DE3040365C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung nach dem Ober­ begriff des Patentanspruches 1.

Zur Erzeugung stabilisierter Spannungen aus einer vorhan­ denen Gleichspannung (Batterie- oder gleichgerichtete Netzspannung) werden in zunehmendem Maße pulslängenge­ regelte Transistor-Eintakt- oder -Gegentaktwandler ver­ wendet. Soll der Wandler in einem großen Lastbereich (Leerlauf, Voll-Last, Kurzschluß) arbeiten, so müssen die Schaltimpulse des Wandler-Leistungstransistors bei konstanter Schaltfrequenz in ihrer Länge stark variiert werden. Bei sehr kurzen Impulsen (Leerlauf oder Kurz­ schluß) ist dabei die Speicherzeit des Transistors sehr hinderlich. Das ist diejenige Zeit, welche der Transistor benötigt, um beim Eintreffen des Abschaltbefehles an sei­ ner Basis tatsächlich zu sperren, d. h. von der Stromfluß­ phase in die Sperrphase überzugehen.

Es ist bekannt (DE-AS 27 15 133 und DE-OS 29 38 122), die Speicherzeit dadurch zu verkürzen, daß der Schalt­ transistor mindestens am Ende jeder Stromflußphase nur mit einem soweit verminderten Basisstrom betrieben wird, daß nicht die volle Sättigung, sondern nur die sogenann­ te Quasisättigung erreicht wird. Zu diesem Zweck muß der Basisstrom zumindest gegen Ende der Stromflußphase auf einen Höchstwert begrenzt werden. Dies kann dadurch er­ reicht werden, daß in dem zur Basis führenden Steuersi­ gnalweg zwischen einem Schaltungspunkt und der Basis ein Widerstand und/oder ein in Durchlaßrichtung gepolter Halbleiterübergang (beispielsweise Diode oder Basis- Emitter-Strecke eines Transistors) geschaltet wird und außerdem von dem Schaltungspunkt ausgehend zum Kollektor des Transistors ein in Durchlaßrichtung ge­ poltes Ventil geschaltet ist. Über dieses Ventil fließt dann nämlich überschüssiger Basisstrom zum Kollektor ab, wenn die Kollektorspannung zu weit absinkt, wenn also der Transistor zu weit in die Sättigung gerät.

Aus den beiden obengenannten Druckschriften ist es außerdem bekannt, einen der Basis vorgeschalteten Wi­ derstand durch einen Kondensator zu überbrücken, um einerseits die Durchschaltung des Transistors zu be­ schleunigen (weil der Kondensator während der Einschalt­ flanke den Widerstand kurzschließt), aber andererseits auch eine beschleunigte Ausräumung von Ladungsträgern an der Basis des Transistors am Ende der Stromflußphase (also beim Übergang zum Sperrzustand) herbeizuführen, weil dann nämlich der Kondensator während der Stromfluß­ phase auf den Spannungsabfall am Widerstand aufgeladen ist, seine Spannung aber beim Eintreffen des Abschaltsi­ gnales für den Transistor nicht schnell ändern kann, wegen einer verhältnismäßig langen Entladezeitkonstante bei der Ent­ ladung über den Widerstand; das Potential an der Basis wird daher beim Eintreffen des Abschaltsignals schlagar­ tig viel stärker verändert als ohne den Kondensator.

Schließlich ist es aus der genannten DE-AS 27 15 133, Fig. 2, auch noch bekannt, zur bescheunigten Durchschal­ tung des Schalttransistors in seinem Laststromkreis die Primärwicklung eines Stromwandlers vorzusehen, dessen Sekundärstrom der Basis des Schalttransistors zugeführt wird.

Da die als Schalttransistor verwendbaren Leistungstran­ sistoren eine verhältnismäßig kleine Stromverstärkung haben, wird zur Ansteuerung viel Strom benötigt. Bei den bekannten Schaltungen werden daher für die Ansteuerschal­ tung mehrere Transistoren oder zumindest ein leistungs­ starker Transistor benötigt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, den Stromverbrauch der An­ steuerschaltung zu verringern.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Steuerschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Eine vorteilhafte Weiterbildung ist im Unteranspruch angegeben.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel wird anhand der Zeich­ nung beschrieben.

Im Prinzip bekannt ist, daß einem Ein­ gang 1 für die pulslängenmodulierten rechteckförmigen Steuersignale ein Transistor T 1 als Stromquelle nachge­ schaltet ist, dem ein Schaltungspunkt 2 folgt. Von hier­ aus führt eine Diode G 1 zur Basis eines Leistungs-Schalt­ transistors T 2 und eine Diode G 2 zum Kollektor 3. Durch die Einschaltflanke eines positiven Impulses am Eingang 1 wird die Einschaltphase des Transistors T 2 dadurch einge­ leitet, daß zunächst der Transistor T 1 durchschaltet und damit einen Basisstrom I 5 für den Transistor T 5 liefert. Damit der Transistor T 2 nicht zu stark in die Sättigung gerät, leitet die Diode G 2 einen Teil des Basisstroms zum Kol­ lektor 3 ab, so daß der Transistor T in der Quasisätti­ gung bleibt.

