DE1050426B - Device for controlling or regulating a load with several controllable semiconductor resistors connected in parallel - Google Patents

Device for controlling or regulating a load with several controllable semiconductor resistors connected in parallel

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DE1050426B
DE1050426B DENDAT1050426D DE1050426DA DE1050426B DE 1050426 B DE1050426 B DE 1050426B DE NDAT1050426 D DENDAT1050426 D DE NDAT1050426D DE 1050426D A DE1050426D A DE 1050426DA DE 1050426 B DE1050426 B DE 1050426B
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Ing Dr Georg Sichlmg Erlangen Dipl
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Siemens Schuckertwerke AG
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Siemens Schuckertwerke AG
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Description

DEUTSCHESGERMAN

Es ist bekannt, zum Schalten, Steuern und Regeln, von elektrischen Schwachstromkreisen Transistoren zu benutzen. Die gesteuerten Stromstärken liegen dabei in der Größenordnung von einigen Milliampere. Die geschaltete Leistung beträgt höchstens ein paar Watt.Um dieTransistoren zum Steuern größerer Stromstärken oder Leistungen verwenden zu können, insbesondere für Steuerzwecke in der Starkstromtechnik, d. h. zum Steuern von Leistungen von 10 Watt aufwärts, sind bereits zahlreiche Vorschläge gemacht worden, die darauf abzielen, die Erwärmung des Transistors herabzusetzen oder den Transistor 'lediglich als Schaltmittel zu verwenden und das Verhältnis der Durchlaßzeit zur Sperrzeit des Transistors zu steuern. Aber alle diese Vorschläge reichen bei verschiedenen Aufgaben der Starkstromtechnik nicht aus, so daß es erforderlich wird, mehrere Transistoren parallel zu schalten.It is known, for switching, controlling and regulating, of small electric circuits transistors to use. The controlled currents are on the order of a few milliamperes. The switched power is at most a few watts. To the transistors for controlling larger currents or to be able to use services, in particular for control purposes in power engineering, d. H. Numerous proposals have already been made for controlling powers from 10 watts upwards aimed at reducing the heating of the transistor or the transistor 'only to use as switching means and the ratio of the conduction time to the blocking time of the transistor steer. But all these suggestions are insufficient for various tasks in heavy current engineering, so that it becomes necessary to connect several transistors in parallel.

Es ist bekannt, welche Schwierigkeiten es bereitet, beispielsweise einen Stromkreis von 100 Ampere mit zwei parallel liegenden Schaltern zu steuern, da keiner der beiden Schalter vor dem anderen geöffnet oder geschlossen sein darf. Ähnlich ist das Problem bei parallel geschalteten Transistoren. Zwar ist es möglich, alle parallel geschalteten Transistoren zu genau dem gleichen Zeitpunkt zu öffnen, bzw. zu schließen. Es ist jedoch sehr schwierig, für die Parallelschaltung Transistoren zu finden, die ganz genau den gleichen Kennilinienverlauf haben. Im allgemeinen streuen die Kennwerte der einzelnen Transistoren auch bei sogenannten Serienfabrikaten verhältnismäßig stark. Man ist daher bei der Parallelschaltung mehrerer Transistoren gezwungen, den durch die Transistoren fließenden Strom nach dem schwächsten Glied der Parallelschaltung zu bemessen, d. h. die Arbeitsspannung dem Transistor mit dem geringsten Imnenwiderstand anzupassen.It is known what difficulties it causes, for example with a circuit of 100 amps to control two switches lying in parallel, as neither of the two switches is opened or before the other may be closed. The problem is similar with transistors connected in parallel. It is possible open or close all transistors connected in parallel at exactly the same point in time. However, it is very difficult to find transistors for parallel connection that are exactly the same Have a characteristic curve. In general, the characteristic values of the individual transistors also vary with so-called Series products relatively strong. You are therefore in the parallel connection of several Transistors forced the current flowing through the transistors to the weakest link of the Parallel connection to be dimensioned, d. H. the working voltage is the transistor with the lowest internal resistance adapt.

