DE1044880B

DE1044880B - Steuerschaltung mit zwei Transistoren

Info

Publication number: DE1044880B
Application number: DES45409A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Wolfgang Meissen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1955-09-02
Filing date: 1955-09-02
Publication date: 1958-11-27

Description

In der Starkstromtechnik werden vielfach gasgefüllte Glühkathodenröhren für Zwecke der Steuerung und Überwachung verwendet, wobei sie nicht als Gleichrichter zur Gleichrichtung von Wechselstrom dienen, sondern meist nach Art eines Relais die Aufgäbe erfüllen, einen bestimmten Vorgang auf einen kurzen Steuerimpuls hin einzuleiten und aufrechtzuerhalten, z. B. bei einer vorübergehenden Störung die dauernde Erregung eines Betätigungsmagneten für eine Schutzeinrichtung. Die hierzu verwendeten Glühkathodenröhren haben verschiedene Nachteile, nämlich eine lange Anheizzeit, einen hohen Brennspannungsabfall, verhältnismäßig hohe Zündspannung u. a. Außerdem sind sie gegen mechanische Stöße empfindlich, und die Lebensdauer ihrer Glühkathode ist begrenzt. Bei Kaltkathodenröhre^ werden einige dieser Nachteile vermieden,, jedoch liegen bei diesen die Zünd- und die Brennspannung besonders hoch.

Die vorliegende Erfindung beruht demgegenüber auf der Erkenntnis, daß es mit Hilfe von gesteuertes, Halbleitern, vornehmlich von solchen einkristalliner Struktur, also Transistoren, z. B. aus Germanium oder Silizium, gelingt, eine Schaltung aufzubauen, deren äußere Wirkung der obenerwähnten, mittels Röhren erzielten Wirkung äquivalent ist, und dadurch die genannten Nachteile zu vermeiden. D4e Erfindung bezieht sich demgemäß auf eine Steuerschaltung mit zwei Transistoren, von denen jeder den Emitter als geroeinsame Elektrode aufweist, und deren Ausgangskreise wechselseitig mit ihren Eingangskreisen galvanisch gekoppelt sind, wobei ihre Emitterzuleitungen an eine gemeinsame Impedanz angeschlossen sind. Derartige Schaltungen sind an sich bekannt in der Ausführung als. bistabile Zwillingsschaltungen, bei denen abwechselnd der eine Transistor stromdurchlässig, der andere dagegen gesperrt ist und der jeweils stromdurchlässige Transistor den gesperrten Zustand des anderen- aufrechtzuerhalten bestimmt ist. Bei diesen bekannten Schaltungen sind die beiden. Transistoren bezüglich des Leitfähigkeitscharakters ihrer entsprechenden Elektroden von gleichem Typus, d. h. entweder haben beide Transistoren n-p-n-Struktur oder beide p-n-p-Struktur. Damit kann die eingangs umrissen© Aufgabe eines Imputsrelais bzw. einer · Glühkathodenröhre nicht erfüllt werden. Demgegenüber besteht: die Erfindung darin, daß die beiden Transistoren bezüglich, des Leitfähigkeitscharakters ihrer entsprechenden Elektroden von- entgegengesetztem Typus sind, indem z. B. der eine ein. n-p-n und der andere ein p-n-p-Transistor ist, so daß sie eine Kaskade bilden, in. welcher der vorgeordnete Transistor durch Steuerung mittels eines in seinem Eingangskreis enthaltenen, Impulsgeber bei einer gegebenen Impulsrichtung stromdurchlässig gemacht Steuerschaltung mit zwei Transistoren

Anmelder:

Siemens-Sctmckertwerke

Aktiengesellschaft_r

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dipl.-Ing. Wolfgang Meissen, Erlangen,
ist als Erfinder genannt worden

und dieser Zustand nach Aufhören des Steuerimpulses durch den Spannungsabfall aufrechterhalten wird, der vom Ausgangsstrom des nachgeordneten Transistors an der gemeinsamen Impedanz hervorgerufen wird. Durch die gemeinsame Impedanz, die vorzugsweise ein ohmscher Widerstand sein kann, wird also eine Rückkopplung zwischen dem Ausgangskreis und dem Eingangskreis der Gesamtschaltung herbeigeführt, durch welche auch nach Verschwinden des ursprünglichen Steuerimpulses eine Steuerspannung an den Emgangsklemnaen der Anordnung aufrechterhalten und infolgedessen die Aufrechterhaltung des Ausgangsstromes ermöglicht wird. Eine derartige Steuerschaltung hat eine fast unbegrenzte Lebensdauer. Die zu seiner Auslösung erforderliche Impulsspannung und der innere Spannungsabfall des Arbeitsstromes sind bedeutend geringer als die ihnen entsprechenden Werte der Zündspannung bzw. der Brennspannung bei Glühkathodenröhren.

