DE1039570B - Elektronischer Umschalter zur Schaltung der Stromrichtung in einem Verbraucher - Google Patents

Description

DEUTSCHES

In der Fernmeldetechnik steht man oft vor der Aufgabe, in Abhängigkeit von dem Potential an einer hochohmigen Steuerleitung zwei Spannungen verschiedener Polarität niederohmig an ein leistungsverbrauchendes Organ anzulegen. Auf elektromechanischem Weg läßt sich diese Aufgabe z. B. mit Hilfe eines gesteuerten Umschaltkontaktes lösen. Ist die mechanische Trägheit dieser Kontakte hinderlich oder ist es notwendig, den Verschleiß der Kontaktflächen zu vermeiden, so kann man statt dessen Umschalter verwenden, die mit elektronischen Mitteln arbeiten.

Es ist z. B. ein elektronischer Umschalter bekannt, der mit Hilfe zweier dualer Transistoren in Kollektorschaltung arbeitet. In der Fig. 1 ist diese Schaltung dargestellt. Die beiden Transistoren Π und T 2 sind in Reihe geschaltet und liegen zwischen dem gegen Masse positiven Pol Ul der Betriebsspannungsquelle und dem gegen Masse negativen Pol U 2 derselben. Ihre Basen sind verbunden und liegen an der Eingangsklemme E. Ebenso sind die Emitter verbunden und liegen an der Ausgangsklemme A, wo- der den Verbraucher darstellende Widerstand W z. B. gegen Masse angeschlossen ist. Der Transistor Tl ist vom n-p-n-Typ und der Transistor T2 vom p-n-p-Typ. Tritt nun beispielsweise an der Eingangsklemme E das gegen Masse negative Potential t/2 auf, so fließt zunächst von Masse über den Widerstand W und über die EmitterBasis-Strecke des Transistors T2 zur Klemme E ein Injektionsstrom von Defektelektronen, welcher zur Folge hat, daß dieser Transistor leitend wird und sein wesentlich größerer Kollektor-Emitter-Strom den durch den Widerstand W dargestellten Verbraucher speist. Am Ausgang^ des Umschalters stellt sich daher nahezu die gleiche Spannung ein, wie sie am Eingang E vorhanden ist, also hier die Spannung i/2. Wenn nun die Eingangsspannung positiv gegen Masse ist, beispielsweise gleich Ul, so wird in analoger Weise der Transistor T1 ausgesteuert, und es stellt sich am Ausgang wieder eine Spannung ein, die annähernd so groß ist wie die am Eingang vorhandene, die hier jedoch einen Strom in umgekehrter Richtung wie im vorher beschriebenen Fall im Verbraucherwiderstand hervorruft. In beiden Fällen ist jedoch der über den Ausgang fließende Strom wesentlich größer, nämlich im Verhältnis der Stromverstärkung, als der über den Eingang fließende Strom, womit der gewünschte Effekt erzielt ist. Die Schaltung hat aber den Nachteil, daß man den Eingang mit einer Spannung aussteuern muß, die genauso groß ist wie diejenige, die am Ausgang geliefert wird. Außerdem werden duale Transistoren, a,lso> auch n-p-n-Transistoren, benötigt. Fürgrößarebenötigte Leistungen gibt es noch keine n-p-n-TransistOiien, womit die Anwendbarkeit der Schaltung eingeschränkt wird.

Elektronischer Umschalter
zur Schaltung der Stromrichtung
. in einem Verbraucher

Anmelder:
Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Witteisbacherplatz 2

Dipl.-Ing. Peter Gerke, München-Solln,

und Georg J. Low, München,
sind als Erfinder genannt worden

Die Erfindung zeigt nun einen Weg zum Aufbau eines elektronischen Schalters unter Verwendung von zwei gleichartigen Transistoren, also beispielsweise von zwei p-n-p-Transistoren, bei der die am Ausgang abgegebene Spannung wesentlich größer als die am Steuereingang benötigte Spannung ist. Diese Schaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die beiden Pole einer Betriebsspannungsquelle die Reihenschaltung zweier über einen Richtleiter verbundener, in gleicher Weise angeordneter, gleichartiger Transistoren angeschlossen ist. Die Basis des ersten Transistors bildet dabei den Steuereingang, und die Basis des zweiten Transistors ist über einen Widerstand geeigneter Größe an eine Vorspannungsquelle und an den Verbindungspunkt zwischen dem Richtleiter und dem ersten Transistor angeschlossen. Der Richtleiter ist so gepolt, daß er vom Strom des ersten Transistors in Durchlaßrichtung durchflossen wird. Sein Verbindungspunkt mit dem zweiten Transistor stellt den Ausgang des Umschalters dar. Der Ausgang arbeitet über den Verbraucher auf eine Potentialquelle, deren Potential in geeigneter Weise zwischen den Potentialen der Pole der Betriebsspannungsquelle liegt.

