CONTROL CIRCUIT FOR PULSE-CONTROLLED SWITCHING TRANSISTORS

Abstract: 1. A drive circuit for pulse controlled switching transistors, with a transformer having a primary winding (U1) in the collector-emitter path of the switching transistor (T1), and having a first secondary winding (U2) arranged in series with a drive transistor (T2) between an input voltage terminal (E1) - which is connected via the primary winding to the collector of the switching transistor - and the base of the switching transistor, and is bridged by a first diode (D2), and having a second diode (D1) parallel to the base-emitter path of the switching transistor, characterised in that the first diode (D2) is arranged in series with an oppositely poled first Z-diode (Z2), that the second diode (D1) is arranged in series with an oppositely poled second Z-diode (Z1), and that the first secondary winding (U2) is poled in such manner that the current induced within it during a switch-on procedure is in the direction of a switch-on current, and that the second secondary winding (U3) is poled in such manner that the current induced within it during an switch-off procedure is in the direction of a switch-off current.

Description: Ansteuerschaltung für pulsgesteuerte Schalttransistoren Die Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für pulsgesteuerte Schalttransistoren mit einem Ubertrager mit einer Primärwicklung im Kollektor-Emitter-Kreis des Schalttransistors sowie mit einer ersten Sekundärwicklung, die in Reihenschaltung mit einem Ansteuertransistor zwischen einer mit dem Kollektor des Schalttransistors verbundenen Eingangsspannungsklemme und der Basis des Schalttransistors liegt und die von einer ersten Diode über brücke ist und mit einer zweiten Sekundärwicklung, die in Reihenschaltung mit einer zweiten Dioden parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Schalttransistors liegt. Eine derartige Ansteuerschaltung ist aus der US-PS 41 64 667 bekannt. Dabei wird mit der ersten Sekundärwicklung der Spannungsabfall am Ansteuertransistor und an der Basis-Emitter-Strecke des Schalttransistors kompensiert. Damit erhält man auch bei niedriger Kollektor Emitter-Spannung des Schalttransistors noch einen ausreichenden Steuerstrom. Beim Einschaltvorgang wird zunächst der Ansteuertransistor eingeschaltet, wobei der Strom durch den Schalttransistor aufgrund dessen Schaltverzögerung zunächst nur langsam ansteigt. Dieser Strom wird über den Ubertrager mit den beiden in Serie geschalteten Sekundärwicklungen in den Basis-Emitter-Kreis des Schalttransistors übertragen. Die Spannungen der beiden Sekundärwicklungen sind entgegengesetzt gepolt, so dass die Differenz der entsprechenden Windungszahlen wirksam wird. Die resultierende, an den beiden Sekundärwicklungen anstehende Spannung liegt für den Schalttransistor in Sperrichtung, so dass dieser zunächst noch nicht voll eingeschaltet werden kann. Die zweite Sekundärwicklung dient also dazu, den Schalttransistor negativ vorzupolen. In einer ersten Phase des Einschaltvorgangs ist also der Ansteuertransistor leitend, während der Schalttransistor noch gesperrt bleibt. Während dieser Phase geht der Uber- trager in die negative Sättigung. Damit wird die über die Reihenschaltung der beiden Sekundärwicklungen zurückgekoppelte Spannung geringer und die Basis-Emitter-Spannung des Schalttransistors wird positiv. Der Ubertrager geht dabei von der negativen in die positiven Sättigung und durchläuft dabei einen ungesättigten Bereich. Die dabei an der Reihenschaltung der beiden Sekundärwicklungen anstehende Spannung kompensiert den Spannungsabfall an der Basis-Emitter-Strecke des Schalttransistors