DE1952576A1

DE1952576A1 - Schaltvorrichtung fuer einen Lastkreis

Info

Publication number: DE1952576A1
Application number: DE19691952576
Authority: DE
Inventors: Hahn Larry Alan
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1968-10-24
Filing date: 1969-10-18
Publication date: 1970-05-06
Also published as: NL6914557A; US3614474A; FR2022307A1

Description

DR-ING. DiPL.-INQ. M. BC. OIFL.-ΡΗΥβ. DR. DIPU.-ΡΗΥβ.

HÖGER-STELLRECHT-GRIESSBACH-HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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13.Oktober 1969 ·

Texas Instruments Incorporated

Dallas /Texas, U.S.A. 13500 North Central Expressway

Schaltvorrichtung für einen Lastkreis.

Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung für einen Lastkreis mit einer Serienschaltung aus einem Halbleiterschalter mit Zündcharakteristik und einem zweiten Schalter, wobei der Lastkreis insbesondere eine Induktivität enthält. . "'< .

Gesteuerte Siliziumgleichrichter und ähnliche bistabile Vierschichttränsistoren, beispielsweise Tyrißtoren werden

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ihrer Eigenschaften wegen (niedrige Kosten vergl. mit Lei-Btungstransistoren) häufig und gerne dort benutzt, wo größere lasten zu- und abgeschaltet werden müssen. Verstärkungsgrad und Sättigungsspannung, die bei Transistoren in solchen Anwendüngsfallen von entscheidender Wichtigkeit sind, bil- . den bei der Anwendung gesteuerter Siliziumgleichrichter keine Einschränkung, Überdies zeigt ein Kostenvergleich, dass gesteuerte Siliziumgleichrichter, ein besseres Sperrspannungsverhalten als entsprechende Transistoren aufweisen.

m Während nun* jedoch gesteuerte Siliziumgleichrichter durch einen Triggeretrom durch ihren Steuereingang leicht gezündet und damit in den Leitzustand versetzt werden können, bildet ihre Abschaltung gewisse Schwierigkeiten. Liegt der gesteuerte Siliziumgleiehrichter in einem wechselstromgespeisten Lastkreis, ist eine Abschaltung problemlos, da der Haltestrom des gezündeten Gleichrichters zur Zeit des Nulldurchgangs des Wechselstroms aufhört, sobald die Brennspannung unterschritten wird. In solchen Anwendungsfällen kehrt also der gesteuerte Siliziumgleichrichter zur Zeit des Nulldurchgangs automatisch in den nicht leitenden hochohmigen Zustand zurück. Eine solche Phasenanschnittsteuerung ist jedoch nur bei Wechselstromkreisen möglich, während man

F bei Gleichstromkreisen dazu übergehen muss, einen Gleichströme aohaltendeni gesteuerten Siliziumgleiehrichter . durch zusätzliche Hilfsmittel zum Abschalten zu bringen, beispieleweiee duroh zusätzliche Schalter· oder durch eine an den Steuereingang des gesteuerten Siliziumgleichrichters gelegte umgekehrt gepolte Abschaltspannung.

Die letztere Möglichkeit des Abschaltens gesteuerter Gleichriohter duroh eine Abschaltspannung ο.dgl. am Steuereingang

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(controlled switches, GCS) ist bis Jetzt nur bei geringeren Lastströmen möglich, da die Abschaltleistimg solcher Sperrmittel am Steuereingang relativ hoch sein muss und überdies die Herstellungskosten solcher gesteuerter Gleichrichter beträchtlich sind.

Schaltet man nun zur Abschaltung eines g'leichströraführenden, gesteuerten Silizi-umgleichrichters einen anderen Schalter, beispielsweise einen Halbleiterschalter, in Serie zum ge- ■ steuerten Gleichrichter, ergeben sich insbesondere bei der schnellen Abschaltung induktiver Lasten hohe Spannungsspitzen, die zur Zerstörung des in Reihe zum gesteuerten Gleichrichter liegenden zweiten Schalters führen können«

Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Steuervorrichtung für zwei in Reihe geschaltete Schalter, die einen Sleichstromlastkreis zu- und abschalten, zu entwickeln, die ein Auftreten von die Schalter möglicherweise zerstörenden Energien vermeidet.

Diese Aufgabe wird für die Schaltvorrichtung der eingangs erwähnten Art gemäss der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, dasB die Zündelektrode des Halbleitersehalters an einen für den Stromstoss beim Unterbrechen des Lastkreises niederohmigen Stromableitungspfad angeschlossen ist, der parallel zum zweiten Schalter liegt.