In der Zeichnung sind in den Fig. 1 und 2 verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, bei welchen die beiden verwendeten Transistoren bezüglich des Leitfähigkeitscharakters ihrer entsprechenden Elektroden von. entgegengesetztem Typus sind.

Die Anordnung nach Fig. 1 enthält eine Kombination eines n-p-n-Transistors T₁ und eines p-n-p-Transistars T₂. Bei beiden ist der Emitter E die gemeinsame Elektrode des Eingangs- und des Ausgangskreises. Im Eingangskreis des Transistors T_v der zugleich den Eingangskreis der Gesamtanordnung bildet und beispielsweise an einen Eingangswiderstand R_E angeschlossen ist, liegen ein Widerstand R₁ und eine Sperrspannungsquelle 6^ in Reihe miteinander. Der Kollektorstromkreis des Transistors T₁, der eine Spannungsquelle Uq₁ enthält, ist mit dem Basis-

SOi 680/226

Stromkreis des Transistors T₂ zu einem Zwischenkreis zusammengeschlossen. In letzterem wird vorteilhaft ein Widerstand R₂ zu den Eingangsklemmen des Transistors T₂ parallel geschaltet, durch welchen der Basis-Emitter-Kreis des Transistors T₂ direkt geschlossen wird. Außerdem kann ein weiterer Widerstand R₃ in Reihenschaltung mit den Ausgangsklemmen des Transistors T₁ angeordnet sein.

Der Emitter-Kollektor-Kreis des Transistors T₂, welcher zugleich der Ausgangskreis der Gesamtanordnung ist, verläuft vom Emitter des Transistors T₂ zunächst ebenfalls über den Widerstand R₁ bis zur Klemme K und von da über eine weitere Spannungsquelle Uq₂, welche die Kollektorspannung für T₂ liefert, über einen äußeren Lastwiderstand R_L zur Klemme A, welche mit dem Kollektor C verbunden ist. Zur Unterbrechung dieses Stromkreises kann ein Schalter 5* vorgesehen sein.

Die Wirkungsweise dieser Steuerschaltung ist folgende: Wird an den Eingang beispielsweise mittels einer Gleichstromquelle U_e und eines Druckknopfschalters D kurzzeitig eine positive Spannung angelegt, welche die von der Spannungsquelle Sp gelieferte Sperrspannung übersteigt, so fließt im Transistor T₁ ein Basisstrom I_{B v} der einen entsprechenden Kollektorstrom I_{c t} zur Folge hat. Ein Teil von diesem fließt durch den Widerstand R₂, der übrige Teil durch die Basis-Emitter-Strecke des Transistors T₂. Der letzterwähnte Anteil verursacht bei geschlossenem Schalter >S* einen Kollektorstrom I_C2 im Ausgangskreis. Der Strom Jc₂ ruft einen Spannungsabfall am Widerstand R₁ hervor. Dieser Widerstand gehört aber auch dem Eingangskreis des Transistors T₁ an. Die an ihm vom Kollektorstrom /_Ca hervorgerufene Spannung ist also auch im Eingangskreis des Transistors T₁ wirksam, und zwar ist sie der von der Spannungsquelle Sp gelieferten Sperrspannung entgegengerichtet, erhöht also den Basisstrom I_Bl, der seinerseits den Kollektorstrom Ic ± vergrößert und damit auch den Basisstrom Jg₂ im Transistor T₂. Dadurch wachsen auch der Kollektorstrom Jc₂ und der Spannungsabfall am Widerstand R₁. Der stationäre Zustand ist erreicht, wenn die Kollektorströme /_Cl und Ic« im wesentlichen nur noch durch die zugehörigen Außenwiderstände bestimmt sind und infolgedessen nicht weiter anwachsen können. Den Transistoren werden dann solche Basisströme zugeführt, daß ihr innerer Spannungsabfall einen Minimalwert hat. In der Regel sind die Spannungsimpulse, die als positive Eingangsspannung zur Verfügung stehen, schon von vornherein so groß, daß der stationäre Zustand der Anordnung sich sofort einstellt. Bei der vorstehenden Betrachtung ist der Spannungsabfall, der am Widerstand .R₁ vom Basisstrom I_Bl des Transistors T₁ hervorgerufen wird, außer Betracht gelassen worden, da I_Bl gegenüber I_C2 verschwindend klein ist. Wird nun durch Öffnung des Druckknopfschalters D die positive Eingangsspannung weggenommen, und ist der Spannungsabfall an R₁ größer als die Sperrspannung, so bleibt der stationäre Zustand der Anordnung erhalten. Mit Ausnahme von Iß _± erfahren die Ströme keine Änderung. Eine Unterbrechung des Ausgangsstromes Iq ₂ tritt erst dann ein, wenn z. B. dieKollektorspanming U₀₂ kurzzeitig Null wird oder der Ausgangskreis etwa mittels des Schalters S aufgetrennt wird. Das Verhalten der Steuerschaltung stimmt mithin überein mit derjenigen einer einmal gezündeten Glühkathodenröhre mit Gasfüllung. Mit einer solchen kann die beschriebene Schaltung auch bezüglich der äußeren Anschlüsse verglichen werden, welche außerhalb des in der Zeichnung eingetragenen strichpunktierten Kreises liegen. Die Klemmet entspricht der Anodenzuführung, die Klemme K der Kathodenleitung und die Klemme G dem Gitteranschluß der Röhre.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltung wurde ein p-n-p-Transistor als Ausgangstransistor gewählt, weil mit den derzeit verfügbaren Transistoren dieser Type bei gegebener, höchstzulässiger Verlustleistung ein höherer Ausgangsstrom zu erzielen ist als mit den verfügbaren n-p-n-Transistoren. Die umgekehrte Anordnung ist aber grundsätzlich ebenso möglich.· Ein Beispiel einer solchen ist in Fig. 2 dargestellt. In ihr sind die entsprechenden Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen. Da auch die Wirkungsweise beider Anordnungen grundsätzlich übereinstimmt, bedarf es keiner weiteren Erläuterungen bezüglich der inneren Schaltung der von einem strichpunktierten Kreis umgebenen Teile der Anordnung.