sowie am Ansteuertransistor. Der Schalttransistor wird durch eine negative Basisspannung am Ansteuertransistor ausgeschaltet, wobei der Fluss im Ubertrager wieder zurückgesetzt wird. Bei dieser bekannten Anordnung erfolgt also eine Rück- kopplung aus dem Kollektor-Emitter-Kreis des Schalttransistors in dessen Basis-Kreis stets über die Reihenschaltung zweier Sekundärwicklungen, wobei die Differenz der beiden Windungszahlen wirksam wird. Bei dieser Anordnung wird der Einschaltvorgang bis zur Sättigung des Ubertragers zunächst verzögert und erst dann durch die rückgekoppelte Spannung unterstützt. Aus der DE-AS 23 54 104 ist eine Ansteuerschaltung für pulsgesteuerte Schalttransistoren mit einem Vbertrager mit einer Primärwicklung im Kollektor-Emitter-Kreis des Schalttransistors bekannt. Der Ubertrager weist zwei Sekundärwicklungen auf, wobei die erste Sekundärwicklung in Reihenschaltung mit einem Ansteuertransistor zwischen Basis und Emitter des Schalttransistors liegt. Damit wird eine Rückkopplung des Emitter-Stronis des Schalttransistors in den Basis-Kreis erreicht, die beim Einschalten des Schalttransistors eine Erhöhung des Basisstroms ergibt. Damit kann die Ansteuerleistung des Schalttransistors verringert wer den. Zum schnellen Ausräumen der Basis des Schalttransistors kann bei der bekannten Schaltung eine Diode angeordnet sein, die das Sperrpotential von der Basis des Ansteuertransistors an die Basis des Schalttransistors weiterleitet. Ausserdem ist eine weitere Diode vorgesehen, die die gespeicherte Energie des Ubertragers bei der Abmagnetisierung als Sperrstrom an die Basis des Schalttransistors gibt. Mit einer zweiten Sekundärwicklung des Ubertragers wird der Kollektorstrom des Schalttransistors erfasst und einem HEfstransistor zugeführt, der bei Uberstrom den Schalttransistor ausschaltet. Uber den Hilfstransistor und die zweite Sekundärwicklung fliesst ein Sperrstrom aus der Basis des Schalttransistors, der diese schnell ausräumt. Dieser Effekt kann auch zur schnellen Ausräumung der Basisladung des Schalttransistors bei jeder normalen Sperr-Ansteuerung ausgenützt werden. Diese bekannte Schaltung lässt sich Jedoch nur dann anwenden, wenn bei NPN-Transistoren der Emitter bzw. bei PNP-Transistoren der Kollektor des Schalttransistors auf Bezugspotential liegt. Dies ist jedoch nicht immer der Fall. Beispielsweise bei getakteten Netzgeraten mit einem NPN-Transistor als Schalttransistor ist der Kollektor des Schalttransistors im allgemeinen mit dem dem Bezugspotential abgewandten Anschluss für die Eingangsspannung und der Emitter - gegebenenfalls über eine Glättungsfilter mit einer Ausgangsklemme verbunden, da in der das Bezugspotential führenden Leitung z.B. aus Funkentstörgründen kein schaltendes Element liegen soll. Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Ansteuerschaltung der eingangs genannten Art so auszubilden, dass sowohl der Einschalt- als auch der Ausschaltvorgang durch Mitbzw. Gegenkopplung unterstützt wird, wobei Kollektor und Emitter des Schalttransistors auf beliebiges Potential bezogen sein können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass in Reihe zur ersten Diode eine entgegengesetzt gepolte erste Z-Diode angeordnet ist, dass in Reihe zur zweiten Diode eine entgegengesetzt gepolte zweite Z-Diode angeordnet ist und dass die erste Sekundärwicklung so gepolt ist, dass der in ihr während eines Einschaltvorgangs induzierte Strom in Richtung eines Einschaltstroms liegt und dass die zweite Sekundärwicklung so gepolt ist, dass der in ihr während eines Ausschaltvorgang induzierte Strom in Richtung eines Ausschaltstroms liegt. Bei dieser Ansteuerschaltung kann der