DE1169517B - Arrangement to prevent switching voltages that are greater than the permissible reverse voltage of a transistor when switching an inductive load on and off - Google Patents
Arrangement to prevent switching voltages that are greater than the permissible reverse voltage of a transistor when switching an inductive load on and offInfo
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Description
DEUTSCHESGERMAN
PATENTAMTPATENT OFFICE
AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL
Internat. Kl.: H 03 kBoarding school Class: H 03 k
Deutsche K!.: 21 al -36/18 German K!.: 21 al -36/18
Nummer: 1 169 517Number: 1 169 517
Aktenzeichen: N 18681 VIII a / 21 alFile number: N 18681 VIII a / 21 al
Anmeldetag: 25. Juli 1960Filing date: July 25, 1960
Auslegetag: 6. Mai 1964Opening day: May 6, 1964
Die Erfindung hat eine Anordnung zur Verhütung von Schaltspannungen zum Gegenstand, die beim An- und Abschalten einer induktiven Belastung die zulässige Sperrspannung eines Transistors übersteigen. Dabei liegt nun. die induktive Belastung in Reihe mit der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors und einer Gleichstromquelle und weist darüber hinaus eine dazu parallel geschaltete Diode auf, während andererseits die induktive Belastung zusätzlich noch aus einer Serienschaltung eines Widerstandes und einer Kapazität mit der Emitter-Kollektor-Strecke des parallel geschalteten Transistors besteht.The invention has an arrangement for the prevention of switching voltages to the subject Switching an inductive load on and off exceed the permissible reverse voltage of a transistor. It now lies. the inductive load in series with the emitter-collector path of the transistor and a direct current source and also has a diode connected in parallel thereto, while on the other hand the inductive load additionally still from a series connection of a resistor and there is a capacitance with the emitter-collector path of the transistor connected in parallel.
Es vermag nun der vorliegenden Erfindung nicht abträglich zu sein, daß es an sich schon bekanntgeworden ist, einen elektronischen Schalter durch einen Kondensator und einen Widerstand zu überbrücken, die beide in Serie geschaltet sind. Auch hat man schon vorgeschlagen, sich hierbei einer zusätzlichen Spannungsquelle zu bedienen in der Absicht, die Transistorelektroden auf einem vorbestimmten Potential gegenüber der Basiselektrode zu halten.It cannot be detrimental to the present invention that it has already become known per se is to bypass an electronic switch with a capacitor and a resistor, which are both connected in series. It has also already been suggested that an additional Voltage source to operate with the intention of placing the transistor electrodes on a predetermined To keep the potential relative to the base electrode.
Das Wesen der Erfindung besteht nun demgegenüber darin, einen Widerstand mit der Basiselektrode des Transistors und einem Pol einer Spannungsquelle zu verbinden und dadurch die Transistor-Kollektor-Elektrode auf einem vorbestimmten maximalen Spannungswert zu halten. Im Stromkreis der Transistorelektroden liegende Dioden sind nun so geschaltet, daß die eine, über einen Widerstand kurzgeschlossene Diode mit entgegengesetzter Polarität an der anderen Diode liegt, während eine zur kurzgeschlossenen Diode in Reihe liegende Kapazität mit dem vom positiven Pol der Spannungsquelle abfließenden Strom gespeist wird. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, die weder bekanntgeworden ist, noch dem auf diesem Spezialgebiet der Technik versierten Fachmann naheliegend erscheint, werden bei den einzelnen Schaltperioden auftretende Überspannungen mit Sicherheit vermieden, da durch den in den Stromkreis der Basiselektrode eingeschalteten Begrenzungswiderstand der günstigste Arbeitspunkt der Schaltung von vornherein festgelegt ist. In dieser Beziehung unterscheidet sich der Erfindungsgegenstand ganz wesentlich und vorteilhaft von all seinen Vorgängern und zeichnet sich durch eine hinreichend stabile Schaltwirkung aus.In contrast, the essence of the invention consists in a resistor with the base electrode of the transistor and a pole of a voltage source to connect and thereby the transistor collector electrode at a predetermined maximum voltage level. In the circuit of the transistor electrodes lying diodes are now connected in such a way that one of them is short-circuited via a resistor Diode with opposite polarity is on the other diode, while one is to the short-circuited Diode capacitance in series with the current flowing from the positive pole of the voltage source is fed. By the measure according to the invention, which has not become known, nor the An expert experienced in this special field of technology seems obvious, will be with the Overvoltages occurring in individual switching periods are avoided with certainty, as the in the Circuit of the base electrode activated limiting resistor the most favorable operating point of the circuit is determined in advance. In this relationship the subject of the invention differs quite significantly and advantageously from all its predecessors and is characterized by a sufficiently stable switching effect.