Bezüglich der äußeren Schaltung enthält Fig. 2 eine Abänderung, welche auch bei der Anordnung nach Fig. 1 anwendbar ist. Der Eingangswiderstand Rg ist nämlich in Fig. 2 durch die Sekundärwicklung eines Übertragers Ü ersetzt. An seine Stelle kann auch ein Fotoelement oder ein anderes geeignetes Stromkreiselement treten, welches den Basis-Emitter-Kreis des Transistors T₁ galvanisch schließt.

Die Widerstände R₂ und R₃ sind mitbestimmend für den Kollektorstrom des Transistors T₁ und den Basisstrom des Transistors T₂. Die beiden Widerstände können zu einem einzigen Widerstandselement mit einem Abgriff, an welchen die Basis des Transistors T₂ angeschlossen wird, zusammengefaßt werden. Der Widerstand R_B kann unter Umständen weggelassen werden, ist die Kollektorspannung U_C2 verhältnismäßig niedrig, so kann gegebenenfalls auch der Widerstand R₂ eingespart werden, j edoch ist dann der Basis-Emitter-Kreis des Transistors T₂ nicht mehr direkt geschlossen, sondern nur über Kollektor und Emitter des Transistors T₁. Dadurch kann die Sperrfähigkeit des Transistors T₂ bei höheren Werten der Kollektorspannung Uc₂ verlorengehen.

Es empfiehlt sich, den Rückkopplungswiderstand R₁ wenigstens so groß zu machen, daß der an ihm durch den Kollektorstrom Ic₂ hervorgerufene Spannungsabfall die von der Spannungsquelle Sp gelieferte Sperrspannung um etwa 0,25 V übersteigt. Dabei ist zu beachten, daß der Kollektorstrom Ic ₂ im stationären Zustand fast ausschließlich durch die Höhe der Spannung Uc₂ und den Betrag des Widerstandes Ri bestimmt wird.

Die Sperrspannungsquelle Sp kann beispielsweise durch ein Trockenelement gebildet werden. Unter Umständen kann sie ganz fehlen, doch muß dann die Sperrfähigkeit des Transistors T₁ überwacht werden, auch wenn nur eine geringfügige Erwärmung vorausgegangen ist.

Die Kollektorspannung U_Cl kann ebenfalls von einem Trockenelement geliefert werden. Man kann aber auch mit einer geringeren Spannung auskommen, wie sie beispielsweise von einem oder mehreren Fotoelementen geliefert wird. Die Wegnahme dieser Spannung bildet eine weitere Möglichkeit, den Ausgangsstrom J_C2 des Halbleiterrelais zu unterbrechen. Noch eine weitere Möglichkeit hierzu bietet die Unterbrechung des Basisstromes I_Bl entweder durch einen Schalter oder durch einen negativen Eingangs impuls. Dagegen können solche negative Impulse, welche im Eingangskreis auftreten, ohne daß eine Unterbrechung des Ausgangsstromes gewünscht

wird, durch einen Trockengleichrichter H kurzgeschlossen und somit unwirksam gemacht werden.

