DE1248100B

DE1248100B - Multi-stage pulse transistor amplifier for inductive load

Info

Publication number: DE1248100B
Application number: DEC31301A
Authority: DE
Inventors: Michel Lafabreque
Original assignee: Compagnie Industrielle de Telecommunication CIT Alcatel SA; Nokia Inc
Current assignee: Alcatel CIT SA; Nokia Inc
Priority date: 1962-11-05
Filing date: 1963-11-02
Publication date: 1967-08-24

Description

Mehrstufiger Impuls-Transistorverstärker für induktive Last Die Erfindung bezieht sich auf einen mehrstufigen Transistorverstärker, dessen Ausgangsstufe zwei pnp-Leistungstransistoren enthält, zur Steuerung einer induktiven Last auf Grund von rechteckigen Steuersignalen mit großer Folgefrequenz.Multi-stage pulse transistor amplifier for inductive load The invention refers to a multi-stage transistor amplifier whose output stage is two Contains pnp power transistors to control an inductive load due to of rectangular control signals with high repetition frequency.

Bei derartigen Transistorverstärkern besteht das Problem, daß an den Klemmen der induktiven Last bei der Stromunterbrechung eine beträchtliche Überspannung entsteht. Es muß vermieden werden, daß diese Überspannung die zulässige Grenzspannung übersteigt, bei der noch keine Gefahr einer Beschädigung des Transistors bzw. der Transistoren der Endstufe des Verstärkers besteht.In such transistor amplifiers there is the problem that the Clamping the inductive load in the event of a power interruption creates a significant overvoltage arises. It must be avoided that this overvoltage exceeds the permissible limit voltage exceeds, at which there is still no risk of damage to the transistor or the Transistors of the output stage of the amplifier consists.

Die Überspannung ist um so größer, je höher der Widerstand des Kreises ist, durch den der von der Induktivität der Last aufrechterhaltene Strom fließt. Sie kann daher durch Verringerung dieses Widerstands begrenzt werden. Eine Verringerung des Widerstands entspricht aber zugleich einer Vergrößerung der Zeitkonstante, durch welche das Abklingen des Stroms verlangsamt wird. Dadurch wird wiederum die obere Grenze der Schaltfrequenz verringert.The higher the resistance of the circuit, the greater the overvoltage through which the current sustained by the inductor of the load flows. It can therefore be limited by reducing this resistance. A decrease of the resistance corresponds at the same time to an increase in the time constant, through which slows the decay of the current. This in turn becomes the top one Switching frequency limit reduced.

Das Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung eines mehrstufigen Transistorverstärkers, mit dem eine induktive Last auf Grund von rechteckigen Steuersignalen mit großer Folgefrequenz gesteuert werden kann, ohne daß unzulässige Überspannungen auftreten.The aim of the invention is therefore to create a multi-stage Transistor amplifier with which an inductive load based on rectangular control signals can be controlled with a high repetition frequency without undue overvoltages appear.

Bei einem mehrstufigen Transistorverstärker, dessen Ausgangsstufe zwei pnp-Leistungstransistoren enthält, wird dies nach der Erfindung dadurch erreicht, daß die eine Klemme der Last mit dem Emitter des ersten Endstufentransistors und mit der einen Klemme eines Widerstands, dessen andere Klemme an Masse liegt, verbunden ist und daß der Kollektor des zweiten Endstufen-Transistors mit der anderen Klemme der Last der einen Klemme eines Widerstands, dessen andere Klemme an Masse liegt, und der Katode einer Diode, deren Anode an einer negativen Vorspannung liegt, verbunden ist.In the case of a multi-stage transistor amplifier, its output stage contains two pnp power transistors, this is achieved according to the invention by that one terminal of the load with the emitter of the first output stage transistor and connected to one terminal of a resistor, the other terminal of which is connected to ground and that the collector of the second output stage transistor with the other terminal the load of one terminal of a resistor, the other terminal of which is grounded, and the cathode of a diode whose anode is negatively biased is.

