DE1107276B - Schalttransistoranordnung zum Schalten eines Verbrauchers an eine Speisequelle - Google Patents
Schalttransistoranordnung zum Schalten eines Verbrauchers an eine SpeisequelleInfo
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- H03K17/66—Switching arrangements for passing the current in either direction at will; Switching arrangements for reversing the current at will
- H03K17/661—Switching arrangements for passing the current in either direction at will; Switching arrangements for reversing the current at will connected to both load terminals
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Description
Gegenstand der Erfindung ist eine Schalttransistoranordnung
zum Schalten eines Verbrauchers an eine Speisequelle, die die Verstärkereigenschaften der
Transistoren benutzt, um verhältnismäßig große Verbraucher mittels kleiner Steuergrößen zu schalten.
Sie besteht hierzu aus einer steuerbaren Transistorbrücke, zwischen deren eine Diagonalpunkte die Last
und zwischen deren andere Diagonalpunkte die Laststromquelle angeschlossen ist, mit einer gemeinsamen
Steuerspannungsquelle.
Bei einer bekannten Schalttransistoranordnung dieser Art sind sämtliche Transistoren in Steuerabhängigkeit
von einer Steuerspannungsquelle gebracht, derart, daß stets zwei Transistoren gesperrt
werden, solange das Steuersignal gegeben wird. Bei Fortfall des. Steuersignals haben dann alle Transistoren
den gleichen Zustand. Es besteht dabei also die Möglichkeit, daß bei Fortfall des Steuersignals
alle Transistoren stromleitend werden. Um in diesem Fall einen unerwünschten Stromfluß durch die Last
zu vermeiden, müssen die einzelnen Brückenzweige genau abgeglichen werden, was praktisch nur sehr
schwer zu erreichen ist.
Ferner benötigt die bekannte Anordnung zur Durchführung der Steuerung als Wechselrichter einen
Steuertransformator mit vier Sekundärwicklungen, wodurch sie nur als fremdgeführter Wechselrichter
betrieben werden kann. An Stelle eines solchen Steuertransformators kann auch ein mechanisches
Relais treten, das aber wegen seiner Trägheit nur einen Wechselstrom geringer Frequenz erlaubt und
außerdem sehr störanfällig ist. Auch kann die Last hierbei nicht nur in einer Richtung stromdurchflossert
werden. An Stelle der Relaiskontakte können zwar auch zusätzliche Transistoren treten, jedoch gilt auch
in diesem Fall das eingangs Gesagte. Eine Steuerung der einem Gleichstromverbraucher zugeführten Leistung
ist hiermit nicht möglich.
Der Betrieb als fremdgeführter Wechselrichter oder
als leistungssteuernde Schalteinrichtung gelingt mit kleinem Aufwand unter Fortfall eines Steuertransformators
oder eines mechanischen Relais bei Einzelsteuerung der Transistoren nach der Erfindung
dadurch, daß in an sich bekannter Weise im Steuerkreis eines jeden Transistors eine Hilfsgleichspannungsquelle
solcher Polarität angeordnet istT daß im ungesteuerten Zustand der Anordnung ein an den
einen Pol der Laststromquelle angeschlossenes Transistorpaar voll stromdurchlässig und das andere an
den anderes Pol der Laststromquelle angeschlossenes Transistorpaar voll stromsperrend ist, daß für die
Dauer einer nur dem normalerweise sperrenden Tran-Schalttransistoranordnung
zum Schalten
eines Verbrauchers an eine Speisequelle
eines Verbrauchers an eine Speisequelle
Anmelder:
Westinghouse Electric Corporation,
East Pittsburgh» Pa. (V. St. A.)
East Pittsburgh» Pa. (V. St. A.)
Vertreter: Dr.-Ing. P. Ohrt, Patentanwalt,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 12. November 1958
V. St. v. Amerika vom 12. November 1958
Richard O. Decker, Murrysville, Pa.,
Clarence I. Jones, Pitcairn, Pa.,
und George F. Pittman jun., Pittsburgh, Pa.
und George F. Pittman jun., Pittsburgh, Pa.
(V. St. Α.),
sind als Erfinder genannt worden
sind als Erfinder genannt worden
sistorpaar zugeführten Steuerspannung abhängig von deren Polarität einer der betreffenden normalerweise
sperrenden Transistoren in den leitenden Zustand ausgesteuert wird und daß in Abhängigkeit von dem
die Last in einer bestimmten, von der Polarität der Steuerspannung abhängigen Stromrichtung durchfließenden
Laststrom ein die Hilfsgleichspannung des einen normalerweise stromdurchlässigen, nicht vom
Laststrom durchflossenen Transistors überwiegender Spannungsabfall zur Sperrung dieses Transistors abgeleitet
ist.
