DE1020673B

DE1020673B - Verfahren und Einrichtung zur gemeinsamen Steuerung mehrerer in Reihe liegender Halbleiterschalter

Info

Publication number: DE1020673B
Application number: DES45936A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Ebbe Rohloff
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1955-10-06
Filing date: 1955-10-06
Publication date: 1957-12-12

Description

DEUTSCHES

kl. 21a¹ 36

INTERNAT. KL. H 03 k

PATENTAMT

ANMELDE TAG:

BEKANNTMACHUNG
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 a_m die Stromverstärkung des w-ten Transistors, R_L 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

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 R_L 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, R_mi den Widerstand zwischen Batterieklemme 12 und der jeweiligen Steuerelektrode, R_m2 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

· -.a_n

1 -Cl_n

— ^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

PATENTANSPRÜCHE:

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