Um die Stromflußphase des Transistors T 2 schnell beenden zu können, ist an den Eingang 1 die Basis eines weiteren Transistors T 3 angeschlossen, der zu leiten beginnt, wenn am Eingang 2 das Potential am Ende eines Einschaltimpulses absinkt. Ein Kondensator C 1, der während der Stromflußpha­ se u. a. am Spannungsabfall an der Diode G 1 aufgeladen worden ist, wird dann plötzlich mit seinem in der Zeichnung linken Belag an das Potential der Masse M gelegt, so daß das Potential an der Basis des Transistors T 2 stark nach negativen Werten verschoben wird, was zu einer schnellen Ausräumung von Ladungsträgern an der Basis und damit zu einer schnellen Sperrung des Transistors T 2 führt.

Im Prinzip ebenfalls bekannt ist ein Stromwandler W, des­ sen Primärwicklung im Laststrompfad des Transistors T 2 liegt, welcher den Kollektorstrom Ic führt, der von einer positiven Spannungsquelle U 2 durch einen Lastwiderstand Ro fließt. Der Sekundärstrom I 2 des Stromwandlers wird der Basis des Transistors T 2 zur Beschleunigung des Durch­ schaltens zugeführt.

Neu gegenüber dem Bekannten ist nun hauptsächlich, daß der Sekundärstrom I 2 in den Steuersignalweg 1-4-2 bereits an einer Einmündung 4 fließt, die in Signalflußrichtung vor dem Schaltungspunkt 2 liegt, und daß dieser Strom I 2 auch diejenigen widerstandsbehafteten Bauelemente G 1, G 4, G 5 durchfließt, an deren Spannungsabfall während der Strom­ flußphase der Kondensator C 1 aufgeladen wird. Auf die­ se Weise wird während der ganzen Stromflußphase der Kol­ lektorstrom Ic mit Hilfe des Stromwandlers W in den Ba­ siskreis des Transistors T 2 transformiert. Somit ist der Basisstrom lastabhängig und proportional zum Kollektor­ strom. Das Übersetzungsverhältnis des Stromwandlers W entspricht der minimalen Stromverstärkung des Transistors T 2.

Neu gegenüber dem Bekannten ist auch ein zwischen die Stromquelle T 1 und die Einmündung 4 in Reihe zu einem Widerstand R geschalteter Kondensator C. Durch ihn ge­ langt beim Einschalten des Transistors T 1 nur ein Stromim­ puls I 1 zur Basis des Transistors T 2 und der restliche Basisstrom wird für die Dauer der Einschaltzeit dann von der Sekundärwicklung des Stromwandlers W geliefert. Auf diese Weise, d. h. durch die gleichzeitige Anwendung des Stromwandlers W und des Kondensators C, braucht die Strom­ quelle T 1 nur jeweils einen kurzzeitigen Einschaltstrom I 1 zu liefern.

Unter dem Schaltbild sind die zeitlichen Verläufe der ver­ schiedenen Spannungen und Ströme angegeben: Die Steuer­ spannung Ue am Eingang 1 hat eine Einschaltflanke zur Zeit t 1 und eine Ausschaltflanke zur Zeit t 2. Daraus resultiert ein kurzzeitig von t 1 bis t 3 auftretender Einschaltstrom I 1 durch den Transistor T 1 und den Kondensator C und ein last­ abhängiger Sekundärstrom I 2 durch den Wandler W von t 1 bis t 4. Die Abhängigkeit dieses Stromes von der Größe des Last­ widerstandes ro ist durch eine zusätzliche gestrichelte Li­ nie gekennzeichnet. Die Zeitdifferenz zwischen t 4 und t 2 entspricht der Speicherzeit des Transistors T 2. Aus der positiven Hilfsspannungsquelle U 1 braucht also im wesent­ lichen nur die Einschaltstromspitze I 1 geliefert zu wer­ den. In vielen Anwendungsfällen kann man deshalb auf die Hilfsspannung U 1 ganz verzichten, wenn die Ansteuerschal­ tung (T 1) direkt von der Betriebsspannung U 2 gespeist wird.

Zur Abschaltung von T 2 wird T 1 zum Zeitpunkt t 2 gesperrt und T 3 leitend geschaltet. Durch T 3 fließt daher in der Zeit von t 2 bis t 4 ein Strom I 3, der sich zusammensetzt aus dem Ausräumstrom an der Basis von T 2, der über den Kondensator C 1 abfließt, und dem noch bis zum Zeit­ punkt t 4 weiterfließenden Strom I 2. Die Entladezeitkon­ stante des Kondensators C 1 (dessen Aufladezeitkonstante durch die Stromeinspeisung über T 1 kurz ist) ist so lang, daß die Basis von T 2 auch während der Sperrphase negativ vorgespannt bleibt. Bei einem Hochspannungstran­ sistor kann der Basis eine Induktivität vorgeschaltet werden.

