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Reihenschaltung von Transistoren Gegenstand der Erfindung ist eine
Reihenschaltung von gleichstromgesteuerten Transistoren, bei der die bei unmittelbarer
Aussteuerung sich ändernden Spannungsabfälle über den Transistoren untereinander
gleichbleiben.
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Übersteigt die Spannung der Stromquelle die höchstzulässige Betriebsspannung
eines Transistors, so ist es notwendig, zwei oder mehrere Transistoren in Reihe
zu schalten, um den Spannungsabfall über jedem Transistor unter der höchstzulässigen
Grenze zu halten. Die Schaltung muß gewährleisten, daß bei allen Betriebszuständen
der Transistoren die sich ändernden Spannungsabfälle über den Transistoren untereinander
gleichbleiben. Die Reihenschaltung kann auch dann notwendig werden, wenn bei irgendeinem
Betriebszustand die höchstzulässige Verlustleistung eines einzelnen Exemplars überschritten
wird.
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Die Hintereinanderschaltung von Transistoren wird bekanntlich so vorgenommen,
daß Kollektor und Emitter benachbarter Transistoren miteinander verbunden werden.
1n diese Kette wird dei Arbeitswiderstand an beliebiger Stelle eingefügt und die
so erhaltene Reihenschaltung mit der Stromquelle verbunden. Die Transistoren müssen
vom gleichen Typ sein und möglichst gleiche Steuerkennlinien haben. Einer der Transistoren,
der Steuertransistor, kann beliebig gesteuert werden. Die übrigen Transistoren,
die Folgetransistoren, folgen der Steuerung des Steuertransistors. Insofern sind
alle bekannten Schaltungen gleich.
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Die bekannten Schaltungen unterscheiden sich durch die Beschaltung
der Basiselektroden der Folgetransistoren. Ganz allgemein wird ein Spannungsteiler
vorgesehen, mit dem die Basiselektroden verbunden sind.
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In einer bekannten Schaltung ist der Arbeitswiderstand Teil des Spannungsteilers,
der dann direkt mit der Spannungsquelle verbunden ist. Die Basiselektroden der Folgetranssistoren
sind direkt mit dem Spannungsteiler verbunden. Das hat den großen Nachteil, daß
es nicht möglich ist, den Strom durch den Arbeitswiderstand zu sperren, weil der
Arbeitswiderstand selbst bei gesperrten Transistoren von einem Querstrom durchflossen
wird. Ein weiterer Nachteil ist, daß die Spannungen über den Transistoren nur in
einem Betriebspunkt, z. B. im Sperrzustand, völlig gleich sein können, weil die
mit der Aussteuerung der Transistoren wachsenden Basisströme eine Spannungsverschiebung
über dem Spannungsteiler hervorrufen, so daß die Spannungen über den Transistoren
ungleich werden.
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In einer anderen bekannten Schaltung ist der Arbeitswiderstand nicht
Glied des Spannungsteilers, der direkt mit der Stromquelle verbunden ist. Ausgleichwiderstände
zwischen den Basiselektroden der Folgetransistoren und den Abgriffen des Spannungsteilers
sollen eine gleiche Aussteuerung und Spannungsverteilung über den Transistoren gewährleisten.
Diese Schaltung hat den Nachteil, daß wegen der nichtlinearen Abhängigkeit des Verstärkungsfaktors
eines Transistors vom Kollektorstrom Spannungsgleichheit über den Transistoren nicht
für jeden Betriebszustand, sondern nur an zwei Betriebspunkten erreicht werden kann.
Ein weiterer Nachteil ist, daß wegen des schaltungsmäßig bedingten hohen Basis-Emitter-Außenwiderstands
der Folgetransistoren der Reststrom nicht auf einen minimalen Wert gebracht werden
kann.
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Die Nachteile beider Schaltungen werden durch die vorliegende Schaltung
vermieden. Hier wird kein Spannungsteiler mit einem größeren, die Spannung an den
Abgriffen stabilisierenden Querstrom verwendet. Weil der Spannungsteiler mit dem
Kollektor des Steuertransistors einerseits und einem Pol der Batterie andererseits
verbunden ist, fließt durch ihn bei gesperrtem Steuertransistor praktisch kein Strom.
Die gleiche Spannungsverteilung über den Transistoren wird hier durch Glieder des
Spannungsteilers erreicht, die nichtlineare Kennlinien haben, die für jeden beliebigen
Betriebszustand gleiche Spannungsabfälle über den Transistoren gewährleisten. Es
ist nicht nur möglich, den Strom durch den Arbeitswiderstand fast völlig zu sperren,
sondern dieser nimmt wegen des schaltungsmäßig bedingten kleinen Basis-Emitter-Außenwiderstands
einen besonders kleinen Wert an.