Weitere Ziele und Vorzüge der Erfindung mögen aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung entnommen werden, deren zeichnerisches Ausführungsbeispiel inFurther objects and advantages of the invention may appear from the following detailed description can be taken, the graphic embodiment in
Fig. 1 eine Schaltung der Erfindung darstellt, während sich dieFig. 1 illustrates a circuit of the invention, while the
Anordnung zur Verhütung von Schaltspannungen, die größer sind als die zulässige Sperrspannung
eines Transistors beim An- und Abschalten einer induktiven BelastungArrangement to prevent switching voltages that are greater than the permissible reverse voltage
of a transistor when switching an inductive load on and off
Anmelder:Applicant:
North American Aviation, Inc.,North American Aviation, Inc.,
Los Angeles, Calif. (V. St. A.)Los Angeles, Calif. (V. St. A.)
Vertreter:Representative:
Dr.-Ing. H. Ruschke, Patentanwalt,Dr.-Ing. H. Ruschke, patent attorney,
Berlin 33, Auguste-Viktoria-Str: 65Berlin 33, Auguste-Viktoria-Str: 65
Als Erfinder benannt:Named as inventor:
Frank Louis Wiley, Long Beach, Calif. (V. St. A.)Frank Louis Wiley, Long Beach, Calif. (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:Claimed priority:
V. St. ν. Amerika vom 11. August 1959 (832 967)V. St. ν. America dated August 11, 1959 (832 967)
Fig. 2 und 3 auf graphische Darstellungen der einzelnen Betriebszustände dieser Schaltung beziehen.FIGS. 2 and 3 relate to graphic representations of the individual operating states of this circuit.
Die einen Transistor 1 aufweisende Schaltung erhält ihren Schaltimpuls über die Klemme 4 und führt dabei der Belastung 3 Energie aus der Gleichstromquelle 2 zu. Gleichzeitig ist die Emitterelektrode 5 des Transistors 1 an den positiven Pol (B+) einer Gleichstromquelle 2 und die Kollektorelektrode 7 des Transistors über einen Widerstand 8 und die Induktivität 9 an den negativen Pol (B ~) der Quelle 2 angeschlossen. Mit Hilfe eines zwischen dem negativen Pol der Spannungsquelle und der Basiselektrode 11 des Transistors 1 eingeschalteten Widerstandes 10 ergibt sich ein stabiler Arbeitspunkt für die P-N-P-Transistortype. Es sei im Zusammenhang damit darauf hingewiesen, daß es in der Technik allgemein bekannt ist, den Transistor 1 durch andere Ausführungen, beispielsweise durch einen N-P-N-Transistor, und die dargestellte Wicklung 9 durch andere Belastungswicklungen zu ersetzen. Die Kollektorelektrode 7 des Transistors 1 ist ferner über eine Reihenschaltung aus einer Diode 12 und einem Kondensator 13 mit dem positiven Pol der Spannungsquelle 2 verbunden und belastet die Induktivität (Spule 9), wenn der Transistor 1 gesperrt ist, wie später noch ausführlich erläutert werden soll. Die Diode 12 ist so gepolt, daß eine Aufladung des Kondensators 13 er-The circuit having a transistor 1 receives its switching pulse via the terminal 4 and supplies energy from the direct current source 2 to the load 3. At the same time, the emitter electrode 5 of the transistor 1 is connected to the positive pole (B + ) of a direct current source 2 and the collector electrode 7 of the transistor is connected via a resistor 8 and the inductance 9 to the negative pole (B ~) of the source 2. With the aid of a resistor 10 connected between the negative pole of the voltage source and the base electrode 11 of the transistor 1, a stable operating point results for the PNP transistor type. In connection with this, it should be pointed out that it is generally known in the art to replace the transistor 1 with other designs, for example with an NPN transistor, and the winding 9 shown with other load windings. The collector electrode 7 of the transistor 1 is also connected to the positive pole of the voltage source 2 via a series circuit of a diode 12 and a capacitor 13 and loads the inductance (coil 9) when the transistor 1 is blocked, as will be explained in detail later . The diode 12 is polarized so that the capacitor 13 is charged
