Zweipol-PNP-NPN-Transistor-Schalteinheit Zweipol-PNP-NPN-Transistor-Schalteinheiten sind Schaltelemente ohne innere Energiequelle. Sie weisen in ihrer Strom-Spannungs-Charakteristik bekanntlich drei wesentliche Hauptgebiete auf: erstens den soge- nannten Aus-Zustand, zweitens das übergangsgebiet und drittens den Ein-Zustand.
Im Aus-Zustand stellt die Einheit einen sehr hohen positiven Widerstand dar und wirkt wie ein offener Schalter, wobei unter dem Einfluss einer an gelegten Spannung nur ein praktisch vernachlässig- barer Reststrom fliesst. Eine Steigerung der angeleg ten Spannung über einen<B>-</B> durch ein spannungs abhängiges Element<B>-</B> festgelegten Wert hat ein starkes Anwachsen des Stromes und infolge eines lawinenartigen Effektes ein sehr rasches Absinken der zur Aufrechterhaltung des Stromes notwendigen Klemmenspannung auf einen Mindestwert zur Folge.
Der zwischen der<B>-</B> durch das genannte spannungs abhängige Element<B>-</B> festgelegten sogenannten Kipp spannung und diesem Mindestwert liegende Teil der Strom-Spannungs-Charakteristik wird als übergangs- gebiet bezeichnet. In diesem Gebiet stellt die ganze Schalteinheit einen negativen Wechselstromwider- stand dar.
Ist der oben aufgeführte Mindestwert der Span nung mit dem zugehörigen Maximalstrom erreicht, so bewirkt eine Steigerung der angelegten Spannung über den erwähnten Mindestwert hinaus wiederum einen mit steigender Spannung zunehmenden Strom. Die Schalteinheit weist jetzt im Gegensatz zum über- gangsgebiet einen sehr kleinen positiven Widerstand auf. Dieses Gebiet der Stromspannungs-Charakteri- stik bildet den sogenannten Ein-Zustand und die Schalteinheit entspricht hier einem geschlossenen, stromdurchflossenen Schalter.
Durch Absenken der angelegten Spannung unter den zwischen dem über- gangsgebiet und dem Ein-Zustand auftretenden Min- destwert kehrt die Schalteinheit in den Aus-Zustand zurück.
Eine solche Zweipol-PNP-NPN-Transistor-Schalt- einheit ist beispielsweise im US-Patent Nr. 2<B>655 609</B> vom<B>13.</B> Oktober<B>1953</B> beschrieben. Sie besteht aus einer Anordnung von<B>je</B> einem PNP- und NPN-Tran- sistor, einer Bezugsspannungsdiode und zwei Emitter- widerständen. Zwischen den beiden Anschlussklem- men liegen zwei zueinander parallele Stromzweige,
bestehend einerseits aus der Emitter-Kollektor-Strecke eines PNP-Transistors in Serie mit einem Emitter- widerstand, anderseits aus einem weiteren Emitter- widerstand und der Emitter-Kollektor-Strecke eines NPN-Transistors. Die Basiszuleitung des PNP-Tran- sistors hegt direkt am Kollektor des NPN-, diejenige des NPN-Transistors am Kollektor des PNP-Tran- sistors,
während die Bezugsspannungsdiode mit ihrer Anode am Kollekter des PNP-, und mit ihrer Ka thode am Kollektor des NPN-Transistors hegt. Die Verwendung von Zweipol-PNP-NPN-Tran- sistor-Schalteinheiten in Schaltanordnungen, beispiels weise Telephon-Kreuzwählern mit vielen zueinander parallel geschalteten Zweipol-Schalteinheiten, von denen<B>-</B> im ungünstigsten Fall bei genau gleichen Strom-Spannungs-Verläufen <B>-</B> mehrere unter dem Einfluss eines angelegten Spannungsimpulses leitend werden können,
dagegen nur eine unter einem gege benen Haltestrom im Ein-Zustand verbleiben soll<B>-</B> eine sogenannte Ausschliesslichkeitsfunktion darstel lend<B>-</B> erfordert nun<B>je</B> nach Anzahl der zueinander parallel geschalteten Einheiten ganz bestimmte Werte des negativen Wechselstromwiderstandes im über- gangsgebiet der einzelnen Zweipolschalteinheiten. Die erwähnte bekannte Schaltung gestattet aber keine Be einflussung des Strom-Spannungs-Verlaufes im über- gangsgebiet und ergibt grosse,
ausschliesslich durch die Transistoreigenschaften bestimmte, negative Wechsel- stromwiderstände.
