DE3212320C2 - Schaltungsanordnung zur selektiven Ansteuerung eines oder mehrerer Leistungs-Feldeffekttransistoren im Schaltbetrieb mit Potentialtrennung - Google Patents

Schaltungsanordnung zur selektiven Ansteuerung eines oder mehrerer Leistungs-Feldeffekttransistoren im Schaltbetrieb mit Potentialtrennung

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Abstract

Die Schaltungsanordnung zur selektiven Ansteuerung eines oder mehrerer Leistungs-Feldeffekttransistoren im Schaltbetrieb mit Potentialtrennung durch Übertrager bringt Verbesserung bezüglich Störempfindlichkeit, Frequenzbereich, Verlustleistung und Raumbedarf. Diese werden erreicht mit Hilfe einer zentral erzeugten Hilfsspannung, deren Übertragung durch einen vom jeweiligen Eingangssignal (e1 . . . en) gesteuerten elektronischen Schalter (7) gesteuert wird. Die Unempfindlichkkeit gegen elektromagnetische Störungen wird durch einen niederohmigen Belastungswiderstand (12) zwischen Gate (G) und Source (S) des Feldeffekttransistors (13) erreicht. Der Widerstand (12) bewirkt außerdem eine rasche Abschaltung des Feldeffekttransistors (13), wodurch die Verlustleistung des Transistors (13) gering ist. Dies ist besonders bei hohen Frequenzen von Bedeutung.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur selektiven Ansteuerung eines oder mehrerer Leistungs- Feldeffekttransistoren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Solche Ansteuerungen für Leistungs-Feldeffekttransistoren finden Anwendung bei Ausgabegeräten in leittechnischen Anlagen oder für den Aufbau von Transistorstellern für Gleich-, Wechsel- oder Drehstromantriebe.
  • Ansteuereinrichtungen für Leistungs-Feldeffekttransistoren sollen kurze Verzögerungszeiten und geringe Verlustleistung aufweisen, wenig Raum einnehmen und in manchen Fällen eine Potentialtrennung zwischen Eingangs- und Ausgangssignal enthalten.
  • Es ist bekannt, die Potentialtrennung in Ansteuerungen auf induktivem, optischem oder piezoelektrischem Wege durchzuführen (Siemens Components 20, 1982, Seite 8 bis 12 und Siemens Components 18, 1980, Seite 187 bis 188 und Seite 218 bis 224).
  • Bei allen bekannten Schaltungen ist nachteilig, daß große Einschaltverzögerungen und lange Abschaltzeiten auftreten. Sie sind deshalb für schnelle Schaltanwendungen nicht gut geeignet. Die Einschaltverzögerung ist bei den bekannten Ansteuerungen mit Übertragern (Siemens Components 18, 1980, Seite 187, Bild 1 und Seite 221, Bild 8; Siemens Components 20, 1982, Seite 10, Bild 2 und 3; DE-OS 30 28 986) durch die Anschwingzeit des Sperrschwingers bedingt. Die Abschaltzeit ist durch den hochohmigen Ableitwiderstand zwischen Gate und Source des Feldeffektransistors bestimmt. Die Verzögerungszeiten sind bei höheren Frequenzen mit erhöhter Verlustleistung des Leistungs-Feldeffekttransistors verbunden. Ein niederohmiger Ableitwiderstand würde einen großen Übertrager erfordern. Der hochohmige Ableitwiderstand bewirkt auch, daß der Leistungs-Feldeffekttransistor in fehlerhafter Weise auch ohne Eingangssignal schalten kann, wenn an der Source-Drainstrecke ein hoher Spannungsanstieg du/dt auftritt und dabei durch Rückkopplung die Spannung am Gate ansteigt. Weiterhin ist bei den bekannten Schaltungen nachteilig, daß der Übertrager in Abhängigkeit vom zulässigen Bereich der Frequenz des Eingangssignals dimensionert werden muß. Der Übertrager wird bei niedriger Frequenz groß und gleichzeitig sinkt die obere Übertragungsfrequenz. Für die Anwendung in Geräten mit mehreren gleichartigen Funktionseinheiten ist bei den bekannten Schaltungen außerdem nachteilig, daß für jede Funktionseinheit eine vollständige Ansteuerung mit relativ hohem Raumbedarf erforderlich ist.
  • Aus der DE-OS 28 08 000 ist ebenfalls eine Ansteuerschaltung mit Übertrager bekannt, die allerdings nur für Halbleiter geeignet ist, die durch Impulse gezündet oder gelöscht werden, also z. B. Abschaltthyristoren. Dementsprechend werden dort auf eine Hälfte einer durch Mittelanzapfung unterteilten Primärwicklung des Übertragers Steuerimpulse zum Zünden und zu einer anderen Zeit auf die andere Hälfte Steuerimpulse zum Löschen gegeben.
  • Eine Ansteuerschaltung mit Übertrager ist schließlich aus der GB-PS 15 43 153 für Transistoren, nicht für Feldeffekttransistoren, bekannt. Auch dabei treten die bereits oben beschriebenen Einschaltverzögerungen auf und es sind keine Hinweise auf eine raumsparende Lösung für mehrere Funktionseinheiten zu entnehmen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von Leistungs-Feldeffekttransistoren für schnellen, rückkopplungsfreien Schaltbetrieb mit Potentialtrennung anzugeben. Die Schaltung soll außerdem zu einer Einrichtung mit geringem Raumbedarf führen, damit möglichst viele Funktionseinheiten auf einer Elektronikkarte untergebracht werden können.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.
  • Die Bezeichnung "Leistungs-Feldeffekttransistor" steht stellvertretend für Bauelemente bzw. Schaltungsanordnungen mit ähnlichen Eigenschaften wie Feldeffekttransistoren. Das bedeutet, daß die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung auch für bipolare Transistoren in Darlingtonschaltung geeignet ist, wenn diese nur einen geringen Eingangsstrom und keine negative Basis-Emitter-Spannung zum Sperren benötigt.
