DE2156744A1 - Schaltungsanordnung zur Steuerung von Gleichstromleistung - Google Patents

Schaltungsanordnung zur Steuerung von Gleichstromleistung

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DE2156744A1 DE19712156744 DE2156744A DE2156744A1 DE 2156744 A1 DE2156744 A1 DE 2156744A1 DE 19712156744 DE19712156744 DE 19712156744 DE 2156744 A DE2156744 A DE 2156744A DE 2156744 A1 DE2156744 A1 DE 2156744A1
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Description

DiPL-ING. KLAUS NEUBECKER .
Patentanwalt ■ ■ . 4 Düsseldorf 1 - Schadowpl. atz 9
Düsseldorf, 15. Nov. 1971
Westiughouse Electric Corporatioa
Pittsburgh, Pa., V.,St. A.
Schaltungsanordnung zur Steuerung von
Gleichstromleistung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf statische Gleichstroinleistungs-Steueranordnungen für den Einsatz in elektrischen Systemen.
In vielen Anwendungsfällen, wo bisher elektroniechanische Schalteinrichtungen verwendet wurden, besteht ein zunehmendes Interesse an der Verwendung von statischen Halbleiter-Schaltelementen, weil diese eine größere Zuverlässigkeit ■, beständigere Schalteigenschaften sowie weitere Vorteile haben. In elektrischen Systemen für Flugkörper spielt eine hohe Zuverlässigkeit eine besonders große Rolle. Im Gegensatz zu thermisch arbeitenden Schaltern, wie sie zur Zeit in herkömmlicher Weise verwendet werden, um die Leistung (Energie) an die verschiedenen Lasten des Systems zu liefern, sind statische Schaltelemente in der Lage, den Einschalt-
zu
strom/verringern, für einen sicheren Schutz der Last gegen Schaden 2iU sorgen, leicht zwischen verschiedenen Lasten umzuschalten und bei ernsthaften Fehlern extrem schnell abzuschalten. Diese Möglichkeiten gestatten eine bessere Optimierung des gesamten elektrischen Systems, weil die Bedingungen, denen die Lasten unterworfen sind, enger eingegrenzt werden können. Infolgedessen läßt sich insgesamt eine Verringerung des Gewichtes an Verbindungsdraht
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(O21I) aa
Telegramme Custopat
sowie Generatormaterial erzielen.
Es sind eine Vielzahl von Transistor-Schaltanordnungen bekannt. Sie erfordern jedoch allgemein leistungsintensive Steuerkreise, d.h. der Schaltungsteil, durch den das Signal an die Transistorbasis geliefert wird, um das Verhalten der Emitter-Kollektorstrecke zu steuern, erfordert unerwünscht große Leistungsmengen. Die vorliegende Erfindung ist das Ergebnis von Untersuchungen, die angestellt wurden, um statisch arbeitende Anordnungen aur Leistungssteuerung zu erhalten, die einen mit größerer Wirksamkeit als fe bisher arbeitenden Ansteuerungskreis sowie einen geringeren Schaltspannungsabfall als bisher haben.
Basisansteuerun^-Schaltungen nach dem Stand der Technik weisen freilaufende kern-zeitgesteuerte Oszillatoren auf, die von einer Konstantstromquelle gespeist sind, um den Leistungstransistor mit einem Basisstrom fester Größe zu speisen. Diese Lösung ist insofern ungünstig, als die Basisansteuerungsschaltung für mehr als 2/3 der gesamten Schaltleistungsverluste verantwortlich ist. Diese Verluste in der Basisansteuerungsschaltung sind unabhängig davon, ob der Laststrora Null ist oder aber seinen vollen Wert hat, gleich groß. Ferner ist das Leistungsverhalten von dem Arbeitsbereich der Eingangsspannung abhängig. Der maximale Wirkungsgrad P und Strom sind für eine Schaltung, die in einem Bereich von etwa 10 - 28 V arbeitet, geringer als für eine Schaltung, die in einem Bereich von etwa 20 - 28 V arbeitet, angenommen, daß beide bei Nennstrom für die angegebene Spannungsbedingung voll eingeschaltet sind.