Der nach der Erfindung ausgeführte Transistorverstärker ergibt folgende Wirkung: Wenn beim Abschalten beide Endstufen-Transistoren plötzlich gesperrt werden, hält der Emitter des ersten Endstufen-Transistors die eine Klemme der induktiven Last praktisch auf Massepotential fest, so daß die entstehende Überspannung vollständig an der zweiten Klemme auftritt, die mit dem Kollektor des zweiten Endstufen-Transistors verbunden ist. Die an diese Klemme angeschlossene Diode verhindert aber, daß das Klemmenpotential (und somit das Kollektorpotential) das Potential der negativen Vorspannung dem Betrag nach wesentlich übersteigt. Solange die Überspannung diese negative Vorspannung übersteigt, ist die Diode geöffnet; da ihr Widerstand dann sehr klein ist, fällt der Strom zunächst mit großer Zeitkonstante langsam ab. Sobald aber infolge dieses Stromabfalls die Überspannung unter den Wert der Vorspannung fällt, wird die Diode gesperrt, und die Zeitkonstante des weiteren Abklingens des Stroms wird durch den an die gleiche Klemme angeschlossenen Widerstand bestimmt. Die Gesamtdauer des Stromabfalls ist daher wesentlich kürzer, als sie mit einem konstanten Widerstand erreicht würde, der so bemessen ist, daß die für den Transistor zulässige Grenzspannung nicht überschritten wird.The transistor amplifier implemented according to the invention results in the following Effect: If both output stage transistors are suddenly blocked when switching off, the emitter of the first output stage transistor holds the one terminal of the inductive Load practically fixed to ground potential, so that the resulting overvoltage is completely occurs at the second terminal, which is the collector of the second output stage transistor connected is. However, the diode connected to this terminal prevents that Terminal potential (and thus the collector potential) the potential of the negative The amount of preload significantly exceeds it. As long as the overvoltage this exceeds negative bias, the diode is open; since their resistance then is very small, the current initially drops slowly with a large time constant. As soon but as a result of this current drop the overvoltage is below the value of the bias voltage falls, the diode is blocked, and the time constant of the further decay of the Current is determined by the resistor connected to the same terminal. The total duration of the power drop is therefore much shorter than with one constant resistance would be achieved, which is such that that for the transistor permissible limit voltage is not exceeded.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigt F i g. 1 das Schaltbild des Verstärkers, F i g. 2 eine Tabelle der Widerstandswerte der Schaltung für ein praktisches Ausführungsbeispiel, F i g. 3 ein Diagramm der Spannungen in den verschiedenen Stufen des Verstärkers bei Zuführung von rechteckigen Steuersignalen, wobei mit V,1, VB ... die Spannungen an den Punkten A, B ... von F i g. 1 bezeichnet sind, und F i g. 4 die Kurven des durch die Belastung fließenden Stroms und der Klemmenspannung der Belastung in Abhängigkeit von der Zeit. In F i g. 1 sind mit Q2 und Q4 die Leistungstransistoren der Ausgangsstufe bezeichnet. Das Steuersignal VA wird den Basen der Transistoren Q1 und Q3 der ersten Stufe zugeführt, deren Emitter über Widerstände R2 bzw. RS mit Masse verbunden sind. Die verstärkten Signale VB bzw. VD werden den Leistungstransistoren Q4 bzw. Q2 in folgender Weise zugeführt: Die Basis des Transistors Q2 ist direkt mit dem Kollektor des Transistors Q1 verbunden. Die Emitter der Transistoren Q4 und Q2 sind jeweils über einen Widerstand R$ bzw. R4 mit Masse verbunden. Die den Lastkreis bildende Spule L des Elektromagneten ist einerseits an den Emitter des Transistors Q2 und andererseits an den Kollektor des Transistors Q4 angeschlossen. Der Kollektor des Transistors Q4 ist mit Masse über einen Widerstand R9 verbunden und außerdem mit der Anode einer Leistungsdiode D2, deren Katode mit einer eine negative Spannung VP liefernden Klemme verbunden ist. Die Stromversorgung des Verstärkers erfolgt von einer Quelle S, welche den Transistoren die richtigen Vorspannungen über die Widerstände R1, R3 und RS liefert.An embodiment of the invention is shown in the drawing. In it, F i g. 1 shows the circuit diagram of the amplifier, FIG. 2 is a table of the resistance values of the circuit for a practical embodiment, FIG. 3 shows a diagram of the voltages in the various stages of the amplifier when rectangular control signals are fed in, with V, 1, VB ... denoting the voltages at points A, B ... of FIG. 1, and F i g. 4 shows the curves of the current flowing through the load and the terminal voltage of the load as a function of time. In Fig. 1, Q2 and Q4 denote the power transistors of the output stage. The control signal VA is applied to the bases of the transistors Q1 and Q3 of the first stage, the emitters of which are connected to ground via resistors R2 and RS, respectively. The amplified signals VB and VD are fed to the power transistors Q4 and Q2 in the following way: The base of the transistor Q2 is directly connected to the collector of the transistor Q1. The emitters of the transistors Q4 and Q2 are each connected to ground via a resistor R $ and R4, respectively. The coil L of the electromagnet, which forms the load circuit, is connected on the one hand to the emitter of the transistor Q2 and on the other hand to the collector of the transistor Q4. The collector of the transistor Q4 is connected to ground via a resistor R9 and also to the anode of a power diode D2, the cathode of which is connected to a terminal supplying a negative voltage VP. The amplifier is supplied with power from a source S, which supplies the transistors with the correct bias voltages via resistors R1, R3 and RS.

