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Schaltungsanordnung zum Umschalten der Stromrichtung in einem Verbraucher
In der Fernmeldetechnik ist häufig die Aufgabe gegeben, in einem Verbraucher einen
Stromfluß der einen oder anderen Richtung abhängig von geringen Steuerleistungen
zu erzeugen. Auf elektromechanischem Wege läßt sich diese Aufgabe beispielsweise
mit Hilfe eines gesteuerten Umschaltkontaktes lösen. Häufig ist es jedoch wünschenswert,
diese me.chanischen Kontakte durch elektronisch arbeitende Schaltungsanordnungen
zu ersetzen. Elektronische Umschalter arbeiten wesentlich schneller als elektromagnetische
und haben keinerlei Kontaktflächenabnutzung.
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Es sind bereits elektronische Umschalter in Form von bista@hilen Brückenschaltungen
bekanntgeworden, die in den Brückenzweigen. Röhren oder Transistoren eines bestimmten
Leitfähigkeitstyps enthalten. Der Verbraucher liegt bei diesen Schaltungen in der
einen Brückendiagonale und die Spannungsquelle in der anderen. Die in den Brückenzweigen
liegenden Röhren bzw. Transistoren werden so gesteuert, daß jeweils in gegenüberliegenden
Brückenzweigen liegende Röhren bzw. Transistoren durchlässig bzw. gesperrt sind.
Der Verbraucher wird dann von einem Strom der einen oder anderen Richtung durchflossen.
Zur Steuerung der Röhren bzw. Transistoren werden Widerstände benötigt, die teilweise
auch im Hauptstromkreis liegen und einen Großteil der Leistung verbrauchen.
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In vielen Fällen läßt sich bei Verwendung von komplementären Transistoren
ein wesentlich einfacherer Aufbau erzielen, als dies bei Verwendung von Transistoren
nur eines bestimmten Leitfähigkeitstyps der Fall ist. Vor allem lassen sich in,
vielen Fällen Steuerwiderstände einsparen, so daß im Hauptstromkreis n iederohmige
Steuerwiderstände liegen und somit ein besserer Wirkungsgrad der Schaltungsanordnung
erreicht wird.
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Bei einer bekannten Schaltung in. Form einer Brükkenschaltung liegt
in der einen Brückendiagonale der Verbraucher und in der anderen Brückendiagonale
die Gleichspannungsquelle. Bei dieser Schaltung wird jeder Transistor durch eine
entsprechende Steuerspannung direktgesteuert.
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Bei der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung wird ebenfalls eine
Brückenschaltung verwendet, bei der in der -einen Brückendiagonale der Verbraucher
und in der anderen Brückendiagonale die Gleichspannungsquelle liegt. Erfindungsgemäß
liegt der Steuereingang an den Basen von in benachbarten Brückenzweigen liegenden
Transistoren unterschiedlichen Leitfähi;gkeitstyps, und die in den beiden anderen
Brückenzweigen liegenden Transistoren werden von den direkt gesteuerten Transistoren
mitgesteuert.
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Die Steuerströme bzw. Steuerspannungen für die zwei nicht direkt gesteuerten
Transistoren werden vorteilhaft von je einer Hilfsspannungsquelle abgeleitet, die
entsprechend dem Leitfäh.gkeitstyp des betreffenden nicht direkt gesteuerten Transistors
gepolt ist und deren jeweils einer Pol über einen Widerstand mit der Basis eines
nichtdirekt gesteuerten Transistors verbunden ist und deren andere Pole mit dem
den beiden nicht direkt gesteuerten Transistoren. gegenüberliegenden D.iagonalenpunkt
verbunden sind. Die beiden benötigten Hilfsspannungen können auch mit Hilfe eines
Spannungsteilers aus einer Hi,lfsspannungsquelle abgeleitet werden. Zur Begrenzung
der Steuerspannung der nichtdirekt gesteuerten Transistoren ist jeweils parallel
zu deren Basis-Emitter-Strecke eine entsprechend dem Leitfähigkeitstyp des Transistors
gepolte Diode vorgesehen, die die Steuerspannung dieser Transistoren auf einen,
bestimmten Wert begrenzt.
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Für viele Zwecke .ist ein hoher Eingangswiderstand des Schalters erforderlich.
Zur Erzeugung eines solchen hohen Eingangswiderstandes kann im Steuerkreis ein weiterer
Transistor vorgesehen sein.