Die vorliegende Erfindung betrifft nun eine Zwei- pol-PNP-NPN-Transistor-Schalteinheit mit zwei par allelen Zweigen, deren jeder die Serieschaltung der Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors und eines Widerstandes, der den Emitterwiderstand des anderen Transistors bildet, enthält und die Kollektoren der beiden Transistoren über eine Zenerdiode mitein ander -verbunden sind und zeichnet sich dadurch aus,
dass zwecks Erzielung einer vorgegebenen Grösse des negativen Wechselstromwiderstandes zwischen dem Aus- und Ein-Zustand in die Basisleitung jedes der Transistoren ein Widerstand eingeschaltet ist.
Im folgenden werden anhand der Zeichnung Auf bau und Wirkungsweise eines Ausführungsbeispiels des Erfindungsgegenstandes beschrieben. Dabei zeigt: Fig. <B>1</B> ein elektrisches Prinzipschema einer Zwei- pol-PNP-NPN-Transistor-Schalteinheit, Fig. 2 als Diagramm die Strom-Spannungs-Cha- rakteristik einer Zweipol-PNP-NPN-Transistor-Schalt- einheit ohne Widerstände in den Basiszuleitungen,
Fig. <B>3</B> ein elektrisches Prinzipschema einer Par allelschaltung mehrerer Zweipol-Schalteinheiten, Fig. 4 als Diagramm die Strom-Spannungs-Verhält- nisse bei Parallelschaltung mehrerer Zweipol-PNP- NPN-Transistor-Schalteinheiten zu einem gegebenen Haltestrom, Fig. <B>5</B> als Diagramm die Strom-Spannungs-Charak- teristik einer Zweipol-PNP-NPN-Transistor-Schalt- einheit mit Widerständen in den Basiszuleitungen.
In Fig. <B>1</B> stellen<B>1</B> und<B>9</B> die beiden Anschluss- klemmen der Zweipol-PNP-NPN-Transistor-Schalt- einheit dar. Zwischen diesen beiden Punkten bilden der PNP-Transistor 2 und der Emitterwiderstand <B>6</B> den einen Parallelzweig, der Emitterwiderstand 4 und der NPN-Transistor <B>8</B> den anderen Parallelzweig. Die Diode<B>5</B> ist eine Zenerdiode und ihre Zenerspannung stellt eine Bezugsspannung für die Schaltung dar.
In den Basiszuleitungen der beiden Transistoren 2 und <B>8</B> liegen Widerstände<B>3</B> und<B>7.</B> Das Verhalten der Schaltung nach Fig. <B>1,</B> vorerst ohne die Basiszulei- tungswiderstände betrachtet, ist folgendes:
Der sich zufolge einer kleinen an den Klemmen<B>1</B> und<B>9</B> an gelegten<B>-</B> von Null ansteigenden<B>-</B> positiven Gleichspannung<B>U</B> einstellende Strom I bestimmt sich selbst durch den am Emitterwiderstand 4 auftreten den Spannungsabfall<B>U,</B> im Verhältnis zur Emitter- Basis-Spannung UEp. Bei kleinen Widerstandswerten ist die erzeugte Spannung UIt kleiner als die für das Fliessen eines aus der Basis austretenden Steuerstro mes 1.,
minimal notwendige Emitter-Basis-Spannung UEB.#i". Die Transistoren arbeiten infolgedessen mit umgekehrten Basisströmen und die Kollektorstrom- werte liegen zwischen den Werten für offenen Emitter (IC,) und offener Basis (IcJ) und sind daher relativ klein. Die Schaltung ist in diesem Zustand hochoh- mig, ähnlich einer Diode im Sperrzustand und be findet sich somit im sogenannten Aus-Zustand (Punkt <B>11</B> in Fig. 2).
Eine Erhöhung der angelegten Spannung über die Zenerspannung Uz der Zenerdiode <B>5</B> hinaus bewirkt ein starkes Anwachsen des Diodenstromes der von Klemme<B>1</B> über den Emitterwiderstand 4, durch die Zenerdiode <B>5</B> und den Emitterwiderstand <B>6</B> zur Klemme<B>9</B> fliesst.