Diese Schaltung arbeitet in folgender Weise: Im »Arbeitszustand«, d. h., während der ganzen Dauer des Vorhandenseins des Eingangssignals VA, sind die Transistoren Q1 und Q3 gesperrt. Dadurch entsteht am Punkt D eine negative Spannung VD, welche direkt zur Basis des Transistors Q2 übertragen wird, so daß dieser Transistor stromführend wird. Außerdem ergibt sich am Punkt B eine Spannung VB, welche der Katode der Zenerdiode Dl zugeführt wird und diese Diode stromführend macht, die dann eine negative Spannung zur Basis des Transistors Q4 überträgt. Dadurch wird auch der Transistor Q4 stromführend, wobei er seine Kollektorvorspannung vom Emitter des Transistors Q2 erhält. Daher fließt durch die Spule L ein beträchtlicher Strom i in der Richtung des Pfeils in F i g. 1.This circuit works in the following way: In the "working state", ie for the entire duration of the presence of the input signal VA, the transistors Q1 and Q3 are blocked. This creates a negative voltage VD at point D , which is transmitted directly to the base of transistor Q2, so that this transistor becomes live. In addition, there is a voltage VB at point B , which is fed to the cathode of the Zener diode Dl and makes this diode current, which then transmits a negative voltage to the base of the transistor Q4. This also makes transistor Q4 current, getting its collector bias from the emitter of transistor Q2. Therefore, a considerable current i flows through the coil L in the direction of the arrow in FIG. 1.

Im »Ruhezustand«, d. h. beim Eintreffen der Flanke b des Steuersignals VA, steigt die Spannung VB auf einen Wert in der Nähe von Null an. Die Impedanz der Diode Dl nimmt einen sehr großen Wert an, und die Spannung VP wird gleich dem Massepotential, wodurch der Transistor Q4 gesperrt wird. In gleicher Weise wird auch die Spannung VD praktisch gleich dem Massepotential, was zur Folge hat, daß der Transistor Q2 gesperrt wird.In the “idle state”, ie when the edge b of the control signal VA arrives, the voltage VB rises to a value close to zero. The impedance of the diode Dl assumes a very large value, and the voltage VP becomes equal to the ground potential, whereby the transistor Q4 is blocked. In the same way, the voltage VD also becomes practically equal to the ground potential, with the result that the transistor Q2 is blocked.

Infolge des Induktionsgesetzes sucht bekanntlich die Induktivität der Spule im Augenblick der Sperrung der Transistoren einen Strom in der Richtung des zuvor bestehenden Stroms aufrechtzuerhalten. Da nun der Transistor Q1 geöffnet ist, hat die vom Emitterübergang des Transistors Q1 und den Widerstand R2 mit dem Wert 10 Ohm gebildete Schaltung eine geringe Impedanz. Daher wird die Spannung VE, die infolge der Induktionswirkung in positiver Richtung anzusteigen sucht, bis auf einige zehntel Volt auf dem Massepotential festgehalten.As is well known, seeks inductance as a result of the law of induction the coil at the moment the transistors block a current in the direction of the previously existing electricity. Since now the transistor Q1 is open has the from the emitter junction of the transistor Q1 and the resistor R2 with the The circuit formed with a value of 10 ohms has a low impedance. Hence the voltage VE, which seeks to increase in a positive direction as a result of the induction effect, except for a few tenths of a volt held at the ground potential.

Die Induktionswirkung ergibt daher eine Überspannung Vc mit negativer Polarität. Da der vom Kollektorübergang des Transistors Q4 gebildete Widerstand praktisch unendlich groß ist, entlädt sich diese Überspannung nach Masse über den Widerstand R9, dessen Widerstandswert 3,3 kOhm beträgt.The induction effect therefore results in an overvoltage Vc with a negative one Polarity. Since the resistance formed by the collector junction of transistor Q4 is practically infinite, this overvoltage is discharged to ground via the Resistor R9, the resistance of which is 3.3 kOhm.