409 588/369409 588/369
folgt durch den im Stromkreis, Kondensator 13, Diode 12, Widerstände und Wicklung9 vom positiven zum negativen Pol der Spannungsquelle 2 fließenden Gleichstrom. Parallel zur Diode 12 liegt ein Widerstand 17, über den sich der Kondensator 13 entladen kann. Die Anode der Diode 18 ist nun an den negativen Pol der Spannungsquelle 2 angeschlossen, während seine Kathode mit der Kollektorelektrode? des Transistors verbunden ist und auf diese Weise die an der Kollektorelektrode liegende Spannung auf einem vorherbestimmten Höchstwert hält. Eine weitere Diode 20 leitet im geeigneten Augenblick die von einem bistabilen Multivibrator 22 erzeugten und an die Klemme 4 angelegten Schaltimpulse zur Basiselektrode 11 des Transistors 1 weiter.followed by the one in the circuit, capacitor 13, diode 12, resistors and winding9 from the positive direct current flowing to the negative pole of voltage source 2. A is parallel to the diode 12 Resistor 17 through which the capacitor 13 can discharge. The anode of diode 18 is now on connected to the negative pole of voltage source 2, while its cathode is connected to the collector electrode? of the transistor is connected and in this way the voltage applied to the collector electrode holds at a predetermined maximum. Another diode 20 conducts at the appropriate moment the switching pulses generated by a bistable multivibrator 22 and applied to terminal 4 to the base electrode 11 of the transistor 1 on.
Die sich mit der erfindungsgemäßen Schaltanordnung ergebende Wirkung ist dabei nun folgende: Wird der Transistor 1 von einem negativen Multivibratorimpuls beaufschlagt, so wird dieser stromleitend. Im Schaltkreis, Kollektorelektrode 7, Widerstands. Spule9 und dem negativen Pol der Spannungsquelle 2 erreicht der Strom seinen Höchstwert, und der Transistor 1 strebt dem Sättigungszustand zu. Positive Multivibratorimpulse hingegen bewirken eine Sperrung des Transistors 1, was zur Folge hat, daß die am Kollektor? sich ausbildende Spannung im wesentlichen der negativen Spannung der Gleichstromquelle 2 entspricht. Der Transistor! stellt also einen Schalter dar, der durch Multivibratorimpulse je nach deren Polarität ein- und ausgeschaltet wird.The effect resulting from the switching arrangement according to the invention is now as follows: If the transistor 1 is acted upon by a negative multivibrator pulse, it becomes conductive. In the circuit, collector electrode 7, resistor. Coil9 and the negative pole of voltage source 2, the current reaches its maximum value, and the transistor 1 tends towards the saturation state. Positive multivibrator pulses, on the other hand, cause a Blocking of transistor 1, which has the consequence that the collector? developing tension in the substantially corresponds to the negative voltage of the direct current source 2. The transistor! so represents a switch that is switched on and off by multivibrator pulses depending on their polarity.