Zur Erläuterung sei auf die Fig. 1 verwiesen, in der für drei verschiedene, in emittergeerdeter Schaltung angeordnete Transistoren 6, 7, 8 das Kollektorstrom-KollektorspannuTigs-Kennlinienfeld dargestellt ist. L sei die für alle Transistoren gleiche Grenzleistungshyperbel. Da die Kollektorspannung im Durchlaßfall Uc0 für alle Transistoren dieselbe ist, muß sie so gewählt werden, daß 'bei dem Transistor mit dem ge- 4-5 ringsten Innenwiderstand, in diesem Falle Transistor 6, die Grenzleistungshyperbel L nicht überschritten wird. Es fließt dann durch den Transistor 6 ein Kollektorstrom /c6. Bei der zugehörigen Kollektorspannung U CD werden aber die anderen beiden Transistoren nicht ausgenutzt, da sie die Grenzleistungshyperbel nicht erreichen. So fließt beispielsweise durch den Transistor 7 ein Kollektorstrom /Cg. Die Summe dieser Kollektorströme/^6 Einrichtung zur Steuerung
oder Regelung eines Verbrauchers
mit mehreren parallel geschalteten
steuerbaren HalbleiterwiderständenFor an explanation, reference is made to FIG. 1, in which the collector current-collector voltage characteristic field is shown for three different transistors 6, 7, 8 arranged in an emitter-earthed circuit. L is the limit power hyperbola that is the same for all transistors. Since the collector voltage is the same for all transistors when Uc 0 is on, it must be chosen so that the limit power hyperbola L is not exceeded in the transistor with the lowest internal resistance, in this case transistor 6. A collector current / c 6 then flows through the transistor 6. With the associated collector voltage U CD , however, the other two transistors are not used because they do not reach the limit power hyperbola. For example, a collector current / Cg flows through the transistor 7. The sum of these collector currents / ^ 6 control device
or regulation of a consumer
with several connected in parallel
controllable semiconductor resistors

Anmelder:Applicant:

Siemens-SchuckertwerkeSiemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,Corporation,

Berlin und Erlangen,Berlin and Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dipl.-Ing. Dr. Georg Sichling, Erlangen,
ist als Erfinder genannt wordenDipl.-Ing. Dr. Georg Sichling, Erlangen,
has been named as the inventor

und J Q1 und /^8 ergibt im Durchlaßfall den Arbeitspunkt A. and JQ 1 and / ^ 8 results in operating point A.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei einer Einrichtung zur Steuerung eines Verbrauchers bzw. einer Verbrauchergruppe mit mehreren parallel geschalteten Halbleiterwiderständen, vorzugsweise Transistoren, die Ausnutzung der einzelnen Transistoren zu vergrößern. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß im Arbeitskreis und gegebenenfalls auch im Steuerkreis jedes einzelnen Halbleiterwiderstandes, insbesondere Transistors, ohmsche Vorschaltwiderstände vorgesehen sind.The object of the invention is to provide a device for controlling a consumer or a consumer group with several semiconductor resistors connected in parallel, preferably Transistors to increase the utilization of the individual transistors. This is done according to the invention achieved by the fact that in the working group and possibly also in the control circuit of each individual semiconductor resistor, in particular transistors, ohmic ballast resistors are provided.