Man kann sich einen annähernden Begriff von dem Maximalwert der bei der Stromunterbrechung hervorgerufenen Überspannung machen, wenn man berücksichtigt, daß die Induktivität vor allem die Wirkung hat, den Strom auf dem vorher bestehenden Wert IM zu halten. Während eines sehr kurzen Augenblicks arbeitet die Schaltung wie ein Generator, der einen konstanten Strom liefert. Wenn man für den Strom 1m einen Wert von 0,3 A zuläßt, ist zu erkennen, daß der maximale Wert der augenblicklichen negativen überspannung 990 V erreichen kann, wenn nur der Widerstand R9 von 3,3 kOhm vorhanden ist. Eine solche Überspannung an den Klemmen des Transistors Q¢ ist offensichtlich unzulässig.One can get an approximate idea of the maximum value of the the overvoltage caused by the power interruption, taking into account that the inductance has above all the effect of the current on the pre-existing one Worth im to keep. The circuit works for a very brief moment like a generator that delivers a constant current. If one for the current 1m allows a value of 0.3 A, it can be seen that the maximum value of the instantaneous negative overvoltage can reach 990 V if only the resistor R9 of 3.3 kOhm is available. Such an overvoltage at the terminals of transistor Q ¢ is obviously inadmissible.

Die Diode D2 hat die Aufgabe, die beim Abschalten auftretende Überspannung auf einen für den Transistor Q4 noch zulässigen Wert zu begrenzen. Es sei angenommen, daß die zugeführte Vorspannung VP den Wert -48 V hat. Dieser Wert wird- nachstehend gerechtfertigt. Die Diode D2 ist also in der Durchlaßrichtung vorgespannt, wenn die negative .Überspannung einen Wert von mindestens 48 V hat. Der Ab-Schaltstrom i findet also einen Weg mit sehr geringem Widerstand nach Masse über die geöffnete Diode D2 (mit einem Widerstand in der Größenordnung von beispielsweise 10 Ohm) und den Innenwiderstand der Spannungsquelle VP, der als vernachlässigbar angenommen wird. Wenn für den Widerstand der Spule L ein ohmscher Wert in der Größenordnung von 160 Ohm hinzuaddiert wird, ist zu erkennen, daß der Abschaltstrom gemäß der verhältnismäßig großen Zeitkonstante L/170 von IM und 11 abnimmt. Der Strom vermindert sich daher zunächst langsam (Abschnitt 1 der Kurve von Fi g. 4). Dafür wird aber die Spannung Vc während dieses ganzen Vorgangs praktisch auf -48 V konstant gehalten.The task of diode D2 is to limit the overvoltage that occurs when switching off to a value that is still permissible for transistor Q4. It is assumed that the applied bias voltage VP is -48V. This value is justified below. The diode D2 is thus forward-biased when the negative overvoltage has a value of at least 48 volts. The switching-off current i thus finds a path with very low resistance to ground via the opened diode D2 (with a resistance of the order of magnitude of, for example, 10 ohms) and the internal resistance of the voltage source VP, which is assumed to be negligible. If an ohmic value in the order of magnitude of 160 ohms is added for the resistance of the coil L, it can be seen that the switch-off current decreases in accordance with the relatively large time constant L / 170 of IM and 11. The current therefore initially decreases slowly (section 1 of the curve in FIG. 4). For this, however, the voltage Vc is kept practically constant at -48 V during this entire process.

Wenn der Strom i so weit abgenommen hat, daß die negative Spannung am Punkt C dem Absolutwert nach unter 48 V fällt (Strom Il im Zeitpunkt t1), wird die Diode Dz in der Sperrichtung vorgespannt, so daß ihre Impedanz sehr groß wird und der Strom über den Widerstand R9 mit dem Wert 3,3 kOhm nach Masse zurückfließt. Die Zeitkonstante der Schaltung nimmt dann den Wert L/3300 an, d. h., etwa den zwanzigsten Teil des vorhergehenden Wertes. Der Strom fällt dann wesentlich schneller weiter ab (Abschnitt 2 der Kurve von F i g. 4).When the current i has decreased so far that the negative voltage at point C the absolute value falls below 48 V (current II at time t1) the diode Dz is reverse biased so that its impedance becomes very large and the current flows back to ground via resistor R9 with a value of 3.3 kOhm. The time constant of the circuit then assumes the value L / 3300, i.e. i.e., about the twentieth Part of the previous value. The current then continues to fall much faster from (section 2 of the curve of Fig. 4).

