demperkretser er beheftet med en rekke mangler. Under omkobling av transistoren fra ledetilstand til sperretilstand vil demperkretsen forårsake strømtap, og ved høye omkob-lingsfrekvenser vil en slik krets forbruke en stor del av den tilgjengelige kraft. Hvis den anvendes i forbindelse med transistorer i en brokrets, vil demperkretsen i tilknytning til en av transistorene dessuten frembringe store strømtransienter i den komplementære transistor i broen. For å unngå transistorsvikt på grunn av den store strømtransient som skyldes demperkretsene, vil det behøves ytterligere strømkretsanordninger såsom beskyt-telsesreaktorer og spenningsklammere. Slikt nødvendig ekstraut-styr er kostbart og plasskrevende, og vil ofte medføre ytterligere vanskeligheter.

Formålet med den foreliggende oppfinnelse er å frembringe en transistorkoblingskrets hvor ulempene i tilknytning til de tidligere kjente transistorkoblingskretser er eliminert.

Sammenfatning av oppfinnelsen

Koblingskretsen ifølge foreliggende oppfinnelse er kjenne-tegnet ved at koblingskretsen videre omfatter en metningsføle-krets for avføling av transistorens metningsnivå for frembringelse av et signal når transistoren oppnår en tilstand av kvasimetning, og at styrekretsen er koblet til metningsføle-kretsen og innrettet til i en tredje funksjonstilstand som reaksjon på kvasimetningssignalet fra metningsfølekretsen å styre drivsystemet slik at det overføres et signal som tilveiebringer en negativ strøm til transistoren når denne er i en lineær region, for hurtig utkobling av transistoren.

Ved en foretrukket utførelse av koblingskretsen er det inn- - koblet dioder i drivsystemet og til transistorbasisen for å hindre ansamling av overskudds-ladningsbærere i transistorens basis-region, når transistoren er innkoblet.

Videre omfatter drivsystemet en transformator for opprettelse av elektrisk isolasjon mellom transistoren og koblingslogikken.

Kort beskrivelse av tegningene

Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet i det etterfølgende under henvisning til de medfølgende tegninger, hvori: Fig. 1 viser et skjematisk diagram av en tidligere kjent demperkrets som anvendes i en krafttransistor. Fig. 2 viser en grafisk illustrasjon av strøm- og spennings-bølgeformene i krafttransistoren ifølge fig. 1. Fig. 3 viser et skjematisk diagram av den hurtige transistorkoblingskrets ifølge oppfinnelsen. Fig. 4 viser en grafisk illustrasjon av strøm- og spennings-bølgeformene i krafttransistoren ifølge fig. 3. Fig. 5 viser en skjematisk illustrasjon av en metnings-følerkrets.

Beskrivelse av den foretrukne utførelsesform

Det er i fig. 1 vist en krafttransistor 10 med en demperkrets 12 av kjent type. Transistoren 10 omfatter en basis 14,

en kollektor 16 som er forbundet med en belastning 18 og en emitter 20 som er forbundet med jord. Demperkretsen 12 innbefatter en parallell kombinasjon av en diode 22 og en motstand 24

som er innkoblet i serie med en kondensator 2 6 mellom kollektoren og emitteren i krafttransistoren 10. Transistoren 10 aktiveres og begynner å lede en belastningsstrøm, når en strøm IB overføres til basisen 14. Når transistoren 10 skal utkobles, reverseres polariteten for basisstrømmen hvorved basisladningsbærerne elimineres. Som det fremgår av bølgeformen i fig. 2, vil basisemitterspenningen V__, etter at basisstrømmen I_, skifter polaritet, bli negativ i økende grad, mens derimot kollektorstrøm-styrken Ic fortsatt er høy. Som følge derav vil kollektorstrømmen fokuseres i et smalt bånd i midten av den aktive emittersone, hvorved det oppstår et sekundærgjennombrudd i transistoren. Demperkretsen 12 forebygger sekundærgjennombrudd i transistoren

10 ved å omlede en del av belastningstrømmen, slik at den totale

kollektorstrømstyrke nedbringes godt under transistorens gjennombruddsgrense.

