DE1077706B - Einrichtung zum Schalten und Steuern von Starkstromkreisen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Es sind Schalt- bzw. Steuereinrichtungen mit steuerbaren Halbleitern, insbesondere mit Transistoren od. dgl. bekannt, die sich besonders zur Bewältigung höherer Schaltleistungen eignen. Unter Verwendung von zwei Transistoren, von denen der eine als Schalttransistor und der andere als Steuertransistor herangezogen ist, sind die beiden Transistoren nicht nur in Kaskade geschaltet, sondern in der Weise mit einer wechselseitigen galvanischen Kopplung ihrer Basiskontakte mit je einem ihrer Außenanschlüsse, insbesondere Kollektoranschlüsse, versehen, daß durch steuernde Eingangssignale unabhängig von deren Spannungshöhe, soweit sie nur einen geringen Schwellwert überschreitet, der Schalttransistor voll aussteuerbar ist. Bedeutsam ist hierfür, daß als Transistoren zwei Transistoren mit unterschiedlicher Polarität verwendet sind, d. h. eine Paarung eines NPN- mit einem PNP- oder eine Paarung eines PNP- mit einem YPN-Transistor.

Durch galvanische Verkopplung der Basiskontakte und Kollektoranschlüsse in wechselseitiger Weise wird ermöglicht, daß der Kollektorstrom des steuernden Transistors unmittelbar den Steuerstrom des Schalttransistors ganz oder teilweise bildet. Auf diese Weise wächst bereits mit einem außerordentlich schwachen Eingangssignal ein zunächst nur geringer Steuerstrom in der Schaltung selbsttätig an und erreicht rasch seinen höchstmöglichen Wert.

jeder Transistor, bei dem überhaupt nur eine Verstärkung des Steuerstromes auftritt, ist also in der Lage, eine volle Aussteuerung zu erfahren und auf diese Weise den gewünschten Schaltvorgang auszulösen.

Bei den bekannten Anordnungen dieser Art wird nur eine Stromrichtung geschaltet, so daß bei Anwendung in Wechselstromkreisen entweder nur die positive oder nur die negative Halbwelle geschaltet oder gesteuert werden kann. Dies war bisher auch bei Schalttransistoreinrichtungen in Kaskadenschaltung der Fall, so daß man zur Verwendung in Wechsel-Stromkreisen gezwungen war, entweder für jede der beiden Halbwellen selbständige Schalt- und Steuereinrichtungen aufzubauen, also den doppelten Aufwand an Schaltmitteln bereitzustellen oder eine Gleichrichteranordnung dem Schalt- oder Steuerkreis vorzuschalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen und die Steuerung sowohl der positiven als auch der negativen Halbwelle von Wechselströmen unmittelbar zu ermöglichen.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Schalten und/oder Steuern von Stromkreisen mit Hilfe zweier zusammenarbeitender Transistoren mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp, wobei jeweils die Einrichtung zum Schalten und Steuern
von Starkstromkreisen

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Viktor Hofmann, Erlangen,
ist als Erfinder genannt worden

Basis eines Transistors mit einer bestimmten Außenelektrode, insbesondere dem Kollektor, des anderen Transistors verbunden ist und die beiden Transistoren durch auf die Basis eines Transistors gegebene, einen geringen Schwellwert überschreitende Steuersignale geringer Leistung voll aussteuerbar sind und zur Leckstromkompensation jedem Transistor ein niederohmiger Parallelpfad zwischen Basis und der zweiten Außenelektrode zugeordnet ist.

Die Einrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zum Betrieb in beiden Halbwellen des Wechselstromes im Lastkreis zwei von Steuersignalen abhängige Transistoren vom gleichen Leitfähigkeitstyp in Gegenreihenschaltung an den äußeren Lastkreis angeschlossen und ihre miteinander verbundenen gleichartigen Außenelektroden gemeinsam an die Basis eines symmetrischen Transistors angeschlossen sind, dessen Außenelektroden über in Sperrichtung angeschlossene Dioden vorzugsweise geringer Sperrspannung an den äußeren Lastkreis angeschlossen und dessen Parallelpfad zwischen Basis und beiden Außenelektroden jeweils eine für die volle Betriebsspannung ausgelegte, in Durchlaßrichtung zur Basis angeordnete Diode enthalten. Mit einer solchen Transistoranordnung lassen sich ohne Vorstufen größere Wechselströme von mehreren Ampere schalten. Der zum Schalten erforderliche Zündimpuls kann sehr klein und sehr kurzzeitig sein, also beispielsweise 1 V bzw. 5 niA betragen und eine Länge von nur 20 Mikrosekunden aufweisen.

