DE1074649B - Emrich tung zum Schalten und Steuern von Stromkreisen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schalt- bzw. Steuereinrichtung mit steuerbaren Halbleitern, insbesondere mit Transistoren od. dgl., und eignet sich besonders zur Bewältigung höherer Schaltleistungen. Bei den üblichen Transistorverstärkern hat man im allgemeinen eine mehrstufige Schaltungsanordnung gewählt, um in der ersten Stufe ein Eingangssignal vorzuverstärken, in einer oder mehreren darauffolgenden Stufen eine zunehmende Verstärkung zu erreichen, und schließlich in der Endstufe die notwendige Steuerleistung aufzubringen, die am Ausgang als Schaltleistung nutzbar gemacht wird. Es ergeben sich auf diese Weise vielfach Kaskadenschaltungen mit drei, vier oder mehr Transistoren. Die Kopplung der einzelnen Stufen kann in verschiedener Weise erfolgen. Meist arbeitet man mit Kollektor-Basis- oder Emitter-Basis-Kopplung, wobei dann eine Gesamtstromverstärkung erzielt werden kann, die fast an das Produkt der Stromverstärkungen der einzelnen Transistoren herankommt. Ein Teil der Leistung geht dabei bekanntlich an Kopplungs- oder Kompensationswiderständen verloren. Der große Aufwand an Transistoren macht naturgemäß eine solche Schaltung teuer und erschwert ihren Aufbau.

Diese Schwierigkeiten werden größer, je höher die geforderten Schaltleistungen sind. Wenn man beispielsweise Ströme über 5 A schalten will, so stehen hierzu im allgemeinen nur Transistoren zur Verfugung, deren Stromverstärkung außerordentlich gering ist. Man muß also durch eine entsprechend große Anzahl von Vorstufen die Vorverstärkung hochtreiben. Mit zunehmender Schaltleistung, vor allem auch beim Bewältigen, von Strömen von mehr als 10 A, werden solche Verstärker immer ungünstiger.

Besser eignet sich eine bekannte Schalteinrichtung, bei der zwei Transistoren nicht nur in Kaskade geschaltet sind, sondern in der Weise mit einer wechselseitigen galvanischen Kopplung ihrer Basiskontakte mit je einem ihrer Außenanschlüsse, insbesondere Kollektoranschlüsse, versehen sind, daß durch steuernde Eingangssignale unabhängig von deren Spannungshöhe, soweit sie nur einen geringen Schwellwert überschreitet, der Schalttransistor voll aussteuerbar ist. Es werden dabei zwei Transistoren mit unterschiedlicher Polarität verwendet, d. h. eine Paarung eines n-p-n- mit einem p-n-p- oder eine Paarung eines p-n-p- mit einem n-p-n-Transistor.

Durch wechselseitige galvanische Verkopplung der Basiskontakte und Außenelektrodenanschlüsse wird ermöglicht, daß der Kollektorstrom des steuernden Transistors ganz oder teilweise unmittelbar den Steuerstrom des Schalttransistors bildet. Dadurch wird erreicht, daß bereits mit einem außerordentlich schwachen Eingangssignal ein zunächst nur geringer

Einrichtung zum Schalten und Steuern
von Stromkreisen

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Viktor Hofmann, Erlangen,
ist als Erfinder genannt worden

Steuerstrom in der Schaltung selbsttätig anwächst und rasch seinen höchstmöglichen Wert erreicht. Jeder Transistor, bei dem überhaupt nur eine Verstärkung des Steuerstromes auftritt, wäre also in der Lage, eine volle Aussteuerung zu erfahren und auf diese Weise einen einwandfreien Schaltvorgang auszulösen.