Selv om den forhindrer sekundærgjennombrudd i krafttransistoren 10 vil demperkretsen 12, ved høye frekvenser og ytel-sesnivåer, forbruke en stor del av den tilgjengelige kraft. Ved anvendelse i forbindelse med transistorer i en brokrets vil dessuten demperkretsen 12 i tilknytning til den ene transistor forårsake frembringelse av store strømtransienter i den komplementære transistor i broen.

Transistorkoblingskretsen ifølge den foreliggende oppfinnelse som er vist i fig. 3, tillater omkobling av en krafttransistor 28 fra lede- til sperretilstand ved høye hastigheter med minimalt krafttap og uten fremkalling av sekundærgjennombrudd i transistoren. Transistoren 28 omfatter en basis 30, en emitter 32 og en kollektor 34, hvor kollektoren er forbundet med en belastning som kan være induktiv slik det ofte forekommer i sterk-strømkretser. Transistoren 28 er aktivert for leding av belast-ningstrøm, ved overføring av basisstrøm fra en sekundærspole 35 i en transformator 36.

Ved hjelp av transformatoren 36 opprettes galvanisk isolasjon mellom transistoren 28 og transistorkoblingslogikken, generelt betegnet med 38, som befinner seg på transformatorens primærside. Koplingslogikken 38 er elektrisk isolert mot utgangs-effekten fra transistoren 28, og utgangsspenningene vil derfor ikke påvirke logikken. Hvis transformatoren 3 6 er anordnet som en strøm-opptransformator, vil det kunne frembringes høye sekundær-strømstyrker ved minimal strømbelastning på elementene på transformatorens primærside.

Strømtilførselssystemet for transformatoren 3 6 omfatter

en transistor 40, en induktor 42 og en diode 44 som drives av en integrertkretsregulator 46 i form av en strømregulator. Gjennom integrertkretsregulatoren overføres strøm til basisen i transistoren 40 hvis kollektor er forbundet med +V1 og dens emitter med induktoren 42. Strømstyrken spores av en motstand 48, og justeres av integrertkretsregulatoren, for overføring av en konstant, forutvalgt strømstyrke til transformatoren 3 6 gjennom induktoren 42 som er forbundet med midtpartiet av primærspolen 49 .

Koplingslogikken 38 innbefatter en transistor 50 og en transistor 52, hver for seg med kollektorer forbundet med mot-satte sider av primærspolen 4 9 i transformatoren 3 6 og med emit-tere som er forbundet med jord. Transistorene 50 og 52 inn- og utkobles ved hjelp av bølgeformer som overføres til de respektive basiser fra en bølgeform-generatorkrets 54. I avhengighet av transistorenes 50 og 52 lede-sperretilstand vil strøm som over-føres gjennom primærspolen 49 i transformatoren, fremkalle strøm som overføres gjennom sekundærspolen 35 i forskjellige retninger, eller bevirke at sekundærspolen slutter å lede, for inn- og utkobling av transistoren 28. Under styring av transistorene 50

og 52 vil transformatoren 3 6 således frembringe en driv- eller basisstrøm 1^ av en modifisert bølgeform som er vist i fig. 4,

og som atskiller seg fra den tidligere kjente basisstrømbølge-form Ib som er vist i fig. 2.

Krafttransistoren 28 aktiveres når transistoren 50 er innkoblet og transistoren 52 utkoblet. Idet strømmen overføres fra bølgeformgeneratoren 54 til basisen i transistoren 50, vil den magasinerte strøm i induktoren 42 overføres gjennom primærspolen 36 og til jord gjennom transistoren 50. Denne strøm som ledes gjennom primærspolen 49, fremkaller en positiv strøm i sekundærspolen 35 i transformatoren 36, som ledes gjennom en diode 56 til basisen i transistoren 28, som derved innkobles og innleder overføringen av belastningstrøm.

Styrken av den positive basisstrøm som ledes inn i transistoren 28 fra sekundærspolen 35 i transformatoren 36, bestemmes av belastningstrømstyrken. Ved små belastninger vil transistoren behøve meget liten basisstrøm for å mettes, og all overskudds-strøm fra sekundærspolen 3 5 blir automatisk avledet eller shuntet inn i transistorens 28 kollektor 34 gjennom en diode 58. Ved opptredende, høye belastningstrømmer vil kollektorens metnings-spenning øke og derved bevirke at dioden 58 leder mindre strøm og trykker mer drivstrøm inn i basisen 30 i transistoren 28. Diodene 58 og 56 forhindrer hardmetning av transistoren med derav følgende overskudd av ladningsbærere i transistorens 28 basis-region.

