BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES mmä&<
PATENTAMT
kl. 21g 11/02
INTERNAT. EL. HOlI
AUSLEGESCHRIFT 1050 912
S47648VIIIc/21g
ANMELDETAG: 24. FEBRUAE 19S6
E EKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT:
19. FEBRUAR 1959
Es ist bekannt, zur Steuerung von Starkstromkreisen sogenannte Schalttransistoren vorzusehen. Die
Steuerung der Starkstromkreise erfolgt dabei in der Weise, daß das sogenannte Tastverhältnis Λρτ SrVialttransistoren.geändert
wird; d.h., es wird das Ver- S hältnis der Zeit, während der der Transistor voll geöffnet
ist, zu der Zeit, in der der Transistor ganz geschlossen ist, geändert. Diese Betriebsweise ist bei
Schalttransistoren bekanntlich vorteilhaft und notwendig, da nur in den beiden Grenzbetriebszuständen
des Transistors die jeweils geringste Leistungsumsetzung erfolgt. Bei geöffnetem Zustand des Transistors
liegt an diesem nur die kleine Durchlaßspannung, die an sich gegebenenfalls ohne unmittelbare Gefahr überschritten
werden kann. Im geschlossenen Zustand des Transistors liegt dagegen fast die gesamte zulässige
Sperrspannung an. Diese Sperrspannung darf eine bestimmte zulässige Grenze auf keinen Fall auch nur
geringfügig und kurzzeitig überschreiten, wenn die Gefahr eines Durchschlags und damit einer Zerstörung
des Transistors vermieden werden soll. Die Durchbruchsspannung ist definiert durch die Größe des von
ihr herrührenden Sperrstromes, bei dem die beim Schalten auf tretende Wärme noch kleiner als die durch
die Kühlung abgeführte Wärme ist. «5
Ä Da in dem zu steuernden Stromkreis außergewöhnliche
Betriebszustände auftreten können, die eine Erhöhung der am Schalttransistor anliegenden Sperrspannung
hervorrufen, ist es bei den bekannten Transistorschaltungen der genannten Art notwendig, die
normalerweise anliegende Spannung in Sperrichtung so niedrig zu halten, daß sie auch bei Erhöhung durch
auftretende Störungen im Starkstromkreis die zulässige Sperrspannung nicht überschreitet. Im Falle einer
Überschreitung dieses Grenzwertes bildet sich an einer engbegrenzten Stelle der Sperrschicht eine Lawine von
Ladungsträgern, so daß an dieser Stelle eine verhältnismäßig große Leistung umgesetzt wird und somit
eine starke örtliche Erwärmung auftritt. Dies hat eine weitere Verstärkung des Stromes und damit eine Zunähme
der Wärmeentwicklung zur Folge, so weit, bis schließlich ein Durchbruch erfolgt, so daß an der genannten
Stelle eine dauernde Veränderung der Sperrschicht eintritt. Der geschilderte Vorgang kann schon
bei kurzzeitiger und geringfügiger Überschreitung der Sperrspannung eingeleitet und gegebenenfalls
auch bei Normalbetrieb vollendet werden. Ein Schutz der Schalttransistoren durch die üblicherweise im
Starkstromkreis liegenden thermischen Sicherun-/ gen od. dgl. ist dabei nicht gegeben, da der (so
Durchbruchsstrom meist wesentlich kleiner als der Ansprechstrom der Sicherungen ist und die
Sicherung selbst viel zu träge arbeitet. Es ist demnach bei den bekannten Transistorschaltungen
Anordnung
zur Erhöhung des Wirkungsgrades
von Transistoren oder ähnlichen
steuerbaren Sperrschichthalbleiter-
anordnungen
Anmelder:
Siemens-Schuckertwerke
Aktiengesellschaft,
Berlin und Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Dipl.-Ing. Dr.-Ing. Georg Sidiling, Erlangen,
ist als Erfinder genannt worden
nicht möglich, die Transistoren mit der für sie zulässigen Leistung zu betreiben.