Schalttransistor unabhängig von seinem Kollektor- bzw. Emitter-Potential durch den Ansteuertransistor ein- und ausgeschaltet werden. Dabei erfolgt über die erste Sekundärwicklung beim Einschaltvorgang eine Rückkopplung des Kollektor-Emitter Stroms des Schalttransistors in den Basis-Kreis, die so gerichtet ist, dass der Einschaltvorgang unterstützt wird. Die zweite Sekundärwicklung ist dabei durch die Reihenschaltung von zweiter Diode und entgegengesetzt gepolter zweiter Z-Diode abgekoppelt. Beim Ausschaltvorgang erfolgt eine Gegenkopplung über die zweite Sekundärwicklung, die zur Unterstützung des Ausschaltvorgangs beiträgt. Dabei ist die erste Sekundärwicklung wegen des ausgeschalteten Ansteuertransistors abgekoppelt. Bei dieser Anordnung wirken also die beiden Sekundärwicklungen unabhängig voneinander für den Einschalt- bzw. Ausschaltvorgang und können daher in ihren Windungszahlen für die entsprechende Aufgabe optimiert werden. Der Schalttransistor kann unabhängig von seinem Kollektor- bzw. Emitter Potential durch den Ansteuertransistor ein- und ausgeschaltet werden, wobei zum Ausschalten kein gesonderter Ansteuertransistor erforderlich ist. Vorteilhafterweise kann die Basis-Emitter-Strecke des Schalttransistors mit der Reihenschaltung einer Z-Diode und einer entgegengesetzt gepolten Diode überbrückt sein. Diese Reihenschaltung übernimmt den Entmagnetisierungsstrom des Ubertragers in einer Richtung und schützt die Basis-Emitter-Strecke des Schalttransistors gegen zu hohe Spannungen in Sperrichtung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert. Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Ansteuerschaltung für einen Schalttransistor T1, der in einem getakteten Netzgerät eingesetzt und in diesem Fall ein NPN-Transistor ist. Zwischen einer Eingangsklemme El, an der eine positive Eingangsspannung UE ansteht, und einer Ausgangsklemme Al liegt die Reihenschaltung der Primärwicklung Ul eines Ubertragers U, der Kollektor-Emitter-Strecke eines Schalttransistors T1 und einer Drossel Dr. Die Eingangsklemme E2, an der das Bezugspotential der Schaltungsanordnung ansteht, ist unmittelbar mit der Ausgangsklemme A2 verbunden. Zwischen Eingangsklemme El und Basis des Schalttransistors Tl liegt die Reihenschaltung eines PNP-Ansteuertransistors T2 und der ersten Sekundärwick- lung U2 des Ubertragers U. Der ersten Sekundärwicklung U2 ist die Reihenschaltung einer Z-Diode Z2, einer Diode D2 und eines Widerstands R parallel geschaltet. Dabei ist die Kathode der Z-Diode Z2 dem Kollektor des Ansteuertransistors T2 zugewandt und die Diode D2 ist entgegengesetzt zur Z-Diode Z2 gepolt. Zwischen Basis und Emitter des Schalttransistors T1 liegt die Reihenschaltung einer zweiten Sekundärwicklung 83 des Ubertragers U einer Z Diode Z1 und einer Diode Dl. Dabei ist die Kathode der Diode Dl dem Emitter des Schalttransistors Tl zugewandt und die Z-Diode Z1 ist entgegengesetzt zur Diode D1 gepolt. Parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Schalttransistors T1 liegt ausserdem die Reihenschaltung einer weiteren Diode D3 und einer weiteren Z-Diode Z3, deren Kathode dem Emitter des Schalttransistors Tl zugewandt ist. Die Diode D3 ist entgegengesetzt zur Z-Diode Z3 ge polt. Zwischen der Eingangsklemme E2 und dem Verbindungspunkt von Emitter des Schalttransistors T7 und Drossel Dr ist eine Freilaufdiode D4 angeordnet und den Ausgangsklemmen Al, A2 ist ein Glättungskondensator C parallel geschaltet. Die Windungszahlen der Ubertragungswicklungen 21 bis U3 werden in Abhängigkeit von den Daten des Schalttransistors T1 gewählt. Dabei entspricht das Windungszahlverhältnis der Primärwicklung Ul zur ersten