Under innledningsfasen, ved omkobling av krafttransistoren 28 fra lede- til sperretilstand, er transistoren 50 fortsatt aktivert og transistoren 52 innkobles ved overføring av basis-strøm fra bølgeform-generatoren 54. Den magasinerte strøm i induktoren 42 ledes gjennom primærspolen 49 til jord gjennom de to transistorer 50 og 52. Med de to transistorer 50 og 52 innkoblet, vil strømmen som overføres gjennom primærspolen 49 bevirke at ledingen gjennom sekundærspolen 35 opphører. Når over-føringen gjennom sekundærspolen 35 avbrytes, vil en del av basisladningen ledes til jord gjennom en motstand 60, med derav føl-gende gjenopprettelse av tilstanden i transistorens kollektor region. Samtidig vil kollektor-ladningsbærerne rekombineres og derved forhindre at strømmen fokuseres ved emitteren.

Det fremgår av fig. 4, at når basisstrømmen 1^ går mot null, vil basisemitterspenningen avta mot null og kollektorspenningen V„_ begynne å øke. Når kollektor-ladningsbærerne er til-CE

strekkelig rekombinert etter en tidsperiode T^f er transistoren 28 i en lineær region og kan utkobles meget hurtig. Dette tidsrom hvorunder kollektor-ladningsbærerne tillates å rekombineres, kan enten utgjøres av en innstilt tidsperiode eller av en tidsperiode som bestemmes av en metningsfølerkrets 62.

Ved overvåking av kollektorspenningen VCE bestemmer met-ningsf ølerkretsen 62 når kollektor-ladningsbærerne er tilstrekkelig rekombinert. Idet kollektorspenningen V„_ har nådd et kvasi-metningspunkt av tilnærmelsesvis 10-12 volt, avgir metningsføler-kretsen 62 et signal til bølgeform-generatorkretsen 54, hvorved transistoren 50 utkobles mens transistoren 52 fremdeles er aktivert. Med transistoren 52 innkoblet og transistoren 50 utkoblet, blir det i transformatorens 3 6 sekundærspole utviklet en strøm som ledes i motsatt retning, slik at det til transistoren 28 overføres en negativ basisstrøm som bevirker fjerning av restladningen fra transistorens 28 basis 30 gjennom en diode 64 og utkobling av transistoren 28. Det fremgår av fig. 4, at når polariteten for basisstrømmen 1^ reverseres, vil kollektorspenningen hurtig øke og transistoren 28 utkobles etter et tidsrom T2 som er meget kortere enn det tidsrom T3 som er angitt i fig. 2 i forbindelse med den kjente teknikk. Transistoren 28 vil således utkobles hurtig med minimalt krafttap.

Videre fremgår det av fig. 4 at når basisladningen elimineres, vil basisemittermotstanden øke, hvorved det opprettes en negativ spenning i basisemittersjiktet. For å unngå omvendt gjennombrudd i transistorens basisemitterregion, må den negative basisemitterspenning begrenses. Ved hjelp av en diode 65 som er innsjaltet mellom transistoren 40 og induktoren 42 i kraft-tilførselssystemet, avledes strømmen som frembringes av induktoren 42 når den reflekterte sekundærspenning er lik +V1, slik at strømmen i induktoren 42 kan følge friløpsbanen gjennom dioden 65 og transistoren 40. Denne friløpsbane som er opprettet ved hjelp av dioden 65, begrenser den maksimale basisemitterspenning til en akseptabel verdi. Når strømmen ledes langs friløpsbanen gjennom dioden 65 og transistoren 40, vil dessuten spenningen +V1 påtrykkes transformatoren 3 6 på en måte som bevirker at transformatorens kjernefluks tilbakestilles slik at kretsen er klar for den neste innkoblingssyklus.

Metningsfølerkretsen 62 er vist mer detaljert i fig. 5. Denne krets avføler metningsnivået for transistoren 28 ved overvåking av kollektorspenningen V^^. Hvis transistoren 28 av en

CE

eller annen grunn bringes ut av metningstilstanden, blir en negativ strømpuls frembrakt og overført til basisen i transistoren 28, hvorved transistoren hurtig utkobles som tidligere beskrevet.

