DE1020673B - Verfahren und Einrichtung zur gemeinsamen Steuerung mehrerer in Reihe liegender Halbleiterschalter - Google Patents
Verfahren und Einrichtung zur gemeinsamen Steuerung mehrerer in Reihe liegender HalbleiterschalterInfo
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- H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
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Description
DEUTSCHES
kl. 21a1 36
INTERNAT. KL. H 03 k
PATENTAMT
ANMELDE TAG:
BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AÜSLEGESCHRIFT:
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AÜSLEGESCHRIFT:
S 45936 VIII a/21a1 6. OKTOBER 1955
12. DEZEMBER 1957
In der letzten Zeit wird, insbesondere in der Steuer- und Regeltechnik, in steigendem Maße angestrebt,
mechanische Kontakte durch steuerbare Halbleiterschalter, vor allem Schalttransistoren, zu ersetzen.
Darunter sind Halbleiter zu verstehen, die mit einer Widerstandsgeraden betrieben werden, welche bis auf
kurze Endabschnitte außerhalb der Verlusthyperbel verläuft. Die beiden Arbeitspunkte des Halbleiters
liegen jedoch auf diesen Abschnitten, und der dazwischenliegende Bereich unzulässiger Überlastung wird
so rasch durchgesteuert, daß keine übermäßige Erwärmung des Halbleiters eintritt. Dieser kann dadurch
mit einer Leistung betrieben werden, die weit über der im normalen Verstärkerbetrieb erreichbaren
liegt, denn die beiden Arbeitspunkte1 entsprechen einerseits der vollen Sperrspannung, praktisch ohne
Stromfluß, andererseits dem höchsten Durchlaßstrom bei verschwindender Spannung. Die Vorteile, die mit
Halbleiterschaltern erzielt werden, liegen vor allem in Richtung der Betriebssicherheit und der langen
Lebensdauer. Sie gewährleisten funkenlose Schaltung und haben nur geringen Raumbedarf. Es wurde bereits
vorgeschlagen, durch Parallel- und/oder Reihenschaltung der Halbleiterschalter auch größere Ströme
und/oder Spannungen zu beherrschen. Bei der praktischen Ausführung derartiger Schaltungen stößt man
jedoch auf beträchtliche Schwierigkeit insbesondere bei in Reihe liegenden Halbleiterschaltern. Es ist
nämlich die Forderung zu stellen, daß die Schalter einerseits vollkommen gleichzeitig gesteuert werden
müssen, andererseits aber auch möglichst gleichmäßig belastet sein sollen, dies letztere allein schon vom
Standpunkt der Wirtschaftlichkeit aus.
Die Erfindung schafft ein einfaches Verfahren, in Reihe liegende Halbleiterschalter, insbesondere Schalttransistoren,
gleichzeitig zu steuern und gleichmäßig zu belasten. Sie erfüllt auch die Bedingung, daß bei
gesperrten Transistoren über die ausgeschaltete Last kein großer Strom durch eine den Transistoren parallel
liegende Widerstandskombination fließen darf, um das Verhältnis zwischen Last- und Reststrom
möglichst groß zu halten. Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß nur der erste Halbleiter
einer Reihenschaltung mehrerer Halbleiter willkürlich gesteuert wird, während die Steuerung der 4^
übrigen in zwangläufiger Abhängigkeit von der Steuerung des ersten, auslösenden Halbleiters erfolgt. Dies
wird bei einer bevorzugten Schaltung zur Durchführung des Verfahrens bei spannungssteuerbaren Halbleitern
dadurch erreicht, daß jedem Halbleiter ein parallel zur Laststromquelle geschalteter Spannungsteiler
zugeordnet ist, an dessen Abgriff die Steuerelektrode des Halbleiters angeschlossen ist. Die einzelnen
Spannungsteiler liegen hierbei nicht nur den Verfahren und Einrichtung
zur gemeinsamen Steuerung mehrerer in Reihe liegender Halbleiterschalter
Anmelder:
Siemens-Schuckertwerke
Aktiengesellschaft,
Berlin und Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Dipl.-Phys. Ebbe Rohloff, Nürnberg, ist als Erfinder genannt worden
Halbleitern, sondern auch der Last parallel, so daß der Reststrom im ausgeschalteten Zustand sehr gering
bleibt.
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele mit Schalttransistoren
an Hand der Zeichnung. Darin zeigt schematisch
Fig. 1 eine Reihenschaltung von zwei Transistoren, Fig. 2 die Erweiterung auf drei Transistoren.
Gemäß Fig. 1 liegt im Stromkreis der Last 13, die von der Gleichstromquelle 5, z. B. einer Batterie, mit
Strom versorgt wird, eine Halbleiterschaltvorrichtung, bestehend aus den beiden Transistoren 1 und 2,
in Emitterschaltung. Den beiden Transistoren liegen hochohmige Widerstände 6 und 7 parallel, die zur
Symmetrierung der während der Sperrung an den Transistoren anliegenden Spannung dienen. Zu diesem
Zweck sind die Widerstände 6 und 7 vorzugsweise gleich groß, wenn die Transistoren gleiche
Kennlinien haben. Ferner liegt zwischen dem Pol 12 einer Batterie 5 und dem Emitter des Transistors 1
ein Spannungsteiler aus zwei gleichen Widerständen 8 und 9, an dessen Mitte die Basis des Transistors 2 angeschlossen
ist. Die Basis des Transistors 1 ist an die Klemme 10 geführt, an welche von einer nicht gezeigten
Steuerquelle, z. B. einem Vortransistor, die Öffnungsspannung gelegt werden kann.