Fig. 1 ist ein Prinzipschaltbild einer derartigen Schalteinrichtung in stark vereinfachter Form veranschaulicht. Es handelt sich hierbei um eine Schalt- und Steuereinrichtung für einen Wechselstromstarkstromkreis mit Hilfe einer Kaskadenschaltung zweier Transistoren Tr 1 und Tr 2, von denen der Transistor TrI als Steuertransistor und der Transistor Tr 2 als Schalttransistor herangezogen wird. Der Transistor Tr 1 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein p-n-p-Transistor, während Transistor Tr 2 die entgegengesetzte Polarität besitzt, also ein n-p-n-Transistor ist. Bei dieser Schaltung ist eine unmittelbare Verbindung des Kollektors des Transistors TrI mit dem Basiskontakt des Transistors Tr 2 vorhanden. In entsprechender Weise besteht auch eine unmittelbare Verbindung zwischen dem Kollektoranschluß des Transistors Tr 2 mit dem Basiskontakt 'des Transistors TrI. Der Lastwiderstand ist mit 1 bezeichnet, der von einer Wechselspannungsquelle 2 aus gespeist und durch die im Diagonalzweig einer Gleichrichterbrücke mit den Gleichrichtern 21, 22., 23 und 24 liegende Transistoranordnung an- und abschaltbar ist. Das steuernde Eingangssignal, welches durch den Pfeil 3 versinnbildlicht ist, wird in an sich bekannter Weise auf den Basiskontakt des Transistors Tr 1 gegeben. Die jeweils zwischen Emitter- und Basisanschluß der Transistoren liegenden Widerstände sind mit 25 und

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26 bezeichnet. Sie werden ißistungsmäßig nur außerordentlich schwach belastet.

Ein von außen her gegebenes Eingangssignal an die Basis des. Transistors Tr 1 bewirkt einen zunächst noch kleinen Kollektorstrom, der dann als Steuerstrom für "den TransistorTr 2 durch dessen Basis fließt. Dieser Steuerstrom erzeugt dann im Transistor Tr 2 einen erhöhten Kollektorstrom. Entsprechend der Kopplungsschaltung fließt'nun-dieser Strom als neuer Steuerstrom durch die. Basis: des Transistors TrI. Dementsprechend wird" ein-höherer Steuerstrom am Transistor Tr 2 wirksam, der wiederum einen höheren Ausgangsstrom zur Folge hat. Die Ströme steigen also lawinenartig, wobei dieser Vorgang erst dann zu Ende kommt, wenn beide Transistoren voll ausgesteuert sind und annähernd die ganze angelegte Spannung am Lastwiderstand 1 abfällt- ....,-■■

Dieser Durchlässigkeitszustand der Transistoren bleibt als. stabiler Zustand-erhalten und kann nur durch besondere Maßnahmen aufgehoben werden. Eine solche Maßnahme stellt beispielsweise das Absenken der Betriebsspannung-bzw. des Stromes auf einen genügend kleinen Wert, gegebenenfalls auf Null dar. Man könnte aber aucltdaran denken, die Ströme in den Basiskreisen zu kompensieren oder andere Maßnahmen zu treffen. _ '

Bei der dargestellten Schaltung-treten nun Schwierigkeiten dadurch auf, daß bei Transistoren auch im gesperrten Zustand in höherem oder geringerem Maße Leckströme fließen. Es besteht daher die Aufgabe, entsprechende Maßnahmen zu treffen, welche in der Bereitschaftsstellung der Schaltung einerseits eine ausreichende Empfindlichkeit für schwache Eingangssignale ermöglichen, andererseits aber auch eine Sicherheit gegen unbeabsichtigtes Einleiten des Schaltvorganges bedeuten. Hierzu muß darüber hinaus noch beachtet werden, daß die Leckströme temperaturabhängig sind, also bei zunehmender Temperatur die Leckströme größer werden und die Gefahr eines unbeabsichtigten Schaltens in höherem Maße besteht.

Die Aufgabe wird bei einer nach obigem aufgebauten Einrichtung, bei der die Basis eines Transistors jeweils mit einer Außenelektrode, insbesondere dem Kollektor, des anderen Transistors verbunden ist, gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zur Leckstromkompensation jedem Transistor ein niederohmiger Parallelpfad zwischen Basis und der anderen Außenelektrode zugeordnet ist.

■ Fig. 2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Sowohl beim Transistor TrI als auch beim Transistor Tr2 ist jeweils die Basis über niederohmige Widerstände 4 und 5 mit dem zugehörigen Emitteranschluß verbunden.

Darüber hinaus sind noch Widerstände 6 und 7 von gegebenenfalls höherem Widerstandswert vorgesehen, über die im gesperrten Zustand ein geringer Kollektorstrom fließt. Dieser Restström verursacht an diesen Widerständen einen gewissen Spannungabfall. Die Dioden Di und D2 bewirken, daß das Potential jeweils zwischen dem Kollektor des einen und Basis des anderen Transistors etwas verschieden sein kann, ohne daß bei Sperrung der Schaltung über die Dioden Strom fließt.

