DE1098995B

DE1098995B - Schalter fuer kleine Gleichstroeme

Info

Publication number: DE1098995B
Application number: DEA32851A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Gian Franco Piazza; Sanjoy Kumar Mitter
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1959-09-01
Filing date: 1959-09-14
Publication date: 1961-02-09
Also published as: BE594358A; CH371713A; US3041473A

Description

Es ist eine Anordnung zum Übertragen einer Mehrzahl von Meßwerten nach dem Zeitverteilungsprinzip bekannt, bei welcher sendeseitig zunächst jeder Meßwert in je einen seine Größe eindeutig charakterisierenden Strom umgeformt wird. Diese Ströme werden dann durch einen Umschalter in zyklischer Reihenfolge entweder direkt mit einer Übertragungsleitung verbunden, die zum fernen Empfänger führt, meist aber einer Einrichtung zugeführt, welche eine zur Übertragung über das vorgesehene Medium geeignete Trägerschwingung moduliert. Solche Einrichtungen können einen Wechselrichter enthalten, der die (veränderlichen) Gleichströme in Wechselströme oder Wechselspannungen mit proportionalen Amplituden umformt.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schalter, der mit Vorteil beispielsweise zum Aufbau eines Umschalters in einer Anordnung der eben skizzierten Art Verwendung finden kann. Der Schalter ist ebenfalls zur Verwendung in einem Wechselrichter für den angegebenen Zweck geeignet.

Es ist erwünscht, die den Meßwerten zugeordneten Ströme möglichst klein zu halten, damit sie ohne allzu großen Aufwand und ohne nachteilige Rückwirkungen auf die Meßwerte selbst aus diesen abgeleitet werden können. Bei den für die Bedürfnisse der Elektrizitätswerke entworfenen Übertragungsanordnungen erscheinen beispielsweise Ströme bis zu etwa 10 mA zweckmäßig. Sodann sollte sich der Bereich, in welchem diese Ströme veränderlich sind, von Null an bis zum jeweiligen Höchstwert (beispielsweise also 1OmA) erstrecken, damit im einfachsten Fall die Ströme proportional zu den zugeordneten Meßwerten sein können.

Die in bekannten Anordnungen verwendeten Umschalter weisen gewisse Nachteile auf. Schalter mit mechanisch bewegten Kontakten sind verhältnismäßig umfangreich, arbeiten langsam, nutzen sich im Betrieb ab, neigen zu Verschmutzung und erfordern daher Beaufsichtigung und Wartung. Für elektronisch arbeitende Schalter kommt heute nur eine Bestückung mit Transistoren in Frage. Deren Temperaturverhalten und/oder die An fangs spannung der Emitter-Basis-Strecke haben bisher die Realisierung von brauchbaren Schaltern zur Verarbeitung von veränderlichen Gleichströmen der oben angegebenen Größenordnung verhindert. Transistorschaltungen wurden daher nur zur Verarbeitung von Strömen oberhalb eines gewissen Anfangswertes verwendet (Methode des »unterdrückten Nullpunktes«).

Die genannten Nachteile könnten umgangen werden, wenn jedem Meßkreis eine eigene Einrichtung zur Modulation einer Trägerschwingung, im einfachsten Fall also zur Umformung des veränderlichen Gleich-

Schalter für kleine Gleichströme

Anmelder:

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.,
Baden (Schweiz)

Vertreter: Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,
München 23, Dunantstr. 6

Beanspruchte Priorität:
Schweiz vom 1. September 1959

Dipl.-Ing. Gian Franco Piazza, Baden,
und Sanjoy Kumar Mitter, Wettingen, Aargau

(Schweiz),
sind als Erfinder genannt worden

Stroms in einen Wechselstrom und zu dessen Verstärkung zugeordnet würde. Der Umschalter hätte dann Signale von um Größenordnungen höheren Pegeln zu verarbeiten und wäre daher ohne Schwierigkeiten realisierbar. Wie leicht ersichtlich ist, verbietet sich diese Maßnahme aus Gründen des mit der Anzahl der Meßkreise stark wachsenden Aufwandes mindestens für alle diejenigen Übertragungsanordnungen, die nicht nur ganz wenige Meßwerte übertragen.