Dieser Strom seinerseits erzeugt am Widerstand 4 einen erhöhten Spannungsabfall Ul#, und verursacht beim weiteren Ansteigen eine Umkehr der Basisstromrichtun-. Der Basisstrom fliesst nun vom Emitter zur Basis, einen proportional grösseren Kollektorstrom in Transistor 2 bewirkend, welcher als erhöhter Basisstrom in Transistor<B>8</B> ebenfalls einen entsprechend vergrösserten Kollektorstrom ver ursacht. Dieser hat anderseits, da er von Klemme<B>1</B> vorwiegend über den Widerstand 4 fliesst, eine wei tere Vergrösserung des ursprünglichen, durch den Zenerdiodenstrom erzeugten Spannungsabfall Ull zur Folge.
Der gesamte Vorgang stellt eine positive Rück kopplung des Ausgangswertes auf den Eingangswert dar und ergibt dadurch ein übergangsgebiet der Strom-Spannungs-Kennlinie mit steigendem Strom bei sinkender Spannung.<B>d.</B> h. ein Gebiet mit grossem negativem Wechselstromwiderstand, dargestellt in Fig. 2 durch den Kurventeil 12.
Eine weitere Erhöhung des Stromes Ip durch die Schalteinheit bis zum Haltestromwert IH führt zum übergangspunkt <B>13</B> mit der kleinsten notwendigen Spannung<B>U 1,1,</B> welcher das übergangsgebiet vom Ein-Zustand trennt.
In letzterem Teil der Kennlinie, dargestellt durch die Gerade 14, sind die beiden Transistoren durch die grossen an den Emitterwider- ständen entwickelten positiven Emitter-Basis-Span- nungen bis in das Sättigungsgebiet ausgesteuert und der Strom fliesst von Klemme<B>1</B> einerseits über den Emitter-Kollektor des Transistors 2 und den Wider stand<B>6,</B> anderseits über den Widerstand 4 und den Kollektor-Emitter des Transistors<B>8</B> zur Klemme<B>9.</B> Die jetzt für die Aufrechterhaltung des Stromes not wendige Klemmenspannung ist infolge der niedrigen Transistorspannungen im Sättigungsgebiet sehr klein und wächst nur wenig mit steigendem Strom.
Die Zweipol-Schalteinheit verhält sich daher im Ein-Zu- stand ähnlich einer Diode im Durchlassgebiet und stellt einen kleinen positiven Wechselstromwiderstand dar.
Senkt man endlich die Klemmenspannung<B>1-9</B> der Zweipol-Einheit wieder unter den für den Halte- stromwert Ill in Punkt<B>13</B> notwendigen Spannungs- Minimalwert U",i" ab, so springt der Strom auf den Ruhestrompunkt <B>15</B> der Aus-Zustands-Kurve zurück.
Fig. <B>3</B> stellt eine Schaltung zur Erzielung einer sogenannten Ausschliesslichkeitsfunktion dar. An die Serieschaltung, bestehend aus dem Strombegrenzungs- widerstand 20 und der Parallelschaltung von bei spielsweise drei Zweipol-Schalteinheiten 21 bis<B>23,</B> wird die Betriebsspannung<B>UN</B> angelegt. Im allgemei nen wird diejenige Schalteinheit mit der niedrigsten Zenerdiodenspannung Uz sofort allen Strom<B>IN</B> über nehmen und allein im stabilen Arbeitspunkt<B>35</B> der Fig. 4 verharren.
Im ungünstigsten Fall mit genau gleichen Strom-Spannungs-Verläufen der drei einzel nen Schalteinheiten können<B>jedoch</B> alle gleichzeitig leitend werden; im zeitlichen Endzustand darf aber nur eine einzige Schalteinheit im Ein-Zustand ver bleiben. Um dies auch im Extremfall zu gewährlei sten, muss die dazu notwendige Strom-Spannungs-Cha- rakteristik der Zweipol-PNP-NPN-Transistor-Schalt- einheiten nach Fig. 4 festgelegt werden.
Die Kurve<B>31</B> stellt die Strom-Spannungs-Charakteristik einer einzel nen dazu geeigneten Zweipol-Schalteinheit dar. Kurve <B>32</B> ist die Summenkurve von zwei, Kurve<B>33</B> die jenige von drei parallel geschalteten Einheiten.
Die Gerade 34 zeigt den sich aus der angelegten Span nung U", und dem Vorwiderstand 20 in Fig. <B>3</B> er gebenden maximal möglichen Strom I,."" in Abhän gigkeit der Klemmenspannung<B>U</B> der parallel geschal teten Zweipol-Einheiten. Damit nun im Ein-Zustand nur eine einzige Einheit leitend bleibt, muss die Strom-Spannungs-Kennlinie jeder einzelnen Schaltein heit so gewählt werden,
dass der stabile Arbeitspunkt <B>35</B> zwischen den Haltestrom I" einer einzigen und dem Summenhaltestrom 2<B>-</B> I,1 von zwei parallelen Einheiten zu liegen kommt.