Durch die Erfindung wird der Vorteil erzielt, dass beide Schalter aus einfachen und billigen Bauelementen bestehen können, indem der erste Scualter ein einfacher gesteuerter Gleichrichter und der zweite Schalter beispielsweise ein

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einfacher Transistor sein kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Steuerieingänge beider Schalter wahlwiese ein gemeinsames Steuersignal oder an zwei voneinander unabhängige Bin- bzw* -Ausst^eiAerungssignale Verbunden sein können.

Zweckfflässigerwelse.dient die erfindungsgemässe Schaltvorrichtung für Gleichstromlaetkr eise zur Schaltung hoher Ströme bei hohen Spannungen. Babel ist die Tatsache hervorzuheben, dass bei yerwendung eines Transistors als zweitem Schalter eine Type gewählt werden kann, die nur eine relativ niedrige Betriebsspannung haben muss. In einer Vorzugsweisen Schaltung der Erfindung ist eine Serienschaltung aus einer insbesondere niederohmigen la?t, dievorzugsweise induktiv ist, aus einem gesteuerten Halbleitergleichriehter und aus einem Transistor an eiiae moglieherv/eise hohe Grleichspannung angeschlossen* Bine yorriclitüng ist vorgesehen, mittels der ein Triggerstrom zurZilnüelektrode des geeteuerten Halbleitergleiohrichier geführt wird. Sine weitere Vorrichtung verursacht, dass der Transistor öffnet und schliesst, indem sie die Basies jäie^es Traüsistors entsprechend beaufschlagt. Eine dritte'Vorrichitung sorgt schliesslich dafür, dass im Aügenblick des Absehaltens des Transistors und damit der Sperrung des £astkreisee, der noch verbleibende Laststrom über die Zündelektföde'des g_est_euerten Gleichrichters niederohmig abgezögen/wird* .; .

.dient, "die erfindungsgemässe Sohaltvorrichtung zur Schali;¥ng von lasten mit 500 Volt-Ampere oder mehr, wobei gesteuerte Silizlumgleichrichter zum Einsatz gelangen, beieplelsweise .also zur Horizontälablenksteuerung von Fern- .;

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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung können den beigefügten Ansprüchen und/oder der folgenden Beschreibung entnommen werden, die der Erläuterung von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung dient.

Die Pig, 1 bis 5 zeigen Stromlaufpläne fünf verschiedener

Ausführungsbeispiele der Erfindung. Hierbei stellt die Pig.3eine Modifikation des Beispiels der Pig.2 und die Pig.5 eine Modifikation des Ausführungsbeispiels der Pig.4 dar.

In Pig,1 führen Leitungen L1, 12 zu einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, durch welches die Leitungen L1, L2 miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden können. Eine der Leitungen L1, L2, vorzugsweise die Leitung L1, führt dabei zu der zu schaltenden Last, während die andere Leitung, vorzugsweise die Leitung L2, einfachheitshalber an Massepotential gelegt ist. Die einen hohen Strom durch die Last treibende Spannung entstamme einer Quelle von etwa 500 VA oder mehr Leistung, die einen relativ hohen Strom und/oder eine hohe Spannung abzugeben vermag. . "

Ein gesteuerter Siliziumgleichrichter Q1 ist mit seiner Anode an die Leitung L1, seiner Kathode an den Kollektor eines Transistors Q2 und mit seinem Steuereingang an eine Leitung 3 angeschlossen. Der Gleichrichter Q1 neige nicht zu Kurzschlüssen zwischen Kathode und Steuereingang und weise Golddotierimg' auf, falls hohe. Schaltgeschwindigkeiten' erforderlich werden, wie beispielsweise in der Größenordnung einer Mikrosekunde. Der gesteuerte Siliziumgleichrioh-

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ter Q1 hat Zündcharakteristik und kann beispielsweise auch durch einen Vierschichttransistor oder Tyristor dargestellt werden, " . '