Im Einschaltzustand erhält die Belastungswicklung 9 Strom aus der Gleichstromquelle 2. Bei den ständig wechselnden Schaltvorgängen treten Überspannungen auf, die größer sind als die zulässige Sperrspannung des Transistors und die es erfindungsgemäß gilt, von ihm fernzuhalten. Nimmt man beispielsweise an, daß der Schaltkreis eingeschaltet ist und sich der Transistor 1 in einem Sättigungszustand befindet, so fließt ein starker Strom durch die Kollektorelektrode 7, den Widerstand 8 und die Wicklung 9, während bei Beaufschlagung mit einem positiven Multivibratorimpuls eine sofortige Abschaltung des Schaltkreises stattfindet.In the switched-on state, the load winding 9 receives power from the direct current source 2 Constantly changing switching processes lead to overvoltages that are greater than the permissible Blocking voltage of the transistor and which, according to the invention, must be kept away from him. Take for example indicates that the circuit is on and transistor 1 is in a saturation state is located, a strong current flows through the collector electrode 7, the resistor 8 and the winding 9, while when a positive multivibrator pulse is applied, the Circuit takes place.
Die an der Kollektorelektrode 7 liegende Spannung, die im wesentlichen gleich der positiven Batteriespannung entsprach, muß nun augenblicklich auf den negativen Wert der Spannungsquelle 2 abgebaut werden. Dem vermag aber der in der Wicklung 9 fließende Belastungsstrom nicht zeitlos zu folgen, so daß die überschüssige Schaltspannung einer Ableitung bedarf, wenn bei nachfolgender Sperrung des Transistors der Stromfluß vom positiven Pol der Gleichstromquelle durch den Emitter-Kollektor-Kreis unterbrochen ist. Um dem wirksam begegnen zu können, ist ein kapazitiver Kreis mit einer Diode 12 und einem Kondensator 13 vorgesehen. Tritt nun also eine Sperrung des Transistors 1 ein, so wird der durch die Induktivität 9 fließende Strom auf den Stromkreis mit der Diode 12 und dem Kondensator 13 umgeschaltet, wodurch sich die Möglichkeit ergibt, die Transistor-Kollektor-Spannung vom Kondensator 13 auf einem niedrigen Wert zu halten und damit übermäßige Schaltspannungen beträchtlich zu vermindern. Es findet eine fortgesetzte Aufladung des Kondensators 13 statt, die so lange anhält, bis die Spannung an der Kollektorelektrode 7, die allmählich abfällt, den negativen Gleichspannungswert der Batterie 2 erreicht, auf welchem Wert sie von der Diode 18 festgehalten wird. Daraus ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Schaltanordnung von der an sich bekannten Tatsache Gebrauch macht, durch eine kapazitive Belastung die Kollektorspannung auf ihrem Anfangswert zu erhalten. Wird nun nach Sperrung des Transistors 1 und Aufladung des Kondensators 13 an die Klemme 4 ein negativer Multivibratorimpuls angelegt, so bewirkt dieser ein Leitendwerden des Transistors, wobei infolge Nichtdurchlässigkeit der Diode 12 eine langsame Entladung des Kondensators 13 über den Widerstand 8 erfolgt.The voltage applied to the collector electrode 7, which is essentially equal to the positive Battery voltage must now be reduced to the negative value of voltage source 2 immediately will. However, the load current flowing in the winding 9 cannot follow this timelessly, so that the excess switching voltage requires a derivation if the subsequent blocking of the Transistor the current flow from the positive pole of the direct current source through the emitter-collector circuit is interrupted. In order to be able to counteract this effectively, there is a capacitive circuit with a diode 12 and a capacitor 13 is provided. If the transistor 1 is blocked, it will be through the inductance 9 switched current flowing to the circuit with the diode 12 and the capacitor 13, which makes it possible to reduce the transistor-collector voltage from the capacitor 13 to keep it at a low value and thus to reduce excessive switching voltages considerably. There is a continued charging of the capacitor 13, which continues until the voltage at the collector electrode 7, which gradually drops, the negative DC voltage value of the battery 2 reaches the value at which it is held by the diode 18. It can be seen that the inventive Switching arrangement makes use of the fact, known per se, by a capacitive load on the collector voltage to get their initial value. Is now after blocking transistor 1 and charging the capacitor 13 a negative multivibrator pulse is applied to terminal 4, this causes it to become conductive of the transistor, and as a result of the non-permeability of the diode 12, a slow discharge of the Capacitor 13 takes place via resistor 8.