Der erfindungsgemäße Schalter für kleine Gleichströme arbeitet elektronisch und ist mit Transistoren bestückt. Seine Betätigung erfolgt durch einen Steuerstrom. Der Schalter ermöglicht es, mit den heute verfügbaren Siliziumtransistoren beispielsweise einen Umschalter für mehr als 100 Meßkreise aufzubauen, wobei im einzelnen Meßkreis keine Änderung des Widerstandes beim Schalten bemerkbar ist und wobei auch die Rückwirkung eines Meßkreises auf irgendeinen anderen Meßkreis vernachlässigbar gering ist. Die durch einen solchen Umschalter bewirkten Fälschungen der zu verarbeitenden Ströme liegen im Temperaturbereich zwischen 20 und 55° C unterhalb von l°/oo ihres Höchstwertes. Die Schaltgeschwindigkeit kann bei Bedarf auf mehr als 10⁶ Schritte pro Sekunde gesteigert werden. Der Schalter gestattet also eine wesentliche Erhöhung der Übertragungsgeschwindigkeit bei einer alle Ansprüche befriedigenden Ge-

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nauigkeit. Dieselbe Genauigkeit ist auch bei Verwendung des Schalters in Wechselrichtern erzielbar.

Ein Schalter gemäß der Erfindung enthält eine Kaskadenschaltung zweier Transistoren in Basisschaltung, deren Eingang der Gleichstrom zugeführt wird und an deren Ausgang erstens der Emitter eines dritten Transistors angeschlossen ist, dessen Basis der Steuerstrom zugeführt wird, und zweitens die eine Elektrode einer Diode, an deren zweiter Elektrode der geschaltete Strom entnommen wird. Er ist dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang der Kaskadenschaltung und die zweite Elektrode der Dioden über je einen hohen Widerstand mit je einer konstanten Stromquelle verbunden sind.

Aufbau und Wirkungsweise eines solchen Schalters werden nun an Hand der Fig. 1 und 2 näher erläutert. Er enthält die Kaskadenschaltung der beiden Transistoren T₁ und T₂ in Basisschaltung. Deren Stromverstärkung a={a₁+a₂) — ((X₁- a₂) ((X₁, a₂: Stromverstärkung der einzelnen Transistoren in Basisschaltung; bei den heutigen Siliziumtransistoren etwa 0,95) liegt sehr nahe bei Eins, ist im interessierenden Bereich weitgehend temperaturunabhängig und für Ströme oberhalb von etwa 0,1 mA konstant. Der zu schaltende Gleichstrom i_m wird dem Eingang der Kaskadenschaltung, d. h. also dem Emitter des Transistors T₁ zugeführt. Am Ausgang der Kaskadenschaltung, d. h. am Punkt a der Fig. 1, liegt einerseits der Transistor T₃, andererseits die Last A in Serie zur Diode!?. Die in der Figur angegebenen Polaritäten gelten für die Verwendung von pnp-Transistoren.

Ist der Transistor T₃ gesperrt, so fließt der Ausgangsstrom der Kaskadenschaltung, der dem Eingangsstrom i_m praktisch gleich ist, über die Diode in die Last A. Die Betriebsspannung u₂ für die Kaskadenschaltung stammt aus den beiden in Serie geschalteten Teilen der Stromquelle B. Ist der Transistor T₃ leitend, so verbindet er den Ausgang der Kaskadenschaltung direkt mit dem niedrigeren Potential U₁. Die Last A und die Diode D werden daher stromlos; der Ausgangsstrom der Kaskadenschaltung fließt nun über die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors T₃ ab. Da der Ausgangswiderstand der Kaskadenschaltung sehr groß ist, tritt beim Umschalten trotz der Potentialänderung von U₂ auf U₁ praktisch keine Anderung des Ausgangsstromes ein. Es ist demnach auch keine Änderung des Eingangswiderstandes der Kaskadenschaltung beim Schalten bemerkbar.

Der Zustand des Transistors T₃ wird durch den Steuerstrom i_s beeinflußt, welcher dessen Basis zügeführt wird. In der gezeigten Schaltung ist bei fehlendem Steuerstrom der Transistor T₃ gesperrt, der Schalter also geschlossen (eingeschaltet); bei vorhandenem Steuerstrom ist der Transistor T₃ leitend, der Schalter also geöffnet (ausgeschaltet).