Einige dieser Nachteile der Schaltungen nach dem Stand der Technik lassen sich mit Hilfe zusätzlicher Steuerkreise verringern, was jedoch zu einem weiter komplizierten Aufbau führt.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist die Schaffung einer Schaltungsanordnung für die Steuerung der Zufuhr von Gleichstromleistung von einer Quelle zu einer Last über Transistoren, bei der der Basis an steuerungsstrom dem GIeich-Laststrom proportional und gegenüber
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.2 1 5 P '7 L L
- 3 Schwankungen der Speisespannung unempfindlich ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Schaltungsanordnung zur Steuerung der Zufuhr von GleichstromIeistung von einer Quelle zu einer Last erfindungsgemäß gekennzeichnet durch erste und zweite statische Schaltelemente mit jeweils einer ersten, zweiten und dritten Elektrode, einen Transformator mit einem sättigbaren Kern, einem Primärkreis und mindestens einem Sekundärkreis, wobei der Primärkreis zwei Wicklungsteile mit jeweils mindestens einer zwischen eine Gleichspannungsquelle und jede der ersten Elektroden der statischen Schaltelemente geschalteten Windung aufweist, während der Sekundärkreis zwei Wicklungsteile enthält, die jeweils eine Mehrzahl zwischen die zweiten und dritten Elektroden der statischen Schaltelemente geschalteter Windungen haben,sowie dadurch, daß die zweiten Elektroden an unterschiedliche Stellen der Wicklungsteile des Sekundärkreises angeschlossen sind, um Ansteuerungssignale zur abwechselnden Änderung des Zustande der statischen Schaltelemente zu erhalten, wenn der Transformatorkern in die Sättigung geht, sowie dadurch, daß die dritten Elektroden der statischen Schaltelemente gemeinsam an eine Stelle zwischen den Wicklungsteilen des Sekundärkreises und der Last geschaltet sind.
Die vorstehend beschriebene Schaltungsanordnung bleibt in Betrieb, wenn die Verstärkung der Schaltelemente größer als das Windungsverhältnis zwischen den Sekundär- und Primärwicklungen ist. Um eine Aufrechterhaltung des Betriebs bei Nichtbelastung zu gewährleisten, außerdem über eine Möglichkeit zu verfügen, den Schalter zu sperren, ist auf der Sekundärseite des Transformators eine zusätzliche Wicklung vorgesehen, die mit einer Einrichtung zur unabhängigen Steuerung der Ein- bzw. Abschaltung des Ansteuerungsstroinkreises in Verbindung steht.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren nach dem Stand der Technik stellt die vorliegende Erfindung einen Basisansteuerungskreis zur Verfügung, der nur Io - 2Q % der gesamten Schaltleistungsverluste ausmacht. Mit Abnahme des Laststroms nehmen auch die An^
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Steuerungsverluste nahezu proportional ab. Die Werte des Ansteuerungsstroms sowie die Ansteuerungsverluste bleiben durch Schwankungen in der Speisespannung praktisch ünbeeinträchtigt. Infolgedessen wird mit dem Schaltungsaufbau nach der vorliegenden Erfindung einem echten Bedürfnis nach einer wirksamen Transistor-Basissteuerung genügt, wie es insbesondere im Zusammenhang mit elektrischen Systemen für Flugzeuge bzw. ganz allgemein Flugkörper auftritt, wo für einen einzigen Flugkörper Hunderte von Gleichstromleistung-Steueranordnungen benötigt werden. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung g^ndsätzlich einen wesentlich weiteren Anwendungsbereich als nur für die Steuerung der Leistung an Bord von Flugkörpern hat, wie das für den einschlägigen Fachmann ohne weiteres ersichtlich ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 schematisch ein Schaltbild einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ein Diagramm mit mehreren Kurvenzügen, die die Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 1 veranschaulichen; und
Fig. 3 schematisch ein Schaltbild eines Teils der Schaltungsanordnung der Fig. 1.