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Die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei ist
1 eine beliebige Anordnung, an deren Ausgang die Gleichstromsteuergröße auftritt,
2,3 und 4 sind Transistoren gleichen Typs mit möglichst gleichen Betriebswerten,
5 und 6 sind lineare Widerstände, 7 und 8 sind im allgemeinen nichtlineare
Widerstände,
9 ist der Arbeitswiderstand, 10 ist eine beliebige Gleichstromquelle.
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Die Wirkungsweise der Schaltung ist folgende: Transistor
2 arbeitet in Emitterschaltung und ist der Steuertransistor, d. h., er steuert
die GröPe des Stroms in der Kette und wird seinerseits durch Anordnung 1 über die
Gleichstromsteuergröße, die am Ausgang von 1 auftritt, gesteuert. Die Folgetransistoren
3 und 4
mit ihren Parallelwiderständen sind die spannungssteuernden Glieder
der Kette. Sie bestimmen die Spannungsverteilung über den drei Transistoren.
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Der Gesamtstrom der Stromquelle fließt über Transistor 2. Deshalb
kann die Gleichstromsteuergröße den Gesamtstrom über Transistor 2 beliebig steuern.
Die Transistoren 3 und 4 sind in hintereinandergeschalteten Brückenschaltungen
angeordnet, wobei 5 und 7 bzw. 6 und 8 jeweils den einen Zweig der Brücke bilden.
Der andere Zweig wird durch die Transistoren 3 bzw. 4 gebildet. Die Brückendiagonalen
werden durch die Verbindung des Widerstandknotenpunkts mit dem Basisanschluß des
jeweiligen Transistors gebildet.
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Die Stromquelle kann drei verschiedene Kennlinien haben. Sie sind
in Fig. 2 gezeigt. Kennlinie a ist fallend und ist typisch für z. B. eine Batterie.
Kennlinie b ist die einer geregelten Stromquelle, bei der die Spannung unabhängig
vom Strom konstant bleibt, Kennlinie c zeigt eine mit steigendem Strom ansteigenden
Spannung, wie sie z. B. typisch ist für den Feldkreis der Erregermaschine eines
Generators. Die Kennlinie d ist die Widerstandsgerade von Arbeitswiderstand 9. Wird
nun Transistor 2 von Jmin bis J,nax gesteuert, so ist die jeweilige Spannung an
den Transistoren bei einem beliebigen Strom gleich der Spannung der Stromquelle
abzüglich des Spannungsabfalls am Arbeitswiderstand. Wie aus Fig. 2 zu ersehen.
ist die Spannung an den Transistoren bei J,nin und einer Gleichstromquelle mit der
Kennlinie a gegeben durch U,-U,. Unter der Annahme eines Steuerbereichs von J@nin
bis Jmax und unter Berücksichtigung der Forderung, daß die Spannungsabfälle über
den Transistoren für jeden beliebigen Strom zwischen Ani. und Jmax untereinander
gleich sein sollen, ergeben sich für die erforderlichen Kennlinien der hintereinandergeschalteten
Transistoren die Kennlinien e und f, die den Bereich zwischen den Kennlinien
a und d in drei gleiche Teile teilen.
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Für die Brückenschaltung mit den Einzelteilen 4,
6, 8
und 9 gilt der Bereich zwischen Abszisse und Kennlinie e. Für die Brückenschaltung
mit den Einzelteilen 3, 5 und 7 gilt der Bereich zwischen den Kennlinien e und f.
Für den Steuertransistor 2 ist der Bereich zwischen den Kennlinien f und a gültig.
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Es ist ersichtlich, daß die einzelnen Brückenschaltungen verschieden
bemessen sein müssen, weil einerseits die Brücke mit Transistor 4, die den
Arbeitswiderstand enthält, eine steigende Kennlinie hat. Andererseits hat die Brücke
mit Transistor 3 eine fallende Kennlinie. Die Kennlinie für den Steuertransistor
2, der nicht in einer Brückenschaltung angeordnet ist, ergibt sich zwangläufig als
die Restspannung, die nach Abzug der Spannungen über den Brücken von der Spannung
der Stromquelle verbleibt.
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Nachdem das erforderliche Strom-Spannungs-Verhalten der Brückenschaltungen
bestimmt ist, wird die Arbeitsweise der Brücken näher betrachtet.
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Zunächst die Brücke mit den Einzelteilen 3, 5 und 7. Diese ist nochmal
mit den Kennlinien der Einzelteile in Fig.3 gezeigt. Die Ströme und Spannungen der
Einzelteile werden wie folgt gekennzeichnet:
| Strom und Spannung von ZN'"iderstand 5 |
| (= R) . .............................. J/:. Ur, |
| Strom und Spannung von Widerstand 7 |
| (= R v) ........ . ... ...... . .. . . ....... Ji-.Ul- |
| Spannung an der Basis-Emitter-Diode .........