Von t 3 bis t 2 fließt überschüssiger Basisstrom I 4 über die Diode G 2 zum Kollektor 3 ab. Den resultierenden Ba­ sisstrom für den Transistor T 2 zeigt dann der Verlauf des Stromes I 5.

Wie weit der Transistor T 2 in die Quasisättigung ge­ steuert wird während der Stromflußphasen, kann noch dadurch beeinflußt werden, daß der Anodenanschluß der Diode G 2 vorverlegt wird zur Anode der Diode G 5 bzw. G 4, wodurch die Restspannung von T 2 um eine bzw. zwei Diodenschwellspannungen erhöht werden kann.

Der Sekundärstromkreis des Stromwandlers W bietet noch die Möglichkeit eines Überstromschutzes für den Lei­ stungstransistor T 2. Hierzu wird an einem Widerstand R 1 eine für einen Überstrom repräsentative Spannung abgegrif­ fen und einem Schwellenschalter S zugeführt, welcher den Eingang 1 im Falle eines Überstromes kurzschließt, und zwar für den Rest der Stromflußphase. In der darauf folgenden Impulspause (also nach der Zeit t 2) wird der Schwellen­ schalter S wieder geöffnet, so daß beim nächsten Einschalt­ impuls T 2 wieder durchgeschaltet werden kann. Der Schwel­ lenschalter S kann durch eine Transistorkombination oder einen schnellen Thyristor verwirklicht werden. Ein solcher Überstromschutz ist deswegen besonders schnell und wirk­ sam, weil er auf kurzem Weg direkt in die Ansteuerung am Eingang 1 eingreift.

Die Vorteile der gezeigten Schaltungsanordnung bestehen insbesondere darin, daß der Basisstrom I 5 immer der Last Ro angepaßt ist und nicht der Ansteuerschaltung entnommen werden muß. Der Eigenstromverbrauch der Ansteuerschaltung T 1 bleibt daher sehr klein und es steigt der Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit der Gesamtschaltung bei kleinem Aufwand. Durch die Einführung des Sekundärstromes des Stromwandlers W in den Steuersignalweg 1-4-2 vor dem Schaltungspunkt 2 und auch vor dem Kondensator C 1 ist es außerdem möglich, als Halbleiterübergang im Steuer­ signalweg lediglich eine Diode G 1 anstelle eines strom­ verstärkenden Transistors zu verwenden. Es wird daher für einen solchen Transistor auch keine Hilfsspannung zur Stromversorgung benötigt.

Claims (3)

1. Steuerschaltung zum schnellen Schalten eines steuer­ baren Halbleiters mit folgenden Merkmalen:

• a) Im Verlauf des Steuersignalweges (1-4-2) ist der Steuerelektrode des Halbleiters (T 2) ein Schal­ tungspunkt (2) vorgeschaltet, von dem ein Halblei­ terübergang (G 1) in Durchlaßrichtung zur Steuer­ elektrode und ein in Durchlaßrichtung geschalte­ tes Ventil (G 2) zum Kollektor (3) führt, zur Ba­ sisstrombegrenzung (I 5) in der Stromflußphase;
• b) im Laststromkreis (Ro-3-T 2) ist die Primärwick­ lung eines Stromwandlers (W) angeordnet, von des­ sen Sekundärwicklung ein Strompfad (I 2) zum Steu­ ersignalweg (1-4-2) führt, zur Unterstützung des Basisstroms (I 5) zu Beginn der Stromflußphase;
• c) wenigstens ein im Steuersignalweg (1-4-2) ange­ ordnetes, widerstandsbehaftetes Bauelement (G 1) ist durch einen Kondensator (C 1) überbrückt zur be­ schleunigten Beendigung der Stromflußphase;

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• d) der Halbleiterübergang und das Ventil sind nicht­ steuerbare Gleichrichter (G 1, G 2),
• e) die Einmündung des Strompfades (I 2) liegt am oder vor dem Schaltungspunkt (2) und vor dem Kondensator (C 1) im Steuersignalweg (1-4-2);
• f) der Strompfad (I 2) ist zur Lieferung des Basisstromes (I 5) während der Stromflußphase auch noch nach deren Beginn und zu deren Aufrechterhaltung vorgesehen;
• g) zur Zuführung des Signals, welches den Beginn der Stromflußphase einleitet (Zeitpunkt t 1) ist ein Kondensator (C) im Steuersignalweg (1-4-2) zum Differenzieren der Einschaltflanke (Ue zum Zeit­ punkt t 1) vorgesehen.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärkreis des Stromwandlers (W) einen Wider­ stand (R 1) enthält, an den ein Schwellenschalter (S) angeschlossen ist, zum Kurzschließen der Steuersignale (Eingang 1) bei zu hohem Laststrom (Ic).