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Schaltungsanordnung mit einem Hochspannungs-Leistungstransistor
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung mit einem Hochspannungs-Leistungstransistor, mit einer Steuereinrichtung, die mittels einer Transformatorwicklung zwischen der Basis- und Emitterelektrode des Transistors ein impulsförmiges Schaltsignal zuführt, und mit einer mit der Kollektorelektrode des Transistors verbundenen Belastungsimpedanz, wobei der durch eine Spannungsquelle gelieferte Kollektorstrom des in den Sättigungszustand gesteuerten Transistors unter dem Einfluss des dem Transistor zugeführten impulsförmigen Schaltsignals unterbrochen wird und die Steuereinrichtung über eine die Änderung des Basisstromes während des Abschaltens des Transistors beschränkende Impedanz mit der Basiselektrode des Transistors verbunden ist, wobei ferner diese Impedanz eine Spule ist,
die zwischen der Basiselektrode des Transistors und der Transformatorwicklung der Steuereinrichtung in Reihe
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Bei einer solchen Schaltungsanordnung weist der Basisstrom nach dem Auftreten der Rückflanke des steuernden Schaltsignals eine verzögerte Änderung auf. Damit wird erreicht, dass im Transistor vorhandene überschüssige Ladungsträger entfernt werden. Nach dem Zeitpunkt jedoch, in dem der Ladungsträgerüberschuss entfernt ist, weist die Spannung am Emitter-Basisübergang des Transistors unter dem Einfluss der Spule einen grösseren negativen Wert auf als der durch die Steuereinrichtung gelieferten Schaltspannung entspricht. Diese Emitter-Basisspannung erreicht nämlich durch Aufschwingung die Durchbruchspannung der Basis-Emitterdiode und behält diesen Spannungswert bei, solange ein Basisstrom, wenn auch abklingend, durch die Spule fliesst.
Auf diese Weise nimmt die in der Basis des Transistors aufgenommene Leistung einen nicht unwesentlichen Wert an, der als reiner Verlust betrachtet werden muss und der bei manchen Transistortypen unzulässig hoch sein kann. Die Erfindung bezweckt, diese Verlustleistung kleiner zu machen, und es ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass zwischen der Basis-und Emitterelektrode des Transistors eine träge Diode vorgesehen ist, deren Leitfähigkeitsrichtung jener des Basis-Emitterüberganges des Transistors entgegengesetzt ist und deren Trägheit eine Verzögerungszeit von mindestens etwa 111 sec verursacht.
Es sei bemerkt, dass an sich aus der USA-Patentschrift Nr. 2,924, 744 bekannt ist, zwischen die Basis- und Emitterelektrode des Transistors eine Diode zu schalten. Mit dieser Diode wird jedoch eine Herabsetzung der Impedanz der Quelle bezweckt, die den Transistor steuert, und dazu muss die Diode imstande sein, den Schwankungen der durch die Quelle gelieferten Spannung schnell folgen zu können.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen : Fig. l eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung und Fig. 2 eine Darstellung der zugehörenden Strom- und Spannungskurven.
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und anderseits an eine ein Potential-Vp führende Klemme einer weiter nicht dargestellten, mit der andern Klemme an Masse liegenden Spannungsquelle angeschlossen. Der Transistor --3-- liegt mit der Emitterelektrode an Masse, während der Basis eine impulsförmige Spannung --4-- zugeführt wird.
Ein Ende der Sekundärwicklung --5-- des Transformators --1-- ist über eine Spule --10-- mit der
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Leistungstransistors-6-verbunden.stungsimpedanz-7-mit einer ein positives Potential führenden Klemme einer Spannungsquelle--VH-- von beispielsweise 220 V, deren andere Klemme an Masse liegt, verbunden ist.
Zwischen der Basis- und Emitterelektrode des Transistors --6-- liegt nach dem Prinzip der Erfindung eine Diode-12-, deren Leitfähigkeitsrichtung jener der Basis-Emitterdiode des Transistors --6-entgegengesetzt ist. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist daher die Kathode der Diode-12-mit der Basiselektrode und ihre Anode mit der Emitterelektrode des Transistors --6-- verbunden. Wie noch
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ist, mit der Emitterelektrode des Transistors --6- verbunden. Die Kathode der Diode --13-- ist im
Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 an das genannte Ende der Wicklung-5-gelegt, während ihre Anode am Verbindungspunkt der Diode -12-- und der Emitterelektrode des Transistors --6-- liegt.