Ui;" |
| Spannung an der Kollektoi-Basis-Diode ....... UcB |
| Emitterstrom .............................. JF |
| Kollektorstrom ............................ Je |
| Basisstrom .................... ........... J6 |
| Minimalwert und Maximalwert .... .... . . niin. max |
Bei der folgenden Erörterung ist immer im Auge zu behalten, daß die Basis-Emitter-Diode
von Transistor 3 parallel zu 5 geschaltet ist und deshalb der gleiche Spannungsabfall
an beiden auftritt. Dies gilt ebenfalls für die Kollektor-Basis-Diode dieses Transistors
mit parallel geschaltetem Widerstand 7.
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Der durch Transistor 2 bestimmte Strom habe den Wert J "rin,
der sich in J1; ,"i" und JF ",i" aufteilt. so daß Jmin = JI.,"i" -r-
JE"ri". Nun ist J1. mi" - R =- C l'"ri" = L I;Fmi,r-
Aus der
vorgegebenen C`/:E-J/;-Kennlinie des Trar:-sistors ergibt sich der bei U/;F,ni,
fließende Basisstrom JB",i".
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Da A"n,i" = J/,#r"i" -- JI""i", ergibt sich aus
der vorgegebenen Kennlinie für den nichtlinearen, negativen Widerstand 7 der bei
Ji-",i" an ihm abfallende Spannungsabfall Ui-.",. Nun ist aber wegen der Parallelschaltung
zwangläufig C"1 ",ax = UcB,nax. Der bei UcB",ax fließende Strom Jc,ni, ist durch
den für den verwendeten Transistor vorgegebenen Verstärkungsfaktor B = Jcmin
: Jhnan gegeben. Daher ist die äußere Brückenspannung Umax = Ur-"tax
-i- L1,Rmi"# Damit sind alle Betriebsgrößen der Brückenschaltung eindeutig bei Jni,
bestimmt.
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Der durch den Steuertransistor 2 bestimmte Strom betrage nun J,nax.
Die sich dabei an den Einzelteilen ergebenden Spannungen. und Ströme können in gleicher
Weise wie für J,nin bestimmt werden und sind in Fig. 3 gezeigt.
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Die für das äußere Strom-Spannungs-Verhalten der Brücke sich ergebende
Kennlinie U = f(J) ist damit auch eindeutig bestimmt und in Fig. 4 gezeigt.
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Um das Kennzeichnende des Verhaltens der Brückenschaltung herauszuarbeiten,
kann man die Spannung Uh in der Größenordnung von 0,1 ... 1 V gegenüber der
Spannung U1- in der Größenordnung von 10 ... 100 V vernachlässigen. So vereinfacht
ergibt sich, daß in der vorliegenden Schaltung die am Transistor zwischen Emitter
und Kollektor auftretende Spannung durch das Strom-Spannungs-Verhalten des Widerstands
7 bestimmt wird. Da dieser im besprochenen Beispiel eine negative Kennlinie hat,
hat auch die Kollektor-Emitter-Spannung und die ihr gleiche äußere Brückenspannung
eine negative Kennlinie.
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Die Brückenschaltung mit den Einzelteilen 4, 6, 8
und 9 ist
anders ausgelegt. Hier ist die äußere Brückenspannung nicht mehr mit der über dem
Transistor 4
abfallenden Spannung identisch, sondern ergibt sich
als
Summe der Transistorspannung UCE und der Spannung am Arbeitswiderstand 9. In Fig.
2 ist für diese Brücke die äußere Spannung U durch die Kennlinie e, die Spannung
am Arbeitswiderstand durch die Kennlinie d und die Spannung UCE am Transistor
4
durch die Differenz der Ordinaten der Kennlinien e und d gegeben, Hier ist
die äußere Kennlinie der Brückenschaltung zwar nicht linear, aber positiv, obwohl
die sich ergebende Strom-Spannungs-Kennlinie für den Transistor 4, wie erforderlich,
negativ ist. Die äußere Kennlinie wird für diese Brücke durch einen entsprechend
dimensionierten nichtlinearen Widerstand 8 erreicht. Die Arbeitsweise dieser
Brückenschaltung unterscheidet sich sonst nicht von der mit den Einzelteilen 3,
5 und 7 beschriebenen.
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Da sich die über dem Steuertransistor 2 abfallende Spannung als Restspannung
ergibt, die nach Abzug der Summe der beiden äußeren Brückenschaltungsspannungen
von der Spannung der Stromquelle verbleibt, ist das Arbeiten der Schaltung Fig.
1 ausreichend erklärt.
