DE2139144A1 - Transistorisierter elektronischer Schalter - Google Patents

Description

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Anmelderin; Stuttgart, den 2.August 1971

Hughes Aircraft Company P 2J69 S/kg

Centinela Avenue and Teale

Street

Culver City, Calif., V.St.A.

Transistorisierter elektronischer Schalter

Die Erfindung bezieht sich auf einen transistorisierten elektronischen Schalter mit einem Schalttransistor, dessen Kollektor über die Primärwicklung eines Rückkopplungs-Stromtransformators mit einem Verbraucher verbunden ist, und einem Steuertransistor, dessen Basis der Steuerstrom zugeführt wird, dessen Emitter mit der Basis des Schalttransistors und dessen Kollektor mit dem einen Ende der Sekundärwicklung des Eückkopplungs-Stroiitransformators verbunden iet» '

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Ein solcher elektronischer Schalter, der zum Schalten des Ladestromes eines Impulsformers dient, ist aus der US-PS 3 219 844 bekannt. Bei diesem bekannten elektronischen Schalter ist das zweite Ende der Sekundärwicklung des Rückkopplungs-Stromtransformators mit dem Emitter des Schalttransistors verbunden, und.zwar sind sowohl dieser Emitter als auch das zweite Ende der Sekundärwicklung an Masse gelegt. Infolgedessen bleibt der Steuertransistor wirkungslos, solange der Schalttransistör gesperrt ist und der Rückkopplungs-Steuertransformator nicht von einem Strom durchflossen wird· Demnach muß der Basis des Schalttransistors unmittelbar ein Steuerimpuls zugeführt werden, um den Schalttransistor in den leitenden Zustand zu bringen. Außerdem ist es erforderlich, auch der Basis des Schalttransistors einen Steuerimpuls zuzuführen, damit der Steuertransistor in den leitenden Zustand versetzt werden kann, wenn sein Kollektor über die Sekundärspule des Rückkopplungs-Stromtransformators eine Spannung erhält· Die Notwendigkeit, zwei verschiedene Steuerimpulse verwenden zu müssen, stellt einen erheblichen Nachteil des bekannten elektronischen Schalters dar· Außerdem tritt beim Einschalten des bekannten Schalters ein erheblicher Leistungsverlust auf, weil der Steuertransistor nicht bereits zu Beginn des Einschal tens zur Wirkung kommt·

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile des bekannten elektronischen Schalters zu vermeiden·

Diese Aufgabe wird auf überraschend einfache Weise dadurch gelöst, daß das andere Ende der Sekundärwicklung

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don Rückkopplungs-Stromtransformators mit dem Kollektor des Schalttransistors verbunden ist·

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Bei dem erfindungsgemäßen elektronischen Schalter bilden die beiden Transistoren im Einschaltmoment eine hochwirksame Darlington-Schaltung4 bei der auch der Steuertransistor schon eine hohe Stromverstärkung aufweist, so daß der Leistungsverlust im Augenblick des Einschaltens auf ein Minimum reduziert wird· Nach dem Einschalten ermöglicht es dann die Stromrückkopplung, den Schalttransistor in einem großen Bereich des Laststromes iri Sättigung zu halten, ohne daß ein üeistungsverlust durch eine Übersteuerung der Basis des Schalttransistors für geringe Pegel des Laststromes auftritt· Außerdem genügt es, dem erfindungsgemäßen Schalter ein einziges Steuersignal an der Basis des Steuertransistors zuzuführen·

Der erfindungsgemäße elektronische Schalter ist besonders zum Schalten des Ladestromes für Impulsformer bestimmt, wie sie gewöhnlich zur Erzeugung von Hochleistungsimpulsen, beispielsweise für Radargeräte und Laser benötigt werden. Solche Impulsformer werden zunächst aus einer Gleichspannungsquelle geladen und dann schnell in einen Verbraucher entladen. Zur Einsparung von Leistung wird eine wirksame Schaltungsanordnung zum Laden des Impulsformers benötigt.