Sekundärwicklung 82 der Stromverstärkung des Schalttransistors Tl und das Windungszahlenverhältnis der ersten Sekundärwicklung 82 zur zweiten Sekundärwicklung 83 entspricht dem optimalen Verhältnis von Einschaltstrom zu Ausräumstrom. Da Einschaltstrom und Ausräumstrom im allgemeinen gleich sein sollten, werden auch die Windungszahlen von erster und zweiter Sekundärwicklung Ul, U2 gleich gewählt. Die Funktion der Ansteuerschaltung nach Fig. 1 wird im folgenden anhand der Diagramme von Fig. 2 erläutert. In Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf der Spannung Uw an der ersten Sekundärwicklung U2, des Flusses 0 im Ubertrager U, des Basisstroms iB in die Basis des Schalttransistors T1 und des Kollektorstroms ic des Schalttransistors T1 dargestellt. Es wird davon ausgegangen, dass die Windungszahlen der beiden Sekundärwicklungen U2 und U3 gleich sind, so dass an der zweiten Sekundärwicklung U3 wie an der ersten Sekundärwicklung U2 die Spannung Uw ansteht. Zum Einschalten des Schalttransistors T1 wird an die Basis des Ansteuertransistors T2 ein gegenüber dessen Emitter negativer Impuls gelegt, so dass dieser einschaltet.#ährend des Einschaltvorgangs, der in Fig. 2 mit I gekennzeichnet ist, ist die Freilaufdiode D4 noch leitend. Damit steht an der ersten Sekundärwicklung U2 des Ubertragers U sowie an der Reihenschaltung von Z-Diode Z2, Diode D2 und Wider stand R nahezu die volle Eingangsspannung UE an. Dabei ist anzumerken, dass die Ansteuerschaltung auch dann funktioniert, wenn keine Freilaufdiode D4 vorhanden ist. Es muss lediglich beim Einschalten eine Spannung zwischen Kollektor und Emitter des Schalttransistors T1 anstehen. Diese Spannung treibt über die in diesem Fall leitende Z-Diode Z2, die Diode D2 und den Widerstand R einen Basisstrom igg, der den Schalttransistor T1 leitend werden lässt. Der damit einsetzende Kollektorstrom ic durchfliesst die Primärwicklung Ul und wird auf die Sekundärwicklung U2 transformiert. Die Sekundärwicklung U2 ist so gepolt, dass der Strom durch die Sekundärwicklung U2 sich zum Strom i30 durch den Widerstand R addiert, so dass der Basisstrom iB schnell ansteigt und der Schalttransistor T1 in kurzer Zeit und damit verlustarm völlig durchschaltet. Die zweite Sekundärwicklung U3 ist so gepolt, dass für die Diode Dl die in der zweiten Sekundärwicklung U3 induzierte Spannung UW in Sperrichtung liegt, so dass in der Phase I kein Stromfluss über die zweite Sekundärwicklung U3 möglich ist. Mit dem Leitendwerden des Schalttransistors kommutiert der Strom durch die Drossel Dr von der Freilaufdiode D4 auf den Schalttransistor T1 und die Freilaufdiode D4 wird stromlos. Damit springt die Spannung am Emitter des Schalttransistors T1 nahezu auf die Eingangsspannung UE. In der nun folgenden Phase II wird der Basisstrom iB des Schalttransistors Tl durch die erste Sekundärwicklung U2 des Ubertragers 8 aufgebracht. Die Spannung UW an den beiden Sekundärwicklungen U2 und 83 wird leicht negativ und der Fluss ¯ durch den Ubertrager U nimmt ab. Da der Anteil des Basisstroms über den Widerstand R wegen der mit der Spannungsumkehr sperrenden Diode D2 entfällt, nimmt der Basisstrom iB sprungartig ab und steigt dann, allerdings mit geringerer Steigung als in der Phase I, wieder an. Der Kollektorstrom ic steigt ebenfalls an, jedoch flacher als in der Phase 1. Die in der Wicklung 03 induzierte kleine negative Spannung UW, die für die Diode D1 in Leitrichtung liegt, wird in der Phase II von der Z-Diode Z1 aufgenommen, so dass die zweite Sekundärwicklung U) stromlos bleibt. Um den Schalttransistor T1 auszuschalten wird der Ansteuertransistor T2 gesperrt. Der durch den Ubertrager U transformierte