  • Die mit der erfindungsgemäßen Schaltung erzielten Vorteile bestehen u. a. darin, daß der Übertrager sehr klein dimensioniert werden kann, indem eine hohe Taktfrequenz für die Hilfsspannung gewählt wird. Die Frequenz des Eingangssignals kann in einem großen Bereich variieren und das Signal wird trotzdem originalgetreu übertragen. Der niederohmige Belastungswiderstand (etwa 100 Ohm), der ständig in der Gate-Source-Strecke eingeschaltet ist, bewirkt, daß sich am Gate des Feldeffekttransistors keine durch Störsignale verursachte Spannung aufbauen kann und daß der Feldeffekttransistor schnell abschaltet, wodurch die Verluste auch bei hoher Frequenz niedrig sind. Vorteilhaft ist auch, daß für mehrere Ansteuerungen nur eine zentrale Hilfsspannungsquelle benötigt wird.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung kann die Hilfsspannungsquelle aus einem Taktfrequenzoszillator, einem Flipflop und zwei Schaltverstärkern bestehen und in CMOS-Technik aufgebaut werden, wodurch der Energiebedarf gering ist.
  • Den Übertrager kann man vorteilhaft als Ringkernübertrager ausbilden, da dieser bei kleiner Bauform die Übertragung einer relativ großen Ansteuerleistung erlaubt und wegen seines geringen Streufeldes für schnelle Übertragung geeignet ist.
  • Als Leistungs-Feldeffekttransistor kann man zweckmäßig MOS-FET mit der bekannten niedrigen Ansteuerleistung verwenden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann man in die äußeren Zuleitungen zur Primärseite des Übertragers Widerstände einfügen, die zur Symmetrierung, Strombegrenzung und Glättung der Gleichspannung dienen.
  • Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden beschrieben.
  • Ein Oszillator 1, ein Flipflop 2 und zwei Schaltverstärker 3 bilden eine für alle Ansteuereinheiten II gemeinsame Hilfsspannungsquelle I, die an ihren beiden Ausgängen dauernd gegenphasige Gleichspannungsimpulse abgibt. Jede Ansteuereinheit II enthält einen Übertrager mit Mittelanzapfung auf der Primärseite 10, mit Symmetrierwiderständen 8 und Entkopplungsdioden 9 in äußeren Zuleitungen 4, 6 zur Primärwicklung und einem elektronischen Schalter 7 in einer Zuleitung 5 zur Mittelanzapfung auf der Primärseite und mit einem Gleichrichter 11 und einem Belastungswiderstand 12 auf der Sekundärseite des Übertragers. Die gegenphasigen Impulse der Hilfsspannungsquelle I werden über Leitungen 4, 6 parallel zu allen Ansteuerungen II und dort zu den Enden der Primärwicklung des Übertragers 10 geführt. Die Übertragung der Impulse auf die Sekundärseite des Übertragers erfolgt nur, wenn am zugehörigen Eingang e ein Eingangssignal ansteht, wodurch der elektronische Schalter 7 die Mittelanzapfung des Übertragers 10 mit einer Versorgungsspannung verbindet. Die Versorgungsspannung ist je nach Art der Schaltverstärker in der Hilfsspannungsquelle Massepotential oder Speisespannungspotential Us. Die übertragenen Signale werden gleichgerichtet und den Anschlüssen Gate G und Source S des Feldeffekttransistors 13 zugeführt, der dann schaltet. Wenn keine Impulse mehr übertragen werden, wird die Gate-Source-Kapazität über den Widerstand 12 entladen und der Feldeffekttransistor 13 sperrt. Es können im Prinzip beliebig viele Ansteuerungen parallel betrieben werden; die Schaltverstärker 3 müssen für den entsprechenden Strom ausgelegt werden.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zur selektiven Ansteuerung eines oder mehrerer Leistungs-Feldeffekttransistoren im Schaltbetrieb, bei der je Leistungs-Feldeffekttransistor eine Ansteuereinheit vorgesehen ist, die einen Übertrager zur Potentialtrennung und auf dessen Sekundärseite einen Gleichrichter und einen auf der Gleichstromseite angeordneten Belastungswiderstand aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
der Übertrager (10) in der Ansteuereinheit eine primärseitige Mittelanzapfung hat, die über einen mit einem Steuereingang (e) versehenen elektronischen Schalter (7) mit einer Versorgungsspannung (U S ) verbunden ist,
- eine Zentrale für die Versorgung mehrerer Ansteuereinheiten (II) vorgesehene Hilfsspannungsquelle (I) vorgesehen ist, die gegenphasige Gleichspannungsimpulse liefert, die parallel auf die Enden der Primärwicklung des Übertragers (10) in den Ansteuereinheiten (II) gegeben sind, und
- der Belastungswiderstand (12) einen niedrigen Widerstandswert (z. B. 100 Ohm) hat.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsspannungsquelle (I) aus einem Taktfrequenz-Oszillator (1), einem Flipflop (2) und zwei Schaltverstärkern (3) besteht.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager (10) ein Ringkernübertrager ist.
4. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Leistungs-Feldeffekttransistor (13) um einen MOS-FET handelt.
5. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die Zuleitungen (4, 6) zu den Enden der Primärwicklung des Übertragers (10) Symmetrierwiderstände (8) eingefügt sind.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter (11) ein Brückengleichrichter ist.
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