In der Fig. 2 sind nun die Betriebsverhältnisse der erfindungsgemäßen Schaltung graphisch festgehalten. Dabei wird die Abhängigkeit der Arbeitsparameter (Kollektorstrom und Kollektorspannung) einer P-N-P Transistortype in den einzelnen Phasen verdeutlicht. Bei gesperrtem Transistor entspricht die Spannung an der Kollektorelektrode 7 dem negativen Potential (B ~) der Spannungsquelle 2 (dargestellt durch den Punkt 26 der F i g. 2). Wird der Transistorstrom durchlässig, d. h. kommt ein negativer Multivibratorimpuls zur Einwirkung, dann tritt der Schaltkreis in Funktion und bewegt den Arbeitspunkt zum Punkt 27, bei dem die Kollektorspannung im wesentlichen auf Null abgefallen ist, während sich der Kollektorstrom auf irgendeinen Zwischenwert einstellt. Die Neigung des Spannungsparameters 30 hängt dabei von der Größe des Widerstandes 17 ab. Nach Erreichen des Sättigungszustandes des Transistors hat sich der Arbeitspunkt von 27 zum Punkt 28 verschoben, der sich auf der jedem Transistor eigenen Sättigungscharakteristik 29 befindet. Während der Kollektorstrom von der Belastung bestimmt wird, richtet sich die Kollektorspannung wertmäßig nach dem Innenwiderstand. Bei Empfang eines positiven Multivibratorimpulses wird der Transistor wiederum gesperrt, was nun zur Folge hat, daß sich der Spannungsparameter vom Punkt 28 aus in der dargestellten Richtung zum Punkt 31 bewegt, um schließlich von dort aus zum Punkt 26 zurückzuwandern.The operating conditions of the circuit according to the invention are now graphically recorded in FIG. The dependency of the working parameters (collector current and collector voltage) becomes one P-N-P transistor type clarified in the individual phases. When the transistor is blocked, the corresponds to Voltage at the collector electrode 7 corresponds to the negative potential (B ~) of the voltage source 2 (shown through point 26 of FIG. 2). If the transistor current becomes permeable, i. H. comes a negative one Multivibrator impulse to act, then the circuit comes into operation and moves the operating point to point 27 at which the collector voltage has dropped to essentially zero while sets the collector current to some intermediate value. The slope of the tension parameter 30 depends on the size of the resistor 17. After reaching the saturation state of the transistor the operating point has shifted from 27 to point 28, which is specific to each transistor Saturation characteristic 29 is located. While the collector current is determined by the load, the value of the collector voltage depends on the internal resistance. Upon receipt of a positive Multivibrator pulse, the transistor is again blocked, which now has the consequence that the voltage parameter moved from point 28 in the direction shown to point 31 to finally from there to hike back to point 26.
Während in der Fig. 3a die Abhängigkeit und der Verlauf des Kollektorstromes in bezug auf die Zeit dargestellt sind, wird in der Fig. 3b die zeitliche Beziehung der Kollektorspannung zur Darstellung gebracht. Im Zeitpunkt tv der dem Punkt 26 der F i g. 2 entspricht, ist der Transistor 1, wie erwähnt, gesperrt. Die Spannung an der Kollektorelektrode 7 entspricht dabei im wesentlichen dem negativen Potential (B -) der Spannungsquelle 2. Der Kollektorstrom ist Null. Wird der Transistor 1 eingeschaltet, so sucht die Kollektorspannung rasch auf das positive Potential (B+) der Spannungsquelle anzusteigen, was im Zeitpunkt r2 erreicht ist. Zu dieser Zeit kann nun aber der Kollektorstrom nur wenig anwachsen. Im Zeitpunkt t3 hat sich die Kollektorspannung dann auf einen den physikalischen Gegebenheiten entsprechenden Arbeitswert eingestellt, der in der Nähe des positiven Potentials der Spannungsquelle liegt.While FIG. 3a shows the dependency and the course of the collector current with respect to time, FIG. 3b shows the time relationship of the collector voltage. At time t v of point 26 in FIG. 2, the transistor 1 is, as mentioned, blocked. The voltage at the collector electrode 7 corresponds essentially to the negative potential (B -) of the voltage source 2. The collector current is zero. If the transistor 1 is switched on, the collector voltage seeks to rise rapidly to the positive potential (B + ) of the voltage source, which is reached at time r 2 . At this time, however, the collector current can only increase a little. At time t 3 , the collector voltage has then adjusted to a working value corresponding to the physical conditions, which is close to the positive potential of the voltage source.