Zum Unterschied von Fig. 1 wird in der Anordnung nach Fig. 2 die treibende Ausgangsspannung U_C2 von einer Wechselspannungsquelle geliefert. In diesem Falle hört der Strom jeweils von selbst auf, sobald er seinen natürlichen Nullwert erreicht. Ein besonderer Schalter — entsprechend S in Fig. 1 — ist daher zur Stromunterbrechung im Ausgangskreis dieser Anordnung nicht vonnöten. Dafür ist aber im Ausgangskreis zusätzlich ein Sperrschichtgleichrichter Gl in Reihenschaltung derart anzuordnen, daß er in Richtung des Arbeitsstromes durchlässig ist; denn bei Spannungsumkehr bildet der Transistor einen Kurzschluß vom Kollektor zur Basis. Als Sperr-Schichtgleichrichter wird vorteilhaft ein solcher aus einem Germanium- oder Siliziumeinkristall verwendet, der sich durch eine besonders niedrige Schwellspannung und eine hohe Sperrfähigkeit auszeichnet.

Die Ausführungs- und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung werden durch die hier behandelten Beispiele keineswegs erschöpft. Es ist beispielsweise auch möglich, zwei Transistoren von gleichem Typ, z. B. zwei p-n-p-Transistoren oder zwei n-p-n-Transistoren, durch einen geeigneten Zwischenkreis miteinander zu kombinieren, wobei jeweils der eine der beiden Transistoren in der Schaltung mit dem Emitter als gemeinsamer Elektrode und der andere in der Schaltung mit dem Kollektor als gemeinsamer Elektrade angeordnet sein kann.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Steuerschaltung mit zwei Transistoren, von denen jeder den Emitter als gemeinsame Elektrode aufweist, und deren Ausgangskreise wechselseitig mit ihren Eingangskreisen galvanisch gekoppelt sind, wobei ihre Emitterzuleitungen an eine gemeinsame Impedanz angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Transistoren bezüglich des Leitfähigkeitscharakters ihrer entsprechenden Elektroden von entgegengesetztem Typus sind, indem z. B. der eine ein n-p-n- und der andere ein p-n-p-Transistor ist, so daß sie eine Kaskade bilden, in welcher der vorgeordnete Transistor durch Steuerung mittels eines in seinem Eingangskreis enthaltenen Impulsgebers bei einer gegebenen Impulsrichtung stromdurchlässig gemacht und dieser Zustand nach Aufhören des Steuerimpulses durch den Spannungsabfall aufrechterhalten wird, der vom Ausgangsstrom des nachgeordneten Transistors an der gemeinsamen Impedanz hervorgerufen wird.

2. Steuerschaltung mit zwei Transistoren, die bezüglich des Leitfähigkeitscharakters ihrer entsprechenden Elektroden von gleichem Typus sind und deren Ausgangskreise wechselseitig mit ihren Eingangskreisen galvanisch gekoppelt sind, wobei die Zuleitungen der gemeinsamen Elektrode jedes der beiden Transistoren an eine gemeinsame Impedanz angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der eine der beiden Transistoren den Emitter und der andere den Kollektor als gemeinsame Elektrode aufweist, so daß die beiden Transistoren eine Kaskade bilden, in welcher der vorgeordnete Transistor durch Steuerung mittels eines in seinem Eingangskreis enthaltenen Impulsgebers bei einer gegebenen Impulsrichtung stromdurchlässig gemacht und dieser Zustand nach Aufhören des Steuerimpulses durch den Spannungsabfall aufrechterhalten wird, der vom Ausgangsstrom des nachgeordneten Transistors an der gemeinsamen Impedanz hervorgerufen wird.

3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Zwischenstromkreis ein Widerstand zu den Eingangsklemmen des nachgeordneten Transistors parallel geschaltet ist.

4. Steuerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Zwischenstromkreis ein weiterer Widerstand in Reihenschaltung mit den Ausgangsklemmen des vorgeordneten Transistors angeordnet ist.

5. Steuerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Parallelwiderstand und der Reihenwiderstand zu einem einzigen Widerstandselement mit einem Abgriff, an welchem die Basis des nachgeordneten Transistors angeschlossen ist, zusammengefaßt sind.

6. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Ausgangskreis des nachgeordneten Transistors ein in Richtung des Arbeitsstromes durchlässiger Sperrschichtgleichrichter in Reihenschaltung angeordnet ist.

7. Steuerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sperrschichtgleichrichter ein Einkristallgleichrichter, vorzugsweise aus Germanium oder Silizium, ist.

In Betracht gezogene Druckschriften :
Lo, Endres, Zowels, »Transistor Electronics« (1955), Verlag Prentice-Hall, N. J., USA, S. 468 bis 470.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

11.SS