In der Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel für einen derartigen Umschalter dargestellt. Er enthält die beiden p-n-p-Transistoren Ti und T2, zwischen denen der Richtleiter G12 eingeschleift ist. Zwischen dem Ausgang^ und Masse ist als Verbraucher der Widerstand W angeschlossen. Dem Emitter des Transistors Tl wird die gegen Masse positive Spannung Ul und dem Kollektor des Transistors T 2 die gegen Masse negative Spannung U21 zugeführt. Der Basis des

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Transistors Γ 2 wird dagegen über den Widerstands die negative Spannung [/22 zugeführt. Sie sei aber zunächst genauso groß wie die Spannung [721. Das Massepotential möge so zwischen den Potentialen der Pole der Betriebsspannungsquelle liegen, daß der Betrieb der beiden Transistoren in der vorgesehenen Weise gewährleistet ist. Dem Eingang E wird nun eine gegen die Spannung Ul negative oder positive Steuerspannung zugeführt, wodurch der Transistor Tl leitend gemacht bzw. gesperrt wird und wodurch das vorgesehene Umschalten bewirkt wird. Infolgedessen fließt der Strom durch den Widerstand W abwechselnd in den beiden Richtungen.

Wenn zunächst die am Eingang B und damit an der Basis des Transistors T1 liegende Spannung gegen die Emitterspannung Ul negativ ist, so erhält die Basis eine Injektion von Defektelektronen, und der Transistor Tl wird leitend gemacht. Der Kollektorstrom fließt dann zum Teil über den Richtleiter G12, den Ausgang A und über den Verbraucher W und zum Teil über den Widerstand R ab. Der letztere Strom ist ein Verluststrom. Man wird daher den Widerstand R, um den Verluststrom zu beschränken, so groß wie möglich machen. Infolge des Spannungsabfalls am Richtleiter G12 liegt am Emitter des Transistors T2 eine niedrigere Spannung als an seiner Basis, so daß der Transistor gesperrt ist und den eben beschriebenen Stromfluß nicht beeinflußt.

Um den Umschalter in seinen anderen Betriebszustand zu bringen, wird dem Eingang E nunmehr eine gegen die Emitterspannung Ul positive Steuerspannung zugeführt. Der Transistor Π wird dadurch gesperrt. Es kann zunächst nur noch ein Strom fließen von Masse über den Widerstand W, die Emitter-Basis-Strecke des Transistors T2 und den Widerstand R, da dieser mit seinem einen Ende an der negativen Spannung U 22 liegt. Mit diesem Strom ist eine Defektelektroneninjektion in die Basis verknüpft, wodurch der Transistor "T 2 leitend gemacht wird. Sein Widerstand in diesem Zustand ist um so kleiner, je größer der Injektionsstrom ist, also desto kleiner der Widerstand R ist. Der Emitter-Kollektor-Strom des Transistors, der auch durch den Widerstand W fließt, jedoch in entgegengesetzter Richtung wie der Strom in dem vorigen Betriebszustand, soll möglichst groß sein. Daher soll der Innenwiderstand des Transistors T2 im leitenden Zustand möglichst klein sein. Um dies zu erreichen, muß aber der Widerstand R so klein wie möglich sein, um eine möglichst große Defektelektroneninjektion hervorzurufen. Es muß nun, wenn die Spannungen U 21 und U 22 gleich sind, ein Kompromiß zwischen beiden entgegengesetzten Anforderungen an die Größe des Widerstandes R geschlossen werden. Der Richtleiter G12 wird, wenn der Transistor T2 leitend ist, in Sperrichtung beansprucht und bildet daher keinen störenden Nebenschluß zur Emitter-Basis-Strecke dieses Transistors. Da bereits kleine Spannungen zwischen Emitter und Basis eines Transistors genügen, um diesen leitend zu machen oder zu sperren, werden bei dem erfindungsgemäßen Umschalter im Gegensatz zu dem in Fig. 1 dargestellten nur kleine Steuerspannungen benötigt, um den erstrebten Wechsel im Betriebszustand des Umschalters zu bewirken. Ferner gibt es p-n-p-Transistoren, die eine verhältnismäßig große Leistung abgeben können. Der erfindungsgemäße Umschalter er-.laubt daher, eine Reihe vorher unlösbarer Schaltaufgaben zu lösen. Man kann selbstverständlich auch einen entsprechenden Umschalter mit n-p-n-Transistoren aufbauen.