Im einzelnen zeigt Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine Gleichspannungsquelle 10, die eine Spannung Vcc liefert, über eine die statische Schalteinrichtung aufweisende Anordnung 14 an eine Last 12 angeschlossen ist. Als statische Schaltelemente dienen Halbleiterelemente mit drei Anschlüssen, vorzugsweise Transistoren, wie sie mit Ql bzw. Q2 bezeichnet sind. Die beiden Transistoren sind einander parallelgeschaltet und liegen über Leiter 16 und 17 zwischen der Gleichspannungsquelle 10 und der Last 12. Ein Transformator T weist einen sättigbaren Kern und einen Primärkreis auf, der eine Windung mit Anschlüssen
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1, 2 sowie eine Windung mit Anschlüssen 3, 4 enthält, die jeweils mit der Kollektor-Emitterstrecke des Transistors Ql bzw, des Transistors Q2 in Reihe geschaltet sind.
Der Schalt-Anordnung 14 ist ein Transistor-Basisansteuerkreis 18 zugeordnet, der den Sekundärkreis des Transformators T enthält. Parallel zu den Basen der Transistoren Ql, Q2 sind mehrere Windungen mit den Anschlüssen 5, 7 sowie einer Mittelanzapfung 6 geschaltet, wobei die Mittelanzapfung 6 gemeinsam an einer Elektrode der beiden Transistoren Ql, Q2 sowie über den Leiter 17 an der Last 12 liegt. Bei dem wiedergegebenen Ausführungsbeispiel sind die Transistoren mit ihrem Kollektoren an die Gleichspannungsquelle 10, mit ihren Emittern dagegen gemeinsam an die Last 12 angeschlossen.
Bei Betrieb sind die Transistoren Ql und Q2 abwechselnd leitend, wobei sie jeweils eine relative Einschaltdauer von 50 % haben. Wenn der Transistor Ql sich im eingeschalteten Zustand befindet, fließt Strom durch die einzelne Windung mit den Anschlüssen 1, 2, die die Primärwicklung des Transformators T bildet. In einem Teil der Sekundärwicklung mit den Anschlüssen 5, 6 fließt dann ein Sekundärstrom, dessen Größe gleich dem Laststrom geteilt durch das Windungsverhältnis der Sekundärwicklung zur Primärwicklung N(5 6)^(1 2) ist· Wenn das Windungsverhältnis kleiner als der Verstärkungsfaktor (beta) des Transistors Ql ist, so wird genügend Basissteuerstrom an den Transistor Ql geliefert, um diesen im leitenden Zustand zu halten. Wenn das Windungsverhältnis größer als der Verstärkungsfaktor des Transistors Ql ist, kann dirch einen Steuerkreis 20 über eine zusätzliche Wicklung mit Anschlüssen 8,9 auf der Sekundärseite des Transformators ein zusätzlicher Strom abgegeben werden, der eine vollständige Sättigung des Transistors Ql sicherstellt.
Es sei angenommen, daß die Schaltanordnung sich selbst im leitenden Zustand hält, so daß der Stromfluß durch den Transistor Ql anhält, bis der Transformator Tl in die Sättigung geht. Unmittelbar nach Erreichen der Sättigung ändert der Kreis seinen Zustand,
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so daß Q2 durch Strom, der von der Transformatorwicklung mit den Anschlüssen 6, 7 auf der Sekundärseite abgegeben wird, in den leitenden Zustand übergeht.
