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Transistorschaltung
Die heute überwiegend benutzten Flächentransistoren setzen sich aus aneinandergefügten Schichten von Halbleiter-Einkristallen zusammen, die je nach der Art von Fremdatomen, mit denen sie angerei- chert wurden, p- oder n-Schichten genannt werden. Besitzt das Anreicherungselement gegenüber dem
Grundelement ein Valenzelektron mehr, so spricht man von einer n-Schicht, im umgekehrten Falle von einer p-Schicht. Im Falle der n-Schicht verhalten sich die Stromträger wie negative, im Falle der p-
Schicht wie positive Ladungen. Es gibt zwei Kombinationsmöglichkeiten für diese Schichten, einmal in der pnp-Form. ein zweites Mal in der Form npn. Die Erfindung schliesst die Verwendung beider Transistorentypen ein. Der Transistor besitzt die Anschlusselektroden, den Emitter, die Basis und den Kollektor.
Beim Flächentransistor vom pnp-Typ sind die genannten Elektroden in der angegebenen Reihenfolge an die Aussenfläche der ersten p-Schicht, an die n-Schicht und an die Aussenfläche der zweiten p-Schicht angeschlossen. In Abwesenheit eines elektrischen Feldes ist in dem Grenzgebiet eines pn-Überganges die elektrische Neutralität gestört, d. h. man kann als Funktion des Ortes eine von Null verschiedene Ladungdichte beobachten. Diese Ladungsdichten haben das Entstehen einer Potentialdifferenz zur Folge. Dieses Grenzschichtpotential vermindert sich, wenn man an den pn-Übergang eine Spannung U mit dem positiven Pol an der p-Seite anlegt. Umgekehrt wird das Grenzschichtpotential vergrössert, wenn die p-Seite durch eine äussere Spannung negativ gemacht wird. Dem pn-Übergang kommt hienach eine Sperrwirkung zu.
Er wirkt als Gleichrichter, d. h. er lässt nur für eine Polarität der angelegten Spannung hohe Ströme fliessen. Die Stromspannungscharakteristik ist exponentieller Natur.
Die geschilderte Sperr- oder Gleichrichtereigenschaft des pn-Überganges lässt für den Transistor ein Ersatzschaltbild zu, das, wenn auch nicht streng korrekt, doch dessen Eigenschaften, so weit sie für die Erfindung wesentlich sind, gut veranschaulicht. Es ist in der Fig. l wiedergegeben. Es zeigt sich an Hand dieses Ersatzschaltbildes, dass der Transistor aus zwei gegeneinander geschalteten Ventilen besteht, die durch die Übergänge Emitter-Basis und Kollektor-Basis gegeben sind. Das erste Ventil ist mit GE, das zweite mit GK bezeichnet. Zwischen den Emitter E und den Kollektor K ist die Gleichspannungsquelle UA, zwischen den Emitter E und die Basis B die Gleichspannungsquelle UST geschaltet.
Ausserdem liegt im Emitter-Basis-Stromzweig noch ein variabler Widerstand RST ; der mittels des letzteren zu verändernde Emitterstrom iB steuert nun den Kollektorstrom iK. Diese Steuerwirkung ist darauf zurückzuführen, dass das Ventil GK seinen Sperrwiderstand in Abhängigkeit vom Emitterstrom iB ändert. In der Fig. 1 ist diese Wirkung durch einen durch das Ventil GK gelegten Pfeil zum Ausdruck gebracht. Mit andern Worten, der entgegen der Sperrwirkung von GK über den Kollektor fliessende Strom iK ist eine Funktion des BasisStromes iB, der in Durchlassrichtung des Ventils GE fliesst. Dabei ist der Strom iK um den sogenannten Stromverstärkungsfaktor (meist 20-70) grösser als der Strom iss.UUA bildet innerhalb der in Fig. 1 wiedergegebenen Schaltung die treibende Arbeitsspannung.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Transistorschaltung mit vorzugsweiser Verwendung von Flächentransistoren, bei der in dem Emitter-Kollektorkreis eine Wechselspannung als Arbeitsspannung geschaltet und der Steuerkreis parallel zur Basis-Kollektorstrecke gelegt und mit einer vorzugsweise variablen, der Durchlassrichtung der Basis-Emitterstrecke entgegengeschalteten Gleichspannung beaufschlagt ist, wobei die Schaltelemente derart bemessen sind, dass die mit dem Beginn des Steuerstromfliessens am Verbaucher erscheinende Spannung mit steiler Flanke auf den Wert der Arbeitswechselspannung springt und ist
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dadurch gekennzeichnet, dass sie mit ihrem Emitter-Kollektorkreis auf eine Steuerwicklung eines Rücklaufmagnetverstärkers, d.