Jedem Transistor des zweiten Paares ist eine Rückkopplung
in Form eines Rückkopplungswiderstandes zugeordnet, der bei Öffnen eines Transistors des
ersten Pares stromdurchflossen wird und die dabei auftretende Rückkopplungsspannung den betreffenden
Transistor des zweiten Paares sperrt, indem sie die diesen leitend haltende Hilfsspannung im entgegengesetzten
Sinne überwiegt. Durch entsprechende Bemessung des Rückkopplungswiderstandes im Verhältnis
zum Lastwiderstand kann eine Verstärkung mit großem Wirkungsgrad erreicht werden, so daß
ein von einer entsprechend starken Speisequelle gespeister Verbraucher schon durch kleine Steuersignale
schaltbar ist. Insbesondere eignet sich die Anordnung nach der Erfindung zum Schalten von
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induktiven Verbrauchern, wie sie Feldwicklungen von Maschinen oder Apparaten darstellen. Hierzu sind
vorteilhafterweise zu den Transistoren des zweiten Paares Dioden als Parallelpfade angeschlossen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die im Verbraucherkreis liegenden Teile galvanisch
mit den Steuersignalkreisen gekuppelt sein können, so daß sich gesonderte Kopplungstransformatoren
erübrigen. Darüber hinaus besteht die Anordnung nach der Erfindung lediglich aus ruhenden
Schaltungselementen.
Als Steuersignale dienen vorzugsweise rechteckförmige Signale, die in ihrer Amplitude unverändert
bleiben und nur in ihrer Impulsbreite und gegebenenfalls ihrer Polarität verändert werden. Bei der Vertauschung
der Polarität der Steuersignale wird der Verbraucher von einem Strom in der anderen Richtung
gespeist. Aus diesem Grunde eignet sich die Anordnung nach der Erfindung auch als fremdgeführter
Wechselrichter, wozu nur eine Steuersignalspannung abwechselnder Polarität notwendig ist.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sind nachfolgend an Hand eines Ausführungsbeispiels für den
Gegenstand der Erfindung näher erläutert.
Gemäß Fig. 1 sind vier Transistoren 30, 40, 60 und 70 mit einer Gleichstromspeisequelle 50 zu einer
Brückenschaltung zusammengefaßt. Jeder Transistor hat einen Emitter 31, 41, 61 bzw. 71, einen Kollektor
32, 42, 62 bzw. 72 und eine Basis 33, 43, 63 bzw. 73. Die Emitter 41 und 31 sind mit dem positiven Pol
der Speisequelle 50, die Kollektoren 62 und 72 mit dem negativen Pol der Speisequelle verbunden. Ferner
ist der Kollektor 32 über einen Rückkopplungswiderstand 65 mit dem Emitter 61 und der Kollektor 42
über einen Rückkopplungswiderstand 75 mit dem Emitter 71 galvanisch verbunden. Zwischen dem
Kollektor 32 bzw. 42 und dem Rückkopplungswiderstand 65 bzw. 75 ist der positive Pol einer Hilfsspannungsquelle
64 bzw. 74 angeschlossen, deren negativer Pol mit der Basis 63 bzw. 73 verbunden ist. Es
wird somit erreicht, daß die Transistoren 60 und 70 normalerweise stromdurchlässig sind. Hierbei ist
angenommen, daß es sich um Transistoren vom P-N-P-Typ handelt, bei denen zum Öffnen die Basis
negativ gegen Emitter oder Kollektor sein muß, während zum Sperren solcher Transistoren die Basis
positiv gegen die beiden Außenelektroden sein müssen. Der Rückkopplungswiderstand dient gleichzeitig
als Strombegrenzungswiderstand.