Die Durchlässigkeitssteuerung der Transistoren, d. h. die Zündung derselben, kann zu jedem gewünschten Zeitpunkt einer Halbwelle erfolgen. Auf diese Weise ist ebenfalls eine Phasenwinkelsteuerung mög-

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lieh. Die Sperrung der Schaltung erfolgt stets beim Stromnulldurchgang. Ebenso wie beim Hauptpatent kommt es nicht auf eine hohe Stromverstärkung der Transistoren an, so daß auch mit Transistoren geringer Stromverstärkung sich große Schaltleistungen erzielen lassen.

An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel in seinen für die Erfindung wesentlichen Teilen in vereinfachter schemati scher Darstellung, während in

Fig. 2 der zeitliche Verlauf der Betriebsspannung, der Zündimpulse und des gesteuerten Stromes bei ohmscher Last versinnbildlicht ist.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung weist zwei Steuertransistoren Tr31 und 7>32 des XPX-Typs auf. Der Schalttransistor 7>33 ist ein PXP-Transistor und von symmetrischer Bauart oder in anderer Weise so ausgebildet, daß Emitter- und Kollektorelektroden gegeneinander vertauschbar sind. Es wäre naturgemäß auch möglich, die beiden Transistoren 7>31 und 7>32 als solche vom PNP-Typ zu wählen, wobei dann aber der Schalttransistor Tr 33 ein XPX-Transistor sein müßte.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes sei zunächst angenommen, daß die Klemme 50 negatives und die Klemme 51 positives Potential führen möge. Dies ist beispielsweise in einer Halbwelle einer Wechselspannung der Fall. Der Transistor Tr3l bleibt, da durch seine Basis kein Steuerstrom fließt, zunächst gesperrt. Der Transistor 7>33 sperrt ebenfalls, denn auch durch seine Basis ihVLU noch kein Steuerstrom. Die Dioden 38, 39, 42 und 43 haben keinen Einfluß auf diesen gesperrten Zustand der Schaltung, denn die volle Sperrwirkung wird von den Transistoren 7Y31 und TV33 übernommen. Wie weiter unten noch näher erläutert wird, genügt bei diesen Gleichrichtern eine Sperrwirkung von wenigen Volt., obwohl die Betriebsspannung einige hundert \~olt betragen kann.

Demgegenüber muß die Diode 40 die volle Betriebsspannung sperren und verhindern, daß über den Widerstand 36 Strom fließt. Der Widerstand 37 stellt über die jetzt stromdurchlässige Diode 41, eine niederohmige Verbindung zwischen der Basis des Transistors Tr 33 und dem positiven Pol 51 der Spannungsquelle 45 her, der aber gleichzeitig auch über die Diode 39 an der P-Elektrode des Transistors Tr33 anliegt, welche in diesem Fall den Emitter darstellt. Über die Diode 41 werden maximal nur geringe Ströme von wenigen Milliampere fließen. Durch diese niederohmige Verbindung wird eine gute Sperrung des Transistors Tr33 erreicht. Auch zwischen dem Basis- und Emitteranschluß des Transistors 7>31 liegt zur besseren Sperrung der niederohmige Widerstand 34. Denselben Zweck erfüllt beim Transistor Tr32 der Widerstand 35.

Wird nun beispielsweise über den Kondensator 46 oder den Steuertransformator 48 oder auf anderem Wege ein Steuersignal, welches auch ein kurzer Stromstoß sein kann, auf die Basis des Transistors 7V31 gegeben, so verursacht dieses Steuersignal einen um den Faktor der Stromverstärkung größeren Kollektorstrom, der als Steuerstrom durch die Basis des Transistors 7>33 fließt. Der wiederum verstärkte Kollektorstrom vom Transistor Tr33 muß als Steuerstrom durch die Basis von Transistor Tr31 fließen, denn die Diode 38 sperrt.