Im Sperrzustand fließt Strom über den Spannungsteiler 8, 9 und den Widerstand 4 zur Klemme 11 der
Batterie, und der Spannungsabfall an dem Widerstand 4 bewirkt eine zusätzliche Sperrung des Transistors
1. Der Widerstand 4 kann jedoch auch ent-
709 809/118
fallen, wenn das Sperrpotential an der Klemme 10 ausreicht, also z. B. gleich dem Emitterpotential ist.
Da die Widerstände 8 und 9 gleich groß sind und an der Last 13 fast keine Spannung abfällt, liegt die
Basis des Transistors 2 auf etwa gleichem Potential 5 wie dessen Emitter, so daß auch der Transistor 2 gesperrt
ist. Der im Sperrzustand durch die Last fließende Strom ist vor allem durch die Widerstände 6
und 7 bestimmt und demgemäß sehr klein.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise sei angenommen, daß der Transistor 1 mit Hilfe einer Öffnungsvorspannung an der Klemme 10 geöffnet wird. Der
Transistor 1 ist nun in erster Näherung voll leitend; unter der Annahme, daß zwischen Kollektor und
Emitter im geöffneten Zustand die Spannung Null herrscht, verschwindet die Spannung an dem Widerstand
7, die etwa der halben Batteriespannung entsprochen hatte. Das Basispotential des Transistors 2
entfernt sich damit sprunghaft vom Emitterpotential und nähert sich dem Kollektorpotential; der Transistor
2 öffnet. Um eine möglichst vollständige öffnung, d. h. den Betrieb als Schalttransistor zu erreichen,
soll die Basis etwa das gleiche Potential wie der Kollektor haben; da dann nach der oben gemachten
Annahme durch den Widerstand 9 kein Strom fließt, ist der Widerstand 8 so· zu bemessen, daß der
Basisstrom des Transistors 2 an ihm denselben Spannungsabfall hervorruft wie der Laststrom an der
Last 3. Durch einfache Rechnung ergibt sich daraus die Forderung, daß der Widerstand 8 gleich
Darin bedeutet am die Stromverstärkung des w-ten
Transistors, RL den Lastwiderstand.
Aus den beiden Formeln ergibt sich, daß der Spannungsteilerwiderstand
31 in Fig. 2 halb so groß ist wie der Spannungsteilerwiderstand 32 und umgekehrt
der Widerstand 21 doppelt so groß wie der Widerstand 22; ferner, daß der Widerstand 31 gleich
1 —a3
der Widerstand 21 gleich
der Widerstand 21 gleich
1—Ct2
sein muß. Die Widerstände 14, 6 und 7 sind wieder hochohmig und normalerweise gleich groß. Kennlinienunterschiede
der Transistoren sind durch geringfügige \reränderungen einzelner Widerstände ausgleichbar.
Man erkennt, daß bei Erweiterungen der Wirkungsgrad der Schaltung nicht außer acht gelassen
werden darf, da durch die parallel geschalteten Spannungsteiler auch bei Sperrung des Laststromkreises
eine Beanspruchung der Batterie hervorgerufen wird. Diese Beanspruchung ist um so größer, je
kleiner die Stromverstärkung der einzelnen Transistoren ist. Bei drei Transistoren z. B. wird die Batterie
bei Sperrung des Laststromkreises, abgesehen vom Widerstand 4, ungefähr mit dem Widerstand
Rl^
i—a
— α2
Rl
sein muß, wobei ct2 die Stromverstärkung des Transistors
2 und RL den Widerstandswert der Last 13 bedeutet.
In Fig. 2 ist gezeigt, wie dasselbe Prinzip auch bei drei in Reihe geschalteten Transistoren angewendet
werden kann. Es ist dann nur erforderlich, für den dritten Transistor 3 einen ähnlichen Spannungsteiler
vorzusehen wie für den zweiten. Die Widerstände der Spannungsteiler sind dann allerdings nicht mehr
gleich groß, da die Steuerelektroden im Sperrzustand jeweils etwa auf gleichem Potential wie die Emitter
liegen müssen. Die Größe der einzelnen Spannung.steilerwiderstände ist auf einfache Weise aus der allgemeinen
Formel
n — m + l
m— 1 2<m<n
berechenbar. Darin bedeutet η die Gesamtzahl der in
Reihe geschalteten Transistoren, m eine ganze Zahl, die kleiner ist als η und einer beliebig herausgegriffenen
Stelle in der Kette der hintereinandergeschalteteii Transistoren entspricht, Rmi den Widerstand zwischen
Batterieklemme 12 und der jeweiligen Steuerelektrode, Rm2 den zweiten Widerstand des m-ten Spannungsteilers.