Gegenstand der Erfindung ist nun eine Anordnung zur Erhöhung des Wirkungsgrades von Transistoren
oder ähnlichen steuerbaren Sperrschichthalbleiteranordnungen mit p-n-Übergang, die zur Steuerung
von Laststromkreisen abwechselnd in Durchlaßrichtung und Sperrbetrieb ausgesteuert werden. Die Vergrößerung
des Wirkungsgrades wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß parallel zu der gegen Überlastung
zu schützenden Strecke am Halbleiterelement ein nichtlineares Widerstandselement liegt, das seinen
Widerstand erst bei Überschreiten einer zwischen der maximalen im Betrieb auftretenden Sperrspannung
UB max und der niedrigsten zulässigen Sperrspannung
Us min liegenden Schwellspannung trägheitslos verringert,
und daß durch den dadurch in dem Widerstandselement verursachten Stromanstieg eine übliche,
in Reihe mit der Last liegende Sicherung ausgelöst wird, deren Auslösestromstärke höher als die Betriebsstromstärke
der Sperrschichthalbleiteranordnungen und niedriger als die nach Ansprechen des Widerstandselements
fließende Stromstärke ist.
Dadurch ist es möglich, den Schalttransistor od. dgl. mit höherem Wirkungsgrad zu betreiben und gleichzeitig
einen Schutz für das ebenfalls empfindliche nichtlineare Widerstandselement zu gewährleisten.
Als nichtlineares Widerstandselement kann vorteilhaft
eine in Sperrichtung beanspruchte Diode verwendet sein. Es ist zwar bekannt, Trockengleichrichter
elektrischen Apparaten parallel zu schalten und in
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Sperrichtung zu beanspruchen, um dieApparate gegen unerwünschte Uiberlastungen zu schützen, indem bei
Überschreiten einer für den zu schützenden Apparat gefährlichen Spannung der Schwell wert des Trockengleichrichters
überschritten wird, so daß der Strom einen Parallelpfad zum Apparat findet und sich auf
beide in einer bestimmten Größe verteilen kann. Zur Begrenzung des Stromes im Paralklpfad ist dem
Gleichrichter noch ein Widerstand vorgeschaltet.
Es ist ferner bekannt, zur Absicherung von Starkstromkreisen gegen Überstromspitzen einen Parallelpfad
künstlich wirksam zu machen und die Anlage in Schaltabhängigkeit von einem Strom im Parallelpfad
zu bringen. Es handelt sich jedoch in beiden Fällen nur darum, einen angeschlossenen stromdurchflossenen
Verbraucher gegen strommäßige Überlastung zu schätzen, wobei der Verbraucher dauernd gespeist ist.
Ein Schutz einer Halbleiteranordnung gegen Überspannung im gesperrten, d. h. im stromlosen Zustand
ist hierbei weder beabsichtigt noch möglich, noch ist eine Verbesserung des Wirkungsgrades von Halbleiteranordnungen
dabei ; weder angestrebt oder möglich.
Die vorliegend beschriebene Anordnung ist auch bei Schaltungen mit mehreren parallel liegenden Schalttransistoren
verwendbar. Hierbei ist die niedrigste der zulässigen Sperrspannungen maßgebend. Das
nichtlineare Widerstandselement kann in einfachster Anordnung an die Außenelektroden des bzw. der Transistoren
od. dgl. angeschlossen sein. Bei Transistoren in emittergeerdeter Schaltung erfolgt der Anschluß in
diesem Fall an Emitter und Kollektor. Vorteilhaft kann das nichtlineare Widerstandselement jedoch auch
an den Kollektor und die Basis des Schützlings angeschlossen sein, so daß es nur dessen Steuerstrom zu
führen braucht.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sind nachfolgend in der Beschreibung, für die in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiele angeführt. Es zeigt
schematisch:
Fig. 1 und 2 zwei Möglichkeiten zur Absicherung von Transistoren mit parallel geschaltetem Sicherungselement,
Fig. 3 die für die Sicherungswirkung maßgeblichen Kennlinien im Sperrzustand,
Fig. 4 und 5 zwei Möglichkeiten zur Absicherung der Transistoren mittels zwischen Kollektor und Basis
angeordneter Sicherungselemente.