Im Anlauf gebiet der Transistoren ist die Stromverstärkung nicht konstant. Dadurch entsteht im Strombereich unterhalb etwa 1 mA ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen Ausgangs- und Eingangsstrom des Schalters. Der der Erfindung zugrunde lie- gende Gedanke sieht nun vor, diesen Nachteil dadurch zu beseitigen, daß der Schalter eingangsseitig mit einem konstanten Zusatzstrom beaufschlagt wird, der ausgangsseitig wieder subtrahiert wird. Gemäß Fig. 2 sind zu diesem Zweck erfindungsgemäß der Eingang der Kaskadenschaltung und die zweite Elektrode der Diode über je einen hohen Widerstand R_e bzw. R_a mit je einer Stromquelle B_e bzw. B_a von passender Polarität verbunden. Diese Stromquellen müssen von guter Konstanz sein, damit der ausgangsseitig entnommene Zusatzstrom stets gleich dem eingangsseitig eingeführten Zusatzstrom ist. Es wird daher im allgemeinen eine Spannungsstabilisierung der Quellen B_e und B_a notwendig sein. Eine solche Komplikation kann gemaß einer Weiterausbildung der Erfindung nach Fig. 3 dadurch eliminiert werden, daß die beiden Stromquellen durch die beiden Teile e bzw. a des Spannungsteilers W gebildet sind, an dessen Enden eine einzige Stromquelle B_v liegt. Spannungsänderungen dieser Quelle wirken sich gleichmäßig auf den eingeführten und auf den subtrahierten Zusatzstrom aus. Zweckmäßig liegen die Zusatzströme im Bereich zwischen etwa 0,1 und 1 mA.

Die Fig. 4 zeigt die Anwendung mehrerer Schalter der beschriebenen Art zum Aufbau eines Umschalters für kleine Gleichströme, wobei die erfindungsgemäß nach Fig. 2 oder 3 aufgebauten Schalter hier nur schematisch eingezeichnet sind. Es ist als Beispiel ein Umschalter für drei Eingangsströme i_ml, i_m2, i_m3 gezeigt, von denen jeweils einer, beispielsweise in zyklischer Reihenfolge, an eine Übertragungsleitung oder an eine Modulationseinrichtung M durchgeschaltet ist. Hierzu sind die Ausgänge der drei Schalter S₁, S₂, S₃ zueinander parallel geschaltet und mit der Einrichtung M verbunden. Mit T ist ein Generator bezeichnet, der die Steuerströme für die einzelnen Schalter erzeugt. Zwischen den Klemmen 1, 2, 3 einerseits und der Klemme 0 andererseits fließen normalerweise Ströme; die drei Schalter sind also normalerweise gesperrt. Jeweils einer dieser Ströme: wird, beispielsweise in zyklischer Folge, unterbrochen, wodurch der zugeordnete Schalter geschlossen wird.

Die Fig. 5 zeigt die Anwendung eines Schalters der beschriebenen Art in einem Wechselrichter zum Umformen des kleinen Gleichstromes i_m in eine der Last L zuzuführende Wechselspannung, deren Amplitude proportional zur Größe des Gleichstromes ist. Der Schalter wirkt als Zerhacker. Zu diesem Zweck wird der Transistor T₃ periodisch durch eine im Generator G erzeugte Folge von Rechteckimpulsen gesperrt und entsperrt. In der Primärwicklung des Transformators F fließt also der zerhackte Eingangsstrom i_m; an der Sekundärwicklung erscheint die gewünschte Wechselspannung.

Selbstverständlich kann auch ein Schalter in der Weiterbildung nach Fig. 3 bei der Anwendung nach Fig. 5 mit Vorteil verwendet werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Schalter für kleine Gleichströme, der durch einen Steuerstrom betätigt wird und der eine Kaskadenschaltung zweier Transistoren in Basisschaltung enthält, deren Eingang der Gleichstrom zugeführt wird und an deren Ausgang erstens der Emitter eines dritten Transistors angeschlossen ist, dessen Basis der den Schalter steuernde Strom zugeführt wird, und zweitens die eine Elektrode einer Diode, an deren zweiter Elektrode der geschaltete Strom entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang der Kaskadenschaltung und die zweite Elektrode der Diode über je einen hohen Widerstand mit je einer konstanten Stromquelle verbunden sind.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stromquellen durch die beiden Teile eines Spannungsteilers gebildet sind, an dessen Enden eine Stromquelle angeschlossen ist.

3. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er zusammen mit mindestens einem weiteren gleichartigen Schalter in einem Umschalter verwendet ist.

4. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er in einem Wechselrichter zum Umformen des Gleichstromes in einen Wechselstrom oder eine Wechselspannung mit proportionaler Amplitude verwendet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1036 315; USA.-Patentschrift Nr. 2 751 550.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen