DE2423259B1 - Schaltungsanordnung mit mindestens zwei parallel geschalteten Transistoren - Google Patents

Description

• Werden nun zwei parallelliegende Transistoren 1, 2 durch Anlegen einer Basis-Emitter-Spannung UBL - als Leistungsverstärker bzw. -schalter werden Transistoren stets in der sogenannten Emitter-Schaltung betrieben - durchgeschaltet, so fließen die Emitter-Ströme IEl, /EX,- 2 Bei der unterschiedlichen Stromverstärkung beider Transistoren 1, 2 würde ohne Symmetrierung beispielsweise Transistor 1 höheren Kollektor- und damit auch höheren Emitter-Strom als Transistor 2 ziehen. Eine höhere Stromziehrate entspricht einer vergleichsweise größeren zeitlichen Zunahme von IE 7 es liegt der Fall 1UpürnillUsel für Stromkreis 1 und !UPrim2lçlusetti für Stromkreis 2 vor, es werden also UBE1 gesenkt und UIRE, erhöht. Im Ergebnis sinkt I,, und steigt 1E2 bis /EX = Er Bei mehr als zwei parallel liegenden Transistoren ergibt sich für die Zusammenschaltung der einzelnen Elementarzweige (Transistor samt nachgeschalteter Spule) auf gemeinsame Gabelpunkte eine mit der Transistorzahl wachsende Anzahl von Kombinationsmöglichkeiten. Die Vernetzung hat stets so zu erfolgen, daß die Induktivitätswerte der paarweise zu einem Übertrager kombinierten (auf einem Gabelpunkt geführten) Spulen in einem Verhältnis zueinander stehen, das zur Anzahl der den einzelnen Spulen jeweils insgesamt vorgeschalteten Transistoren etwa umgekehrt proportional ist, damit letztlich jeder einzelne Transistor gleich belastet (»symmetriert«) ist. Die optimalen Verhältniszahlen hängen von den elektrischen Gegebenheiten der Schaltung ab, ein Zahlenbeispiel ist weiter unten angegeben.
• Ein erfindungsgemäß vorgesehener Symmetrierübertrager schafft gleiche Stromstärken durch ausgleichende Umverteilung anstatt durch stromproportionalen Leistungsverzehr. Der einzige Energieverbrauch liegt in geringen Magnetisierungsverlusten.
• Leitungs(Kupfer)-Verluste können durch Wahl eines geeigneten Querschnitts venachlässigbar klein gehalten werden. Insgesamt verringert der Symmetrierübertrager also nicht den Gesamtwirkungsgrad der Schaltung, sondern er steigert ihn, denn den geringfügigen Materialverlusten stehen folgende, in der Regel höhere Leistungsgewinne gegenüber: Die Transistor-Durchlaßverlustleistung PD berechnet sich zu wobei lc für den Kollektorstrom, UCI snt für den zugehörigen Sättigungswert der Kollektor-Emitter-Spannung und t für die Zeit stehen. Da nun UCE5nt mit ansteigendem k überproportional wächst, gilt die Relation Im Ergebnis erhält man eine Schaltungsanordnung mit einer - durch gleichmäßige Belastung der Transistoren - von der Schaltung her gesehenen optimalen Lebensdauer und gesteigertem Wirkungsgrad.
• Derartige Schaltungen sind insbesondere für den Einsatz in Satelliten, beispielsweise Fernseh-Rundfunk-Satelliten, geeignet, da es hier auf die genannten Eigenschaften ganz entscheidend ankommt.
• Bevorzugte Anwendung findet eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in der Stromversorgung für eine Wanderfeldröhre in einem solchen Kommunikationssatelliten.
• Die Erfindung soll nun an Hand dreier in den Figuren der Zeichnung schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele mit weiteren Merkmalen und Einzelheiten näher erläutert werden. Einander entsprechende Teile sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt Fig. 1 den Schaltplan eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, mit zwei Transistoren, Fig. 7 den Schaltplan eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, mit drei Transistoren, F i g. 3 den Schaltplan eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, mit vier Transistoren.
• Die Figuren zeigen Schaltungsanordnungen, die beispielsweise bei einem fremdgesteuerten Gleichspannungswandler, und zwar auf der Primärseite seines Hauptübertragers (Leistungsübertragers) eingesetzt werden können. Für einen hohen Wirkungsgrad kann der Wandler dabei zweckmäßigerweise in Gegenkontakt-Brückenschaltung betrieben werden.
• Die Schaltungsanordnung der Fig. 1 besteht im einzelnen aus einer Wechselspannungsquelle 1, einem Steuersignaltransformator 2 und einer Gleichspannungsquelle (Batterie) 3, in deren Stromkreis das Leistungsübertragungsnetzwerk 4 sowie ein Leistungsschalter 6, bestehend aus zwei parallelliegenden Schalttransistoren 7, 8, angeordnet sind. Die Primärseite des Steuersignaltrafos 2 liegt im Kreis der Wechselspannungsquelle 1, in seinem sekundärseitigen Kreis liegen die Basis-Emitter-Strecken der beiden Schalttransistoren 7, 8; sie werden mit der erforderlichen Ansteuerspannung Uestin - in der Figur mit einem Pfeil angedeutet - beaufschlagt. Unmittelbar hinter den Emittern der beiden Schalttransistoren 7, 8 sind jeweils Spulen 12, 13 eines Übertragers 15 (Symmetrierübertrager) eingeschaltet; die Anschlüsse gleicher Polarität sind dabei jeweils mit einem Stern markiert. Die Spulen 12, 13 sind in einem Punkt 14 des Batteriekreises (Gabelpunkt für das Netzwerk aus den zwei Schalttransistoren und den zwei Spulen) zusammengeführt. Zwischen dem Gabelpunkt 14 und dem Leistungsübertragernetzwerk 4 liegt die Gleichspannungsquelle 3. Die Induktivitätswerte L beider Spulen 12, 13 sind gleich groß. Bei praktisch idealer Kopplung werden die Emitter-Ströme beider Schalttransistoren 7, 8 nahezu verlustlos auf gleiche Stärke ausgeglichen.
• Das Ausführungsbeispiel der Fig.2 weicht von der ersten Ausführung nur darin ab, daß der Schalter aus drei statt zwei parallelgeschalteten Transistoren 7, 8, 16 zusammengesetzt ist. Schalttransistor 16 erhält sein Steuersignal ebenfalls vom Steuersignaltransformator 2. Schalttransistor 7 und 8 sind mit ihre nachgeschalteten Spulen 12 und 13 der Induktivität L auf einen ersten Gabelpunkt 18 geführt. Beide verkoppelten Spulen sorgen für eine Gleichbelastung der Schalttransistoren 7 und 8. Dem Gabelpunkt 18 sowie dem Schalttransistor 16 sind ebenfalls jeweils Spulen 19, 21 nachgeschaltet, die ihrerseits einen weiteren Symmetrierübertrager 20 bilden. Der Induktivitätswert L.,l der Spule 21 war in einem gemes- senen Fall etwa dreimal so groß wie der der Spule 19. Bei diesem Induktivitätswertverhältnis ergab sich ein nahezu verlustloser Stromflußausgleich.
• F i g. 3 zeigt eine Ausführungsform mit vier parallelgeschalteten Transistoren 7, 8, 16, 22. In dieser Ausführung sind die Schalttransistoren 16 und 22 über Spulen 23 und 24 (Übertrager 25) zu Gabelpunkten 18 bzw. 26 zusammengeführt. Diese beiden Gabelpunkte sind ihrerseits über Spulen 27 und 28 (Übertrager 29) zum Gabelpunkt 14 vereinigt. Für gleiche Ströme in jedem Schalttransistor muß gelten L7 =los, L21 =L24, L27 = L28. Zweckmäßigerweise sollte L7 = L8 = L21 = L2 = L und L.27 bzw. L28 kleiner als L, beispielsweise L27 = L28 = L12 sein, um mit möglichst wenig Ubertragertypen auszukommen und dabei den Endübertrager (Übertrager 29) spannungsmäßig nur gering zu belasten.
• Abweichend von der in der Fig.3 dargestellten Zusammenschaltung des Schalttransistor - Spulen-Netzwerkes könnten natürlich auch andere Verknüpfungen gewählt werden, beispielsweise könnten zunächst die Transistoren 7, 8 auf einen Gabelpunkt geführt werden, sodann Transistor 16 mit diesem Gabelpunkt zu einem zweiten Gabelpunkt und schließlich Transistor 22 mit diesem zweiten Gabelpunkt zum Gabelpunkt 14 verbunden werden. Eine derartige Verschaltung erfordert allerdings verschieden ausgelegte Spulen. Aus diesem Grunde empfiehlt es sich auch, stets - soweit als möglich - gleichgewichtige Zweige zu bilden und zusammenzuführen.
• In allen dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Transistoren in Emitter-Schaltung betrieben, weil in dieser Schaltungsart die höchsten Strom- und Spannungsverstärkungen auftreten und damit eine nahezu verlustlose Symmetrierung von parallelgeschalteten Transistoren am sinnvollsten ist.