Gemäß der weiteren Erfindung kann der Anteil des über den Widerstand R fließenden Verluststromes am Emitter-Kollektor-Strom des Transistors Tl dadurch verringert werden, daß man den Widerstand R vergrößert und außerdem die Spannung [/22 um so viel negativer macht als die Spannung U21, daß der Basisstrom des Transistors Γ2 die gleiche Größe wie in der vorherigen Schaltung hat, wodurch der Emitter-Kollektor-Strom des Transistors Γ 2 im leitenden Zustand genauso groß wie vorher ist.

Im folgenden wird angegeben, wie die Verminderung des über den Widerstand R fließenden Verluststromanteiles am Emitter-Kollektor-Strom des Transistors Tl zu erklären ist.

Es ist dabei die Auswirkung der Absenkung der Spannung U22 in den beiden Schaltzuständen des Umschalters zu vergleichen. Es liegt an den Endpunkten der Reihenschaltung das Emitter-Kollektor-Widerstandes des Transistors T1 und des Widerstan-

ao des R eine feste Potentialdifferenz. Die Aufteilung dieser Potentialdifferenz an der Reihenschaltung ist aber in den beiden Schaltzuständen verschieden. Wenn der Transistor Tl gesperrt ist, hat er einen großen, wenn er leitend ist, einen kleinen Emitter-Kollektor-Widerstand. Daher liegt dementsprechend im leitenden Zustand des Transistors Π am Widerstand/? eine größere Spannung als im gesperrten Zustand. Die größere der beiden Spannungen sei mit U, die kleinere mit u bezeichnet.

Zunächst wird nun der Zustand des Umschalters betrachtet, in dem der Transistor T2 leitend und der Transistor T1 gesperrt ist. In diesem Zustand wirkt der über den Widerstand R fließende Strom nicht als Verluststrom, sondern als Injektionsstrom für den Transistor T 2, welcher dessen Leitfähigkeit bewirkt. Um nun bei einer Absenkung der negativen Spannung U 22 den Transistor T 2 in demselben Zustand festzuhalten, wird mit der Absenkung eine Vergrößerung des Widerstandes R verbunden. Dabei ist es notwendig, daß die Zunahme des Widerstandes R proportional der Zunahme des Spannungsabfalls an diesem Widerstand ist. In diesem Fall fließt nämlich über den Widerstand R jeweils der gleiche Strom, wodurch der Basisstrom des Transistors T2 und damit dessen Betriebszustand erhalten bleiben. Die Absenkung der negativen Spannung sei mit A U22 = Au bezeichnet, sie ist gleich der Zunahme des Spannungsabfalls am Widerstand R. Die Zunahme des Widerstandes sei AR. In diesem Betriebszustand des Umschalters gilt also für den Injektionsstrom/1 vor und /2 nach der Absenkung der Spannung U 22.

¹¹--R

Nunmehr wird betrachtet, welche Folgen die Absenkung der Spannung [/22 auf die Größe des über den Widerstand R fließenden Stromes im leitenden Zustand des Transistors T1 hat, wobei dieser Strom ein Verluststrom ist. Es fließt vor der Absenkung ein

Strom / 3 = -=- und nach der Absenkung ein Strom κ

74 =

U + Au R+AR '

Vergleicht man nun die Folgen der Absenkung der Spannung U 22 in den beiden Schaltzuständen des

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Umschalters, so ergibt sich, daß die Zunahme der Spannung u um A u der Zunahme des Widerstandes R um AR proportional ist und daher die Zunahme der größeren Spannung U um denselben Betrag Au weniger als proportional der Zunahme des Widerstandes R um AR ist. Daher ist auch IA kleiner als /3., denn die erzeugende Spannung hat relativ weniger zugenommen als der gleichzeitig vergrößerte Widerstand, durch den der betrachtete Strom fließt. Es wird also durch die Absenkung der Spannung U 22 der ge- ίο wünschte Effekt, nämlich eine Abnahme des Verluststromes, erzielt. Außerdem kann mit Hilfe dieser Maßnahme der für diesen Verwendungszweck optimale Betriebszustand des Transistors T2 eingestellt ■werden.