Der Transformator-l-und der Transistor --3-- bilden eine Steuereinrichtung --1,3-- zum Betreiben des Transistors EineimpuIsförmigeSpannung-4-muss, möglichst wenig verzerrt, der Spule --10-- zugeführt werden, wozu der Transformator-l-derart ausgebildet ist, dass die Streuinduktion desselben vernachlässigbar klein ist. Je nach dem Zweck, zu dem die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 verwendet wird und an den die ausbildung der Belastungsimpedanz --7-- angepasst ist, erfolgt die Erzeugung der gewünschten Gestalt der impulsförmigen Spannung-4-. Für Fernsehzwecke, wobei die Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines sägezahnförmigen Stromes durch von der Impedanz --7-- einen Teil bildende Horizontal-Ablenkspulen verwendbar ist, kann eine impulsförmige Spannung --4-- mit einer Zeilenfrequenz durch einen Oszillator erzeugt werden.
Da dies für die Erläuterung der Erfindung, die das sehr schnelle Abschalten des Kollektorstromes eines in den Sättigungszustand ausgesteuerten Hochspannungs- und/oder Leistungstransistors bezweckt, unwesentlich ist, ist nicht näher angegeben, auf welche Weise die Belastungsimpedanz --7-- ausgebildet ist.
Die Steuereinrichtung --1, 3-- führt der Basiselektrode des Transistors --6--, der durch die Rückflanke der Spannung --4-- in den gesperrten Zustand gebracht werden muss, eine impulsförmige Span nung --4-- zu. Zur Erläuterung der Erscheinungen, die danach in der bekannten Schaltungsanordnung auftreten, dient Fig. 2.
In Fig. 2a sind die Ströme-IE, IC und IB-, die in die Emitter-, Kollektor-bzw. Basiselektrode des Transistors--6-- fliessen, als Funktion der Zeit aufgetragen. Dasselbe gilt für die Spannung-vEgam Emitter-Basisübergang. Es wird vorausgesetzt, dass die Rückflanke des impulsförmigen Schaltsignals - zwischen der Basis- und Emitterelektrode in dem Augenblick --t40-- auftritt. Aus Fig.2a geht hervor, dass nach dem Auftreten der Rückflanke des Signals --4-- im Zeitpunkt --t40-- die zeitliche Änderung des Basisstromes-iB-durch die Spule --10-- beschränkt wird. Im Zeitpunkt-t, t- er- reicht der Strom --iB-- den maximalen negativen Wert und versucht, wie aus der Kurve --vEB-- ersichtlich ist, den Emitter-Basisübergang in den gesperrten Zustand zu bringen.
Die Verringerung des Kollektorstromes-ic-setzt im Zeitpunkt-t-ein.
Nach dem Zeitpunkt-t -, in dem der Ladungsträgerüberschuss aus dem Transistor --6-- entfernt ist, weist die Spannung-vEB-unter dem Einfluss der Spule --10-- einen grösseren negativen Wert auf als der durch die Sekundärwicklung --5-- erzeugten Spannung entspricht. Die Spannung-vEB--erreicht nämlich durch Aufschwingung im Zeitpunkt-tb-die Durchbruchspannung der Basis-Emitter diode des Transistors -6-- und würde diesen Spannungswert während des nach dem Zeitpunkt --t4b-in abnehmendem Masse durch die Spule --10-- fliessenden Basisstromes --iB-- beibehalten, wenn nicht die Diode -12-- in der Schaltungsanordnung vorgesehen wäre.
Die Diode --12- mués eine gewisse Trägheit aufweisen, womit gemeint ist, dass die Diode verzögert auf die Spannung reagiert, die ihr über ihre Klemmen in Durchlassrichtung zugeführt wird, u. zw.
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Dioden auf. Ohne die --12-- würde die Spannung --vEB-- die Durchbruchspannung von etwa 8 V beibehalten, während der (verzögerte) Basistrom-ig-zwischen den Zeitpunkten-t undtg -nach wie vor fliessen würde. Dies würde, wie bereits erwähnt, eine nicht unwesentliche Verlustleistung im
Basis-Emitterraum des Transistors --6-- verursachen. Bei manchen Transistortypen kann diese Verlust- leistung in der Grössenordnung von etwa 4 W liegen.