Die wirksamste Technik, die bisher zum Laden von Impulsformen benutzt wurde, machte von einem Transformator mit einem Serienschalter in dessen Primärwicklung Gebrauch· Der Schalter ist entweder eine bestimmte Zeitspanne oder solange geschlossen, bis der Strom in der Primärwicklung einen vorbestimmten Pegel erreicht· Der.Stromfluß in der

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Sekundärwicklung wird durch eine geeignet gepolte Diode gesperrt, solange der Schalter geschlossen ist. Dann wird der Schalter geöffnet und es findet eine Spannungsumkehrung an den Transformatorwicklungen statt, wenn das * aufgebaute Magnetfeld zusammenbricht. Die umgekehrte Spannung in der Sekundärwicklung beaufschlagt die Diode in der Durchlaßrichtung, so daß ein Strom dem Verbraucher zugeführt wird·

Der Wirkungsgrad dieser bekannten Anordnungen ist wegen der Art des Schaltens relativ hoch· Es findet jedoch noch ein bedeutender Verlust an Leistung beim Betrieb des Schalters statt, wenn ein Transistor als Schalter verwendet wird, der auf den notwendigen Basisstrom und die Emitter-Kollektor-Spannung zurückzuführen ist, die anliegt, wenn der Transistor nicht im Sättigungszustand betrieben wird. Um einen wirksameren Transistorschalter zu erzeugen, können zwei Transistor in Form einer Darlington-Schaltung verwendet werden, bei der die Kollektoren der beiden Transistoren elektrisch miteinander verbunden sind, die Basis des einen Transistors unmittelbar mit dem Emitter des anderen verbunden ist und individuelle Verbindungen zu dem noch freien Emitter und der noch freien Basis hergestellt sind. Das Transistorpaar bildet ein Äquivalent eines einzigen Transistors und weist einen Emitter und einen Kollektor auf, die beide im wesentlichen gleich dem Emitter und Kollektor eines der Transistoren arbeiten. Die Darlington-Schaltung hat jedoch den Vorteil eines höheren Stromverstärkungsfaktors· Der Nachteil dieser Anordnung besteht jedoch darin, daß der Transistor, dessen Basis mit dem Emitter des anderen Transistors verbunden ist,

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keine vollständige Sättigung erreicht, so daß der Spannungsabfall an dem Transistorpaar mehr als das Doppelte beträgt als der Spannungsabfall eines gesättigten einzelnen Transistors.

Ein anderer Nachteil der Verwendung eines einzigen Transistors oder eines Transistorpaares in Darlington-Schaltung besteht darin, daß bei einem Anstieg der Eingangsspannung für den Schaltertreiber die Ansteuerung durch den Basisstrom zunimmt, wodurch eine erhebliche Übersteuerung entsteht. Um mit einer solchen Übersteuerung verbundene Verluste zu vermeiden, würde es erforderlich sein, das Netzgerät für die Treiberschaltung zu stabilisieren. Hierfür wurden zusätzliche Schaltungsanordnungen benötigt, die mehr Leistung verbrauchen wurden, als eingespart werden könnte»

Durch den erfindungsgemäßen transistorisierten elektronischen Schalter werden auch die Nachteile dieser bekannten Schalter vermieden, weil das Transistorpaar des erfindungsgemäßen Schalters nur im Augenblick des Einschaltens als Darlington-Anordnung arbeitet, dann aber wegen der Stromrückkopplung die Übersteuerungseffekte vermieden werden und der Schalttransistor, in einem großen Bereich des Laststromes im Sättigungszustand gehalten wird.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der in der Zeichnung· in Porm eines sehematisohen Schaltbildes dargestellten Schaltungsanor&mmg mit ©inea elektronischen Schalter nach der Erfindung« Di© dar Beschreibung und der Zeichnung su entnehmenden Merkmale können "bei anderen

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Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in· beliebiger Kombination Anwendung finden.

Bei der in der Zeichnung dargestellten Schaltungsanordnung empfängt ein Impulsformer 10 abwechselnd eine Ladung von einer schaltergesteuerten Ladeschaltung, die in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 11 bezeichnet ist, und einer identischen zweiten Ladeschaltung, die durch einen Block 12 wiedergegeben ist· Eine Zweiphasen-Treiberschaltung 13 schaltet die beiden Ladeschaltungen durch gegeneinander phasenverschobene positive Impulse abwechselnd ein, die auf übliche Weise erzeugt werden, beispielsweise von einem Zweiphasen-Rechteckwellengenerator·