Ein mit dem Gleichrichter Q1 in Serie liegender Transistor Q2 ist vom npn-Typ und vorzugsweise, ein Schalttransistor. Sein Emitteranschluss ist mit Masse und der Leitung L2, sein Basisanschluss über eine Diode D1 mit der Leitung 3 verbunden. Die Leitung 3 führt an einen Anschluss 1. Ldzterer stellt den Ausgang einer Signalquelle dar, die ein Signal aussendet, das mit seiner Vorderflanke den Gleichrichter Q1 triggert und den Transistor Q2 öffnet, mit seiner Rückflanke jedoch den Transistor Q2 wiederum sperrend macht. Während der Zeit also, in der das Signal vorhanden ist, wird die Last vom Laststrom durchflossen. Die Signalquelle weist einen niedrigen Ausgangswiderstand auf, der durch den Ersatzwiderstand RS (gestrichelt dargestellt) versinnbildlicht wird. Die Signalquelle kann somit eine Quelle niederen Widerstands RS sein, beispielsweise eine Batterie oder ein Transistorausgang, sie kann aber auch eine Quelle hohen Widerstands sein, an deren Ausgänge ein Ausgangswiderstand RS parallel gelegt wurde. Der Widerstand RS liegt zwischen dem Anschluss 1 und dem an Masse gelegten Emitter des Transistors Q2, Der Leitungspfad aus der Leitung 3 und dem Ausgangswiderstand RS bildet einen niederohmigen Nebenschlusspfad zur Emitter-Kollektorβtreofce des Transistors Q2. Der Zweck dieses NebenßQhl«BspffidB eoll iin folgenden erklärt werden.

In der Beschreibung der Wirkungsweise βei davon ausgegangen, dass die Schalter Q1, Q2 zunächst nicht stromführend seien ' unfl über die in der leitung L1 liegende Last positive Spannung an die Anode des gesteuerten Silissiumgleichriohters Q1

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gelegt sei. Mit Erscheinen eines durch eine positive Spanining dargestellten Signals am Anschluss 1 flieset ein Triggerstrom auf der leitung 3, der den Gleicteienter QI ssiindet; überdies f Messt ein Basis strom Über die Ü©öe Bt und die Basis-Emitterstreeke des Transistors Q2, »©bei äer Basistrom so lange anhält als das Signal andauert» Alb dem Zeitpunkt des praktisch gleichzeitigen ZuschÄlteBö "beider Schalter Q1, Q2 ist der Lastkreis auf "Ein"»Über die Diode B1 wird ein kleiner Spannungen all erzeugt} flies «lient der gegenseitigen Anpassung der iSweischalterBteuerisng wsä vermeidet, dass vorzeitig abgeschaltet wird. ■»-

Mit der Biickflanke des Signals erfolgt die tiaiig dergestalt, dass am Anschluss 1 ein Masöe- ©der Minuspotential erse1ieint₉ öas den Bäsistrom durch flem Sramsistor Q2 zum Erliegen Isring*. Daiait sperrt der transistor"Q2, indem seine Eoaitterkollektorstrecke hochohmig-vnneik· Ser noch •verfeleifoenöe laststrom kann damit nicht mehr älser €ie nun-.mehr hoeholaiiig gewordene Kathodenstrecke des S-leiekricli- .. . tere Q1 fliese en, sondern verläuft über den STctbei&seiilusspfad, der öureh die leitung 5 und den niederoteaigeü Wideretand BS dargestellt wird. Auf diese Weise wirä öer 3!raneistor Q2 vor einer Beaufschlagung mit der vollen lastjfcreisspannung "bewahrt. Da der Widerstand HS niederolmig ist, kann infolge der Hiederohmigkeit des KehenBchliasspfads ein wesentlicher Teil des noch verbleihenden Mstströms über äem Webensehlusspfad abgezogen werden, so dass der Sransistor Q2 effektiv sehr schnell abschalten kamii₉ was wiöeruE verursacht,, dass die Abs ehalt ze it !beider in Serie liegender Schalter Qt ^ Q2 sehr klein gehalten werden -. kann. ...".-:. .'"'.-..,..."._ ■;"... .; ; ■ ..--...-.

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In Pig.2 wird ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Obwohl es grundsätzlich gleich arbeitet wie das in Pig.1 gezeigte Ausführungsbeispiel, ist in Pig.2 zusätzlich "ein Transistor Q3 enthalten, dessen Emitterkollektorkreis an der Stelle des Widerstands RS der Pig.1 liegt; überdies ist dem Transistor Q3 ein Arbeitswiderstand R1 zugeordnet, wobei der eine Anschluss (Anschluss 5) des Arbeitswiderstands am gemeinsamen Anschluss von Transistor Q3, Diode D1 und Steueranschluss des Gleichrichters Q1, der andere Anschluss (Leitungspunkt 7) des Widerstands R1 jedoch an einer positiven Spannung VS liegt. Der Basisanschluss des Transistors Q3'führt nun zum Anschluss 1, welcher der Ausgang der Signalquelle ist.

