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Treiberschaltung für einen Transistor
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(Es wird die Priorität aus der japanischen Anmeldung T 56-35 965 vom
14.03.1981 beansprucht).
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Die Erfindung betrifft eine Treiberschaltung für einen Transistor,
bei der ein Ansteuersignal potentialgetrennt von einer Ansteuerschaltung an den
Basis-Anschluß des Transistors übertragen wird, wobei der Transistor über einen
Impulstransformator angesteuert wird, der während eines Einschaltbefehls mit einer
Impulsfolge beaufschlagt wird und wobei ein erster Schaltungsteil der Treiberschaltung
auf der Sekundärseite des Impulstransformators ohne Zeitverzögerung einen Basisstrom
für den Transistor liefert, während der Impulstransformator angesteuert wird.
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Eine derartige Treiberschaltung ist im Handel erhältlich.
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Wenn ein Leistungstransistor z.B. als Schalter für einen Wechselrichter
eingesetzt wird, der mit Pulsbreitensteuerung arbeitet, so muß während der gesamten
Einschaltphase des Leistungstransistors der Basis ein Gleichstrom zugeführt werden.
Im Gegensatz dazu kann man einen Thyristor lediglich mit einem kurzen Impuls auf
das Gate ansteuern.
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Zum Ausschaltzeitpunkt ist es zum schnellen Ausschalten des Leistungstransistors
notwendig, der Basis einen Strom zuzuführen, dessen Richtung entgegengesetzt zum
Basis strom in der Einschaltphase ist. Zum Einschalten dss Leistungstransistors
muß also dessen Basis ein kontinuierlicher Gleichstrom zugeführt werden. Diese Forderung
ist einfach zu erfüllen, wenn der Leistungskreis (also z.B. der Wechselrichter)
mit dem Leistungstransistor von der Treiber- und Ansteuerschaltung nicht galvanisch
getrennt ist.
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Für Anwendungsfälle, bei denen der Leistungskreis vom Ansteuerkreis
galvanisch getrennt werden muß, ist es daher bekannt, in der Treiberschaltung einen
Impulstransformator vorzusehen. Eine derartige Schaltung muß jedoch sehr zuverlässig
sein, um eine sichere galvanische Trennung des Ansteuerkreises Zu erreichen und
ein Ansteuersignal für den Leistungstransistor zuverlässig zu übertragen. Andererseits
muß die Treiberschaltung auch sehr klein und billig sein, da auch der Leistungstransistor
heutzutage mit hoher Leistung und niedrigen Kosten für die verbesserten Herstellungsverfahren
erhältlich ist.
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Wie vorstehend beschrieben, muß während der Einschaltphase der Leistungstransistor
des Leistungskreises mit einem kontinuierlichen Strom versorgt werden. In Figur
1 ist eine bekannte Treiberschaltung für diesen Zweck dargestellt. Figur 2 zeigt
ein Diagramm für bestimmte Punkte dieser Treiberschaltung. Bei der Treiberschaltung
nach Figur 1 werden zur Ansteuerung der Basis in den Ein-Zustand zwei Impulstransformatoren
verwendet. Dabei wird das von einer Ansteuerschaltung in der Eingangsstufe gelieferte
Ein-Signal eines Ein/Ausschaltbefehls, das in Figur 2 dargestellt ist, in zwei hochfrequente
Impulsfolgen A1, B1 geteilt. Diese Impulsfolgen A1, B1 werden Jeweils der Basis
der Transistoren TR1, TR2 zur Ansteuerung der Impulstransformatoren zugeführt. Die
Einschaltsignale, die man auf der Sekundärseite der Impulstransformatoren T1, T2
für den Einschaltbefehl erhält, werden mit Dioden D1, D2 gleichgerichtet und dem
Basis-Anschluß eines Leistungstransistors TR3 zugeführt. Damit wird der Leistungstransistor
TR3 galvanisch getrennt vom Ansteuerkreis mit einem Basisstrom versorgt. Um den
Leistungstransistor TR3 auszuschalten wird ein Impulstransformator T3 für den Ausschaltbefehl
durch einen Transistor TR4 angesteuert.
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Durch den Impulstransformator T3 wird die Basis des Leistungstransistors
TR3 in Sperrichtung vorgespannt, so daß dieser schnell ausgeschaltet wird.