Kollektorstrom ic kann damit nicht mehr über den Ansteuertransistor T2 und die erste Sekundärwicklung U2 in die Basis des Schalttransistors T1 fliessen. Auch der Weg über die Z-Diode Z2 und den Widerstand R ist durch die Diode D2 blockiert. Dieser Strom kommutiert daher auf die zweite Sekundärwicklung U3, wobei die Spannung soweit ansteigt, dass die Z-Diode Z1 leitend wird. Der Basisstrom i3 wird damit negativ und bewirkt ein Ausräumen der Basiszone des Schalttransistors T1. Sobald der Kollektorstrom ic Null geworden ist, verschwindet auch der Basisstrom 4 B In der nun folgenden Phase IV wird der Ubertrager Ul entmagnetisiert. Wenn der Fluss 0 beim Ausschaltvorgang negativ geworden ist, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, so erfolgt die Entmagnetisierung über die Z-Diode Z2, die Diode D2 und den Widerstand R. Ist dagegen der Fluss ¯ positiv geblieben, z.B. weil die Leitphase II sehr kurz war, so erfolgt die Entmagnetisierung über die Z-Diode Z3, die Diode D3, die Z-Diode Z1 und die Diode Dl. Mit der Z-Diode Z3 und der Diode D3 wird die Basis-Emitter-Strecke des Schalttransistors Tl vor einer Uberlastung in Sperrichtung geschützt. Als Sonderfall ist zu betrachten, dass der Schalttransistor T1 über längere Zeit eingeschaltet bleibt, also bei einem Tastverhältnis von 1 oder nahe 1 betrieben wird. In diesem Fall geht der Ubertrager tt in Sättigung, so dass keine Transformation des Kollektor-Stroms ic in die Sekundärwicklung U2 erfolgt. Durch die dann eintretende Abnahme des Basisstroms iB erhöht sich jedoch die Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors T1 so weit, dass der von der Eingangsklemme El über den Ansteuertransistor T2 und die Sekundärwicklung U2 flie Sende Basisstrom ausreicht, den Schalttransistor T1 bei etwas erhöhter Kollektor-Emitter-Spannung leitend zu halten. Beim Ausschalten des Schalttransistors T1 bleibt die Gegenkopplung über den Ubertrager U erhalten, da die Magnetisierungskennlinie des Ubertragers U auch im gesättigten Zustand noch eine gewisse Steigung aufweist. 2 Figuren 2 Patentansprüche

Claims: Patentansprüche 1. Ansteuerschaltung für pulsgesteuerte Schalttransistoren mit einem Ubertrager mit einer Primärwicklung im Kollektor-Emitter-Kreis des Schalttransistors sowie mit einer ersten Sekundärwicklung, die in Reihenschaltung mit einem Ansteuertransistor zwischen einer mit dem Kollektor des Schalttransistors verbundenen Eingangsspannungsklemme (El > und der Basis des Schalttransistors liegt und die von einer ersten Diode überbrückt ist und mit einer zweiten Sekundärwicklung,die in Reihenschaltung mit einer zweiten Diode parallel zur Basis-Emitter Strecke des Schalttransistors liegt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in Reihe zur ersten Diode (D2) eine entgegengesetzt gepolte erste Z-Diode (Z2) angeordnet ist, dass in Reihe zur zweiten Diode (D1) eine entgegengesetzt gepolte zweite Z-Diode (Z1) angeordnet ist und dass die erste Sekundärwicklung (U2) so gepolt ist, dass der in ihr während eines Einschaltvorgangs induzierte Strom in Richtung eines Einschaltstroms liegt und dass die zweite Sekundärwicklung (#3) so gepolt ist, dass der in ihr während eines Ausschaltvorgangs induzierte Strom in Richtung eines Ausschaltstroms liegt. 2. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, d a d u r c h g g e k e n n z e i c h n e t , dass die Basis-Emitter Strecke des Schalttransistors (T1) mit der Reihenschaltung einer Z-Diode (Z3) und einer entgegengesetzt gepolten Diode (D3) überbrückt ist.

Inventors: SEGGER, BERND
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1982
Main classification: H03K17
IPC codes: H03K17, H02M3