Wird über einen im Eingangskreis liegenden Widerstand 8 oder einen Transformator 10 ein steuerndes Eingangssignal geführt oder beispielsweise über den Kondensator 9 ein Lade- oder Entladestrom in die Basis des Transistors TrI gegeben, so verursacht zunächst der verstärkte Köllektorstrom am Widerstand? einen vergrößerten Spannungsabfall. Beim Anwachsen dieser Spannung wird dabei der Schwellwert der Diode Dl überschritten, so daß dann auch zur Basis von 7V2 Strom fließt. Dieser Steuerstrom erzeugt nun seinerseits wieder einen Stromfluß im Kollektorkreis des Transistors Tr 2, der nach Überschreiten eines bestimmten Spannungsabfalles am Widerstand 6 über die Diode D2 in die Basis von TrI fließt. Damit wird wieder in der oben geschilderten Weise der Schaltvorgang eingeleitet und bis zur vollen Aussteuerung des

ίο Transistors Tr 2 durchgeführt. Am Lastwiderstand 1 bzw. 27 fällt dann nahezu die gesamte angelegte Betriebsspannung ab. An den Transistoren und Dioden liegen nur die sehr geringen Schwellspannungen.

Das Einleiten des Schaltvorganges kann naturgemäß auch in anderer Weise erfolgen, beispielsweise durch Abgabe eines Steuerimpulses anderer Stromrichtung auf den Basisanschluß des Transistors Tr2. Wie sich leicht ersehen läßt, ist die Arbeitsweise der Schaltung unabhängig von der Stromverstärkung der Transistoren, soweit diese nur den Faktor 1 nennenswert überschreitet. Auch bei sehr kleiner Stromverstärkung der Transistoren ist ein einwandfreies Arbeiten möglich. Weiterhin ist zu ersehen, daß beide Schaltzustände, also Sperren und Durchlassen, stabil sind und sich ein stabiler Zwischenzustand nicht einstellen kann. Damit ist auch die Gefahr einer Überlastung der Transistoren durch etwa nicht vollständige Aussteuerung oder etwaiges langsames Durchlaufen der Verlustleistungshyperbel von vornherein ausgeschlossen.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Transformator 11 mit einem Halbwellengleichrichter 12 vorgesehen. Dies bedeutet für die Wirkungsweise der Schaltung ebenfalls eine immer neu wiederkehrende Betriebsbereitschaft der Transistoren im Rhythmus der Wechselspannung, wobei zu jedem beliebigen Zeit-

■ punkt gezündet werden kann, durch periodisches Absenken der Betriebsspannung aber jeweils eine Löschung stattfindet und die beiden Transistoren immer wieder in den gesperrten Zustand gelangen.

Das Steuersignal kann in seiner zeitlichen Dauer verschieden gewählt sein. In vielen Fällen ist es erwünscht, mit einem kurzzeitig wirksamen Signal auszukommen, also Impulse zu verwenden, deren Länge in gewissen Grenzen streuen darf und beispielsweise bis zu kurzen Zeiten von etwa 20 μβ herabreichen kann. Die Schaltung erlaubt bereits die Einleitung eines Schaltvorganges durch Steuerimpulse, die etwa in dieser Größenordnung Hegen. Nach Auslösung des Schaltvorganges sperrt die Schaltung wieder beim Nulldurchgang der angelegten Betriebsspannung. Eine gewisse Ähnlichkeit dieses Verhaltens besteht mit den Eigenschaften eines Stromtores, welches ebenfalls nach erfolgter Zündung stromführend bleibt. Gegenüber einer Stromtorschaltung besteht hier aber der Vorteil, daß die Zündspannung nur außerordentlich geringe Werte aufzuweisen braucht und z. B. in der Größenordnung von 1 V und darunter liegt.

