-
Steuerbarer Nebenschluß für gering belastbare Spannungsquellen, insbesondere
Meßkondensatoren in Verzögerungsschaltungen In vielen Fällen der Steuerungstechnik
ist es erforderlich, eine Spannungsquelle oder einen Teilwiderstand eines hochohmigen
Spannungsteilers kurzzuschließen. Sollen die Parameter der kurzzuschließenden Schaltelemente
auch im offenen Zustand des »Kurzschließers« nicht von diesem beeinflußt werden,
sind gewisse Forderungen einzuhalten. Da man nicht immer von einem »Kurzschließen«
sprechen kann, weil auch im Kurzschlußfall noch ein endlich großer Restwiderstand
vorhanden ist, soll im weiteren der Kurzschließer allgemein als steuerbarer Nebenschluß
bezeichnet werden. Zur Erläuterung wird angenommen, daß eine gering belastete Spannungsquelle
kurzzuschließen ist. Hierbei sei noch erwähnt, daß unter einer gering belastbaren
Spannungsquelle eine Spannungsquelle mit sehr große R, verstanden wird, die nahezu
im Leerlauf arbeitet.
-
An den steuerbaren Nebenschluß sind deshalb folgende Forderungen zu
stellen: 1. RND > Rt. 2. RNK < Rc. Dabei ist Rt der Innenwiderstand
der Spannungsquelle, RND der Widerstand des Nebenschlusses im offenen und RNK der
Widerstand im kurzgeschlossenen Zustand.
-
Ähnlich liegt die Situation auch beim Kurzschließen eines Meßkondensators
(z. B. in einer Zeitrelaisschaltung auf RC-Grundlage mit sehr hochohnügem Aufladewiderstand).
Hier ist es wichtig, den Kondensator während des eigentlichen Meßvorganges und auch
danach nur unwesentlich zu belasten. Andererseits muß aber im Kurzschlußmoment der
Widerstand des Nebenschlusses sehr niedrig sein, wenn die Entladezeit begrenzt ist.
Außerdem darf der Nebenschluß durch den Entladestrom des Kondensators nicht überlastet
werden. Man muß also an den steuerbaren Nebenschluß folgende Forderungen stellen:
1. RNg Rauf . 2. RKN E conttc, 3- IrtzuC > jentma, Darin ist Rau,
der Aufladewiderstand der RC-Kombination und -reut die maximal zulässige Entladezeitkonstante.
luzid ist der zulässige Nebenschlußstrom, leutmux der maximal auftretende Entladestrom
des Kondensators.
-
Man erkennt, daß beim Kurzschließen eines Meßkondensators die größten
Anforderungen an den steuerbaren Nebenschluß gestellt werden. Daher sollen alle
weiteren Betrachtungen auf diesen Fall bezogen werden.
-
Ein mechanischer Schalter erfüllt bei richtiger Kontaktbemessung alle
drei Forderungen. Die moderne Steuerungstechnik kann jedoch infolge der notwendigen
Vergrößerung der Arbeitsgeschwindigkeit und den gestiegenen Sicherheitsforderungen
häufig nicht mehr mit Kontakten arbeiten.
-
Wird aber ein kontaktloser steuerbarer Nebenschluß verwendet, treten
wesentliche Schwierigkeiten auf. Diese Schwierigkeiten bestehen im wesentlichen
aus zwei Gründen. Bei durchgesteuertem Transistor - entspricht dem geschlossenen
Schalter - besteht noch eine Restspannung. Bei gesperrtem Transistor - entspricht
dem geöffneten Schalter - stört der stark temperaturabhängige Sperrwiderstand. Zur
Behebung der erstgenannten Schwierigkeiten ist es bereits bekannt, im Verbraucherpfad
ein Schwellwertglied, z. B. eine Diode, einzuschalten, dessen Schwellwert die Restspannung
des durchlässigen Halbleiterschalters überschreitet. Ist der Nebenschluß ein normaler
Flächentransistor auf Germaniumgrundlage, dann ist der Kollektorreststrom, wie schon
erwähnt, stark temperaturabhängig. Auch wenn der Transistor durch einen positiven
Basisstrom bis auf den KolIektorreststrom in Basisschaltung gesperrt wird, bleibt
doch die temperaturabhängige Widerstandsänderung sehr hoch. Bei einer Kollektorspannung
von 12 V wird der Sperrwiderstand sich in einer Funktion nach F i g. 1 in Abhängigkeit
von der Umgebungstemperatur ändern (ausgezogene Kurve). In dem üblichen Temperaturbereich
von -10 bis -f-50° C ändert sich also der Sperrwiderstand um den Faktor 0,4 bis
80.