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Bei dieser bekannten Treiberschaltung erhält man mit einem Impulstransformator
mit der hochfrequenten Impulsfolge lediglich einen unterbrochenen Basisstrom. Daher
wird eine Schaltungsanordnung so ausgebildet, daß man unter Verwendung von zwei
Impulstransformatoren für das Einschaltsignal einen kontinuierlichen Basisstrom
erhält.
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Damit ist Jedoch der Nachteil verbunden, daß die Treiberschaltung
wegen der Vielzahl der benötigten Impulstransformatoren nicht klein gehalten werden
kann. Außerdem wird bei dieser Schaltung der Ansteuerbefehl in zwei hochfrequente
Impulsfolgen geteilt, dann von der Ansteuerschaltung mit Impulstransformatoren galvanisch
getrennt und schließlich durch Dioden auf der Sekundärseite gleichgerichtet. Der
Basisstrom nach der Gleichrichtung kann daher aufgrund einer Zeitverzögerung in
der Anstiegszeit der Impulstransformatoren Unterbrechungen aufweisen. Eine derartige
Unterbrechung des Basisstroms kann auch eine Unterbrechung des Kollektorstroms des
Le$stungstransistors TR3 hervorrufen. Man kann zwar eine Schaltung zur Signaldehnung
einsetzen, die eine Uberlappungszeit der beiden Impulsfolgen sicherstellt, so daß
der Basisstrom während eines Einschaltsignals frei von Unterbrechungen bleibt.
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Damit wird Jedoch die Ansteuerschaltung noch aufwendiger, was der
Notwendigkeit der Kostensenkung entgegensteht.
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In Anbetracht der genannten Nachteile der bekannten Treiberschaltung
ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Treiberschaltung anzugeben,
die einen kontinuierlichen und stetigen Basisstrom für den Leistungstransistor liefert,
mit geringen Abmessungen aufzubauen und einfach herzustellen ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein zweiter
Schaltungsteil der Treiberschaltung geladen wird, während der Impulstransformator
angesteuert ist und zur Erzeugung eines Basisstroms entladen wird, während der Impulstransformator
nicht angesteuert ist.
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Bei dieser Treiberschaltung wird also der Basisstrom für den Transistor
während der Impulspausen durch einen zweiten Schaltungsteil geliefert, der während
der Ansteuerung des Impulstransformators geladen wird. Damit ist für das Einschalten
des Transistors nur ein Impulstransformator erforderlich, so daß die Ansteuerschaltung
wesentlich verkleinert und verbilligt werden kann.
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or2ugsweise besteht der erste Schaltungsteil aus mindestens einer
Diode, die mit der Sekundärseite des Impulstransformators verbunden ist.
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Der zweite Schaltungsteil enthält vorteilhafterweise einen Widerstand
und eine Diode, die in Reihenschaltung zwischen einem Sekundäranscbklß des Impulstransformators
und der Basis des Transistors liegen, wobei der Verbindungspunkt von Widerstand
und Diode mit einem Kondensatoranschluß verbunden ist. Damit wird der zweite Schaltungsteil
auf einfache Weise realisiert.
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Mit der Sekundärwicklung des Impulstransformators kann eine Entmagnetisierungswicklung
verbunden sein und ein Erde der Entmagnetisierungswicklung kann über eine Diode
mit einem Verbindungspunkt des ersten und des zweiten Schaltungsteils verbunden
sein. Während der Entmagnetisierung des Impulstransformators wird durch diese Entmagnetisierungswicklung
ein Basisstrom für den Transistor aufgebracht, so daß die Kapazität des Kondensators
im zweiten Schaltungsteil kleiner gewählt werden kann.
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Eine Verzweigung in den ersten und den zweiten Schaltungsteil kann
unmittelbar nach der Sekundärwicklung des Impulstransformators erfolgen.
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Die erfindungsgemäße Treiberschaltung für einen Transistor wird nachfolgend
anhand von Ausführungsbeispielen nach den Figuren 3 bis 6 näher erläutert.
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Figur 3 zeigt ein Schaltbild eines ersten Aus£Whrungsbeispiels. Dabei
ist ein Einschalt-Impulstransformator T1 und ein Ausschalt-Impulstransformator T2
vorgesehen. Der Kollektor eines Ansteuertransistors TR1 für den Impulstransformator
ist mit einem Anschluß der Primärwicklung des Einschalt-Impulstransformators T1
verbunden. Der andere Anschluß dieses Impulstransformators T1 ist mit einer Gleichspannungs-Versorgungsquelle
für die Impulstransformator-Ansteuerung verbunden. Ein Anschluß der Sekundärwicklung
des Einschalt-Impulstransformators T1 ist mit der Anode einer Diode D1 verbunden.
