CH351007A - Device for controlling electrical consumer services - Google Patents

Device for controlling electrical consumer services

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CH351007A
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CH
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transistors
semiconductor devices
series
parallel
control circuit
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German (de)
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Sichling Georg Dr Dipl-Ing
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Siemens Ag
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/12Modifications for increasing the maximum permissible switched current
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/10Modifications for increasing the maximum permissible switched voltage

Description

  

  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.

 

Claims (1)

PATENTANSPRUCH Einrichtung zur Steuerung von elektrischen Ver braucherleistungen mittels mehrerer steuerbarer Halb leitervorrichtungen in Reihenparallelschaltung, da durch gekennzeichnet, dass über den Parallelschal tungen je ein Symmetrierwiderstand (13, 23) sowie pro Halbleitervorrichtung ein einstellbarer Steuer kreisvorwiderstand (17-19, 27-29) vorhanden ist, um Spannung und Strom sämtlicher steuerbarer Halbleiter wenigstens annähernd gleich gross zu halten. UNTERANSPRÜCHE 1. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass als steuerbare Halbleitervorrich tungen Transistoren verwendet sind. 2. PATENT CLAIM Device for controlling electrical consumer power by means of several controllable semiconductor devices in series-parallel connection, characterized in that a balancing resistor (13, 23) and an adjustable control circuit resistor (17-19, 27-29) for each semiconductor device are provided over the parallel connections is to keep the voltage and current of all controllable semiconductors at least approximately the same. SUBClaims 1. Device according to claim, characterized in that transistors are used as controllable semiconductor devices. 2. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die Steuerkreisvorwiderstände (17-19, 27-29) so bemessen sind, dass sämtliche Halbleitervorrichtungen im Sättigungsbereich arbeiten. 3. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die Steuerkreise der jeweils parallel geschalteten steuerbaren Halbleitervorrichtungen an eine gemeinsame Steuerspannungsquelle (6, 7) ange schlossen sind. 4. Einrichtung nach Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im gemeinsamen Steuerkreis eine zusätzliche Sperrspannungsquelle (15, 25) an geordnet ist. Device according to patent claim, characterized in that the control circuit series resistors (17-19, 27-29) are dimensioned such that all semiconductor devices operate in the saturation range. 3. Device according to claim, characterized in that the control circuits of the controllable semiconductor devices connected in parallel are connected to a common control voltage source (6, 7). 4. Device according to dependent claim 3, characterized in that an additional reverse voltage source (15, 25) is arranged in the common control circuit.
CH351007D 1955-10-25 1956-10-24 Device for controlling electrical consumer services CH351007A (en)

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DE351007X 1955-10-25

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CH351007D CH351007A (en) 1955-10-25 1956-10-24 Device for controlling electrical consumer services

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2488084A1 (en) * 1980-08-01 1982-02-05 Sundstrand Corp ATTACK CIRCUIT FOR POWER TRANSISTORS IN PARALLEL BRANCHES

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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