Für die beiden anderen Transistoren 30 und 40 ist eine gemeinsame Hilfsspannungsquelle 20 vorgesehen,
deren negativer Pol an die Emitter 31 und 41 gelegt ist und deren positiver Pol über je einen
Strombegrenzungswiderstand 34 und 44 an die Basis 33 bzw. 43 angeschlossen ist. Die beiden Transistoren
30 und 40 sind somit normalerweise undurchlässig. Zum leitend machen der letztgenannten Transistoren
wird an die Klemmen 10 und 13 ein Steuersignal gelegt. Hierzu sind die Emitter 31 und 41 über je
einen HilfsWiderstand 11 bzw. 12 mit den Klemmen 10 bzw. 13 verbunden. Das Steuersignal ist in seiner
Amplitude größer als die Hilf sspannung 20 gewählt und hat vorzugsweise eine konstante Amplitude E,
während seine Impulsdauer sowie gegebenenfalls seine Polarität veränderbar sind. Das insbesondere aus
rechteckförmigen Impulsen bestehende Steuersignal ist in Fig. 2 gezeigt. Es gelingt hierdurch — wie
weiter unten noch näher erläutert ist — eine Steuerung des Verbraucherstromes hinsichtlich Dauer und
Richtung. Der zu steuernde Verbraucher 80 ist mit seiner Klemme 81 an den Emitter 61 und mit seiner
Klemme 82 an den Emitter 71 angeschlossen.
Solange kein Steuersignal an den Klemmen 10 und 13 auftritt, kann kein Verbraucherstrom fließen, da die Transistoren 30 und 40 stromundurchlässig sind. Wenn an die Klemmen 10 und 13 ein Steuersignal von solcher Polarität gelegt wird, daß die Klemme 10
Solange kein Steuersignal an den Klemmen 10 und 13 auftritt, kann kein Verbraucherstrom fließen, da die Transistoren 30 und 40 stromundurchlässig sind. Wenn an die Klemmen 10 und 13 ein Steuersignal von solcher Polarität gelegt wird, daß die Klemme 10
ίο negativ gegen die Klemme 13 ist, dann leitet der Transistor
30, während der Transistor 40 weiterhin gesperrt bleibt. Durch das Leiten des Transistors 30
wird dann ein vom positiven Pol der Speisequelle 50 über den Transistor 30, den Rückkopplungswiderstand
65 und den schon durchlässigen Transistor 60 zum negativen Pol der Speisequelle hergestellt. Der
durch den Rückkopplungswiderstand 65 fließende Strom erzeugt in diesem einen Spannungsabfall, der
die Hilfsspannung für den Transistor 60 überwiegt und diesen sperrt. Nunmehr fließt der Strom über
den Verbraucher 80 und den Transistor 70 zur Speisequelle 50 zurück. Die Stromrichtung ist dabei von
der Klemme 81 zur Klemme 82 gerichtet. Die Dauer des Stromflusses für die Last 80 entspricht der
Zeit 1^t1 des in Fig. 2 dargestellten rechteckförmigen
Steuersignals. Dieses Zeitintervall kann im Bereich i0
bis U verändert werden. Die Rückkopplungsspannung erreicht sehr schnell den zur Sperrung des Transistors
60 notwendigen Wert, so daß die Anordnung nach der Erfindung außerordentlich rasch arbeitet. Die
Rückkopplungswiderstände werden vorteilhafterweise klein gegenüber dem Widerstandswert der Last 80
bemessen und betragen in den meisten Fällen weniger als 10% des Verbraucherwiderstandswertes. Somit
arbeitet die Anordnung mit einem Wirkungsgrad von über 90fl/o, was eine enorme Zunahme gegenüber
Stromkreisen bedeutet, die Mischwiderstände zur Erzielung von polaritätsumkehrbaren Ausgangsgrößen
verwenden.
Bei einer induktiven Last 80 sind zum einwandfreien und glatten Betrieb der Anordnung zwischen
die Außenelektroden 61 und 62 sowie 71 und 72 je eine Diode 91 und 92 geschaltet, die beide einander
entgegengesetzte Durchlaßrichtungen haben. Diese Dioden bilden zusammen mit den normalerweise
durchlässigen Transistoren 60 bzw. 70 einen Pfad, über den der induktive Strom fließen kann, wenn die
Transistoren 30 und 40 bei Fortfall des Steuersignals gesperrt sind. Im geschilderten Fall kann ein induk-
tiver Strom über den Transistor 70 und die Diode 91 fließen.
Bei Anlegen eines Steuersignals entgegengesetzter Polarität wird in entsprechender Weise der Transistor
40 geöffnet und der Transistor 70 durch die Rückkopplung gesperrt, so daß der Strom durch den
Verbraucher in der entgegengesetzten Richtung von der Klemme 82 zur Klemme 81 fließt. Bei Fortfall
des Steuersignals kann dann ein induktiver Strom über den Transistor 60 und die Diode 92 vorübergehend
weiter fließen.