Diese Verlustleistung muss als reiner Verlust be- trachtet werden und ist ausserdem bei manchen Transistortypen unzulässig hoch, so dass eine Beschädi- gung des Transistors auftreten kann. Die Spannung--vEB-- muss jedoch mindestens eine bestimmte Zeit den genannten negativen Wert annehmen, damit der im Transistor --6-- vorhandene Ladungsträgerüber- schuss entfernt wird. Dieses Ziel wird durch die vorhandene Diode --12-- erreicht.
Weil die Diode --12-- träge ist, kann sie der plötzlichen Änderung der Spannung --vEB-- nicht folgen, wodurch diese Spannung tatsächlich stark negativ wird. Nach etwa l jusec jedoch wird die Diode - leitend, wodurch die Spannung über ihr um vieles kleiner wird, nämlich auf die Grössenordnung von 0, 7 absinkt. Dadurch wird eine beträchtliche Energie eingespart.
In dem Augenblick, in dem die Diode --12-- leitend geworden ist, geht der Basisstrom--iB--des
Transistors --6-- auf Null, wodurch der Emitter- und Kollektorstrom -iE und iC-- auch Null werden.
Der Transistor --6- befindet sich ja nicht mehr im Sättigungszustand, wodurch der Basisstrom-in- einen Einfluss auf --iE und iC-- haben kann. Das bedeutet, dass die Abschaltzeit-tbis t -ge- genüber dem Fall ohne träge Diode-t. tg - etwas verkürzt ist, was sich als zusätzlicher Vorteil der Erfindung betrachten lässt.
Die Diode --13-- ist in der Schaltungsanordnung vorgesehen, um zu vermeiden, dass während der
Zeit, in der die Diode --12-- leitend ist, ein grosser Strom von etwa dem Zeitpunkt-t-in den durch die Wicklung --5--, die Spule --10-- und die Diode --12-- gebildeten geschlossenen Kreis fliesst, welcher Strom einer grossen Leistung entsprechen würde, die von der Steuereinrichtung --1,3-- geliefert werden müsste.
Wenn das Schaltsignal --4-- positiv ist, in welchem Zustand die Basis-Emitterdiode des Transistors - leitend ist, leitet die Diode --13-- und bildet auf diese Weise eine unmittelbare Verbindung zwi- schen der Sekundärwicklung --5-- und der Emitterelektrode des Transistors --6--. In dem Zeitpunkt, in dem der Basisstrom --iB-- auf Null geht, wird seine Aufgabe von dem durch die Diode flie- ssenden Strom --iD12-- (Fig. 2b) übernommen. Die Diode --13-- muss eine verhältnismässig lange Er- holungszeit in Sperrichtung aufweisen, also vom Zeitpunkt an, wo der Basisstrom-iB--negativ ist, damit die in der Spule --10-- gespeicherte Energie wegfliessen kann.
Diese Erholungszeit bestimmt dann die Neigung der Ströme --iD12-- (Fig.2b) und -iD13-- (fig.2c), welch letzterer Strom durch die Diode --13-- fliesst. Die Diode --13-- beeinträchtigt die beabsichtigte Wirkung der Schaltungsanordnung nicht und vermeidet nur die oben genannte Belastung der Steuereinrichtung --1, 3--.
In dem Fall, wo die Belastungsimpedanz --7-- hauptsächlich induktiv ist, entsteht an der Kollektorelektrode des Transistors --6-- eine hohe Spannungsspitze, wodurch ein Leckstrom in die Basis-Kol- lektordiode fliessen kann. Damit diesem Leckstrom ein niederohmiger Weg geboten wird, wird parallel zur Diode --13-- oder Diode --12-- ein Widerstand --14-- geschaltet, der vom Zeitpunkt in dem der Basisstrom --iB-- negativ ist, bis zum Augenblick, wo die Diode --12-- zu leiten anfängt, wirksam ist. Ein praktischer Wert dieses Widerstandes liegt zwischen 10 und 100 Q. Infolge des vorhandenen Widerstandes --14-- parallel zur Diode --13-- fliesst ein grösserer Strom durch die Diode -12-- als in Fig. 2b dargestellt ist.