Der Transistor <Q3 ist vorzugsweise ein Schalttransistor. Ist er vom npn-Typ, so bildet er mit dem Widerstand R1. zusammen einen Inverter, ist er dagegen vom pnp-Typ stellt er einen Emitterfolger dar. Im letzteren Pail wird ein Signal positiver Logik am Anschluss 1 den Gleichrichter Q1 zünden und den Transistor Q2 öffnen, im ersteren Pail dagegen wird ein Signal negativer Logik an der Basis des Transistors Q3 den Leitungspunkt '5 entsprechend positiv anheben und damit die Schalter QT, Q2 öffnen.

Der Fall, dass der Schalter Q3 ein npn-Transistor ist, dessen Emitter an Masse liegt, soll.eingehender besprochen werden. Solange die Spannung am Anschluss 1 negativ oder null Volt ist, sperrt der Schalter Q3, da seine Emitterkollektorstrecke hochohmig ist. Damit kann die positive Spannung VS über den Widerstand Ri und die Leitung 3 den Gleichrichter Q1 triggern und über die Diode DI den Transistor Q2 leitend machen. Der Lastkreis ist somit stromdurchflosBen. Dieser Zustand hält so lange an, bis. das negative Potential am Anschluss 1 ver-

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schwindet oder stattdessen eine ausreichend positive Spannung an der Basis des Transistors Q3 erscheint. Der nun leitende Transistor Q3 wird niederohmig und verursacht am Punkt 5 eine Spannung nahe null Volt (Transistorsättigungsspannung). Damit werden drei Dinge erreicht: Erstens hört der Basisstrom des Transistors Q2 auf, so dass letzterer· sperrend wird; zweitens verliert der Steuereingang des gesteuerten Siliziumgleichrichters Q1 das positive Potential, so dass eine erneute Triggerung unmöglich wird; drittens wirkt der Schalter Q3 jetzt wie eine Diode in Leitrichtung, wodurch ein niederohmiger Nebenschlusspfad über die Leitung 3 und die Kollektoremitterstrecke des Transistors Q3 parallel zur Kollektoremitterstrecke des Schalters Q2 geschaffen wurde, Zur Abschaltzeit herrschen somit dieselben Verhältnisse wie beim Ausführungsbeispiel der Pig.1.

Fig. 3 stellt eine Modifikation des Ausführungsbeispiels der Pig.2 dar, bei dem an die Stelle der Diode D1 ein Widerstand E2 trat und der Kollektor des Transistors Q3 direkt an die Basis des Transistors Q2 geführt wurde. Der Schaltkreis der Fig.3 arbeitet in derselben Weise wie das zuletzt besprochene Ausführüngsbeispiel (npn-Transistor Q3) der Pig·.2. Ähnlich der Diode D1 stellt der Widerstand R2 die richtige Anpassung der Steuereingänge der Schalter Q1, Q2 an den Signalkreis dar. .·

Fig.4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel, das zwar ebenfalls zwei mit Leitungen L1, L2 in Serie liegende Schalter Q1, Q2 hat, deren Steuereingänge jedoch getrennt zu zwei Signalquellen geführt sind. Ein Anschluss 9 stellt den Ausgang einer ersten Signalquelle zur Triggerung des gesteuerten Siliziumgleichrichters Q1 dar, wobei von der Steuerelektrode zwei seriengeschaltete Dioden D2, D3 nach Masse führen,

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und eine zweite Signalquelle speist über den Anschluss 1 ; die Basis des Transistors Q2. Die Signale der Anschlüsse 9 und 1' sind grundsätzlich unabhängig voneinander, müssen jedoch immerhin so aufeinander bezogen sein, dass das Signal am Anschluss 1 die potentielle Zeitdauer einer Lastzuschaltung sowie den Zeitpunkt der Lastabschaltung, und dass das Signal am Anschluss 9 den Zeitpunkt der Zeitpunkt der Lastzuschaltung bestimmen. Die zwei seriengeschalteten Dioden D2, D3, die vom Steuereingang des Gleichrichters Q1 in Leit- mL· richtung zum Emitter des Transistors Q2 führen, dienen erstens einer notwendigen Spannungsüberhöhung zum Zündzeitpunkt und zweitens der Bildung des niederohmigen Nebenschlusspfads zum Abschaltzeitpunkt.

