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Steuerbarer Nebenschluss für gering belastbare Spannungsquellen, insbesondere Messkondensatoren in Verzögerungskreisen
In vielen Fällen der Steuerungstechnik ist es erforderlich, eine Spannungsquelle oder einen Teilwiderstand eines hochohmigen Spannungsteilers kurzzuschliessen. Sollen die Parameter der kurzzuschlie- ssenden. Schaltelemente auch im offenen Zustand des"Kurzschliessers". licht von diesem beeinflusst werden, sind gewisse Forderungen einzuhalten. Da man nicht immer von einem "Kurzschliessen" sprechen kann, weil auch im Kurzschlussfall noch ein endlich grosser Restwiderstand vorhanden ist, soll im weiteren der Kurzschliesser allgemein als steuerbarer Nebenschluss bezeichnet werden.
Zur Erläuterung dient die Situation beim Kurzschliessen eines Messkondensators (z. B. in einer Zeitrelaisschaltung auf RC-Grundlage mit sehr hochohmigem Aufladewiderstand). Hier ist es wichtig, den Kondensator während des eigentlichen Messvorganges und auch danach nur unwesentlich zu belasten.
Anderseits muss aber im Kurzschlussmoment der Widerstand des Nebenschlusses sehr niedrig sein, wenn die Entladezeit begrenzt ist. Ausserdem darf der Nebenschluss durch den Entladestrom des Kondensators nicht überlastet werden. Man muss also an den steuerbaren Nebenschluss folgende Forderungen stellen : l. R D Rauf
2. RNK < Tent
3. Inzul > Ientmax.
Darin ist RND der Widerstand des Nebenschlusses im offenen und RNK der Widerstand imkurzgeschlossenen Zustand. Weiterhin ist Rauf der Aufladewiderstand der RC-Kombination undrent die maximal zulässige Entladezeitkonstante. Inzul ist der zulässige Nebenschlussstrom, Ientmax der maximal auftretende Entladestrom des Kondensators. Wird aber ein kontaktloser steuerbarer Nebenschluss verwendet, dann treten folgende Schwierigkeiten auf. Im kurzgeschlossenen Zustand weist der Nebenschluss den Widerstand RNK auf, der einen Spannungsabfall von einigen 100 mV zur Folge hat. Es ist bereits bekannt, den störenden Spannungsabfall durch den etwa gleich grossen Spannungsabfall an einer Diode zu kompensieren.
Im gesperrten Zustand dagegen stört bei Verwendung der üblichen Germaniumflächentransistoren die starke Temperaturabhängigkeit des Kollektorreststromes und damit auch die des Widerstandes RND-Bei einer Kollektorspannung von 12 V wird der Sperrwiderstand sich in einer Funktion nach Fig. 1 in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur ändern (ausgezogene Kurve).
Indem üblichen Temperaturbereich von-10 bis +50 C ändert sich also derSperrwiderstand um denFaktor 0, 4 - 80.
Abhilfe schafft hier die Verwendung eines Nebenschlusses auf Siliziumbasis. Bei einem Siliziumtransistor sind die Restströme der Sperrschichten auf Grund des andern Halbleitermaterials um eine Zehnerpotenz niedriger. In dem betrachteten Temperaturbereich würde sich der Sperrwiderstand nur um den Faktor 0, 95 - I, 5 ändern (gestrichelte. Kurve Fig. l).
Ausserdem beträgt bei einem Siliz. iumtransistor der Sperrwiderstand bei 50 C noch 10-20 M Ohm.
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Die Verwendung von Transistoren auf Siliziumbasis hat jedoch zwei Nachteile :
Die Grosssignalverstärkung ist im Mittel nicht grösser als 20 und der Preis eines Siliziumtransistors ist bedeutend höher als der eines ähnlichen Germaniumtransistors.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Schaltungsanordnung für einen kontaktlosen steuerbaren Nebenschluss zu schaffen, die den Forderungen nach einem möglichst hohen und temperaturunabhängigen Sperrwiderstand und einer geringen Steuerleitung gerecht wird. Dabei sind die Kosten möglichst gering zu halten.
Durch die Erfüllung dieser Aufgabenstellung wird erreicht, dass beispielsweise der Aufladevorgang eines Kondensators praktisch nicht beeinflusst wird, und die Schaltungsanordnung auch in Kreisen mit geringer zur Verfügung stehender Steuerleitung zu verwenden ist.
Erfindungsgemäss wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass eine dem Ein- und Ausgang gemeinsame Elektrode an dem einen Pol der kurzzuschliessenden Spannungsquelle liegt und dass zwischen dem ändern Pol dieser Spannungsquelle und der Ausgangselektrode des steuerbaren Halbleiters der Richtleiter mit annähernd temperaturunabhängigem Reststrom so eingeschaltet ist, dass dieser während des Sperrzustandes des steuer baren Halbleiters gesperrt und während desDurchlasszustandes durchlässig ist. In Reihe mit dem Richtleiter liegt ein Strombegrenzungswiderstand. Der steuerbare Halbleiter wird durch den Spannungsabfall an einer Diode im Emitterkreis gesperrt. Ausserdem dient die an der Diode abfallende Spannung als Formierspannung für den Elektrolytkondensator in einer Zeitrelaisschaltung.