h. eines Magnetverstärkers, arbeitet, dessen Drossel in der Steuerhalbpeüode ihrer Speisespannung mit einem entmagnetisierenden Spannungszeitintegral beaufschlagt ist. Die Erfindung macht sich dabei die Sperrwirkung derEmitter-Basisstrecke gegenüber den negativen Halbwellen der Arbeitswechselspannung zunutze. Es treiben die positiven Halbwellen der Arbeitswechselspannung einen Steuerstrom iB über den Parallelzweig zur Basis-Kollektorstrecke, wobei sich der Steuerstromkreis über die niederohmige Spannungsquelle UA schliesst. Insgesamt gesehen fliesst also über den Kollektor ein pulsierender Gleichstrom. der durch den Steuerstrom iB bestimmt ist. Die erfindungsgemässe Transistorschal- tung ist in der Fig. 2 an einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
Aus der Fig. 1 wiederkehrende Teile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Gegenüber der Schaltung nach Fig. 1 ist die Gleichspannungsquelle im Emitter-Kollektorkreis durch eine Wechselspannungsquelle ersetzt. Im gleichen Kreis liegt ausserdem ein Verbraucher V. Parallel zur Basis-Kollektorstrecke liegt ein Widerstand RST, an den eine an sich veränderliche Gleichspannung UG gelegt ist. Dabei ist die letztere der Durchlassrichtung der Basis-Emitterstrecke entgegengeschaltet. Die Arbeitswechselspannung wird hier ebenfalls zum Treiben des Steuerstromes iB benutzt ; in ist bestimmt durch die Spannung UA und den Widerstand RST.
Wird letzterer entsprechend klein gehalten, so kann der Transistor als Schalter arbeiten, der in der positiven Halbwelle der Arbeitsspannung UA diese über eine durch die Gegenspannung UG bestimmte Zeit an den Verbraucher legt und sie in ihrer. negativen Halbwelle sperrt. Die Fig. 3 erläutert diese Arbeitsweise.
In sie sind über zwei in verschiedenen Höhen ausgezogene Zeitachse die Spannung UA und der Steu-
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Steuerstromes iBstrom iB beginnt erst von dem Zeitpunkt an zu fliessen, in dem UA = UG wird. Es ist dabei der Steuerstrom durch die Spannungsdifferenz UA-UG und durch den Widerstand RST bestimmt. Ist mit dem Errei- chen des Wertes im des Steuerstromes iB der Transistor voll ausgesteuert, so liegt von diesem Zeitpunkt an die volle Spannung UA, abgesehen von dem Restspannungsabfall am Transistor, am Verbraucher, bis iB wieder unter den Wert im sinkt.
Sind nun erfindungsgemäss die Schaltelemente der Transistorschaltung so bemessen, dass die mit dem Beginn des Steuerstromfliessens am Verbraucher erscheinende Spannung mit steiler Flanke auf den Wert der Arbeitswechselspannung springt, so lässt sich sagen, dass die am Verbraucher mit dem Überschreiten der Gegenspannung durch die Arbeitswechselspannung erscheinende, gerichtete Spannungszeitfläche allein durch die Gegenspannung bestimmt ist.
Die erfindungsgemässe Transistorschaltung macht es hienach möglich, an einen Verbraucher eine gerichtete Spannungszeitfläche zu legen, deren Grösse allein durch eine Spannung bestimmt ist. Dabei kann infolge der Stromverstärkung im Transistor die Gegenspannung erheblich leistungsschwächer gewählt werden als sie der im Verbraucher umgesetzten Leistung entspricht. Die im Transistor selbst auftretende Verlustleistung ist dabei, durch seine schalterartige Wirkung bedingt, sehr klein.
In einer Weiterführung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass der erfindungsgemäss geschaltete Transistor mit seinem Emitter-Kollektorkreis auf die Steuerwicklung eines Rücklaufmagnetverstärkers, d. h. eines Magnetverstärkers arbeitet, dessen Drossel in der Steuerhalbperiode seiner Speisespannung mit einem entmagnetisierenden Spannungszeitintegral beaufschlagt ist. Damit werden die sonst beim Rücklaufmagnetverstärker notwendigen Steuergleichrichter eingespart. Ein weiterer Vorzug des erfindungsgemässen transistorgesteuerten Magnetverstärkers ist die zusätzliche Stromverstärkung über den Transistor.
In Fig. 4 ist ein besonders einfaches und vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines über die erfindungsgemässe Transistorschaltung gesteuerten Rücklaufmagnetverstärkers schematisch wiedergegeben. Dabei sind die indieEmitter-Kollektorkreise der Transistoren TS 1 und TS 2 gelegten Steuerwicklungen zweier Rilcklaufmagnetverstärherkerne mit TU 1 und TU 2 bezeichnet. Als Arbeitswechselspannung dient die an der Mitte einer angezapften Sekundärwicklung eines Transformators T 1 abgenommene Wechselspannung. Die beiden Magnetverstärkerwicklungen arbeiten in Gegentakt.