Da beide Ladeschaltungen 11 und 12 identisch sind, wird nur die Ladeschaltung 11 im einzelnen beschrieben. Ein nicht sättigbarer Lasttransformator T^ ist mit dem Impulsformer 10 über eine Diode D^. verbunden, die nur dann in Durchlaßrichtung gepolt ist, wenn der Strom in der Primärwicklung durch einen Schalttransistor CL abgeschaltet worden ist. Mit der Primärwicklung des Lasttransformators T^ ist die Primärwicklung eines nicht sättigbaren Rückkopplungs-Stromtransformators 3?^ in Serie geschaltet. Die Sekundärwicklung des Rückkopplungs-Stromtransformators T ist dann mit der Basis des Schalttransistors CL verbunden, um über einen Steuerschalter, der von einem Schalttransistor Q₂ gebildet wird, eine positive Rückkopplung zu erzeugen·

Ea sei darauf hingewiesen, daß der Steuerschalter ent-

_} wie dargestellt, ein Serienschalter oder auch ein Parallelschalter sein kann» Der Serienschalter wird bevor-

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zugt, weil der Basigstrom für den Schalttransistor Q~, der von der Treiberschaltung 13 geliefert wird, den anfänglichen Basisstrom zum Einschalten des Schalttransistors Q,. "bildet. Insoweit ähneln die "beiden Transistoren Q^ und Q2 einer Darlington-Schaltung· Es sei außerdem erwähnt, daß die Sekundärwicklung des Transformators Tp mit Hilfe eines Serienschalters anstatt parallel zur Kollektor-Basis-Strecke auch parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Schalttransistors CL geschaltet sein kann, jedoch wird die erste Lösung "bevorzugt, weil bei der zweiten Anordnung wegen des relativ geringen Widerstandes der Sekundärwicklung bis zum Einsetzen der Rückkopplung eine nachteilige Kurzschlußwirkung eintritt.

In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung steht die volle Stromverstärkung des Steuertransistors Qp sofort zum Einschalten des Schalttransistors Q^ zur Verfügung. Der positive Rückkopplungsstrom bringt dann den Transistor Q,, in Sättigung. Der Rückkopplungs-Stromtransformator Tg ist so ausgelegt, daß das Verhältnis der Windungszahlen von Sekundärwicklung zu Primärwicklung größer ist als im ungünstigsten Fall die Stromverstärkung ß des Schalttransistors Q„. bei Sättigung. Ein typischer Wert hierfür ist 10. Die Stromrückkopplung über den Steuertransistor Q2 3-^{n d}^^e Basis des Schalttransistors (L ist dann ausreichend, um eine Sättigung des Transistors Q^ unabhängig davon zu gewährleisten, welche Basis-Emitter-Spannung für den Schalttransistor CL benötigt wird»

Während der Schalttransistor Q₁ leitet, liegt die Versorgungsspannung E an der Primärwicklung des Last-

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transf ormators T^ an. Wegen der positiven Rückkoppliang

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wird der Schalttransistor Q- sehr schnell in die Sättigung getrieben, so daß im wesentlichen keine Leistung im Schalttransistor CL· verlorengeht. Der Sekundärstrom des Transformators T^ ist wegen der in Sperrichtung beaufschlagten Diode D^ gleich Null· Der Strom steigt in der Primärwicklung des Lasttransformators T. an, entweder bis ein vorbestimmter Maximalwert erreicht ist oder für eine vorbestimmte Zeitspanne, je nachdem, ob die Periode der Treiberschaltung 13 auf einen größeren oder einen geringeren Wert eingestellt ist, als zum Erreichen des vorbestimmten Maximalpegels benötigt wird. Unter der Annahmp, daß diese Zeitperiode ausreichend lang ist, fließt nach dem Erreichen des Höchstwertes noch immer kein Strom in der Sekundärwicklung, weil die in dem Impulsformer 10, bei dem es sich in der einfachsten Form um einen großen Speicherkondensator handeln kann, gespeicherte positive Ladung die Diode D. in der Sperrrichtung beaufschlagt.

Wenn der Schalttransistor Q₂ von der Treiberschaltung gesperrt wird, wird der Basisstrom des Schalttransistors Q. unterbrochen. Dadurch wird der Schalttransistor Q_x. sehnell gesperrt. Sobald der Strom durch die Transistoren GL und Qo abgeschaltet ist, erscheint wegen der induktiven Eigenschaften des Lasttransformators T. an der Anode der Diode D_x. eine Spannung, von der diese Diode in Durchlaßrichtung beaufschlagt wird. Auf diese Weise wird ein Ladestrom dem Impulsformer 10 zugeführt. Eine Diode Dg schützt die Basis-Emitter-Strecke gegen eine von der Treiberschaltung 13 gelieferte, übermäßige negative Absehaltspannung» Ein Widerstand 14 begrenzt die

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Umkehrspannung, die an der Sekundärwicklung dea Rückkopplungs-Stromtransformators Tg beim Abschalten der Transistoren Q_x. und Qg auftreten kann. Anstelle eines Widerstandes 14· kann zum Kurzschließen der Umkehrspannung, die beim Abschalten des Schalttransistors Q_x, an der Sekundärwicklung des Kückkopplungs-Stromtransformators Tg auftreten kann, auch eine Diode verwendet werden.