Die Zündung kann bei jedem Phasenwinkel der Spannungshalbwelle erfolgen und verläuft außerordentlich steil. Diese Eigenschaft ermöglicht zahlreiche Anwendungen, beispielsweise in der Schweißtechnik und bei Motorsteuerungen.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Hier ist ein Lastwiderstand 28 unmittelbar in den Kollektorkreis des Transistors Tr 2 gelegt. Der Lastwiderstand nimmt hier den Platz ein, welcher bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausfüh-Tungsbeispiel dem hochohmigen Widerstand 6 vorbehalten war. Der Transistor Tr 1 braucht in dieser Schaltung nicht den ganzen Schaltstrom zu führen,

sondern nur den Basisstrom des Transistors Tr 2 und kann daher für wesentlich kleinere Leistung bemessen

Da die beiden Transistoren emitterseitig im entgegengesetzten Pol der Spannungsquelle liegen, ist es notwendig, die Widerstände 13 und 14 in die Steuerstromkreise zu legen. Die gestrichelte Darstellung der Dioden Dl und D2 bedeutet, daß diese gegebenenfalls weggelassen werden können. Außerdem können die Widerstände in anderer Weise angeordnet und dimensioniert werden, so daß weitere Variationen der Schaltung möglich sind. Wie die Figur zeigt, sind zwei Gleichrichter 15 und 16 vorgesehen, so daß jede Halbwelle ausgenutzt werden kann.

In Fig. 4 ist in deren oberen Darstellung der Verlauf der angelegten Betriebspannung veranschaulicht. Die Zündung der Schaltung kann nun an jeder beliebigen Stelle der Halb wellen durch einen kurzen Steuerimpuls erfolgen, wie er in der mittleren Darstellung von Fig. 4 versinnbildlicht ist. Der Laststrom wird dann steil ansteigen und für die restliche Dauer der Halbwelle fließen. Den Verlauf des Laststromes zeigt die untere Darstellung von Fig. 4. Kurz vor Erreichen des Nulldurchganges der Betriebsspannung bzw. des Stromes sperrt die Schaltung, so daß für die nächste Halbwelle wiederum Betriebsbereitschaft besteht. Soll über längere Zeit während der ganzen Halbwellen Strom fließen, so kann das Eingangssignal auch als Dauersignal einer Basis der beiden Transistoren zugeführt werden.

Ein wesentlicher Vorteil, welchen die Erfindung bietet, liegt auch darin, daß durch unbeabsichtigtes Anwachsen der Betriebsspannung über einen höchstzulässigen Wert hinaus keine Zerstörung der Transistoren zu befürchten ist. Würde beispielsweise die Sperrspannung der Transistoren überschritten, so muß an den Kompensationswiderständen ein entsprechend erhöhter Spannungsabfall auftreten, so daß die Anordnung selbsttätig vom gesperrten in den stromführenden Zustand übergeht. Sie verhält sich also hier wie ein sogenannter »Dynistor«, der durch Überspannungsspitzen gezündet wird. Man kann also durch kurzzeitige oder langsame Erhöhung der angelegten Betriebsspannung bis zum kritischen Zündwert ebenfalls den Schaltvorgang einleiten, ohne daß dabei ein Durchschlagen oder eine Zerstörung der Transistoren durch Überlastung im Sperrzustand eintreten würde.

Claims (6)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Einrichtung zum Schalten und/oder Steuern von Stromkreisen mit Hilfe zweier zusammenarbeitender Transistoren mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp, wobei jeweils die Basis eines Transistors mit einer bestimmten Außenelektrode, insbesondere dem Kollektor, des anderen Transistors verbunden ist und beide Transistoren durch auf die Basis eines Transistors gegebene, einen geringen Schwellwert überschreitende Steuersignale geringer Leistung voll aussteuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Leckstromkompensation jedem Transistor ein niederohmiger Parallelpfad (4, 5) zwischen Basis und der zweiten Außenelektrode zugeordnet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils der Widerstands wert des Parallelpfades des einen Transistors (4 bzw. 5) kleiner als der des parallelen Kollektorwiderstandes des anderen Transistors (7 bzw. 6) ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils in der Verbindung zwischen dem Kollektor des einen und dem Parallelpfadanschluß an die Basis des anderen Transistors ein zusätzlicher Widerstand (13,14) angeordnet ist.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils in der Verbindung zwischen dem Kollektor des einen und dem Parallelpfadanschluß an die Basis des anderen Transistors eine Diode (D 1, D 2) angeordnet ist und die Durchlaßrichtungen der Dioden jeweils in die Richtung gleichartiger Schichten beider Transistoren zeigen.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ihre Verwendung für die Steuerung von Wechselstromhalb wellen bestimmter Polarität unter Ausnutzung des Nullwertes des Laststromes oder -spannung zur periodischen Rückführung der Halbleiter in die Ausgangslagen.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Phasenwinkelsteuerung vorgesehen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 919 125;
USA.-Patentschrift Nr. 2 443 195.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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