Mit Fig. 2 ist die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung veranschaulicht. Für alle fünf Kurvenzüge ist der Strom in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen worden. Der oberste Kurvenzug gibt den von dem Transistor Ql geführten Kollektorstrom wieder. Der zweite Kurvenzug zeigt den von dem Transistor Q2 geführten Kollektorstrom, der jeweils im Wechselspiel mit dem Strom durch den Transistor Ql auftritt. In gleicher Weise zeigen der dritte und der vierte Kurvenzug den Verlauf des von dem Stromrückkopplungstransformator-Basisansteuerkreis an die Basen der Transistoren Ql bzw. 2 gelieferten Basisstroms. Der fünfte Kurvenzug gibt den insgesamt an die Last gelieferten Strom wieder. Für alle Kurvenzüge entspricht die durchgehende Linie dem bei Vollast auftretenden Strom, während die gestrichelte Linie der Stromführung bei nur teilweiser Belastung entspricht und dabei eine quantitative Aussage über den Abfall des Ansteuerstroms bei verringerter Last gibt, Der leitende Zustand der Transistoren Ql und Q2 tritt jeweils bis zur Sättigung des Transformators in beiden Magnetisierungsrichtungen auf. Die Schaltungsanordnung schaltet in dieser Weise ähnlich der Arbeitsweise eines kern-zeitgesteuerten Oszillators, beispielsweise eines Royer-Oszillators weiter, ohne jedoch so viel Leistung für ihre Ansteuerung zu erfordern. Der Basisstrom der Transistoren läßt sich wie folgt ausdrücken:
τ = 1LaSt · N(l,2) d 1LaSt ·Ν(3,4) B W^J) ~ HT^TT2— '
so daß er für jeden Wert des Laststroms ein kleiner Bruchteil desselben sein kann.
Wenn das Windungsverhältnis so gewählt ist, daß es geringfügig niedriger als der Verstärkungsfaktor der Transistoren für den ungünstigsten Fall ist, so liefert der Schalter automatisch für jeden Lastzustand unabhängig von Schwankungen der Bingangsspannung den richtigen Steuerstrombetrag. Dieses Verhalten ist im
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Hinblick auf Anforderungen wünschenswert, die bei der Fehlerbeseitigung zu stellen sind. Es können hohe Fehlerströme fließen, ohne daß deshalb der Aufbau des Steuerkreises komplizierter würde.
Nach seiner Einschaltung bleibt der Schaltkreis leitend, bis der Laststrom unter einen Haltestromwert abfällt oder durch eine Klemmschaltung in einem unabhängigen Steuerkreis 20, wie er in Fig. 1 allgemein angedeutet ist, beendet wird. Der Wert des Haltestroms wird durch Verluste im Transformator und Verstärkungsverluste in den Transistoren bei niedrigen Stromwerten bestimmt. Aus dem letztgenannten Grund ist es notwendig, dem System über die zusätzliche Sekundärwicklung mit den Anschlüssen 8, 9 eine kleine Energiemenge zuzuführen, um auch bei fehlender Belastung den leitenden Zustand aufrechterhalten zu können. Ferner müssen, da der Schaltkreis in anderer Weise selbsthaltend sein kann, Hilfsmittel vorgesehen sein, um den Schalter zu sperren.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Start-/Stop-Steuerkreises 20, wie er in Verbindung mit der Anordnung der Fig. 1 eingesetzt werden kann. Der Schaltkreis weist vier Transistoren Q3, Q4, Q5 und Q6 auf, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als pnp-Tx ansistoren ausgebildet und sämtlich mit ihren Emittern an die Gleichspannungsquelle 10 angeschlossen sein können. Der Kollektor des Transistors Q3 liegt über einen Widerstand R2 an der Basis des Transistors Q4 sowie dem Kollektor des Transistors Q6. Der Kollektor des Transistors Q4liegt über einen Widerstand Rl an der Basis des Transistors Q3 und dem Kollektor des Transistors Q5. Die Basen der Transistoren Q5 und Q6 stehen über Widerstände R4 und R5 mit einem weiteren Widerstand R6 in Verbindung, der mit seinem anderen Ende an der Gleichspannungsquelle 10 liegt.
Die Transistoren Q3, Q4, Q5 und Q6 bilden somit drei Strompfade 22, 23 und 24, in die jeweils eine Diode CR2, CR3 bzw. CR4 geschaltet ist, so daß jeweils nur in einer gemeinsamen Richtung Strom zu dem Kollektor eines weiteren Transistors Q7 fließen kann, der als npn-Transistor ausgebildet ist und mit seinem Emitter an Masse liegt, während seine Basis durch ein Ein-/Aus-Steuersignal
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beaufschlagt werden kann. Die Transformatorwicklung mit den Anschlüssen 8, 9 ist parallel zu den Strompfaden 22 und 23 geschaltet. Eine Mittelanzapfung dieser Wicklung mit den Anschlüssen 8, 9 liegt über eine Parallelschaltung aus einem Widerstand R3 und einer Kathode CRl an Masse, an die auch der Emitter des Transistors Q7 gelegt ist, über einen Kondensator Cl dagegen an der Gleichspannungsquelle Io.