Fig. 2 zeigt das Schaltbild für eine derartige Anlage. Darin ist der Verbraucher bzw. die Gruppe der zu steuernden Verbraucher symbolisch durch einen Widerstand 1 angedeutet, der über die parallel gesohalteten Transistoren 6 bis 9 an die Leitungen P und N einer Gleichspannungsquelle 14 angeschlossen ist. Zur Steuerung der parallel geschalteten Transistoren dient in der hier dargestellten emittergeerdeten Schaltung die Basisspannung 15. Grundsätzlich kann natürlich auch eine andere an sich bekannte Schaltung, beispielsweise die Basis- oder Kollektorschaltung, verwendet werden. In den Arbeitskreis der einzelnen Transistoren, in diesem Falle den Kollektorkreis, sind die Vorschaltwiderstände 2, 3, 4 und 5 geschaltet.Fig. 2 shows the circuit diagram for such a system. Therein the consumer or the group of consumers to be controlled is symbolically indicated by a resistor 1 which is connected to the lines P and N of a direct voltage source 14 via the transistors 6 to 9 held in parallel. In the emitter-earthed circuit shown here, the base voltage 15 is used to control the transistors connected in parallel. In principle, another circuit known per se, for example the base or collector circuit, can of course also be used. The series resistors 2, 3, 4 and 5 are connected in the working circuit of the individual transistors, in this case the collector circuit.

809 749/294809 749/294

Außerdem sind im Basiskreis, dem Steuerkreis jedes Transistors, die Vorschaltwiderstände 10 bis 13 vorgesehen. In addition, the series resistors 10 to 13 are provided in the base circuit, the control circuit of each transistor.

In Fig. 3 ist wie in Fig. 1 das Kollektorstrom-Kollektorspannungs-Kennlinienfeld der Transistoren dargestellt, und zwar der Übersichtlichkeit halber nur für die Transistoren 6, 7 und 8. Man kann nun die Widerstände so auslegen, daß die Durchlaßströme aller Transistoren gleich sind. Um eine volle Ausnutzung der parallel geschalteten Transistoren zu erreichen, sind die vorgeschalteten Widerstände 2, 3, 4 usw. so bemessen, daß der Arbeitspunkt des jeweils zugehörigen Transistors im Durchlaßfall auf oder nahezu auf der Grenzleistungshyperbel L liegt. Dabei kann der Transistor 8 mit dem größten Innenwiderstand ohne Vorwiderstand ausgelegt werden, wenn der Verbraucherwiderstand 1 so abgestimmt ist, daß an dem Transistor 8 die Kollektorspannung UCs liegt. Mit dem Ko-llektorstrom /C8 liegt dann der Arbeitspunkt dieses Transistors gerade auf der Grenzleistungshyperbel L. An dem Transistor 7 mit dem geringeren Inweniwiderstand darf aber nur die Kollektorspannung UCl Hegen, damit der Kollektorstrom JCl nicht überschritten wird. Zu dem Zweck muß der Vorschaltwiderstand 3 mit dem Widerstandswert R3 so bemessen sein, daßIn Fig. 3, as in Fig. 1, the collector current-collector voltage characteristic field of the transistors is shown, for the sake of clarity only for the transistors 6, 7 and 8. The resistors can now be designed so that the forward currents of all transistors are the same . In order to achieve full utilization of the transistors connected in parallel, the upstream resistors 2, 3, 4 etc. are dimensioned so that the operating point of the respective associated transistor is on or almost on the limit power hyperbola L when it is open. The transistor 8 with the greatest internal resistance can be designed without a series resistor if the consumer resistance 1 is matched so that the collector voltage U Cs is applied to the transistor 8. With the collector current / C8 then the operating point of said transistor just at the Grenzleistungshyperbel L. At the transistor 7 with the lower Inweniwiderstand but must only the collector voltage U Cl Hegen, so that the collector current J Cl is not exceeded. For this purpose, the series resistor 3 must be dimensioned with the resistance value R 3 so that

+ JCl -R3-Uc + J Cl -R 3 -Uc

Entsprechendes gilt für alle übrigen parallel geschalteten Transistoren, so daß allgemein die Formel gilt:The same applies to all other transistors connected in parallel, so that in general the formula is applicable:

U CK + /, U CK + /,

CKCK

= U= U

ClmaxClmax

wobei Ucn die Kollektorspannung, Ick. der Kollektorstrom und R% der Vorschaltwiderstand des K-tem Transistors, Uamax die Durchlaßspannung desjenigen Transistors ist, der den größten Innenwiderstand aufweist. Man erkennt in Fig. 3, daß in diesem Falle die Addition der Kollektorstromstärken /Ce und /C7 und /C8 einen wesentlich größeren Strom mit dem Arbeitspunkt B ergibt. where Ucn is the collector voltage, Ick. is the collector current and R% is the series resistance of the K-tem transistor, U amax is the forward voltage of the transistor which has the greatest internal resistance. It can be seen in FIG. 3 that in this case the addition of the collector currents / Ce and / C7 and / C8 results in a significantly larger current with the operating point B.

Bei einer derartigen Anordnung ist zu beachten, daß mit ihrer Hilfe zwar die größtmögliche Schaltleistung erreicht werden kann, daß der Wirkungsgrad gegenüber der nach Fig. 1 beschriebenen Parallelschaltung jedoch infolge der Verluste in den Widerständen geringer ist. Es ist daher darauf zu achten, daß die Streuung der Innenwiderstands werte der einzelnen Transistoren bei einer Parallelschaltung entsprechend Fig. 2 und 3 möglichst gering ist.With such an arrangement it should be noted that with their help the greatest possible switching capacity can be achieved that the efficiency compared to the parallel circuit described according to FIG however, it is less due to the losses in the resistors. It is therefore important to ensure that the spread of the internal resistance values of the individual transistors in a parallel connection 2 and 3 is as small as possible.

Für die Basiswiderstände fO bis 13 der Fig. 2 gilt, daß der Basisstrom jedes Transistors vorteilhaft so einzustellen ist, daß vor Erreichen der Grenzleistungshyperbel gerade keine Sättigung des Kollektorstromes eintritt. Würden die Vorschaltwiderstände in den Basiskreisen der Transistoren nicht vorhanden sein, so würde jeder Transistor dieselbe Basisspannung erhalten und sich damit ein Basisstrom einstellen, der auf Grund des für jeden Transistor feststehenden Stromverstärkungsfaktors y = Jc/IB nicht den gewünschten Werten entsprechen würde. Mit Hilfe der Vorschaltwiderstände 10 bis 13 können dagegen die Basisspannungen der einzelnen Transistoren ■wunschgemäß' eingestellt werden. Wird beispielsweise für den Transistor 6 die größte Bastsspannung verlangt, so. kann dieser Transistor gegebenenfalls ohne Vorschaltwiderstand unmittelbar an die Basisspannung 15 angeschlossen werden. Für den Vorschaltwiderstand 11 des Transistors 7 ergibt sich dann ein Widerstandswert .R11, der sich analog· den obigen Formeln aus der GleichungFor the base resistances f0 to 13 of FIG. 2, the base current of each transistor should advantageously be set so that the collector current does not saturate before the limit power hyperbola is reached. If the series resistors were not present in the base circuits of the transistors, each transistor would receive the same base voltage and thus a base current would be established which, due to the current gain factor y = J c / I B fixed for each transistor, would not correspond to the desired values. With the help of the series resistors 10 to 13, on the other hand, the base voltages of the individual transistors can be set as required. If, for example, the greatest bast voltage is required for transistor 6, then so. this transistor can optionally be connected directly to the base voltage 15 without a series resistor. A resistance value .R 11 then results for the series resistor 11 of the transistor 7, which is derived from the equation analogously to the above formulas

Ub-, + Jb1 · R11 = UB6 Ub-, + Jb 1 * R 11 = U B6

errechnen läßt. Für den K-ten Transistor ergibt sich danncan be calculated. This then results for the K-th transistor

ίο mit RBK als Basis-Vorschaltwiderstand des K-ten Transistors. Die angelegte Basisspannung 15 muß natürlich mindestens gleich der Spannung UB/max sein.ίο with R BK as the base series resistor of the K-th transistor. The applied base voltage 15 must of course be at least equal to the voltage U B / max .