F i g. 4 zeigt, daß eine Gesamtzeit T1 nach dem Sperren der Transistoren verstreicht, bis der Strom i auf den geringen Restwert 1o abgefallen ist, bei welchem der Elektromagnet in den Ruhezustand zurückkehrt.F i g. 4 shows that a total time T1 after turning off the transistors elapses until the current i has dropped to the low residual value 1o at which the electromagnet returns to the idle state.

Es sein nun angenommen, daß man der Vorspannung VP der Diode D2 den halben Wert, also -24 V, gibt. Damit die Kurve des schnellen Abfalls erreicht wird, ist es dann erforderlich, daß der Strom i bis auf einen Wert abnimmt, der etwa die Hälfte des vorhergehenden Übergangswertes beträgt, wobei er der Kurve des langsamen Abfalls folgt (Strom 12, der in Zeitpunkt t2 erreicht wird). Die für die Rückkehr des Elektromagneten in den Ruhezustand erforderliche Zeit wird dann auf den Wert T2 beträchtlich verlängert.It is now assumed that the bias voltage VP of the diode D2 is given half the value, i.e. -24 V. In order for the curve of the rapid decay to be achieved, it is then necessary for the current i to decrease to a value which is approximately half the previous transition value, following the curve of the slow decay (current I2, which reaches at time t2 will). The time required for the electromagnet to return to the quiescent state is then considerably increased to the value T2.

Bei dem gewählten Beispiel hat man der Vorspannung VP den Wert -48 V gegeben, weil dies der höchste Wert ist, der an den Transistor Q4 unter Aufrechterhaltung eines ausreichenden Sicherheitsabstandes angelegt werden kann.In the example chosen, the preload VP has the value -48 V given because this is the highest value that will be sustained to transistor Q4 a sufficient safety distance can be created.

Da der erfindungsgemäße Verstärker ferner die Wirkung hat, daß die an der einen Klemme der Spule nach dem Abschalten bestehende Spannung nach dem an sich bekannten Verfahren der »Pegelblockierang « auf einem Wert gehalten wird, der bis auf einige zehntel Volt gleich dem Massepotential ist, ist der für VP gewählte Wert der größtmögliche Wert, der zur Steuerung der Abfallzeit des Abschaltstroms praktisch anwendbar ist. Die am Punkt C auftretende Überspannung bildet sich nämlich gegenüber dem Punkt E aus, der praktisch auf Massepotential liegt.Since the amplifier according to the invention also has the effect that the at one terminal of the coil after switching off the existing voltage after known methods of »level blocking «On a value is held, which is equal to the ground potential up to a few tenths of a volt the value selected for VP is the largest possible value for controlling the fall time of the cut-off current is practically applicable. The overvoltage occurring at point C. namely is formed opposite point E, which is practically at ground potential lies.

Da die Diode D2 nach einer Zeit gesperrt wird, die um so kürzer ist, je größer die Spannung VP dem Absolutwert nach ist, beginnt der schnelle Abfall des Stroms um so früher, je größer die Spannung VP ist.Since the diode D2 is blocked after a time which is the shorter, the greater the voltage VP in terms of the absolute value, the rapid drop begins of the current, the earlier, the greater the voltage VP.

Claims

Claims: 1. Multi-stage transistor amplifier, the output stage of which contains two pnp power transistors, for controlling an inductive load on the basis of rectangular control signals with a high repetition frequency, characterized in that one terminal of the load (L) connects to the emitter of the first output stage transistor ( Q2) and to one terminal of a resistor (R4), the other terminal of which is connected to ground, and that the collector of the second output stage transistor (Q4) is connected to the other terminal of the load (L), the one terminal of a Resistor (R9), the other terminal of which is connected to ground, and the cathode of a diode (D2), the anode of which is connected to a negative bias voltage (V p) .

2. Transistor amplifier according to claim 1, characterized in that the input stage contains two pnp transistors (Q1, Q3), the collectors of which are connected to a negative bias voltage via resistors (R3, R6), that the collector of one input stage transistor (Q ) is directly connected to the base of the first output stage transistor (Q2) and that the collector of the other input stage transistor (Q3) is connected to the base of the other output stage transistor (Q4) via a Zener diode. Documents considered: German Auslegeschrift No. 1 114 846.