For innkobling av transistoren 28 frembringer bølgeform-generatorkretsen 54 et høyt signal 68 som, ved å overføres til en vekselretter 70, avgir et lavt signal slik at transistoren 52 som er forbundet med vekselretteren 70 gjennom en bufferforsterker 72, forblir utkoblet. Det høye signal 78 overføres også til en engangs-multivibrator 73 for avgivelse av en puls 74 av en lengde som er tilstrekkelig til at transistoren 28 kan mettes innen pulsen avsluttes. Pulsen 74 som er inngang til en OR-port 76 som er forbundet med basisen i transistoren 50 gjennom en bufferforsterker 78, tjener for innkobling av transistoren 50.

Når transistoren 50 er innkoblet og transistoren 52 utkoblet,

vil transistorens drivkrets 80 som er vist i blokkdiagramform, frembringe en basisstrøm av positiv polaritet, for innkobling av krafttransistoren 28 som tidligere beskrevet.

Ved overføringen av basisstrøm blir transistoren 28 hurtig mettet. Metningstilstanden hos transistoren 28 spores ved hjelp av en opto-kobling 82 som er forbundet med kollektoren 34 i transistoren 28 gjennom en zenerdiode 84 som er koblet i serie med en motstand 86. Opto-koblingen innbefatter en lysutstrålingsdiode 88 som aktiverer en lysfølsom transistor 90 som er forbundet med jord gjennom en motstand 92. Utgangen fra opto-koblingen 82 som er null når transistoren 28 mettes, vil, ved a overføres til en inverterende inngangstilknytning 94 i OR-porten 70, bevirke at utgangen fra OR-porten blir for høy. Grunnet det høye signal fra OR-porten 70 vil transistoren 28 forbli innkoblet etter at pulsen 74 er opphørt, dersom transistoren 28 mettes innen pulsen avsluttes. Hvis transistoren 28 ikke mettes på grunn av overdreven belastningstrøm eller kortslutning, vil utgangen fra OR-porten 70 avta etter at pulsen 74 er opphørt, hvorved transistoren 50 og transistoren 28 utkobles for å unngå beskadig-else .

Når transistoren 28 skal utkobles, blir signalet 68 fra bølgeform-generatoren redusert og vil, ved å overføres til vekselretteren 70, frembringe et høyt signal som innkobler transistoren 52. I dette tidsrom er transistoren 50 fortsatt innkoblet som følge av den sperrefunksjon som utøves av OR-porten 70 når transistoren 28 er mettet. Når begge transistorer 50 og 52 er innkoblet, vil basisstrømmen fra drivkretsen 80 avta mot null som tidligere beskrevet.

Med basisstrøm lik null vil kollektorspenningen V„„ i transistoren 28 begynne å øke. Idet kollektorspenningen er steget til ca. 10-12 volt, motsvarende gjennombruddsspenningen for zenerdioden 84, begynner zenerdioden 84 å lede gjennom motstanden 86 og opto-koblingen 82. Den lysfølsomme transistor begynner å lede og frembringer et høyt signal som overføres til vekselretter-inngangstilknytningen 94 og derved bevirker at utgangen fra OR-porten 76 avtar. Under innvirkning av den lave utgang fra OR-porten 70 utkobles transistoren 50. Når transistoren 50

er utkoblet og transistoren 52 innkoblet, vil, som tidligere beskrevet, transistordrivkretsen 80 frembringe en negativ basis-strøm som, ved å overføres til transistoren 28, bevirker hurtig utkobling av transistoren.

Hvis det under den normale innkoblingsperiode for transistoren 28 oppstår en alvorlig overbelastning, eksempelvis en kortslutning, vil transistoren 28 bringes ut av metningstilstanden, og dette vil, etter å være sporet av metningsfølerkretsen 62, medføre at transistoren 50 utkobles og transistoren 52 innkobles, hvorved en negativ puls overføres til basisen i transistoren 2-8, for å avbryte ledingen gjennom transistoren, således fungerer metningsfølerkretsen også som overlastvern som beskytter kretsen mot ødeleggelse grunnet overdrevne belastningstrømmer.