Claims (4)

1. Patentansprüche: 1. Schaltungsanordnung mit mindestens zwei möglichst gleichen Transistoren, deren Kollektor-Emitter-Strecken zwischen einem ersten und einem zweiten Verzweigungspunkt parallel geschaltet sind und deren Basis-Emitter-Strecken zueinander parallel im Kreis einer Wechselspannungsquelle liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren mit Induktivitäten zu einem Netzwerk verknüpft sind, bei dem auf einen den Emittern benachbarten Verzweigungspunkt (14) als einem Netzwerk-Gabelpunkt (Gabelpunkt) zwei Induktivitäten (12, 13, 19, 21, 27, 28) geführt sind, denen entweder direkt ein Transistor (7, 8, 16, 22) vorgeschaltet ist (Elementarzweig) oder wiederum ein Gabelpunkt (18, 26) vorangeht, wobei je zwei auf einen gemeinsamen Gabelpunkt geführte Induktivitäten mit unterschiedlicher Polarität für die an ihnen abfallenden Spannungen induktiv verkoppelt sind, derart, daß eine Unsymmetrie von Emitterströmen der Transistoren durch Induzierung kompensierender Spannungen vermieden ist.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den auf einen Gabelpunkt (14, 18, 26) geführten zwei Induktivitäten (12, 13, 19, 21, 27, 28) - soweit dies von der vorgegebenen Anzahl der Transistoren her möglich ist - jeweils gleich viele Transistoren (7, 8, 16, 21) vorgeschaltet sind (gleichgewichtige Verzweigung).
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei auf einen Gabelpunkt (14, 18, 26) geführten zwei Induktivitäten (12, 13; 19, 21; 27, 28) im Falle von jeweils gleich vielen vorgeschalteten Transistoren (7, 8, 16, 22) wenigstens angenähert gleiche Induktivitätswerte aufweisen.
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, daduIch gekennzeichnet, daß die auf einen Gabelpunkt (14, 18, 26) geführten Induktivitäten (12, 13, 19, 21, 27, 28) Spulen eines wenigstens angenäherten idealen Übertragers (15) sind.

   Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit mindestens zwei möglichst gleichen Transistoren, deren Kollektor-Emitter-Strecken zwischen einem ersten und einem zweiten Verzweigungspunkt parallel geschaltet sind und deren Basis-Emitter-Strecken zueinander parallel im Kreis einer Wechselspannungsquelle liegen.