Wenn die Basis des Transistors Q7 kein Eingangssignal erhält, sperrt der Transistor Q7, so daß kein Basissteuerstrom zu den Transistoren Q5 und Q6 gelangt und diese ebenfalls sperren. In diesem Zustand schwingt der Schaltungsaufbau mit den Transistoren Q3, Q4, Rl, R2, R3, Cl sowie dem Transformator in der für einen strombegrenzten Royer-Oszillator bekannten Weise. Der Wert des Widerstandes R3 und die Windungszahl der Transistor-Wicklung mit den Anschlüssen 8, 9 sind so gewählt, daß die Transistoren Ql und Q2 einen kleinen Basissteuerstrom erhalten, wobei dem speziellen Wert der Spannung Vcc Rechnung getragen wird.
Wenn die Basis des Transistors Q7 ein Steuersignal erhält, geht der Transistor Q7 in den Sättigungszustand, was dann ebenso für die Transistoren Q5 und Q6 gilt. Im gesättigten Zustand machen die Transistoren Q5 und Q6 den Royer-OszilWbor unwirksam, während die Diodengleichrichter und der Transistor Q7 einen Strompfad bilden, der eine Löschung verursacht und die Schaltleistung von Ql und Q2 fernhält. Der Schalter bleibt gesperrt, bis das die Basis des Transistors Q7 beaufschlagende Signal entfernt wird.
Zur weiteren praktischen Erläuterung der Erfindung wird nachstehend eine Tabelle verschiedener Bauelemente gegeben, die sich bei der Verwirklichung der Erfindung einsetzen lassen;
Tabelle
Transformator Tl Transistoren Ql und Q2
Magnetics Inc. Typ 5OO56-1D
Westinghouse Typ 1763-1020 oder 1763-1010
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Vcc
RL Lastwiderstand
Primärwicklungen mit den Anschlüssen 1, 2 und 3, 4
Sekundärwicklungen mit den Anschlüssen 5, 6 und 6, 7
Sekundärwicklung mit den Anschlüssen 8, 9 Transistoren Q3, Q4, Q5, Q6 Transistor Q7
Widerstände Rl und R2 Widerstand R3
Widerstände R4, R5 und R6 CRl und CR4
CR2 und CR3
Cl
30 V (Gleichspannung) 3 Ohm jeweils 1 Windung
jeweils zehn Windungen insgesamt 120 Windungen
2N2904A 2N2102 3 kOhm, 0,5 W 510 Ohm, 1 W 20 kOhm, 0,5 W 1N4003 Westinghouse Typ 388A
35 V (Gleichspannung)
Durch Einsatz der Erfindung wird der Leistungsverlust durch Herabsetzung der Verluste in dem Basissteuerstrom um 80 - 90 % bei Vollast erheblich verringert. Beispielsweise wurde der beschriebene Schaltungsaufbau mit einer meßbaren Verlustleistung von 0,15 W betrieben, gegenüber einem gleichwertigen Basissteuerkreis mit festem Basissteuerstrom, bei dem die Verlustleistung 1,2 W betrug. Diese Vergleichszahlen gelten für den Zustand voller Belastung. Bei Betrieb mit nur halber Vollast ergibt sich sogar eine noch weitergehende Verbesserung in der prozentualen Verringerung der Verlustleistung. Dies ist in hohem Maß wünschenswert, um eine maximal mögliche Wirksamkeit unter Leerlaufbedingungen zu erzielen, wie sie für derartige Anordnungen über Zeitabschnitte erheblicher Länge maßgeblich sein können.