In der Fig. 3 wird eine Schaltung angegeben, bei der mit Hilfe einer anderen Methode eine Verringerung des über den Widerstand R fließenden Verluststromes erzielt wird. Die Kollektorspannung U2 des Transistors T2 ist hierbei gleich der dem Widerstand R zugeführten Vorspannung. Der Widerstand R wird so groß gewählt, daß der über ihn fließende Verluststrom nicht ins Gewicht fällt. Damit ist verknüpft, daß der Injektionsstrom in die Basis des Transistors T2 verhältnismäßig klein ist und daß daher der vom Transistor T2 gelieferte Kollektorstrom wesentlich kleiner ist als vorher. Durch den Emitterstrom dieses Transistors steuert man deshalb einen dritten Transistor T3, der mit seiner Basis an den Emitter des Transistors T2 angeschlossen ist. Sein Kollektor ist mit dem des Transistors T 2 verbunden und erhält daher die gleiche Betriebsspannung. Sein Emitter ist über einen Richtleiter G13 an den Kollektor des Transistors Tl angeschlossen. Den Ausgang des Umschalters bildet der Emitter vom Transistor T 3. Wenn der Transistor T2 leitend gemacht wird, wird sein Emitter negativer und der mit der Basis angekoppelte Transistor T3 ebenfalls leitend. Über die Basis von Transistor T 3 fließt der Emitterstrom von Transistor T 2, der wesentlich größer ist als sein Basisstrom. Der Emitterstrom des Transistors T3 in leitendem Zustand ist daher ebenfalls wesentlich größer als der von Transistor T2. Der über den Verbraucherwiderstand W fließende Strom wird daher überwiegend vom Transistor T3 geliefert und kann eine hinreichende Größe haben. Wenn dagegen der Transistor Tl leitend ist, so fließt sein Kollektorstrom über den Richtleiter G13 zum Arbeitswiderstand W in analoger Weise wie bei den anderen Schaltungen. Der Transistor T3 wird durch den Spannungsabfall am Riehtleiter G13 gesperrt, da an diesem Richtleiter sein Emitter und über den Richtleiter G12 auch seine Basis angeschlossen ist und in dieser Betriebslage die Basis positiver als der Emitter ist.