Sobald also durch einen geeigneten Zündimpuls der Tran.-istor Tr31 auch nur gering ausgesteuert wird, setzt sofort lawinenartig eine Rückkopplungswirkung ein. Die Schaltung wird dann rasch ganz stromdurchlässig. Der Lastwiderstand 44 begrenzt diesen Strom, der bis zur vollen Aussteuerung der Transistoren anzuwachsen vermag. Im Transistorkreis tritt nur ein Spannungsabfall in der Größe der Schwellwerte der Transistoren bzw. Dioden auf. Die Leistungsverluste in der Schaltanordnung sind sowohl im gesperrten als auch im durchlässigen Zustand außerordentlich klein.

Wie aus der Schaltung weiterhin ersichtlich ist. fließt der Laststrom über die Diode 39 sowie über die Transistoren 7Y33 und Tr 31. Die Diode 38 hat lediglich die Aufgabe, einen unmittelbaren Stromfluß vom Transistor Tr33 zum Lastwiderstand hin zu verhindern, braucht also praktisch nur eine geringe Spannung von beispielsweise etwa 1 Volt zu sperren. Die Diode 43 soll einen Stromfluß über den Transistor Tr32 verhindern. Auch deren Sperrwirkung kann daher sehr klein sein.

Bisher war angenommen worden, daß die Speisespannung mit ihrem negativen Pol an der Klemme 50 und ihrem positiven Pol an der Klemme 51 liege. Handelt es sich bei der Speisestromquelle 45 um eine Wechselspannung, so wird sich nach einer gewissen Zeit die Spannung bzw. der Strom umkehren. Beim Xulldurchgang des Stromes sperrt die Schaltungsanordnung selbständig wieder. Da sie vollkommen symmetrisch aufgebaut ist, kann jetzt bei der nächsten Halbwelle entgegengesetzter Polung auf die gleiche Weise wie vorstehend beschrieben wurde, eine Aussteuerung durch ein Eingangssignal auf die Basis des Transistors 7>32 erfolgen. Der Transistor Tr32 ist entweder über einen Transformator 49 oder einen Kondensator 47 oder durch andere geeignete Wege steuerbar.

Wesentlich bei dieser Schaltungsanordnung ist, daß der Schalttransistor TV 33 in beiden Richtungen zu betreiben ist, d. h. daß Emitter und Kollektor gegeneinander vertauschbar sind. Dieses ist bei einem symmetrischen Flächentransistor durchaus möglich.

Der Zündimpuls kann entweder über Kondensatoren oder über einen bzw. zwei Impulsübertrager zu jedem beliebigen Zeitpunkt der Halbwellen dem Basiskontakt der Transistoren Tr31 und Tr 32 zugeführt werden. Es ist also auf einfache Weise eine Phasenwinkelsteuerung möglich, wie sie in Fig. 2 versinnbildlicht ist. Ebenso gut läßt sich die Schaltung durch Dauersignale steuern.

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   I. 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 die beiden Transistoren durch auf die Basis eines Transistors gegebene, einen geringen Schwellwert überschreitende Steuersignale geringer Leistung voll aussteuerbar sind und zur Leckstromkompensation jedem Transistor ein niederohmiger Parallelpfad zwischen Basis und der zweiten Außenelektrode zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Betrieb in beiden Halbwellen des Wechselstromes im Lastkreis zwei von Steuersignalen abhängige Transistoren vom gleichen Leitfähigkeitstyp in Gegen-

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   reihenschaltung an den äußeren Lastkreis angeschlossen und ihre miteinander verbundenen gleichartigen Außenelektroden gemeinsam an die Basis eines symmetrischen Transistors angeschlossen sind, dessen Außenelektroden über in Sperrichtung angeschlossene Dioden vorzugsweise geringer Sperrspannung an den äußeren Lastkreis angeschlossen und dessen Parallelpfad zwischen Basis und beiden Außenelektroden jeweils eine für die volle Betriebsspannung ausgelegte, in Durchlaßrichtung zur Basis angeordnete Diode enthalten.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den beiden zur Steuerung dienenden, nur abwechselnd aussteuerbaren Transistoren zugeordneten Steuersignale zeitlich unabhängig voneinander dem betreffenden Transistor zuführbar sind zur Erzielung einer gleichen oder verschiedenen Phasenwinkelsteuerung in beiden Halbwellen des Betriebsstromes bzw. -spannung.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschrift Nr. 919 125;
   deutsche Auslegeschrift Nr. 1 006 894.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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