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Zum Schutz der in den Brückenzweigen liegenden Transistoren vor Überlastung,
die z. B. durch Kurzschluß des Verbrauchers eintreten, könnte, sind in Serie zu
zwei in benachbarten Zweigen liegenden Transistoren Schutzwiderstände vorgesehen.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel liegen in den Brückenzweigen
Transistoren unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps derart, daß der eine Pol :der
Gleichspannungsquelle gegebenenfalls über einen gemeinsamen niederohmigen Vorwiderstand
mit -den Emittern von zwei ,in benachbarten Brückenzweigen eingeschalteten Transistoren
eines Leitfähi:gkeitstyps und der andere Pol der Gleichspannungsquelle gegebenenfalls
über
einen weiteren gemeinsamen niederohmigen X'orwiderstand mit den Emittern von zwei
in benachbarten Brückenzweigen eingeschalteten Transistoren des komplementären Leitfähigkeitstyps
verbunden ist. Die nicht direkt gesteuerten Transistoren werden über Spannungsteilersohaltungen
von den direkt gesteuerten Transistoren mitgesteuert. Zu diesem Zweck haben je zwei
Transistoren: desselben Leitfähigkeitstvps einen gemeinsamen, gegenüber dem Verbraucher
n.iederohmägen Emitterwiderstand, und parallel zu Jedem aus dem Emitterwiderstand
und einem Transistor eines bestimmten Leitfähigkeitstyps gebildeten Brückenzweig
liegt ein gegenüber dem Verbraucher hochohmiger Spannungsteiler, dessen Abgriff
jeweils auf die Basis .des im benachbarten Brückenzweig liegenden Transistor desgleichen
Leitfähigkeitstyps .geschaltet ist. Soll die Schaltungsanordnung bei wechselnder
Belastung arbeiten; dann ist es günstig, an Stelle der Emitterwiderstände in Durchlaßrichtung
gepolte Dioden vorzusehen, .die einen weitgehend belastungsunabhängigen Spannungsabfall
gerantieren. Um die Schaltungsanordnung für alle Betriebszustände einschließlich
des Leerlaufs geeignet zu machen, ist es günstig, eine Brückendiagonale durch einen
Widerstand zu überbrücken und so für einen gewissen Mindeststrom zu sorgen. Zur
Verbesserung der dynamischen Schalteigenschaften für die nicht direkt gesteuerten
Transistoren ist es günstig, jeweils parallel zu dem mit dem Diagonalenpunkt der
den Verbraucher enthaltenden Brückendiagonale verbundenen, die Steuerspannung für
.die Basen. der nicht direkt gesteuerten Transistoren liefernden Widerstand des
Spannungsteilers einen Kondensator zu schalten.
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Einzelheiten der Erfindung werden, an Hand der Zz:?chnung erläutert.
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Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Umschaltung der Stromrichtung
in einem Verbraucher. Der Verbraucher l wird je nach Stellung der Schalter 70 und
71 mit verschiedenen Anschlüssen an die Batterie 40 angeschlossen; und von einem
Strom wechselnder Polarität durchflossen.
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In Fig. 2 ist :eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung dargestellt,
bei der die Schalter 70 und 71 nach Fig. 1,durch Transistoren ersetzt sind. Die
Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 äst folgende: Die Steuerspannung
zur Steuerung des Schalters wird an den Klemmen a und b zugeführt.
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Es sei zunächst der Fall angenommen, daß eine Steuerspannung an den
Klemmen a und b derart anliegt, daß die Klemme a positiv gegenüber der Klemme
b ist. Es bildet sich dann ein Stromfluß, ausgehend vom Punkt a über die Emitter-Basii.s-Strecke
des Transistors 30 und -den Widerstand 4 zum Punkt b aus. Der Transistor 30 wird
dadurch durchlässig gesteuert. Gleichzeitig ist der Komplementärtransistar 31 gesperrt,
da seine Basis negativer als der Emitter ist. Infolge des durchlässig gesteuerten
Transistors 30 nimmt der Punkt c näherungsweise das Potential des Punktes a an.