Die Anordnung nach der Erfindung kann für alle Arten von Verbrauchern vorteilhaft verwendet werden
und arbeitet mit hohem Wirkungsgrad. Außerdem kann bei der Anordnung nach der Erfindung
— wie bereits erwähnt — ein Kopplungstransformator zwischen Steuerquelle und Lastkreis in Fortfall
kommen. Die Anwendungsmöglichkeiten des Gegenstandes nach der Erfindung schließen insbeson-
dere die Steuerung von Erregerwicklungen sowie Feldwicklungen für Maschinen und Apparate ein, ebenso
wie die Steuerung von industriellen Anlagen und Hilfseinrichtungen für Maschinen. Bei Anlagen eines
Steuersignals abwechselnder Polarität kann die An-Ordnung nach der Erfindung als fremdgesteuerter
Wechselrichter dienen.
Selbstverständlich können an Stelle von P-N-P-Transistoren auch N-P-N-Transistoren verwendet
werden, wobei in diesem Fall die Speise- und Hilfsquellen entsprechend umgepolt werden müssen.
Es ist weiterhin möglich, die Rückkopplung der offenen Transistoren auf andere an sich bekannte
Weise vorzunehmen, wie sich überhaupt die Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt.
Claims (8)
1. Schalttransistoranordnung zum Schalten eines Verbrauchers an eine Speisequelle, bestehend
aus einer steuerbaren Transistorbrücke, zwischen deren eine Diagonalpunkte die Last
und zwischen deren andere Diagonalpunkte die Laststromquelle angeschlossen ist, mit einer gemeinsamen
Steuerspannungsquelle, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise im
Steuerkreis eines jeden Transistors eine Hilfsspannungsquelle solcher Polarität angeordnet ist,
daß im ungesteuerten Zustand der Anordnung ein an den einen Pol der Laststromquelle angeschlossenes
Transistorpaar voll stromdurchlässig und das andere an den anderen Pol der Laststromquelle
angeschlossenes Transistorpaar voll stromsperrend ist, daß für die Dauer einer nur
dem normalerweise sperrenden Transistorpaar zugeführten Steuerspannung abhängig von deren
Polarität einer der betreffenden normalerweise sperrenden Transistoren in den leitenden Zustand
ausgesteuert wird und daß in Abhängigkeit von dem die Last in einer bestimmten, von der PoIarität
der Steuerspannung abhängigen Stromrichtung durchfließenden Laststrom ein die Hilfsgleichspannung
des einen normalerweise stromdurchlässigen, nicht vom Laststrom durchflossenen
Transistors überwiegender Spannungsabfall zur Sperrung dieses Transistors abgeleitet ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Transistor des zweiten
Paares eine Hilfsspannungsquelle (64, 74) und einen Rückkopplungswiderstand (65, 75) zwischen
der Basiselektrode (63, 73) und der mit dem Verbraucher (80) verbundenen Außenelektrode
(61, 71) enthält und daß der Rückkopplungswiderstand im Verbraucherstromkreis liegt.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basen (33, 43) des ersten
Transistorpaares über Strombegrenzungswiderstände (34, 44) und eine gemeinsame Hilfsspannungsquelle
(20) an die miteinander verbundenen Außenelektroden (31, 41) angeschlossen sind und daß die Basen unmittelbar an die Ausgangsklemmen
(10, 13) einer Steuersignalquelle, die miteinander verbundenen Außenelektroden (31,
41) über Eingangshilfswiderstände (11, 12) an die Ausgangsklemmen der Steuersignalquelle angeschlossen
sind.
4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für vorwiegend induktive
Verbraucher jedem Transistor des zweiten Paares (60, 70) eine zwischen seinen Außenelektroden
(61, 62; 71, 72) liegende Diode (91, 92) als Überbrückung für den jeweils beim Fließen
des induktiven Verbraucherstromes bei gesperrten Transistoren des ersten Paares (30, 40) zugeordnet
ist und die beiden Dioden entgegengesetzte Durchlaßrichtung haben.
5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungswiderstand
klein bemessen ist gegenüber dem Widerstand des Verbrauchers.
6. Anordnung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuersignale
rechteckförmig mit gleichbleibender Amplitude und gegebenenfalls veränderlicher Polarität sind.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 6, gekennzeichnet durch ihre
Verwendung zum Schalten von Erreger- oder sonstigen Feldwicklungen elektrischer Maschinen
oder Apparate.
8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verwendung als fremdgeführter
Wechselrichter die Steuersignale in ihrer Polarität abwechselnd veränderbar sind.
In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 821 639.
USA.-Patentschrift Nr. 2 821 639.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
© 109 608/295 5.61
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