Die Erfindung soll an Hand der Fig. 1-4 näher erläutert werden. Es stellen dar :
EMI2.1
ses in einer Zeitrelaisschaltung.
In Fig. 2a ist als steuerbarer Nebenschluss ein Transistor in Emitterschaltung verwendet. Seine Basis liegt über dem Widerstand R2 an dem Potential +Ug, der Kollektor über dem Widerstand Rl an dem Potential-U., der Emitter ist mit Pol a der nebenzuschliessenden Spannungsquelle U, verbunden. Der Kollektor wird weiterhin durch denRichtleiter D, hier eineDiodemit temperaturunabhängigem Sperrstrom (Siliziumdiode) und den Widerstand Ra an den Pol b der oben genannten Spannungsquelle U2 angeschlossen. Grundbedingung für das Funktionieren der Anordnung ist : -U > -U,. (l)
Auf diese Bedingung wird im weiteren noch eingegangen. Der Transistor T erhält über den Widerstand R, eine positive Basisspannung. In diesem Fall gilt das Ersatzschaltbild nach Fig. 2b.
Darin ist der gesperrte Transistor T durch den offenen Schalter ST symbolisch dargestellt. Parallel dazu liegt aber der temperaturabhängige Sperrwiderstand Rsperr. Bei der oben erwähnten Bedin- gung (1) liegt also an der Anode der Diode eine negativere Spannung als an der Kathode. Die Diode sperrt (RD-oo). Das bedeutet, dieBelastungderSpannungsquelle U ist zu vernachlässigen. Die temperaturabhängige Widerstandsänderung zeigt Fig. 3 im Vergleich mit einem Siliziumtransistor. Man erkennt, dass sich die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung hinsichtlich des Sperrwiderstandes und dessen Temperaturabhängigkeit mindestens genau so wie ein handelsüblicher Siliziumtransistor verhält.
In Fig. 2c wird der Fall betrachtet, bei dem am Eingang des Transistors eine negative Spannung liegt und diese bis zu : Kniespannung ausgesteuert ist. Jetzt hat die Anode der Diode Dl ein positiveres Po- tential als die Kathode (-Ujjie < -U ) und die Spannungsquelle Ug wird durch die Reihen- schaltung der Widerstände (RD + RDurch + Ra) geshuntet.
Der Transistor T ist wieder durch den Schalter ST symbolisiert. Er wird vom Strom i=i, +io durchflossen. Der Widerstand Ra soll strombegrenzend wirken, wenn die Spannungsquelle U durch einen aufgeladenen Kondensator gebildet wird. Dieser Fall ist in Fig. 4 als beispielsweise Schaltung für den steuerbaren Nebenschluss eines Messkondensators einer kontaktlosen Zeitrelaisschaltung gezeigt.
Alle nicht unmittelbar zur erfindungsgemässen Schaltungsanordnung A gehörenden Bauelemente sind nicht näher bezeichnet. Mit B ist die nachfolgende Überwachungsschaltung bezeichnet.
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Im Ruhezustand ist die Basis des Transistors T über die Diode D2 gegenüber dem Emitterpositiv vorgespannt. Der Transistor T ist gesperrt und die Kapazität C kann sich aufladen. Bei der schon erwähnten Bedingung (l) wird die Diode Dl in jedem Fall gesperrt sein. Erhält der Transistor T nun einen zum Aussteuern ausreichend negativen Basisstrom, wird auch Dl durchlässig und die Kapazität C kann sich bis auf URest = (U 3 + UKnie + UDiode) entladen.
EMI3.1
spannung an der Kapazität.
Die Grösse des Widerstandes Rg richtet sich nach dem maximal zulässigen Kollektorstrom des Transistors T, der minimal geforderten Entladezeitkonstante und des für die Steuerung des Transistors T zur Verfügung stehenden Steuerstroms.
Durch die erläuterte Schaltungsanordnung eines steuerbaren temperaturunabhängigen Nebenschlusses wurde eine Einrichtung geschaffen, die es bei den angeführten Bedingungen gestattet, auf Siliziumtransistoren zu verzichten.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Steuerbarer Nebenschluss für gering belastbare Spannungsquellen, insbesondere Messkondensatoren in Verzögerungskreisen, mit einem steuerbaren Halbleiter, dessen Ausgangselektrode über einen Widerstand an der Versorgungsspannung liegt und einem im Verbraucherpfad befindlichen Richtleiter, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Ein- und Ausgang gemeinsame Elektrode an dem Pol (a) der Spannungsquelle (U) liegt und zwischen dem andern Pol (b) der Spannungsquelle (U2) und der Ausgangselektrode des steuerbaren Halbleiters (T) der Richtleiter (Dl) mit annähernd temperaturunabhängigem Reststrom so eingeschaltet ist, dass dieser während des Sperrzustandes des steuerbaren Halbleiters (T) gesperrt und während des Durchlasszustandes durchlässig ist.