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.
Device for controlling electrical consumer loads To control the electrical power supplied to a consumer, there are essentially two options, on the one hand a gradation of the power and on the other hand a periodic interruption of the power supply with gradation of the ratio of on and off times. This latter option has so far been used little because the switching elements that were necessary for this, such. B. mechanical contacts or tubes left something to be desired in terms of operational reliability or we efficiency and service life.
However, if the power is controlled by means of transistors, the previously disadvantageous method proves to be by far the most expedient, since it allows the individual transistors to be loaded with relatively very high powers. A transistor operated in this way is referred to as a switching transistor and in continuous operation only works on the end sections of its working straight line which, apart from these sections, lies outside the loss hyperbola. This area, which lies outside the power limit of the transistor, is overdriven so quickly that excessive heating cannot occur.
In practice, therefore, the power is actually controlled with the help of the control of the ratio of the opening to the closing time. The difficulties occurring with mechanical contacts are eliminated from the start with the transistor.
In order to be able to cope with larger voltages and / or currents, a series and / or parallel connection of switching transistors is made. This results in considerable difficulties because of the need to load all transistors evenly. This requirement is particularly strict for series-parallel connections, where uneven loads either mean that some of the transistors are not fully utilized or, what is even more unpleasant, that individual transistors are overloaded.
One could help oneself by not making a real series-parallel connection, but a parallel connection of rows, i. H. no cross connections between the rows. Then you can achieve a uniform voltage distribution in the individual rows with the same current through resistors in control and working circuits and through shunt resistors to the transistors.
Because of the difference in the characteristics of the transistors in each row, these resistances must be set individually, so that in general unequal potential ratios result at corresponding transistors in each row and the currents in the rows do not match. Therefore, each individual transistor must also be controlled from a special control voltage source, which is generally a secondary winding of a control transformer. In this way he gives himself an arrangement associated with relatively great effort, not to mention the considerable energy losses in the resistors.
The invention relates to a device for controlling electrical loads by means of several controllable semiconductor devices in series-parallel connection, which differs from the known in that there is a balancing resistor over the parallel connections and an adjustable control circuit series resistor for each semiconductor device to control voltage and current To keep semiconductors at least approximately the same size. As controllable semiconductors transistors are provided before geous.
The balancing resistors are expediently in series and one of them is advantageously assigned to each group of transistors connected in parallel. This already results in a uniform voltage distribution in the entire series parallel connection. The balancing resistors are sized for this purpose before geous so large that the sum of the collector currents of all transistor rows z. B. is a tenth of the current through the balancing resistors.
With the help of the control circuit resistors, a characteristic curve is expediently set for each transistor in the passage, in which the respective transistor works in saturation and carries the same current as the others. It is important to ensure that the power hyperbola is not exceeded, i.e. H. the saturation kink must be sufficiently far in front of the area of impermissible load.
Thanks to the matching voltages and currents, a series connection of transistors connected in parallel, i.e. H. a real series parallel connection is possible. This switching arrangement allows the parallel transistors to be controlled from a common secondary winding of the transformer. Together with the elimination of the series resistors in the working group and the secondary resistors, there is a considerable saving in switching elements.
For control, pulses of alternating polarity are preferably used, which are transmitted from the control transformer via valves, which rectify the pulses, to the control electrodes of the transistors. The power in the consumer circuit can then be influenced by changing the pulse duty factor.
There are three basic possibilities for blocking the switching transistors, namely the base current can be made zero, i.e. H. Interrupt the connection between the base and emitter, or short-circuit the base and emitter, whereby the base voltage becomes zero, or finally withdraw the residual collector current via the base, so that the emitter circuit is de-energized. This latter blocking state is the most advantageous, since it increases the breakdown voltage of the blocked transistor quite considerably.
In order to make the emitter current to zero, it is necessary to give the base a low bias voltage with respect to the emitter with opposite polarity as at the collector. The residual current from the collector then flows through the base instead of the emitter.
Based on the schematic drawing, more details of the invention of an embodiment of the invention will now be described. This involves a series connection of two groups of three parallel-connected Transisto Ren 10, 11, 12 or 20, 21, 22, which are connected to the DC source 1 in series with the load 2. The two resistors 13 and 23 serve to balance the voltage across the transistors. The transistors are controlled by pulses of approximately rectangular shape and changing polarity, which are fed to terminals 3 and 4 of the control transformer 5.
The impulses generated at the secondary windings 6 and 7 are rectified with the aid of valves 8 and 9, respectively, and cause the transistors to open, the control electrodes of which are fed through adjustable resistors 17, 18, 19 and 27, 28, 29, respectively. As already mentioned, these resistors are set in such a way that all transistors work on the one hand with the same current and on the other hand in the saturation range of their characteristic curves. In order to bring about the favorable blocking state, which is characterized by the disappearance of the emitter current, direct voltage sources 15, 25 are also provided.
In the present case, these are rectifiers with a downstream working resistor R and smoothing capacitor C, which are fed from the AC network via auxiliary transformers 16, 26. The polarity of this additional bias is opposite to the polarity of the opening voltage, so the valves 8 and 9 must be bridged with the help of opposing stands 24, 14 for the additional voltage.
The type of transistors used is basically irrelevant. In addition, other controllable semiconductors can also be used. The invention is not limited to the illustrated embodiment, but can be applied to the series parallel connection of any number of semiconductors.