In dem Falle, wo die Erholungszeit der Diode --13-- zu kurz ist, lässt sich dies dadurch verbessern, dass diese Diode durch einen Kondensator von 0, 1 bis 2 li F überbrückt wird.
Fig. 1 zeigt eine detaillierte Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines sägezahnförmigen Stromes durch die Horizontal-Ablenkspulen einer nicht dargestellten Femsehwiedergabevorrichtung. Die Belastungsimpedanz --7-- ist dazu in eine gegebenenfalls aus mehreren Teilspulen bestehende HorizontalAblenkspule-7'-und einen parallelgeschalteten Kondensator --7"-- aufgeteilt. Beide Teile bilden auf bekannte Weise einen Schwingungskreis, der beim Ausschalten des Kollektorstromes ange- stossen wird. Eine sogenannte Spardiode --11-- kann zwischen der Emitter- und Kollektorelektrode des Transistors --6-- liegen. Es ist ebenfalls möglich, zum Erzielen der Vorteile des bekannten Sparkreises die Basis-Kollektordiode des Transistors --6-- zu benutzen. Dies ist bereits in der österr. Patentschrift Nr. 267 626 beschrieben worden.
Im Zeitpunkt in dem die Basis-Kollektordiode am Anfang des Hinlaufes leitend wird und auf diese Weise als Spardiode wirksam ist infolge der Tatsache, dass dann Strom aus der Belastungsimpedanz --7-- fliesst, bleibt die Diode --13-- gesperrt, während die Diode nahezu als Kurzschluss wirksam ist. Ohne die Diode --12-- würde die an der Basis des Transistors - vorhandene negative Spannung um die Spannung an der Basis-Kollektordiode, d. h. um etwa
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0,8 V, erhöht sein. Bei Verwendung der Diode -12-- wird jedoch die dadurch verursachte zusätzliche
Leistung durch die Diode teilweise übernommen.
Es sei in diesem Zusammenhang darauf hingewie- sen, dass beide Dioden-12 und 13-Niederspannungsdioden sind, die ausserdem nur für kleine Leistun- gen geeignet zu sein brauchen, während eine Spardiode -11-- für grosse Spannungen ausgelegt sein und von grossen Strömen durchflossen werden können muss.
Es ist klar, dass für das Prinzip der Erfindung die Ausführung der Steuereinrichtung --1, 3-- von un- tergeordneter Bedeutung ist. Dasselbe gilt für die Ausführung der Schaltungsanordnung, wobei die Tran- sistoren --3 und 6-- vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp sind, wie dies in den Zeichnungen dargestellt ist. Ebenfalls ist es unwichtig, ob vom Transistor -6- in der Schaltungsanordnung die Emitteroder Basiselektrode als gemeinsame Elektrode ausgebildet wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schaltungsanordnung mit einem Hochspannungs-Leistungstransistor, mit einer Steuereinrichtung, die mittels einer Transformatorwicklung zwischen der Basis- und Emitterelektrode des Transistors ein impulsförmiges Schaltsignal zuführt, und mit einer mit der Kollektorelektrode des Transistors verbundenen Belastungsimpedanz, wobei der durch eine Spannungsquelle gelieferte Kollektorstrom des in den Sättigungszustand gesteuerten Transistors unter dem Einfluss des dem Transistor zugeführten impulsförmigen Schaltsignals unterbrochen wird und die Steuereinrichtung über eine die Änderung des Basisstromes während des Abschaltens des Transistors beschränkende Impedanz mit der Basiselektrode des Transistors verbunden ist, wobei ferner diese Impedanz eine Spule ist,
die zwischen der Basiselektrode des Transistors und der Transformatorwicklung der Steuereinrichtung in Reihe geschaltet ist, und das andere Ende der Transformatorwicklung unmittelbar mit der Emitterelektrode verbunden ist nach Stammpa- tentNr. 287084, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Basis-und Emitterelektrode des Transistors (6) eine träge Diode (12) vorgesehen ist, deren Leitfähigkeitsrichtung jener des Basis-Emitterüberganges des Transistors (6) entgegengesetzt ist, und deren Trägheit eine Verzögerungszeit von mindestens etwa 1 sec verursacht.