Für die Praxis ist es vorteilhaft, wenn die parallelIn practice it is advantageous if the parallel

geschalteten Halbleiterwiderstände mit den zugehörigen Vorschaltwiderständen in einer Baueinheit zusammengefaßt sind. Die Grenzspannungen UCimax und Ußimax könnten dann genormt werden. Ein Ausführungsbeispiel für eine derartige Baueinheit zeigt Fig. 4. Darin ist jeder Transistor 6 auf einer Montage-switched semiconductor resistors are combined with the associated ballast resistors in one unit. The limit voltages U C i max and U ßimax could then be standardized. An exemplary embodiment for such a structural unit is shown in FIG. 4. In it, each transistor 6 is mounted on a mounting

ao platte 20 befestigt, die mit einer an der Montagewand 17 angeordneten Halteeinrichtung 16 verbunden ist. Die Halteeinrichtung 16 kann aus einer Montageschiene bestehen, auf die die einzelnen Montageplatten aufgeklemmt oder aufgeschraubt werden können. Dieao plate 20 attached to the one on the mounting wall 17 arranged holding device 16 is connected. The holding device 16 can consist of a mounting rail exist, onto which the individual mounting plates can be clamped or screwed. the

as Montageplatten 20 können dabei als Kühlplatten ausgebildet sein, d. h., ihre Oberfläche wird so bemessen, daß eine hinreichend große Kühlung der Transistoren erreicht wird. Zu diesem Zweck ist es weiterhin vorteilhaft, die Montageplatten, wie in dem Ausführungsbeispiel dargestellt, vertikal oder annähernd vertikal anzuordnen, so daß die Luft zwischen den Montageplatten aufsteigen kann und durch die Konvektion eine zusätzliche Kühlung der Transistoren und der Montageplatten erreicht wird.The mounting plates 20 can be designed as cooling plates be, d. That is, their surface is dimensioned so that a sufficiently large cooling of the transistors is achieved. For this purpose, it is also advantageous to use the mounting plates, as in the exemplary embodiment shown to be arranged vertically or approximately vertically so that the air can rise between the mounting plates and through the convection an additional cooling of the transistors and the mounting plates is achieved.

Weiterhin ist es vorteilhaft, die Montageplatten entweder, wie in Fig. 4 dargestellt, U-förmig oder aber Z-förmig auszubilden. In diesem Falle können wie in dem Ausfü'hrungsbeispiel die Montageplatten mit dem einen Schenkel 20a an der Halteeinrichtung befestigt werden, während an dem anderen Schenkel 20 b eine alle Platten verbindende Leiste 21, eine sogenannte Verbindungsleiste, angeordnet ist. Auf dieser Verbindungsleiste können die Vorschaltwiderstände 2, 10 usw. sowie die Anschlußklemmen 30, 31,32 «sw. raontiert sein. Statt dessen ist es jedoch auch möglich, die Vorschaltwiderstände mit den Anschlußklemmen an der Montageplatte 20 bzw. an dem freien Schenkel 20 b der Montageplatte zu befestigen. Es könnten dann die Anschlußklemmen als Steckvorrichtung ausgebildet sein, so daß beispielsweise beim Aufschieben der einzelnen Montageplatten 20 auf die Halteeinrichtung 16 die Steckvorrichtungen ineinandergreifen und eine besondere Leitungsverlegung nicht erforderlich ist. Auf diese Weise kann je nach der zu schaltenden Stromstärke eine entsprechende Anzahl von Transistoren mit Vorschaltwiderständen ohne Schwierigkeiten parallel geschaltet werden. Am Ende der Baueinheit verbleiben dann lediglich die drei in Fig. 2 angedeuteten Klemmen 33, 34, 35. Eine derartige Zusammenfassung der Transistoren mit den zugehörigen Widerständen u. dgl. in einer Baueinheit ist außer für parallel geschaltete Transistoren auch für Transistoren in Serien- oder gemischter Schaltung möglich.Furthermore, it is advantageous for the mounting plates to be either U-shaped, as shown in FIG. 4, or else Z-shaped. In this case, the mounting plates can be connected to one leg 20a fixed to the holding device, while B to the other leg 20, a connecting bar, all plates 21, a so-called connecting strip is arranged as in the Ausfü'hrungsbeispiel. The series resistors 2, 10 etc. as well as the terminals 30, 31, 32 «sw. be careful. Instead, however, it is also possible to fasten the series resistors with the terminals on the mounting plate 20 or on the free leg 20 b of the mounting plate. The terminals could then be designed as a plug-in device so that, for example, when the individual mounting plates 20 are pushed onto the holding device 16, the plug-in devices interlock and no special wiring is required. In this way, depending on the current to be switched, a corresponding number of transistors with series resistors can be connected in parallel without difficulty. Only the three terminals 33, 34, 35 indicated in FIG. 2 then remain at the end of the structural unit mixed switching possible.