Patentansprüche«
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Claims (1)

  1. Patentansprüche;
    >Schaltungsanordnung zur Steuerung der Zufuhr von Gleichstromleistung von einer Quelle zu einer Last, gekennze ic hn e t durch erste und zweite statische Schaltelemente mit jeweils einer ersten, zweiten und dritten Elektrode, einen Transformator mit einem sättigbaren Kern, einem Primärkreis und mindestens einem Sekundärkreis, wobei der Primärkreis zwei Wicklungsabschnitte mit jeweils mindestens einer zwischen eine Gleichspannungsquelle und jede der ersten Elektroden der fe statischen Schaltelemente geschalteten Windung aufweist, während der Sekundärkreis zwei Wicklungsabschnitte enthält, die jeweils eine Mehrzahl zwischen die zweiten und dritten Elektroden der statischen Schaltelemente geschalteter Windungen haben, sowie dadurch, daß die zweiten Elektroden an unterschiedliche Stellen der Wicklungsabschnitte des Sekundärkreises angeschlossen sind, um Ansteuerungssignale zur abwechselnden änderung des Zustands der statischen Schaltelemente zu erhalten, wenn der Transformatorkern in die Sättigung geht, und daß die dritten Elektroden der statischen Schaltelemente gemeinsam an eine Stelle zwischen den Wicklungsabschnitten des Sekundärkreises und der Last geschaltet sind.
    ψ 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator einen zweiten Sekundärkreis aufweist, der an eine Einrichtung zur unabhängigen Steuerung der Schaltwirkung der ersten und zweiten Schaltelemente angeschlossen ist.
    3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die statischen Schaltelemente Transistoren und die zweiten Elektroden die Basiselektroden dieser Transistoren sind.
    4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren zwischen ihrer Basiselektrode und den Kollektoren jeweils eine Verstärkung haben, die um einen be-
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    215R7AA - li -
    stimmten Wert größer als das Verhältnis zwischen den Windungen eines der Abschnitte des Sekundärkreises zu einem der Abschnitte des Primärkreises ist.
    5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 und 3, 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur unabhängigen Steuerung der Schaltwirkung der Transistoren einen ersten, zweiten, dritten sowie vierten Transistor gleicher Polarität, jeweils mit einem Emitter, einer Basis sowie einem Kollektor aufweist, daß die Emitter des ersten, zweiten, dritten sowie vierten Transistors (Q3,4, 5, 6) gemeinsam an die GIeichspannungsque He (10) angeschlossen sind, während der Kollektor des ersten Transistors (Q3) unmittelbar an die eine Seite des zweiten Sekundärkreises und über einen Widerstand (R2) an die Basis des zweiten Transistors (Q4) sowie den Kollektor des dritten Transistors (Q6) angeschlossen ist, daß der Kollektor des zweiten Transistors (Q4) unmittelbar an die andere Seite des zweiten Sekundärkreises und über einen Widerstand (Rl) an die Basis des ersten Transistors (Q3) sowie den Kollektor des vierten Transistors (Q5) angeschlossen ist, daß die Basen des dritten und vierten Transistors (Q6, Q5) über Widerstände (R5, R4) miteinander und über einen weiteren Widerstand (R6), dessen eines Ende an dem Verbindungspunkt der beiden Widerstände (R4, R5) liegt, an die Gleichspannungsquelle (10) angeschlossen sind, daß ein fünfter Transistor (Q7) von zur Polarität des ersten, zweiten, dritten sowie vierten Transistors entgegengesetzter Polarität mit seinem Kollektor über drei gleichgepolte Dioden (CR2, CR3, CR4) an die beiden Enden des Sekundärkreises sowie den Verbindungspunkt zwischen den beiden an den Basen des dritten und vierten Transistors (Q6, Q5) liegenden Widerständen (R5, R4) angeschlossen ist, daß der Emitter des fünften Transistors (Q7) mit dem Mittelpunkt des zweiten Sekundärkreises verbunden ist und daß die Basis des fünften Transistors mit EIN-/AUS-Steuersignalen beaufschlagbar ist.
    KN/sb 3
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    Leerseite
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