Einrichtung zur Steuerung von elektrischen Verbraucherleistungen Um die einem Verbraucher zugeführte elektrische Leistung zu steuern, gibt es im wesentlichen zwei Möglichkeiten, und zwar einerseits eine Abstufung der Leistung und anderseits eine periodische Unter brechung der Leistungszufuhr mit Abstufung des Verhältnisses von Ein- und Ausschaltdauer. Diese letztere Möglichkeit ist bisher deshalb wenig ange wendet worden, da die Schaltelemente, die hierzu nötig waren, wie z. B. mechanische Kontakte oder Röhren, im Hinblick auf Betriebssicherheit bzw. Wir kungsgrad und Lebensdauer zu wünschen übrig liessen.
Steuert man jedoch die Leistung mittels Transistoren, so erweist sich die bisher unvorteilhafte Methode als die bei weitem zweckmässigste, da sie es gestattet, die einzelnen Transistoren mit verhältnismässig sehr hohen Leistungen zu belasten. Ein derart betriebener Transistor wird als Schalttransistor bezeichnet und arbeitet im Dauerbetrieb nur auf den Endabschnitten seiner Arbeitsgeraden, welche bis auf diese Abschnitte ausserhalb der Verlusthyperbel liegt. Dieser ausser halb der Leistungsgrenze des Transistors liegende Be reich wird so rasch übersteuert, dass eine übermässige Erwärmung nicht auftreten kann.
Praktisch erfolgt also tatsächlich eine Steuerung der Leistung mit Hilfe der Steuerung des Verhältnisses der Öffnungs- zur Schliesszeit. Die bei mechanischen Kontakten auftre tenden Schwierigkeiten fallen beim Transistor von vornherein weg.
Um auch grössere Spannungen und/oder Ströme beherrschen zu können, wird eine Reihen- und/oder Parallelschaltung von Schalttransistoren vorgenom men. Hierbei ergeben sich beträchtliche Schwierig keiten wegen der Notwendigkeit, sämtliche Transi storen gleichmässig zu belasten. Besonders streng ist diese Forderung bei der Reihenparallelschaltung, wo ungleichmässige Belastungen entweder dazu führen, dass ein Teil der Transistoren nicht voll ausgenützt ist oder aber, was noch unangenehmer ist, dass Über lastungen einzelner Transistoren eintreten.
Man könnte sich nun dadurch helfen, dass man keine echte Reihenparallelschaltung, sondern eine Parallelschal- tung von Reihen vornimmt, d. h. auf Querverbin dungen der Reihen untereinander verzichtet. Dann kann man in den einzelnen Reiheneine gleichmässige Spannungsverteilung bei gleichem Strom durch Vor widerstände in Steuer- und Arbeitskreisen sowie durch Nebenwiderstände zu den Transistoren erreichen.
Diese Widerstände sind wegen der Verschiedenheit der Kennlinien der Transistoren in jeder Reihe für sich einzustellen, so dass sich im allgemeinen ungleiche Potentialverhältnisse an einander entsprechenden Transistoren jeder Reihe ergeben und die Ströme der Reihen nicht übereinstimmen. Daher muss auch jeder einzelne Transistor aus einer besonderen Steuer spannungsquelle, wobei es sich im allgemeinen um eine Sekundärwicklung eines Steuertransformators handeln wird, gesteuert werden. Auf diese Weise er gibt sich eine mit verhältnismässig grossem Aufwand verbundene Anordnung, ganz abgesehen von den be trächtlichen Energieverlusten in den Widerständen.
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steue rung von elektrischen Verbraucherleistungen mittels mehrerer steuerbarer Halbleitervorrichtungen in Reihenparallelschaltung, die sich von dem Bekannten dadurch unterscheidet, dass über den Parallelschaltun gen je ein Symmetrierwiderstand sowie pro Halbleiter vorrichtung ein einstellbarer Steuerkreisvorwiderstand vorhanden ist, um Spannung und Strom sämtlicher steuerbarer Halbleiter wenigstens annähernd gleich gross zu halten. Als steuerbare Halbleiter werden vor teilhaft Transistoren vorgesehen.
Die Symmetrierwider- stände liegen hierbei zweckmässig in Reihe und je einer Gruppe von parallel geschalteten Transistoren ist mit Vorteil einer von ihnen zugeordnet. Damit ergibt sich in der gesamten Reihenparallelschaltung bereits eine gleichmässige Spannungsverteilung. Die Symmetrierwiderstände werden zu diesem Zweck vor teilhaft so gross bemessen, dass im Sperrzustand die Summe der Kollektorströme aller Transistorreihen z. B. ein Zehntel des Stromes durch die Symmetrier- widerstände beträgt.