In Fig. 1 ist die Last 3, deren Strom von den Transitsoren
5 und 6 gesteuert werden soll, in Reihe mit einer üblichen Sicherung 4 an die Klemmen 1 und 2
der Stromversorgung angeschlossen. Über die Widerstände 7 und 8 erhalten die Transistoren die Steuerimpulse
von den Klemmen 9 und 10. Parallel zu den Transistoren liegt das nichtlineare Sicherungselement
11, z. B. eine in Sperrichtung beanspruchte Diode. Überschreitet die Spannung- an den Transistoren die
Schwellspannung des Sicherungselements, so übernimmt diese zunächst den Transistorenstrom, worauf
eine weitere Erhöhung der Stromstärke eintritt, welche zum Ansprechen der Sicherung 4 führt.
Ähnlich wie in Fig. 1 arbeitet die Anordnung nach Fig. 2, nur ist dort in Reihe mit dem Sicherungselement 11 ein Relais 12 angeordnet, dessen Ruhekontakt
12 k im Laststromkreis liegt. Nach Ansprechen des Sicherungselements 11 schaltet das Relais 12 den
Laststromkreis ab. Wird das Relais mit einer gewissen Verzögerung eingestellt, so ergibt sich nach
der entsprechenden Zeit eine Wiedereinschaltung des Laststromkreises. Herrschen dann wieder normale Be-'...
triebszustände, so sperrt das Eelement 11 den Strom für das Relais 12, so daß die Transistoren wieder in
üblicher Weise den Laststromkreis überwachen. Ist die Störung ernsterer Art, so wird das Relais 12 so
lange immer wieder ansprechen, bis die in den Stromkreis geschaltete Sicherung 4 auslöst.
In Fig. 3 ist dargestellt, wie die Kennlinie des Sicherungselements 11 beschaffen sein soll. Ferner ist
mit a, b, c und ti je eine Sperr kennlinie von vier parallel
geschalteten Transistoren dargestellt. Die niedrigste zulässige Sperrspannung· ist mit Ug min bezeichnet,
die höchste im Betrieb auftretende Sperrspannung mitUBmax. Um eine wirksame Abschaltung des Stromkreises
zu erzielen, muß, wie schon erwähnt, die Schwellspannung des S'icherungselements zwischen
diesen beiden Spannungen liegen. Es kann also z. B. eine Kennlinie nach e aufweisen. Noch günstiger wird
eine Kennlinie nach / sein, da bei dieser nach Überschreiten der Schwellspannung der Strom sehr stark
ao ansteigt und eine zuverlässige Auslösung der im
, Stromkreis angeordneten Sicherungen bewirkt. Eine Kennlinie nach /, ähnlich der einer Gasentladung,
weisen z. B. bekannte Transistortypen und auch normale Dioden auf.
In der Schaltung nach Fig. 4 ist das Sicherungselement zwischen Kollektor und Basis der Transistoren
geschaltet. Als Kriterium für die zulässige Spannung am Transistor dient also die Spannung
zwischen Kollektor und Basis, die von der Gesamtspannung des Transistors eindeutig abhängt. Sobald
die Spannung einen bestimmten Wert überschreitet, fließt Strom durch das Sicherungselement 11 an die
Steuerelektroden der Transistoren. Diese werden also aus dem Sperrzustand heraus plötzlich geöffnet, so
daß die Gefahr von Beschädigungen vermieden wird. Die im Stromkreis liegende Sicherung 4 kann so abgestimmt
sein, daß sie im intermittierenden Betrieb des Laststromkreises nicht anspricht, jedoch bei
dauernd fließendem Laststrom den Stromkreis abschaltet. Demgemäß wird bei Überschreiten der
Schwellspannung des Sicherungselements 11 und dem dadurch verursachten dauernden Stromfluß durch die
Last nach kurzer Zeit eine Abschaltung mittels der Sicherung 4 eintreten. Die Schaltung nach Fig. 4 hat
den Vorteil, daß das Sicherungselement 11 nicht den vollen Laststrom, sondern nur den Steuerstrom der
Transistoren führen muß und also entsprechend dem Strom verstärkungsfaktor der Transistoren niedriger
belastet ist.
Auch bei derartigen Schaltungen kann in dem begrenzten Strompfad des Sicherungselements 11 ein
Relais, ähnlich wie in Fig. 2, angeordnet werden. Dies ist in Fig. 5 beispielsweise dargestellt. Auch in diesem
Falle tritt eine Wiedereinschaltung nach kurzzeitigen Betriebsstörungen ein, während bei langer dauernden
Störungen die Sicherung 4 den Stromkreis abschaltet.