An die Basis des Komplementärtransistors 33 ist über den Widerstand 2 der negative
Pol einer Hilfsspannungsquelle 41 geschaltet, deren positiver Pol mit dem Punkt
a verbunden äst. Die Basis des Komplementärtransästors 33 ist demnach negativ gegenüber
dem Emitter und dem Komplementärtransistor 33 deshalb sicher gesperrt. Der Punkt
d und damit der Emitter des Transistors 32 sind an dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle
40 angeschlossen. An .die Basis des Transistors 32 ist über den Widerstand 3 der
positive Pol einer Hilfsspannungsquelle 42 angeschlossen, deren negativer Pol mit
dem Punkt a verbunden ist. Da das Potential der Gleirhspannungsquelle 40 wesentlich
höher als das Potential der Hilfsspannungsquelle 42 ist, ist der Emitter des Transistors
32 positiv gegenüber der Basis und der Transistor 32 deshalb geöffnet. Es bildet
sich in diesem Fall also ein Stromfluß, ausgehend vom positiven Pol der Gleichspannungsquelle40
über die Emitter-Kollektor-Strecke des durchlässig igesteuerten Transistors 32,
den Verbraucherwiderstand 1, die Emitter-Kollektor-Strecke des durchlässig gesteuerten
Transistors 3,0 zu dem negativen Pol der Batterie 40 aus. Liegt an den Eingangsklemmen
a und b eine Steuerspannung derart an, daß die Klemme b positiv gegenüber
der Klemme a wird, so wenden in vollkommen analoger Weise die Transistoren 31 und
33 durchlässig gesteuert und die Transistoren 30 und 32 gesperrt. Der Verbraucher
1 ,wird dann von einem Strom umgekehrter Richtung durchflossen.
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In. Fig.3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß .der Erfindung
dargestellt. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 werden die beiden
Hilfsspannungen zur Steuerung der nicht direkt gesteuerten Transistoren wicht aus
zwei getrennten Spannungsquellen abgeleitet, sondern diese beiden Hilfsspannungen
werden aus einer gemeinsamen Spannungsquelle 43 mittels einer aus den Wiederständen
6 und 7 gebildeten. Spannungsteilerschaltung abgeleitet. Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung
nach Fig. 3 ist im übrigen im wesentlichen dieselbe wie die des Ausführungs@bespiels
nach Fig. 2. Parallel zu den Basis-Emitter-Strecken der Transistoren32 und 33 ist
je eine Diode 51 und 50 vorgesehen, die die Steuersganrnung zur Sperrung
dieser Transistoren auf einen gewissen Wert begrenzt. Zur Verbesserung .der Schalteigenschaften
sind die beiden Widerstände 2 und 3 durch je einen Kondensator 60 und 61 überbrückt.
Zum Schutz der Transistoren 30 bis 33 gegen Überlastung sind die Widerstände 8 und
9 vorgesehen, .die bei einem Kurzschluß des Verbrauchers 1 ,den durch die Transistoren
fließenden Strom auf einen gewissen Wert beschränken. Zur Erzeugung eines hohen
Eingangswiderstandes ist außerdem ein weiterer Transistor 34 vorgesehen. Damit wird
erreicht, daß man diiie an den Klemmen a, b anliegende Steuerspannung ohne
weiteres vom Kollektor einer üblichen Kippstufe beziehen kann, die einen hohen Eingangswiderstand
voraussetzt. In Abhängigkeit von der an den Klemmen a und b anliegenden Steuerspannung
wird der Transiistor 34 entweder gesperrt oder durchlässig gesteuert und die verstärkte
Steuerspannung über die aus den Widerständen 4 und 5 aufgebaute Spannungsteilerschaltung
zur Steuerung der Transistoren 30 und 31 und, ,in Abhängigkeit davon zur Steuerung
der Transistoren 32 und 33 in der nach Eig. 2 bekannten Weise benutzt.