Abhilfe schafft hier die Verwendung eines Nebenschlusses auf
Siliziumbasis. Bei einem Siliziumtransistor sind die Restströme der Sperrschichten
auf Grund des anderen Halbleitermaterials um eine Zehnerpotenz niedriger. In dem
betrachteten Temperaturbereich würde sich der Sperrwiderstand nur um den Faktor.0,95
. : : 1,5 ändern (gestrichelte Kurve F i g. 1).
-
Außerdem beträgt bei einem Siliziumtransistor der Sperrwiderstand
bei 5D° C noch 10 bis 20 MOhm (!). Bei der Verwendung von Siliziumtransistoren bestehen
jedoch wesentliche Nachteile darin, daß die Signalverstärkung für Signale, die den
Transistor bis zur Sätttigung aussteuern, im Mittel nicht größer als 20 ist und
der Preis eines Siliziumtransistors bedeutend höher ist als der eines ähnlichen
Germaniumtransistors. ,.
-
Aufgabe der Erfinäung ist es deshalb, eine Schaltungsanordnung für.,
einen steuerbaren Nebenschluß zu schaffen, die deü Forderungen nach einem möglichst
hohen und temperaturunabhängigen Sperrwiderstand und einer geringen Steuerleistung
gerecht wird. Dabei sind die Kosten möglichst gering zu halten.
-
Erfindungsgemäß *ird 'die Aufgäbe dadurch gelöst, daß ein .Transistor:
mit `einem stark temperaturabhängigen Sperrstrom und- einem im Verbraucherpfad befindlichen
Richtleiter mit der dem Ein- und Ausgang gemeinsamen Elektroale des Transistors
an dem einett "Pol der `kurzzuschließenden Spannungsquelle liegt und daß.:zwischen
dem anderen Pol dieser Spannungsquelle und der Ausgangselektrode des Transistors
der Richtleiter mit annähernd temperaturunabhängigem Reststrom so eingeschaltet
ist, daß dieser während Aes Sperrzustandes des Transistors gesperrt und während
des .Durchlaßzustandes durchlässig ist.
-
Nach weiteren Merkmalen der Erfindung wird der Transistor durch den
Spannungsabfall an einer Diode im Emitterkreis gesperrt. Außerdem .dient die an
der Diode abfallende Spannung als Formierspannung für den Elektrolytkondensatör.
in einer Zeitrelaisschaltung.
-
Der Erfindungsgedanke soll an Hand der F i g. 1 bis 4 näher erläutert
werden. Dabei stellt dar F i g. l die prinzipielle Abhängigkeit des Sperrwiderstandes
eitles Germanium- bzw. Siliziumtransistors von der Temperatur in normierter Darstellung,
Kurve a = Siliziumtransistor, Kurve b = Germaniumtransistor, F i g.
2 a Prinzipschaltung für den erfindungsgemäßen Nebenschluß einer gering belastbaren
Spannungsquelle, F i g. 2 b ein Ersatzschaltbild für .den geöffneten Nebenschluß,
F i g. 2 c ein Ersatzschaltbild für den geschlossenen Nebenschluß, F i g. 3 die
prinzipielle Abhängigkeit des Widerstandes des steuerbaren geöffneten Nebenschlusses
von der Temperatur, Kurve a = Siliziumtransistor, Kurve b = erfindungsgemäße Transistor-Dioden-Kombination,
F i g. 4 ein Schaltungsbeispiel eines temperaturunabhängigen Nebenschlusses in einer
Zeitrelaisschaltung.