Zu diesem Zwecke sind die Kollektor-Elektroden der beiden Transistoren über die Magnetverstärkersteuerwicklungen sowohl an den Minuspol der steuernden Gegenspannung UG als auch an die Mittenanzapfung des Transformators T 1 angeschlossen. Die Basen beider Transistoren liegen am Pluspol der steuernden Gegenspannung UG. Die steuernde Gegenspannung wird dabei an dem Widerstand RST abgenommen. Durch die Sperrwicklung der Emitter-Basisstrecken der Transistoren TS 1 und TS 2 kann jeweils abwechselnd nur in einer Halbwelle
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der am Transformator T l abgenommenen Wechselspannung ein Steuerstrom iKl bzw. iK2 durch die Steuerwicklungen TU 1 bzw. TU 2 fliessen.
Die Grössen dieser Ströme richten sich be : geöffneten Transistoren nur nach den an die Wicklungen TU 1 und TU 2 gelegten Spannungszeitflächen und den Magnetisierungskennlinien der beiden Kerne. Die Schaltzeit und damit die Grösse der an die Steuerwicklungen TU 1 und TU 2 gelangenden Spannungszeitflächen ist durch die Grösse der Gegenspannung U bestimmt. Es Ist damit eine gleiche Magnetisierung der beiden Kerne TU 1 und TU 2 auch bei ungleichen Kennlinien erreicht, da sich jeder Kern seinen Magnetisierungsstrom selbst bestimmt, der nach der angelegten Spannungszeitfläche erforderlich Ist. Die Schaltung verhindert ausserdem einen Rückstrom während der negativen Speisespannungshalbwelle über die Magnetverstärkersteuerwicklungen. Die in Fig. 4 eingezeichneten Polaritäten für eine Halbwelle zeigen das.
Die für TU 2 und TS 2 gerade vorherrschende negative Halbwelle legt an den Kollektor von TS 2 über den Mittelpunkt des Speisetransformators T l das Potential Null. An die Basis von TS 2 gelangt das Pluspotential der Steuergegenspannung, so dass die entsprechende Kollektor-Basisstrekce GK auf Sperrung beansprucht wird, u. zw. im normalen Richtungssinn des Stromes ig. Damit kann aber kein negativer Steuerstrom durch die Magnetverstärkersteuerwicklung fliesen.
Um eine noch grössere Verstärkung zu erhalten, können erfindungsgemäss ein In Kollektor-Schaltung mit Gegensteuerspannung betriebener weiterer Transistor oder mehrere in Kollektor-Kaskade geschaltete und gleicherweise mit Gegensteuerspannung betriebene Transistoren vorgesehen werden, der mit seinem bzw. die mit dem Emitter der letzten Stufe an die die Basen der beiden die Magnetverstärkerkeme direkt steuernden Transistoren verbindende Leitung angeschlossen sind.
Die Fig. 5 zeigt hiefür ein Ausführungsbeispiel. Das in Fig. 4 wiedergegebene Ausführungsbeispiel ist hiebei durch einen Transistor-Vorverstärker TS 3 erweitert. Er liegt mit seinem Kollektor über einen Widerstand R am negativen Pol der steuernden Gegenspannung UG und wird durch diese, die in einen parallel zur Basis-Kollektorstrecke geschalteten Steuerkreis gelegt ist, gesteuert. Sein Emitter Ist an die Verbindungsleitung der Basen der beiden Transistoren TS 1 und TS 2 angeschlossen. Es ist dieser Anschluss, der es trotz der in Gegentakt betriebenen Magnetverstärker-Drosseln ermöglicht, den Vorverstärker mit nur einem Transistor zu betreiben. In beiden Halbwellen der speisenden, am Transformator T 1 abgenommenen Wechselspannung wird nämlich dank diesem Anschluss der Transistor TS 3 geöffnet.
PATENTANSPRÜCHE : 1. Transistorschaltung, vorzugsweise unter Verwendung vonFlächentransistoren bei der in dem Emitter-Kollektorkreis eine Wechselspannung als Arbeitsspannung geschaltet und der Steuerkreis parallel zur Basis-Kollektorstrecke gelegt und mit einer vorzugsweise variablen, der Durchlassrichtung der Basis-Emitterstrecke entgegengeschalteten Gleichspannung beaufschlagt ist, wobei die Schaltelemente derart bemessen sind, dass die mit dem Beginn des Steuerstromfliessens am Verbraucher erscheinende Spannung mit
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einem entmagnetisierenden Spannungszeitintegral beaufschlagt ist.