Nach der Kathode der Diode D1 verzweigt sich die Schaltung in zwei Strompfade. In
einem Strompfad liegt die Reihenschaltung eines Begrenzungswiderstands R1 für den
Ladestrom und eine Diode D2. Der Verbindungspunkt zwischen Begrenzungswiderstand
R1 und Diode D2 ist mit einem Anschluß eines Kondensators C verbunden, dessen zweiter
Anschluß mit dem zweiten Anschluß der Sekundärwicklung verbunden ist. Der zweite
Strompfad besteht aus einer Diode D3, die die Reihenschaltung von Begrenzungswiderstand
R1 und Diode D2 überbrücke. Beide Strompfade, d.h. die Kathode der Diode D3 und
die Kathode der Diode D2 sind über einen Begrenzungswiderstand R2 für den Basisstrom
mit der Basis eines Leistungstransistors TR2 verbunden. Der zweite Anschluß der
Sekundärwicklung des Einschalt-Impulstransformators T1 ist direkt an den Emitter
des Leistungstransistors TR2 angeschlossen.
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Zur Erzeugung eines Ausschalt-Signals ist ein von einem Ansteuertransistor
TR3 angesteuerter Ausschalt-Impulstransformator T2 vorgesehen. Ein Ende der Sekundärwicklung
des Ausschalt-Impulstransformators T2 ist über eine Entkopplungsdiode D4, die das
Ausschalt-Signal gleichzeitig gleichrichtet, mit dem Emitter des Leistungstransistors
TR2 verbunden Das andere Ende der Sekundärwicklung ist über einen Begrenzungswiderstand
R3 für den Basis-Sperrstrom mit der Basis
des Leistungstransistors
TR2 verbunden. Außerdem sind der Basis-Emitter-Strecke des Leistungstransistors
TR2 eine Diode D5 und ein Ableitwiderstand R4 parallel geschaltet.
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Parallel zu den Primärwicklungen der Impulstransformatoren T1 und
T2 liegen außerdem Schaltungen 10, 12 zur Unterdrückung von Entmagnetisierungsspannung.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird ein in den Diagrammen nach Figur 4 dargestelltes
Einschaltsignal einem nicht dargestellten Impulsgenerator zugeführt, der daraus
eine hochfrequente Impulsfolge A2 erzeugt. Diese Impulsfolge A2 wird der Basis des
Ansteuertransistors TR1 zugeführt.
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Solange die Impulsfolge A2 "1" ist, ist der Ansteuertransistor TR1
leitend und steuert den Einschalt-Impulstransformator T1 an. Das dadurch auf der
Sekundärseite des Impulstransformators T1 erzeugte Einschaltsignal wird mit der
Diode D1 gleichgerichtet und über die Diode D3 und den Strombegrenzungswiderstand
R2 der Basis des Leistungstransistors TR2 zugeführt. Der entstehende Basisstrom
IB1 steigt schnell an und steuert den Leistungstransistor TR2 in den Einschaltzustand.
Gleichzeitig wird der Kondensator C über den Begrenzungswiderstand R1 für den Ladestrom
aufgeladen.
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Sobald die genannte Impulsfolge A2 "0"-Signal aufweist, wird der Ansteuertransistor
TR1 gesperrt. Die Dioden D1 und D3 sperren ebenfalls. Da Jedoch der Kondensator
C aufgeladen ist, ist die Diode D2 leitend. Über die Diode D2 und den Begrenzungswiderstand
R2 für den Basisstrom fließt daher ein Entladestrom vom Kondensator C zur Basis
des Leistungstransistors TR2. Damit wird der Leistungstransistor TR2 im Einschaltzustand
gehalten. Entsprechend der Entladung sinkt die Spannung Vc am Kondensator C ab,
wie in Figur 4 sichtbar ist. Durch periodische Wiederholung des beschriebenen Vorgangs
entsteht eine Kondensatorspannung Vc und ein Basisstrom 131 in Form eines kontinuierlichen
Stroms mit einem Wechselstromanteil, der den Leistungstransistor TR2 im Einschaltzustand
hält.