Transistorkoblingskretsen ifølge fig. 3 kan modifiseres slik at transformatoren 3 6 kan anvendes for levering av likestrøm som overføres med korte avbrudd til trans.istoren 28. En slik modifisering innebærer at diodene 65 og 64 blir erstattet av silikonstyrte likerettere (SCRs) 65' og 64' som begge innbefatter en signalutvelgerinngang i overføringsforbindelse med bølgeform-generatoren 54. Hvis nevnte SCRs 65' og 64<*> utkobles mens transistoren 28 er innkoblet, blir friløpsbanen som tidligere er opprettet ved hjelp av dioden 65, eliminert og induktoren 42

vil frembringe en høyspenningstopp som vil forårsake meget rask tilbakestilling av kjernen i transformatoren 36. SCR 64' utkobles i løpet av dette tidsrom, slik at tilbakestillingspulsen blir uten innvirkning på transistoren 28.

Tilbakestillingstiden for transformatoren og varigheten

av den høyspenningstopp som frembringes av induktoren 42, er meget kort, jevnført med ledetiden for transistoren 28. Tilbakestillingspulsen vil ikke innvirke på metningen av transistoren 28, da ladningen som er magasinert i transistorens 28 basisre-gion, vil holde transistoren i funksjon under transistorens kortvarige tilbakestillingsperiode. Følgelig kan transformatoren 3 6 benyttes for avgivelse av likestrøm som overføres med korte avbrudd til transistoren 28 under transformatorkjernens tilbakestillingsperiode. Det kan således leveres kontinuerlig belast-ningstrøm. Når transistoren 28 skal utkobles, blir de førnevnte SCRs 64' og 65' aktivert ved hjelp av en styreinngang som avgis av bølgeform-generatorkretsen 54, og vil deretter fungere som vanlige dioder, hvis virkemåte er beskrevet i det foregående.

Ovenstående beskrivelse av spesielle utførelsesformer er illustrerende for den vidstrakte ramme for oppfinnelsen.

Claims (3)

1. Koblingskrets for inn- og utkobling av en krafttransistor (28) med en basis (30), en kollektor (34) og en emitter (32), hvor koblingskretsen omfatter et drivsystem (36,56,64) som er forbundet med transistorens (28) basis (30) for overføring av et signal som tilveiebringer en positiv eller negativ strøm til basis av transistoren slik at denne innkobles eller utkobles, og en krets (38) som styrer drivsystemet og som består av en kob-lingslogikk (50,52,54) som er forbundet med drivsystemet (36,56, 64) og som i en første funksjonstilstand styrer drivsystemet for overføring av et signal som tilveiebringer en positiv strøm til transistoren slik at denne innkobles, og som i en andre funksjonstilstand styrer drivsystemet (3 6,56,64) slik at signalover-føringen til transistoren avbrytes som innledning til utkobling av transistoren (28), karakterisert ved at koblingskretsen videre omfatter en metningsfølekrets (62) for av-føling av transistorens (28) metningsnivå for frembringelse av et signal når transistoren oppnår en tilstand av kvasimetning, og at styrekretsen (38) er koblet til metningsfølekretsen (62) og innrettet til i en tredje funksjonstilstand som reaksjon på kvasimetningssignalet. fra metningsfølekretsen (62) å styre drivsystemet slik at det overføres et signal som tilveiebringer en negativ strøm til transistoren (28) når denne er i en lineær region, for hurtig utkobling av transistoren.

2. Transistorkoblingskrets i samsvar med krav 1, karakterisert ved at det er innkoblet dioder (56,58) i drivsystemet (36,56,64) og til transistorbasisen (30) for å hindre ansamling av overskudds-ladningsbærere i transistorens (28) basis-region, når transistoren er innkoblet.

3. Transistorkoblingskrets i samsvar med krav 1, karakterisert ved at drivsystemet (36,56,64) omfatter en transformator (36) for opprettelse av elektrisk isolasjon mellom transistoren (28) og koblingslogikken. 4- Transistorkoblingskrets i samsvar med krav 3, karakterisert ved at en diode (65) er innkoblet mellom en transistor (40) og en induktor (42) i transformatorens (36) strøm-tilførselssystem, for begrensning av den maksimale negative basisemitterspenning i transistoren (28) når koblingslogikken befinner seg i den tredje funksjonstilstand.