Die Forderung, daß im Öffnungszustand die Basis auf gleichem Potential wie der Kollektor jedes einzelnen
Transistors liegen soll, führt, wieder unter der Annahme, daß ein durchlässiger Transistor den Spannungsabfall
Null aufweist, die Widerstände i?„,., also stromlos sind, zu der Bemessungsformel
«m-«m
· -.an
1 -Cln
— a belastet, wobei die Stromverstärkung der drei Transistoren
gleich groß angenommen ist und mit α bezeichnet wird. Je mehr sich also α von dem anzustrebenden
Wert 1 unterscheidet, desto größer wird die dauernde Belastung der Batterie.
Bei der Beschreibung der Erfindung wurde kein bestimmter Transistortyp genannt; tatsächlich ist die
Art der verwendeten Halbleiter grundsätzlich ohne Bedeutung und die jeweils erforderliche Anpassung
der Verfahrensmittel auf einfachste Weise durchzuführen. Hierbei soll insbesondere darauf hingewiesen
werden, daß man an die Stelle des Transistors 1 einen beliebigen anderen steuerbaren Halbleiter, z. B. einen
Fototransistor, einen magnetfeldabhängigen Widerstand oder ähnliches setzen kann. Diese Möglichkeit
ist ein besonderes Kennzeichen des neuen Verfahrens; um Halbleiterschalter auf optischem oder magnetischem
Wege auszulösen, sind dann keine Zwischenstufen nötig, sofern die auslösenden Halbleiter den
Laststrom durchlassen. Man erreicht also gewissermaßen eine Sperrspannungserhöhung solcher Halbleiter
mit geringstem Aufwand.
Wenn das Verfahren auch seine größte Bedeutung für die Steuerung einer Reihe von Schalttransistoren
hat, so ist es doch auch dann anwendbar, wenn die Reihe aus andersartigen, z. B. magnetfeldabhängigen
Halbleitern besteht. Die Schaltung kann in diesem Fall eine Steuerspule parallel zu dem auszulösenden
ersten Halbleiter enthalten, \velche bei Sperrung stromdurchflossen ist und den zweiten Halbleiter
ebenfalls gesperrt hält. Öffnet der auslösende Halbleiter, so wird die Spule stromlos, und auch der zweite
Halbleiter wird durchlässig. Eine Erweiterung auf eine Mehrzahl von Halbleitern ist möglich.
Schließlich soll nicht unerwähnt bleiben, daß das Verfahren auch die Anwendung der bei hohen Lastströmen
notwendigen Serien-Parallelschaltung gestattet. Im allgemeinen Fall wird man mehrere Schaltanordnungen,
wie sie z. B. in Fig. 1 gezeigt sind, der-
art parallel schalten, daß die Last den Summenstrom führt. Wenn die verwendeten Halbleiter es erlauben,
kann auch ein Teil der Schaltelemente erspart werden; z. B. sind unter Umständen die Symmetrierwiderstände
6 und 7 für die gesamte Parallelschaltung nur einmal erforderlich.
Claims (5)
1. Verfahren zur gleichzeitigen Steuerung mehrerer in Reihe liegender, eine Halbleiterschaltvorrichtung
hoher Sperrspannung bildender Halbleiter, dadurch gekennzeichnet, daß nur der erste
Halbleiter der Reihenschaltung willkürlich gesteuert wird, während die Steuerung der übrigen
durch die als Folge der Steuerung des ersten Halbleiters an diesem auftretenden Potentialänderungen
erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschwinden der im Sperrzustand
an dem auslösenden Halbleiter liegenden Teilspannung die Öffnung der übrigen Halbleiter
verursacht.
3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2 für spannungssteuerbare
Halbleiter, insbesondere Transistoren, dadurch gekennzeichnet, daß jedem zwangläufig
ίο gesteuerten Halbleiter ein parallel zur Laststromquelle
geschalteter Spannungsteiler zugeordnet ist, an dessen Abgriff die Steuerelektrode des
Halbleiters angeschlossen ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein Fotoelement, insbesondere einen
Fototransistor, als auslösenden Halbleiter.
5. Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen magnetfeldabhängigen Widerstand
als auslösenden Halbleiter.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DES45936A DE1020673B (de) | 1955-10-06 | 1955-10-06 | Verfahren und Einrichtung zur gemeinsamen Steuerung mehrerer in Reihe liegender Halbleiterschalter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DES45936A DE1020673B (de) | 1955-10-06 | 1955-10-06 | Verfahren und Einrichtung zur gemeinsamen Steuerung mehrerer in Reihe liegender Halbleiterschalter |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE1020673B true DE1020673B (de) | 1957-12-12 |
Family
ID=7485783
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DES45936A Pending DE1020673B (de) | 1955-10-06 | 1955-10-06 | Verfahren und Einrichtung zur gemeinsamen Steuerung mehrerer in Reihe liegender Halbleiterschalter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE1020673B (de) |
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- 1955-10-06 DE DES45936A patent/DE1020673B/de active Pending
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