Der Ladezyklus der gerade beschriebenen Ladeschaltung wechselt mit dem Ladezyklus der zweiten Ladeschaltung ab. Auf diese Weise speichert die eine der beiden Ladeschaltungen 11 und 12 Energie in ihrem Lasttransformator T,, während die andere die gespeicherte Energie von ihrem Lasttransformator auf den Speicherkondensator oder die Kondensatoren des Impulsformers 10 überträgt.

Bei einer typischen Anwendung wird die in dem Impulsformer 10 gespeicherte Energie in einen Verbraucher 15 entladen, der während einer sehr kurzen Zeitspanne eine hohe Energie benötigt. Bei dem Verbraucher 15- kann es sich beispielsweise um die Blitzlampe eines Lasers handeln· Die Frequenz der Entladung, die von einer Triggerschaltung 16 bestimmt wird, ist natürlich bedeutend geringer als die frequenz der Treiberschaltung 13» damit die Ladeschaltungen 11 und 12 die gespeicherte Energie auf den benötigten Pegel bringen können. Typische Werte für die Verbesserung des Wirkungsgrades, mit der der Aufbau der Energie mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schalter erfolgt, liegen zwischen 5 und 10%· Ein weiterer Vorteil besteht; darin, daß sowohl das Einschalten als auch daa Abschalten des Schalttransistors mit Hilfe der Treiberschaltung durch

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das Vorhandensein des Steuertransistors Q^ im Weg des Rückkopplungsströmes erleichtert wird. In dieser Hinsicht ist zu beachten, daß der von dem Rückkopplungs-Stromtransformator T^ gelieferte Hückkopplungsstrom in dem Maße erhöht wird, wie der den Schalttransistor Q,, durchfließende Strom auf den vorbestimmten Maximalwert ansteigt, jedoch unabhängig von der Versorgungsspannung ist. Infolgedessen werden im Augenblick des Abschalt ens der beiden Transistoren Q,. und Q~ sehr geringe Anforderungen an die Treiberschaltung gestellt, weil eine nur begrenzte Übersteuerung stattgefunden hat. Bas Ergebnis ist eine einfachere Steuerung der Abschaloperation und auch der Einschaltoperation·

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Claims (1)

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   Patentansprüche

   M«/Transistorisierter elektronischer Schalter mit einem Schalttransistor, dessen KoUdctor über die Primärwicklung eines Rückkopplungs-Stromtransformators mit einem Verbraucher verbunden ist, und einem Steuertransistor, dessen Basis der Steuerstrom zugeführt wird, dessen Emitter mit der Basis des Schalttransistors und dessen Kollektor mit dem einen Ende der Sekundärwicklung des Rückkoppiungs-Stromtransformators verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Ende der Sekundärwicklung des Rückkopplungs-Stromtransformators (T^) mit dem Kollektor des Schalttransistors (Q,,) verbunden ist.

   2· Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher einen Lasttransformator (T,,), dessen Primärwicklung mit dem Schalttransistor (Q^) derart verbunden ist, daß sie von dem Laststrom durchflossen wird, und einen mit der Sekundärwicklung des Lasttransformatore (Iv) verbundenen Impulsformer (Ί0) umfaßt.

   3. Schalter nach Anspruch Λ oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Basis und Emitter des Steuertransistors (Q₂) eine Diode (D₂) geschaltet ist, die in Durchlaßrichtung beaufschlagt ist, wenn der Steuertransistor (Q₂) durch Abschalten des Steuerstromes in den nichtleitenden Zustand versetzt wird*

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   4. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungs-Stromtransformator (Tp) bei der maximalen Größe des dem Verbraucher zugeführten Laststromes noch nicht gesättigt ist.

   5· Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Enden der Sekundärwicklung des Rückkopplungs-Stromtransformators (0?₂) ein Widerstand (Ή) geschaltet ist.

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