In Fig.5 wird eine Modifikation des Ausführungsbeispiels der ,. Fig»4 gezeigt, indem der ,Anschluss 9 der Fig.4 mit'dem Anschluss 1 über eine zum Triggereingang des Gleichrichters Q1 in Leitrichtung weisende Diode D4 verbunden ist, und indem dem Basiseingang des Transistors Q2 ein Widerstand E3 vorgeschaltet ist. Bine Zuschaltung der Last erfolgt durch ein Signal positiver Spannung am Anschluss 1; dadurch wird der gesteuerte Siliziumgleichrichter getriggert und der Tran- ψ sistor Q2 leitend gemachte Verschwindet das positive Signal am Anschluss 1 und erscheint stattdessen an diesem Anschluss null Volt oder ein negatives Potential, tritt derselbe Ab-Bchaltvorgang wie in den bisherigen Ausführungsbeispielen ein. Der Transistor Q2 wird deragemäss sperrend und der restliche Laststrom über den niederohmigen üebenschlusskreis (D2, D3) abgeführt. ·

Selbstverständlich können statt zweier seriengeschalteteter Dioden D2, D3 ebenfalls andere Bauteile mit vergleichbarer

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Charakteristik verwendet werden, beispielsweise nur eine einzige Diode.

Durch die Ausftihrungsbeispiele der Erfindung wurde eine neue Möglichkeit gezeigt, einen Lastkreis durch seriengeschaltete Halbleit erschalter, insbesondere einen gesteuerten Siliziumgleichrichter und einen Transistor, so zu schalten, dass beim Abschalten der Abschaltstrom hauptsächlich über einen Nebenschlusspfad parallel zum Kollektor-Emitterkreis des Transistors geführt wird, letzterer also ein Transistor niederer Betriebsspannung sein kann. Es ist im übrigen durchaus möglich, dass zum Abschaltzeitpunkt am Steuereingang des.Gleichrichters QI eine positive Spannung anliegt, ohne dass deshalb der Gleichrichter Q1 gezündet wird, da der in Serie liegende Transistor Q2 zu dieser Zeit sperrt und damit eine Wiederzündung bzw. Weiterleiten'des Gleichrichters Q1 verhindert. So könnte beispielsweise in Mg.4 der Anschluss 9 an ein festes, stets positives Potential (Batterie) gelegt sein, so dass lediglich über den Anschluss 1 vermittels des dort wirksamen Signals die Bestimmung des .Zu- und Abschaltzeitpunkts erfolgt.

Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind Abänderungen von den gezeigten Ausführungsbeispielen: möglich.

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Patentansprüche

lly Sehaltvorrichtung für einen Lastkreis mit einer Serienschaltung aus einem Halbleiterschalter mit Zündcharakteristik und einem zweiten Schalter, wobei der Lastkreis insbesondere eine Induktivität enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündelektrode des Halbleiterschalters (Ql) an einen für den Stromstoß beim Unterbrechen des Lastkreises niederohmigen Stromableitungspfad angeschlossen ist, der parallel zum zweiten Schalter (Q2) liegt.

™ 2. Vorficfetung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schalter ein Transistor ist, dessen Basis mit" einem Schaltimpuls beaufschlagbar ist, dessen Länge die - Einschaltdauer des Lastkreises bestimmt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterschalter eine Diode mit Zündcharakteristik ist, insbesondere ein gesteuerter Siliziumgleichrichter.

Ii. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden

Ansprüche, mit einer Zündimpulsquelle für den Halbleiter-. echalter mit Zündcharakteristik, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündimpulsquelle.einen niederen Innenwiderstand ; aufweist. .

5# Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Änsi>rüehV, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromableitungs· pfad mindestens eine Diode (D2,D3) aufweist.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet,

. , daß der Stromableitungspfad die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors (Q3) enthält, der bei Unterbrechung des Lastkreises leitend ist,

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des den zweiten Schalter bildenden Transistors (Q2) mit der Zündelektrode verbunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des den zweiten Schalter bildenden Transistors und die Zündelektrode des Halbleiterschalters an verschiedene Spannungsqaellen angeschlossen sind (Fig. 4).

9. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Basis des den zweiten Schalter bildenden Transistors und der Zündelektrode eine Impedanz liegt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz eine Diode (Dl) ist. .

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz ein Widerstand (R2) ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des im Stromableitungspfad, liegenden Transistors (Q3) mit demselben, ggf. invertierten Schaltimpuls beaufschlagbar ist wie die Basis des den zweiten Schalter bildenden Transistors (Q2).

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13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, · daß der Stromableitungspfad von der Zündelektrode zu dem vom Halbleiterschalter mit Zündcharakteristik abgekehrten Anschluß des zweiten Schalters führt,

14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2-13» dadurch gekennzeichnet, daß der Zündelektrode eine Diode (D*!) und der Basis des den zweiten Schalter bildenden Transistors (Q2) ein Widerstand vorgeschaltet ist.

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