Innerhalb des Zeitintervalls t., bis t3 ist der Kollektorstrom exponentiell auf seinen Höchstwert mit einer Zeitkonstante angewachsen, die von der Induktivität der Wicklung 9 und dem Wert des ohmschen Widerstandes 8 bestimmt wird. Es soll nun angenommen werden, daß im Zeitpunkt i3 infolge eines positiven Multivibratorimpulses eine Umschaltung erfolgt, dann sinkt der Kollektorstrom wegen des Umschaltens des Belastungskreises der Wicklung 9 auf den kapazitiven Kreis des Kondensators 13 zwischen den ZeitpunktenWithin the time interval t 1 to t 3, the collector current has grown exponentially to its maximum value with a time constant which is determined by the inductance of the winding 9 and the value of the ohmic resistor 8. It should now be assumed that a switchover takes place at time i 3 as a result of a positive multivibrator pulse, then the collector current drops because of the switchover of the load circuit of winding 9 to the capacitive circuit of capacitor 13 between the times
ts und ί4 rasch auf den Wert Null ab, da ja nun der durch die Wicklung 9 fließende Strom den Kondensator 13 auflädt. Gleichzeitig beginnt aber auch die Kollektorspannung in steigendem Maß längs der Linie 35 abzusinken, deren charakteristischer Verlauf von der L-Ä-C-Zeitkonstanten des Kondensators 13, des Widerstandes 8 und der Induktivität 9 abhängt. Die Spannungsabnahme geht so weit, bis sie das negative Potential (B~) der Spannungsquelle 2 im Zeitpunkt f3 erreicht hat. Aus der graphischen Darstellung der F i g. 3 ist also zu ersehen, daß bei gesperrtem Transistor 1 die Kollektorspannung sich allmählich verändert und dadurch übermäßige Schaltspannungen am Transistor 1, die bei raschem Zusammenbruch des Magnetfeldes der Spule 9 entstehen wurden, verhütet werden. t s and ί 4 rapidly down to the value zero, since the current flowing through the winding 9 charges the capacitor 13. At the same time, however, the collector voltage also begins to decrease to an increasing extent along the line 35, the characteristic curve of which depends on the L-A-C time constants of the capacitor 13, the resistor 8 and the inductance 9. The voltage decrease continues until it has reached the negative potential (B ~) of voltage source 2 at time f 3 . From the graphic representation of FIG. 3 it can therefore be seen that when the transistor 1 is blocked, the collector voltage changes gradually and excessive switching voltages at the transistor 1, which arise when the magnetic field of the coil 9 collapses, are prevented.
Die gestrichelt gezeichnete Linie 32 in der Fig. 3 b stellt den sofortigen Abfall der Spannung an der Kollektorelektrode 7 dar. Sie würde dann auftreten, wenn man keinen kapazitiven Kreis verwendet. Ein solcher augenblicklicher Spannungsabfall an der Kollektorelektrode 7 würde die Dauerleistung des Transistors stark herabmindern.The dashed line 32 in FIG. 3 b represents the immediate drop in the voltage at the collector electrode 7. It would then occur if you don't use a capacitive circuit. Such an instantaneous voltage drop across the collector electrode 7 would greatly reduce the continuous output of the transistor.
Claims (3)
Buch von Jahn »Das Relais in der Praxis«, 1950, S. 48, Bild 34;
Buch von Mai er »Trockengleichrichter«, 1938,German Auslegeschrift No. 1 071133;
Jahn's book "The Relay in Practice", 1950, p. 48, image 34;
Book by Mai er "Trockengleichrichter", 1938,
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Also Published As
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