Claims (5)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Einrichtung zur Steuerung oder Regelung eines Verbrauchers bzw. einer Verbrauchergruppe mit mehreren parallel geschalteten steuerbaren Halbleiterwiderständen, vorzugsweise Transistoren, dadurch gekennzeichnet, daß zur besseren1. Device for controlling or regulating a consumer or a consumer group with several controllable semiconductor resistors connected in parallel, preferably transistors, characterized in that for the better Ausnutzung der Halbleiterwiderstände im Arbeitskreis und gegebenenfalls auch im Steuer'kreis jedes einzelnen Halbleiterwiderstandes, insbesondere Transistors, ohmsche Vorschaltwiderstände vorgesehen sind.Utilization of the semiconductor resistors in the working group and possibly also in the control circuit each individual semiconductor resistor, in particular transistor, ohmic ballast resistors provided are. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im Arbeitskreis jedes steuerbaren Halbleiterwiderstandes angeordnete Vorschaltwiderstand so bemessen ist, daß der Arbeitspunkt des zugehörigen steuerbaren Halbleiterwiderstandes im Durchlaßfall auf oder nahezu auf der Grenzleistungshyperbel liegt.2. Device according to claim 1, characterized in that each controllable in the working group Semiconductor resistor arranged series resistor is dimensioned so that the operating point of the associated controllable semiconductor resistor in the case of passage on or almost on the limit power hyperbola. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im Steuerkreis jedes steuer-3. Device according to claim 1, characterized in that the control circuit in each control baren Halbleiterwiderstandes angeordnete Widerstand so bemessen ist, daß der steuerbare Halbleiterwiderstand auf einer Kennlinie arbeitet, die erst außerhalb der Leistungshyperbel in die Sättigung geht.Baren semiconductor resistor arranged resistor is dimensioned so that the controllable semiconductor resistor works on a characteristic that only saturates outside the power hyperbola goes. 4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sättigungsknick in der Arbeitskennlinie des steuerbaren Halbleiterwiderstandes möglichst nahe an der Leistungshyperbel liegt.4. Device according to claim 3, characterized in that that the saturation kink in the working characteristic of the controllable semiconductor resistor is as close as possible to the performance hyperbola. 5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Halbleiterwiderstände mit den zugehörigen Vorschaltwiderständen in einer Baueinheit zusammengefaßt sind.5. Device according to claim 1, characterized in that the controllable semiconductor resistors are combined with the associated ballast resistors in one unit. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings © 809 745/294 2. 59© 809 745/294 2. 59
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1148638B (en) * 1960-04-20 1963-05-16 Siemens Ag Circuit arrangement with continuously controllable electronic resistance sections for generating as constant an output DC voltage as possible from a larger variable input DC voltage
DE1170048B (en) * 1962-10-17 1964-05-14 Telefunken Patent Control element for voltage-stabilized power supplies
DE1271810B (en) * 1964-04-14 1968-07-04 Volkswerft Stralsund Veb Self-regulating corrosion protection system for steel components, preferably for ships

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