Mit Hilfe der Steuerkreisvor- widerstände wird zweckmässig bei jedem Transistor im Durchlass eine Kennlinie eingestellt, bei der der betreffende Transistor in Sättigung arbeitet und den gleichen Strom wie die übrigen führt. Es ist hierbei darauf zu achten, dass die Leistungshyperbel nicht überschritten wird, d. h. der Sättigungsknick muss ge nügend weit vor dem Bereich unzulässiger Belastung liegen.
Dank der übereinstimmenden Spannungen und Ströme ist damit eine Reihenschaltung parallel geschalteter Transistoren, d. h. eine echte Reihen parallelschaltung, möglich. Diese Schaltanordnung gestattet es, die parallel liegenden Transistoren aus einer gemeinsamen Sekundärwicklung des Transfor mators zu steuern. Zusammen mit dem Fortfall der Vorwiderstände im Arbeitskreis und der Nebenwider stände tritt also eine ganz erhebliche Ersparnis an Schaltelementen ein.
Zur Steuerung werden vorzugsweise Impulse wechselnder Polarität herangezogen, die vom Steuer transformator über Ventile, welche eine Gleichrichtung der Impulse vornehmen, an die Steuerelektroden der Transistoren übertragen werden. Durch Anderung des Tastverhältnisses der Impulse kann dann die Leistung im Verbraucherkreis beeinflusst werden.
Für die Sperrung der Schalttransistoren gibt es drei grundsätzliche Möglichkeiten, und zwar kann man den Basisstrom zu Null machen, d. h. die Ver bindung zwischen Basis und Emitter unterbrechen, oder Basis und Emitter kurzschliessen, wodurch die Basisspannung zu Null wird, oder schliesslich den Kollektorreststrom über die Basis abziehen, so dass der Emitterkreis stromlos wird. Dieser letztere Sperr zustand ist am vorteilhaftesten, da hierbei die Durch bruchspannung des gesperrten Transistors ganz er heblich erhöht wird.
Um den Emitterstrom zu Null zu machen, ist es erforderlich, der Basis eine geringe Vorspannung gegenüber dem Emitter mit entgegen gesetzter Polarität wie am Kollektor zu geben. Der Kollektorreststrom fliesst dann statt über den Emitter über die Basis ab.
Anhand der schematischen Zeichnung sollen nun nähere Einzelheiten der Erfindung eines Ausführungs beispiels der Erfindung beschrieben werden. Es han delt sich hierbei um eine Reihenschaltung von zwei Gruppen von je drei parallel geschalteten Transisto ren 10, 11, 12 bzw. 20, 21, 22, welche mit der Last 2 in Reihe an der Gleichstromquelle 1 liegen. Zur Symmetrierung der Spannung an den Transistoren dienen die beiden Widerstände 13 und 23. Die Steue rung der Transistoren erfolgt durch Impulse von an nähernd rechteckiger Form und wechselnder Pola rität, welche den Klemmen 3 und 4 des Steuer transformators 5 zugeführt werden.
Die an den Se- kundärwicklungen 6 und 7 entstehenden Impulse werden mit Hilfe von Ventilen 8 bzw. 9 gleichgerich tet und bewirken die Öffnung der Transistoren, deren Steuerelektroden sie über einstellbare Widerstände 17, 18, 19 bzw. 27, 28, 29 zugeführt werden. Wie bereits erwähnt, werden diese Widerstände so eingestellt, dass sämtliche Transistoren einerseits mit gleichem Strom und anderseits im Sättigungsbereich ihrer Kennlinien arbeiten. Um den günstigen Sperrzustand, der durch Verschwinden des Emitterstromes gekennzeichnet ist, herbeizuführen, sind weiterhin Gleichspannungs- quellen 15, 25 vorgesehen.
Im vorliegenden Fall han delt es sich hierbei um Gleichrichter mit nachge schaltetem Arbeitswiderstand R und Glättungskon- densator C, welche über Hilfstransformatoren 16, 26 aus dem Wechselstromnetz gespeist werden. Die Po larität dieser zusätzlichen Vorspannung ist der Pola rität der Öffnungsspannung entgegengesetzt, daher müssen die Ventile 8 bzw. 9 mit Hilfe von Wider ständen 24, 14 für die zusätzliche Spannung über brückt werden.
Der Typ der verwendeten Transistoren ist grund sätzlich gleichgültig. Es sind darüber hinaus auch an dere steuerbare Halbleiter verwendbar. Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel be- schränkt, sondern kann auf die Reihenparallelschal tung beliebig vieler Halbleiter angewendet werden.