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In Eig. 4 ist eine weitere Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung
dargestellt. Gegenüber den Schaltungsanordnungen nach Fig. 2 und 3 bietet -slic
Schaltungsanordnung nach Fig. 4 den wesentlichen Vorteil, daß zur Steuerung der
nicht direkt gesteuerten Transistoren keine Hilfsspannung mehr benötigt wird und
daß .die Schaltungsanordnung durch Steuerimpulse eindeutig von einem Betriebszustand
in den anderen übergeführt werden kann und diesen Betri,ebszustand beibehält. Die
Wirkungsweise der Schaltungsanordnung eist folgernde: Die an den Eingangsklemmen
a und b ankommenden Steuerimpulse gelangen über die Kondensatoren 62 und
63 an die Basen .der Transistoren35 und 38. Als Ausgangszustand sei beispielsweise
der Zustand
der Schaltungsanordnung angenommen, in dem die Transistoren
35 und 37 leitend und die Transistoren 36 und 38 gesperrt sind. In diesem Zustand
der Schaltungsanordnung fließt ein Strom, ausgehend vom positiven Pol der Batterie
40 über den Widerstand 11, die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 35, den
in der Brückendiagonale liegenden Verbraucherwiderstand 1, die Kollektor-Emitter-Strecke
des Transistors 37 und den Widerstand 12 vorn negativen Pol der Batterie 40. Der
aus den gegenüber dem Verbraucher hochohmigen Widerständen 13 und 14 bestehende
Spannungsteiler ist durch den durchlässig gesteuerten Transistor 35 und den niederohmigen
Widerstand 11 praktisch kurzgeschlossen, so daß sich der Punkt g näherun.gsweise
auf demselben Potential befindet wie der Punkt n. In. analoger Weise nimmt der Punkt
1a näherungsweise das Potential des Punktes o an. Durch, -den zwischen den Punkten
n und h eingeschalteten, aus den hochohmigen Wiidierständen 17 und 18 bestechenden
Spannungsteiler wird der Punkt k und damit die Basis des Transistors 35 negativ
gegenüber dein Punkt e, so daß für eine Sicherstellung des leitfähigen Zustandes
des Transistors 35 gesorgt ist. In analoger Weise wird durch den zwischen den Punkten
g und o eingeschalteten, aus dien hochohmi;gen Widerständen 15 und 16 bestehenden
Spannungsteiler die Öffnung des Transistors 37 sichergestellt. Gleichzeitig wird
eine sichere Sperrung der Transistoren 36 bzw. 38bewirkt, -da der Punkt i positiv
gegenüber dem Punkt e bzw. der Punkt m negativ gegenüber dem Punkt f ist.
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Ein an den Eingangsklemmen a und b ankommender positiver Steuerimpuls
gelangt über den Kondensator 62 an die Basis des Transistors 35 und hebt das Potential
dort an. Der Transistor 35 wird dadurch gesperrt. Gleichzeitig wird der positive
Steuerimpuls über den Kondensator 63 der Basis des Komplementärtransistors 38 zugeführt
und dieser Transistor infolge des positiven Potentials an seiner Basis geöffnet.
Die Öffnung bzw. Sperrung .der Transistoren 36 bzw. 37 geschieht abhängig vom Zustand
der Transistoren 35 und 38 .in der vorher geschilderten Weise. Es bildet sich demnach
jetzt ein Stromfluß, ausgehend vom positiven Pol der Batterie 40 über den Widerstand.
11, die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 36, den Verbraucherwiderstand
1, die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 38 und den Widerstand 12 zum negativen
Pol der Batterie 40 aus. Der Verbraucher 1 wird jetzt von einem Strom umgekehrter
Richtung durchflossen. In dieser Schaltungsanordnung sind die Widerstände 11 und
12 niederohmi-, die Widerstände 13 bis 20 hochohmig gegenüber ,dem Verbraucherwiderstand
1 auszulegen.
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In Fig. 5 ist eine gegenüber der Schaltungsanordnung nach Fi,g. 4
abgeänderte Schaltungsanordnung dargestellt, die besonders für wechselnden Verbraucherwiderstand
geeignet ist.
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Die niederohmiggen Emntterwiderstände 11 und 12 sind durch die in
Durchlaßrichtung ;gepolten Dioden 52 und 53 ersetzt. Durch die Verwendung dieser
Dioden wird erreicht, daß an ihnen ein weitgehend vom Belastungsstrom unabhängiger
Spannungsabfall entsteht, so daß an .dem Verbraucher unabhängig von seiner Größe
ein weitgehend konstanter Spannungsabfall ensteht. In vielen Fällen ist es vorteilhaft,
für einen gewissen Mindeststrom auch im Leerlauf, d. h. bei unendlich hohem Verbraucherwiderstand
1, zu sorgen. Zu .diesem Zweck ist zwischen den Punkten e und fein Widerstand 21
vorgesehen, dessen Größe sich nach der Höhe des gewünschten Mindeststromes berechnet.
Zur Verbesserung der .dynamischen Eigenschaften der Schaltungsanordnung sind parallel
zu den Basiswiderständen 14 und 15 der nicht direkt angesteuerten Transistoren 36
und 37 die Kondensatoren 64 und 65 geschaltet.
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Steht die Aussteuerungsspannung gegenphasng zur Verfügung, so können
alle vier Transistoren gleichzeitig durch Impulse ausgesteuert werden. In dieseln
Fall werden keine Kondensatoren zur überbrückung der Basiswiderstände benötigt.