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Um den Leistungstransistor TR2 auszuschalten, wird die dem Einschaltsignal
entsprechende Impulsfolge A2 unterbrochen und gleichzeitig der Basis des Ansteuertransistors
TR3 zur Ansteuerung des Ausschalt-Impulstransformators T2 ein Ausschalt-Impuls B2
zugeführt. Auf der Sekundärseite des Impulstransformators T2 erhält man daher ein
Ausschalt-Signal, das mit der Diode D4 gleichgerichtet und dem Emitter des Leistungstransistors
TR2 zugeführt ist. Die Diode D4 dient gleichzeitig als Entkopplungsdiode. Damit
fließt sofort ein Basis-Sperrstrom IB2 vom Emitter zur Basis und sperrt damit den
Leistungstransistor TR2. Dabei ist es vorteilhaft, daß der Widerstandswert des Begrenzungswiderstands
R3 für den Basis-Sperrstrom deutlich kleiner als der Widerstandswert des Begrenzungswiderstands
R2 für den Basisstrom ist, so daß der Leistungstransistor TR2 schnell abgeschaltet
werden kann. Anschließend wird die Ladung des Kondensators C mit einem Entladestrom
IC entladen, so daß die am Kondensator C anstehende Spannung Vc wie in Figur 4 dargestellt
sinkt.
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Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Treiberschaltung. An die Sekundärwicklung des Einschalt-Impulstransformators T1
ist eine Entmagnetisierungswicklung 14 angeschlossen, die während der Entmagnetisierungszeit
des Impulstransformators T1 über eine Diode D6 einen Basis strom für den Leistungstransistor
TR2 liefert. Damit kann die Kapazität des Kondensators C sowie die Leistung der
Versorgungsspannungsquelle Vcc, die die Impulstransformatoren T1, T2 versorgt, verkleinert
werden, so daß der gesamte Schaltungsaufbau kleiner wird.
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Figur 6 zeigt schließlich eine weitere Abwandlung der Treiberschaltung
nach Figur 3. Diese unterscheidet sich von der Schaltung nach Figur 3 dadurch, daß
die beiden Strompfade bereits ab einem Anschluß der Sekundärwicklung
des
Einschalt-Impulstransformators getrennt sind. Bei der Treiberschaltung nach Figur
3 teilen sich nämlich die beiden Strompfade erst nach der Diode D1 auf. Während
der Ansteuertransistor TR1 leitet wird daher die Diode D1 mit einem Strom belastet,
der gleich der Summe des Stroms durch die Dioden D3 und des Ladestroms für den Kondensator
C über den Widerstand R1 ist. Bei der Treiberschaltung nach Figur 6 wird der Strompfad
bereits vor der Diode D1 in einen Strompfad über die Dioden D3 und D7 sowie einen
weiteren Strompfad über die Dioden D1, den Widerstand R1 und die Dioden D2 aufgeteilt.
Daher wird vorteilhafterweise die Belastung für alle Dioden annähernd gleich.
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Bei der Treiberschaltung nach der vorliegenden Erfindung wird also
während eines Einschaltbefehls der Ansteuertransistor TR1 zur Ansteuerung des Einschalt-Impulstransformators
TR1 mit einer hochfrequenten Impulsfolge A2 beaufschlagt. Das auf der Sekundärseite
anstehende Einschalt-Signal wird in einen stetigen, kontinuierlichen Basisstrom
umgewandelt, so daß der Leistungstransistor im Leistungskreis statisch in den Ein-Aus-Zustand
gesteuert werden kann. Während bei herkömmlichen Schaltungen zwei Impulstransformatoren
nötig waren, ist für die erfindungsgemäße Schaltung lediglich ein Impulstransformator
erforderlich. Damit kann vorteilhafterweise die Schaltungsanordnung verkleinert
werden und die Kosten können gesenkt werden. Als weiteren Vorteil kann man eine
Impulsverteilerschaltung in der Ansteuereinheit vereinfachen.
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Wenn die Ansteuerung mit niedriger Frequenz erfolgt, wo die Ausschaltzeit
des Leistungstransistors weniger kritisch ist, kann der Ausschalt-Impulstransformator
T2 der dargestellten Treiberschaltung entfallen.
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6 Figuren 5 Patentansprüche
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