   Eine solche Schaltungsanordnung wird in der DT-OS 19 00 539 beschrieben.

   Transistoren werden parallel geschaltet, wenn die zu verarbeitende Stromstärke die Kollektor-Emitter-Strecke eines einzigen Transistors überlasten würde.

   Dabei kommt es, da Transistoren in ihren Stromverstärkungsdaten streuen, auch bei gleichen An- steuerbedingungen zu ungleichmäßigen Belastungen, welche die Lebensdauer einer aus mindestens zwei parallelen Transistoren bestehenden Einheit, beispielsweise einem Leistungsschalter, verkürzt.

   Um die Emitter-Ströme in parallelliegenden und üblicherweise in Emitter-Schaltung betriebenen Transistoren einander anzugleichen, könnte man unmittelbar in die Emitter-Zuleitung eines jeden Transistors einen ohmschen Widerstand einschalten. An diesem Widerstand fiele eine Spannung proportional zur Stärke des ihn durchfließenden Stroms ab, so daß bei einem zunächst vergleichsweise höher belasteten Transistor die Basis-Emitter-Spannung und damit die Stromverstärkung reduziert und im Ergebnis die Belastung verringert würde. Derart stabilisierende Wirkwiderstände verzehren jedoch Leistung und senken den Gesamtwirkungsgrad der Schaltung.

   Die Erfindung steht vor der Aufgabe, bei einer Schaltungsanordnung mit mindestens zwei parallelliegenden Transistoren, insbesondere Schalttransistoren, eine Symmetrierung sämtlicher Emitterströme zu erreichen, ohne daß dabei der Gesamtwirkungsgrad der Schaltung vermindert wird. Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Transistoren mit Induktivitäten zu einem Netzwerk verknüpft sind, bei dem auf einen den Emittern benachbarten Verzweigungspunkt als einem Netzwerk-Gabelpunkt (Gabelpunkt) zwei Induktivitäten geführt sind, denen entweder direkt ein Transistor vorgeschaltet ist (Elementarzweig) oder wiederum ein Gabelpunkt vorangeht, wobei je zwei auf einen gemeinsamen Gabelpunkt geführte Induktivitäten mit unterschiedlicher Polarität für die an ihnen abfallenden Spannungen induktiv verkoppelt sind, derart, daß eine Unsymmetrie von Emitterströmen der Transistoren durch Induzierung kompensierender Spannungen vermieden ist.

   Zweckmäßigerweise sind dabei die auf einen Gabelpunkt geführten Induktivitäten Spulen eines wenigstens angenähert idealen Obertragers. Im einfachsten Fall zweier parallel liegender Transistoren bilden die beiden Induktivitäten Übertragerspulen mit gleichen Induktivitätswerten.

   Die Erfindung geht von der folgenden Überlegung aus. Zeitlich sich ändernde Ströme induzieren belsanntlich in einer Induktivität Spannungen. Sind zwei Stromkreise über Induktivitäten magnetisch gekoppelt, so entsteht in jeder der zwei Induktivitäten sowohl eine Primärspannung (Uprjm), hervorgerufen durch den ihr eingeprägten Strom, als auch über die Verkopplung beider Spulen eine Sekundärspannung (sei), gebildet durch den der Nachbarspule eingeprägten Strom. Beide Spannungsbeträge sind um z gegeneinander phasenverschoben, Uprim eilt dabei dem sie induzierenden Strom um den Winkel <p< a/2 voraus, da die Stromkreise geschlossen sind und somit keine leistungslosen Ströme fließen können. An jeder Spule zweier induktiv gekoppelter Stromkreise fällt demnach als Spannung die Differenz aus Uprina und Usek mit einer zum jeweils eingeprägten Strom phasengleichen Komponente ab, die im Falle in,,,,,, I)I | zu 1 Use/ l positiv ist und bei U!>rhfl 1 1 Uses einen negativen Wert hat.