Gemäß der weiteren Erfindung werden Umschalter in der Weise aufgebaut, daß der erste und der zweite Transistor jeweils mehrfach vorgesehen ist und daß jedem zweiten Transistor mehrere erste Transistoren zugeordnet sind, die über Entkoppelrichtleiter an den Verbindungspunkt zwischen Richtleiter und Widerstand des zugehörigen zweiten Transistors angeschlossen sind. Ein Schaltungsbeispiel für Umschalter, die nach dieser Methode aufgebaut sind, zeigt die Fig. 4. Es sind hier die drei ersten Transistoren TIl, T12 und T13 vorhanden und die drei zweiten Transistoren T21, T22 und T23. Die ersten Transistoren sind mit denjenigen zweiten Transistoren, mit denen sie zusammenarbeiten sollen, über Entkoppelrichtleiter verbunden. Das Schaltungsbeispiel ist so gewählt worden, daß je ein Kombinationspaar von ersten Transistoren mit einem zweiten Transistor zusammenarbeitet; es hätte selbstverständlich auch eine andere Zuordnung der Transistoren gewählt werden können. Es sind daher hier die Kollektoren der Transistoren TIl und T12 über die Richtleiter G13 und G 23 an die Basis des Transistors T23, die Kollektoren der Transistoren TIl und T13 über die Richtleiter G12 und G 32 an die Basis des Transistors T22 und die Kollektoren der Transistoren T12 und T13 über die Richtleiter G21 und G31 an die Basis des Transistors T21 angeschlossen. Es arbeitet also auch jeder erste Transistor auf mehrere, in diesem Fall zwei zweite Transistoren. Die eingefügten Entkoppelrichtleiter verhindern eine Verkopplung der Emitter der zweiten Transistoren über die Kollektoren der ersten Transistoren. Jedem zweiten Transistor sind hier zwei erste Transistoren zugeordnet. Wenn nun mindestens einer der beiden ersten Transistoren leitend ist, so wird durch den Spannungsabfall am zwischen Basis und Emitter des zweiten Transistors liegenden Richtleiter wie bei den früheren Schaltungen jeder zugehörige zweite Transistor gesperrt. Wenn dagegen beide erste Transistoren nicht leitend sind, so wird analog zu den früheren Schaltungen jeder zugehörige zweite Transistor leitend. Betrachtet man diesen Betriebszustand als Arbeitslage des aus einem zweiten Transistor und den beiden ersten Transistoren gebildeten Umschalters mit zwei Steuereingängen, nämlich den Basen der ersten Transistoren, so ergibt sich, daß er erst in die Arbeitslage kommt, wenn beide Steuereingänge die betreffende Steuerspannung haben. Der Umschalter wirkt also zugleich als »Und«-Schaltung oder Koinzidenzschaltung. Diese Eigenschaften ermöglichen die vorteilhafte und vielfältige Anwendung des Umschalters in Fernmeldeschaltungen. Wenn nur ein einziger zweiter Transistor vorhanden ist, auf den mehrere erste Transistoren arbeiten, so liegt keine Vielfachschaltung von zweiten Transistoren vor, es können dann die Entkoppelrichtleiter eingespart werden.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Elektronischer Umschalter zur Schaltung der Stromrichtung in einem Verbraucher, der am Ausgang des Schalters angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die beiden Pole (Ul und £721) einer Betriebsspannungsquelle die Reihenschaltung zweier über einen Richtleiter (G 12) verbundener, in gleicher Weise angeordneter Transistoren (Tl und T2) vom gleichen Leitungstyp angeschlossen ist, derart, daß die Basis des ersten Transistors (T 1) den Steuereingang (E) bildet und die Basis des zweiten Transistors (T 2) über einen Widerstand (R) geeigneter Größe an eine Vorspannungsquelle (U22) und an den Verbindungspunkt zwischen dem Richtleiter (G 12) und dem ersten Transistor (Tl) angeschlossen ist, und daß der Richtleiter (G 12) so gepolt ist, daß er vom Strom des ersten Transistors (Tl) in Durchlaßrichtung durchflossen wird und daß sein Verbindungspunkt mit dem zweiten Transistor den Ausgang (A) des Umschalters darstellt, welcher über den Verbraucher (W) auf eine Potentialquelle (Masse) arbeitet, deren Potential in geeigneter Weise zwischen den Potentialen der Pole (Ul und t/21) der Betriebsspannungsquelle liegt.

2. Umschalter nach Anspruch 1, dadurch: gekennzeichnet, daß der Widerstand (R) von der

Basis des zweiten Transistors (TZ) zu dem an diesem Transistor angeschlossenen Pol (U21) der Betriebsspannungsquelle führt.

3. Umschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R) von der Basis des zweiten Transistors (T2) zu einer Potentialquelle (U22) führt, deren Potential so gewählt ist, daß das Potential des an diesem Transistor angeschlossenen Pols (£/21) der Betriebsspannungsquelle zwischen dem Potential dieser Quelle (U22) und dem der an den Verbraucher (W) angeschlossenen Potentialquelle (Masse) liegt.

4. Umschalter nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang (A) des Umschalters die Basis eines weiteren Transistors (Γ3) angeschlossen ist, der mit der gleichen Elektrode an den betreffenden Pol (U2)

der Betriebsspannungsquelle angeschlossen ist wie der zweite Transistor (T2) und dessen dritte Elektrode den Ausgang der Schaltung darstellt und zugleich über einen weiteren Richtleiter (G 13) mit der Basis des zweiten Transistors (T 2) verbunden ist, und daß letzterer Richtleiter (G 13) so gepolt ist, daß er in Sperrichtung beansprucht wird, wenn der zweite Transistor leitend ist.

5. Umschalter nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Transistor mehrfach vorgesehen sind und daß jedem zweiten Transistor (T21, T22, T2S) mehrere erste Transistoren (T 11, T12, T13) zugeordnet sind, die über Entkoppelrichtleiter (G 13, G 23, G12, G 32, G 21, G 31) an den Verbindungspunkt zwischen Richtleiter und Widerstand des zugehörigen zweiten Transistors (T21, T 22, T 23) angeschlossen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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