Die Schnittpunkte<B>36</B> und<B>37</B> der Geraden 34 mit den Summenkurven<B>32</B> und<B>33</B> für zwei bzw. drei parallele Einheiten dürfen nur im sogenannten über- gangsgebiet der Strom-Spannungs-Charakteristik lie gen. Nur in diesem Gebiet treten infolge des nega tiven Widerstandes Schwingungen innerhalb den par allel geschalteten Einheiten auf, welche zur automa tischen Auslese einer einzigen leitenden Schalteinheit (Punkt<B>35)</B> und zur Sperrung (Punkt<B>38)</B> der beiden übrigen Schalteinheiten infolge des durch den Vor- widerstand 20 begrenzten Stromes führen.
Zur Erfüllung dieser Forderung darf bei der Zenerspannung <B>U7</B> die Summe aller Spitzenströme <I>n<B>-</B></I> 4, den durch die Gerade 34 begrenzten Wert nicht erreichen. Der somit für die einzelne Zweipol-Schalt- einheit zulässige Spitzenstrom II,1 richtet sich nach der Anzahl der einander parallel zu schaltenden Ein heiten.
Die sich auf Grund der beiden erwähnten An forderungen ergebend-, Strom-Spannungs-Kennlinie einer dafür geeigneten Zweipol-PNP-NPN-Transistor- Schalteinheit zeigt Fig. <B>5.</B> Der negative Widerstand
EMI0003.0037
im übergangsgebiet ist wesentlich kleiner als derjenige in Fig. 2, welcher sich angenähert durch nachstehende Formel ausdrücken lässt:
EMI0003.0041
wobei rc'" Kollektor-Wechselstromwiderstand des PNP- Transistors <I>r</I> "n Kollektor-Wechselstromwiderstand des NPN- Transistors Durch die Einfügung von<B>je</B> einem Widerstand<B>3</B> und<B>7</B> in die Basiszuleitungen der beiden Transistoren 2 und<B>8</B> in Fig. <B>1</B> kann die Strom-Spannungs-Charak- teristik und insbesondere die Grösse des negativen Widerstandes gemäss folgender Gleichung beeinflusst werden:
EMI0003.0054
Darin bedeuten:
EMI0003.0055
und bp <B><I>=</I></B> Basis-Kollektor-Gleichstrom-Verstärkungs- faktor des PNP-Transistors bn <B><I>=</I></B> Basis-Kollektor-Gleichstrom-Verstärkungs- faktor des NPN-Transistors REp # Emitterwiderstand 4 in Fig. <B>1</B> RI". <B><I>=</I></B> Emitterwiderstand <B>6</B> in Fig. <B>1</B>
R,p = Basisvorwiderstand <B>3</B> in Fig. <B>1</B> RB. <B>=</B> Basisvorwiderstand <B>7</B> in Fig. <B>1</B> Zur Erzielung einer wirksamen Beeinflussung des negativen Widerstandes sind Transistoren mit mö- C lichst grossem Gleichstromverstärkungsfaktor <B>b</B> und möglichst grosse Werte für<B>q,</B> und q" zu wählen.
Die Grössen der Widerstände Rp und RE. be stimmen sich aus:
EMI0003.0085
worin bedeuten: I,. <B><I>=</I></B> Zenerdiodenstrom beim Zenerspannungswert <B>U7</B> Ic,E, = Kollektorstrom des PNP-Transistors bei offe ner Basis und positiver Spannung Uz am Emitter <B>=</B> Kollektorstrom des NPN-Transistors bei offe ner Basis und positiver Spannung<B>U7,
</B> am Kollektor U.P und U.n sind zu entnehmen aus
EMI0003.0098
worin bedeuten:
EMI0003.0099
<I>T</I><B>=</B> Temperatur in<B>0</B> Kelvin <I>e<B>=</B></I><B> 1,6 - 10-19</B> Coulomb IEc P <B>=</B> Kollektorstrom des PNP-Transistors bei offe ner Basis und positiver Spannung<B>U7</B> am Kollektor IEO. <B><I>=</I></B> Kollektorstrom des NPN-Transistors bei offe ner Basis und positiver Spannung Uz am Emitter