-
In F i g. 2 a ist als steuerbarer Nebenschluß ein Transistor in Emitterschaltung
verwendet. Seine Basis liegt über den Widerstand R2 an der Spannung + U3, der Kollektor
über den Widerstand R1 an der Spannung - U1, der Emitter ist mit Pol a der nebenzuschließenden
Spannungsquelle - U., verbunden. Der Kollektor wird weiterhin durch den Richtleiter
Dl, hier eine Diode mit temperaturunabhängigem Sperrstrom (Siliziumdiode), und den
Widerstand R3 an den Pol b der obengenannten Spannungsquelle - U., angeschlossen.
-
Grundbedingung für das Funktionieren der Anordnung ist: 1 -Uli - U2!
(1) Auf diese Bedingung wird im weiteren noch eingegangen.
-
Der Transistor T erhält über den Widerstand R., eine positive Basisspannung.
In diesem Fall gilt das Ersatzschaltbild nach F i g. 2 a. Darin ist der gesperrte
Transistor T durch den offenen Schalter ST symbolisiert. Parallel
dazu liegt aber der temperaturabhängige Sperrwiderstand R."...,. Bei der obenerwähnten
Bedingung (1) liegt also an der Anode der Diode eine negativere Spannung als an
der Kathode. Die Diode sperrt (RD-#> oo). Das bedeutet, die Belastung der Spannungsquelle
- U2 ist zu vernachlässigen.
-
Die temperaturabhängige Widerstandsänderung zeigt F i g. 3 im Vergleich
mit einem Siliziumtransistor. Man erkennt, daß sich die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
hinsichtlich des Sperrwiderstandes und dessen Temperaturabhängigkeit mindestens
genauso wie ein handelsüblicher Siliziumtransistor verhält.
-
In F i g. 2 c wird der Fall betrachtet, bei dem am Eingang des Transistors
eine negative Spannung liegt und diese bis zur Kniespannung ausgesteuert ist. Jetzt
hat die Anode der Diode D1 ein positiveres Potential als die Kathode (1-Uknie1<
1-U2j), und die Spannungsquelle - Uz wird durch die Reihenschaltung der Widerstände
(RD+RD",h+R3) geshuntet.
-
Der Transistor T ist wieder durch den Schalter ST
symbolisiert.
Er wird vom Strom i = il + 1, durchflossen. Der Widerstand R3 soll strombegrenzend
wirken, wenn die Spannungsquelle - U2 durch einen aufgeladenen Kondensator gebildet
wird. Dieser Fall ist in F i g. 4 als beispielsweise Schaltung für den steuerbaren
Nebenschluß eines Meßkondensators einer kontaktlosen Zeitrelaisschaltung gezeigt.
-
Alle nicht unmittelbar zur erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung A
gehörenden Bauelemente sind nicht näher bezeichnet.
-
Im Ruhezustand ist die Basis des Transistors T über die Diode D2 gegenüber
dem Emitter positiv vorgespannt. Der Transistor T ist gesperrt, und die Kapazität
C kann sich aufladen. Dabei ist die nachfolgende Überwachungsschaltung B so dimensioniert,
daß sich C nur auf - U2 aufladen kann. Bei der schon erwähnten Bedingung (1) wird
die Diode Dl in jedem Fall gesperrt sein. Erhält der Transistor T nun einen zum
Aussteuern ausreichend negativen Basisstrom, wird auch Dl durchlässig, und die Kapazität
C kann sich bis auf URest = (U3 + UKrrte + UDfode) entladen.
-
Da in Zeitrelaisschaltungen häufig Elektrolytkondensatoren verwendet
werden, ist diese verbleibende
Restspannung Ux"t nur wünschenswert;
denn es liegt dann in jedem Fall im Ruhezustand eine Formierspannung an der Kapazität.
-
Die Größe des Widerstandes R, richtet sich nach dem maximal zulässigen
Kollektorstrom des Transistors T, der minimal geforderten Entladezeitkonstante und
des für die Steuerung des Transistors T zur Verfügung stehenden Steuerstromes.
-
Durch die erläuterte Schaltungsanordnung eines steuerbaren temperaturunabhängigen
Nebenschlusses wurde eine Einrichtung geschaffen, die es bei den angeführten Bedingungen
gestattet, auf Siliziumtransistoren zu verzichten.