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Bei der Schaltung nach Fig. 1 wird daher erreicht, daß für alle gewünschten
Stromwerte vom Sperrzustand, bei dem der fließende Gesamtstrom durch den Sperrstrom
des Steuertransistors 2 bestimmt wird, und bei dessen Fließen die Transistoren
3 und 4
gesperrt sind, solange der durch den Sperrstrom verursachte Spannungsabfall
an den Widerständen 5 und 6 unter der Mindestspannung liegt, die für das Einsetzen
des Basisstroms erforderlich ist, bis zum - unter Berücksichtigung der höchstzulässigen
Transistorverlustleistung - höchstzulässigen Strom für Steuertransistor
2 die Spannungen an den Transistoren untereinander gleich sind.
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Der durch den Arbeitswiderstand 9 fließende Strom ist dabei um Jv
geringer als der vom Steuertransistor 2
gesteuerte Gesamtstrom der Schaltung.
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Jv ist ein Verluststrom, da er im Arbeitswiderstand keine Arbeit leistet,
und ist direkt vom Stromverstärkungsfaktor B abhängig. Nimmt man für den ungünstigsten
Fall, der bei Jc.a@ auftritt, an, daß B
auf 15 gesunken ist, so wird selbst
in diesem ungünstigen Fall Jv nicht mehr als etwa 6,5°/o des von 2 gesteuerten Gesamtstroms
betragen.
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Die Anzahl der hintereinandergeschalteten Transistoren ist beliebig.
Die Mindestzahl ist zwei. Die Reihenschaltung von zwei Transistoren enthält einen
stromsteuernden Transistor und einen Transistor in Brückenschaltung mit dem Arbeitswiderstand
im Kollektorkreis des Folgetransistors, wie in Fig. 1 für die Brücke mit den Einzelteilen
4, 6, 8 und 9 gezeigt. Sollen drei oder mehr Transistoren in Reihe geschaltet werden,
so ist ein Transistor der stromsteuernde, der letzte Transistor ist in Brückenschaltung
mit dem Arbeitswiderstand im Kollektorkreis, der zweite und die weiteren Transistoren
sind in Brückenschaltungen angeordnet, wie in Fig. 1 für die Einzelteile 3, 5 und
7 gezeigt. Bei diesen Brückenschaltungen liegt im Kollektorkreis kein Widerstand.
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Hat die Stromquelle eine Kennlinie wie a oder b
(Fig.2),
so müssen die Parallelwiderstände zu den Kollektor-Basis-Dioden in den Brücken ohne
Arbeitswiderstand nichtlinear sein und eine negative Kennlinie haben. Hat die Stromquelle
eine Kennlinie wie c (Fig.2), so sind die Parallelwiderstände zu den Kollektor-Basis-Dioden
in den Brücken ohne Arbeitswiderstand in den meisten praktischen Fällen nichtlinear
mit positiver oder zumindesten waagerechter Kennlinie. Der Parallelwiderstand zur
Kollektor-Basis-Diode in der Brücke mit dem Arbeitswiderstand im Kollektorkreis
ist bei sachgemäßer Bemessung der Schaltung immer nichtlinear mit positiver Kennlinie.
Kann der Arbeitswiderstand in mehrere galvanisch getrennte Teile unterteilt werden,
so bekommt jede der in der Schaltung verwendeten Brücken einen solchen Teilwiderstand
in den Kollektorkreis. In den meisten praktischen Fällen werden dann die zu den
Kollektor-Basis-Dioden benötigten Parallelwiderstände eine nichtlineare, positive
Kennlinie haben müssen.
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Als nichtlineare Widerstände mit positiver oder waagerechter Kennlinie
stehen Halbleitergleichrichter, Zenerdioden, Transistoren und Kombinationen dieser
Bauelemente zur Verfügung, die die Realisierung jeder gewünschten Kennlinie ermöglichen.
Die Zeitkonstante dieser Bauelemente ist nicht größer als die der hintereinandergeschalteten
Transistoren selber. Als nichtlineare Widerstände mit negativer Kennlinie stehen
Heißleiter zur Verfügung. Diese haben im Anfangsgebiet einen positiven Ast. Die
zu diesem positiven Ast gehörigen Ströme liegen je nach Typ um 1 bis 2 Zehnerpotenzen
niedriger als die Ströme des negativen Astes. Gehört das Gebiet des positiven Astes
zum Anfangssteuerbereich der Gesamtschaltung, so hat der positive Ast zur Folge,
daß in diesem Bereich der Größtteit der Spannung über dem Steuertransistor abfällt.
1n diesem Falle wird die gleichmäßige Verteilung der Spannung auf alle Transistoren
durch Symmetrierwiderstände, die parallel zu den Brücken und dem Steuertransistor
liegen, erreicht.