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Transistorschalter Die Erfindung betrifft einen Transistorschalter
mit Anordnung derEmitter-Kollektor-Strecken von mindestens zwei Transistoren in
einer Schaltstrecke mit kleinem Widerstand der Schaltstrecke bei Durchschaltung
und für hohe Sperrspannung der Schaltstrecke bei Unterbrechung mit Verbindung der
Basiselektroden an einem gemeinsamen Potentialpunkt und mit Hintereinanderschaltung
der Emitter-Kollektor-Strecken der Transistoren durch Verbindung ihrer Emitter-
oder Kollektorelektroden.
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Bekannte Einrichtungen dieser Art haben den Zweck, die Bedingungen
einer möglichst idealen Schaltfunktion zu erfüllen. Ideale Schaltfunktionen, die
sich z. B. durch-mechanische Schalter ausführen lassen, bestehen darin, daß die
Schaltstrecke bei Schließung des Schalters den Widerstand 0 und bei öffnung
des Schalters den Widerstand 00 annähernd erreicht. Mechanische Schalter,
die eine solche Widerstandscharakteristik aufweisen, haben jedoch den Nachteil,
daß für viele Fälle der Anwendung ihre Schaltgeschwindigkeit und ihre Betriebssicherheit
nicht ausreichend sind.
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Wenn Transistoren als Schalter verwendet werden, so besteht der Nachteil,
daß sie bei Durchschaltung einen Sättigungswiderstand und dadurch einen Spannungsabfall
aufweisen und daß bei Unterbrechung zwischen denElektrodenRestströmevorhanden sind.
Es ist bereits bekannt, an einem Transistorschalter den durch den Basisstrom hervorgerufenen
Spannungsabfall dadurch herabzusetzen, daß in einer Schaltstrecke die Emitter-Kollektor-Strecken
von zwei Transistoren hintereinander geschaltet werden, und zwar so, daß auf die
Emitter-Kollektor-Strecke des einen Transistors die Kollektor-Emitter-Strecke des
zweiten Transistors folgt. Eine solche Anordnung wird beschrieben in der Zeitschrift
»Sunction Transistors as Switches» by R. L. B r i g h t, Transactions of
the AIEE, March 1955, pages 55-156. Ein Nachteil dieser Anordnung besteht
darin, daß die Schaltstrecke bei Unterbrechung eine geringe Sperrspannung aufweist,
so daß die maximal zulässigen Schaltspannungen gering sind. Daraus ergibt sich eine
Beschränkun- für die Anwendung dieser Schalter.
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Transistorschalter der beschriebenen Art werden gemäß der Erfindung
dadurch verbessert, daß der gemeinsame Potentialpunkt mit jeder der Basiselektroden
und dem Verbindungspunkt der Emitter-Kollektor-Strecken der Transistoren durch einen
Richtleiter verbunden ist.
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Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß der Transistorschalter, der bei
Durchschaltung einen geringen Innenwiderstand aufweist, auch angewendet werden kann
in den Fällen, in denen bei Unterbrechung des Schalters eine hohe Sperrspannung
erforderlich ist. Eine solche Anwendung ist z. B. gegeben in Netzwerken der automatischen
Produktionslenkung, in denen Spannungen unterschiedlicher Größe durch Signalgeber
zu einem Analog-Digital-Wandler übertragen werden. Weitere kennzeichnende Merkmale
der Erfindung werden an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Die F i g. 1 zeigt die sechs Signalgeber 10 A bis 10
F, aus denen durch die Schalter 11 A bis 11 F wahlweise Analogsignale zu
dem Analog-Digital-Wandler 13 übertragbar sind. In diesem System besteht
jeder der Schalter 11A bis IIF aus einer Einrichtung, deren Funktion durch
die Darstellung der Einzelheiten des Schalters 11F näher erläutert sind. Dieser
Schalter hat die Aufgabe, die aus dem Signalgeber 10 F abgeleiteten Signale unverändert,
das heißt ohne, Verzerrung zudem Analog-Digital-Wandler 13 zu übertragen.
Es ist daher notwendig, daß der Schalter 11F bei Durchschaltung einen geringen Spannungsabfall
verursacht, und daß bei Unterbrechung des Schalters an seiner Eingangsklemme eine
hohe Sperrspannung besteht.
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Der Schalter 11F enthält die beiden NPN-Transistoren 31 und
32, die beiden Dioden 37 und 39,
eine Zener-Diode
38, die beiden Widerstände 34 und 35 und einen übertrager
33. Die Kollektorelektroden der beiden Transistoren 31 und
32 sind durch die Leitung 36 verbunden, und die Basiselektroden der
beiden Transistoren 31 und 32 sind über die Widerstände
34
und 35 und durch die Dioden 37 und 39
an den gemeinsamen Potentialpunkt
21 der Leitung 40 angeschlossen. Die Verbindung 36 der beiden Emitter-Kollektor-Strecken
der beiden Transistoren ist durch die Zener-Diode 38 und die Sekundärwicklung
33 A des Signalübertragers 33 mit dem gemeinsamen Potentialpunkt
21 verbunden.
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Die DurchschalWng des Schalters 11F erfolgt durch die Schließung der
Schaltstrecke zwischen den beiden Punkten 19 und 20. Die Durchschaltung erfolgt
durch ein Signal, das an der Sekundärwicklung des Signalübertragers 33 abgeleitet
wird. Die Spannung dieses Signals hat einen positiven Wert an Punkt 21 und einen
negativen Wert an Punkt 22. Es ist notwendig, daß das Steuersignal eine Spannung
aufweist, die ausreichend ist, um die Sperrspannungen der Diode 38 und der
Basis-Kollektor-Strecken der beiden Transistoren 31 und 32 zu überwinden,
Auf Grund der Entsperrung der Basis-Kohektor-Strecken fließt in jedem der Transistoren
ein Strom von der Basis zum Kollektor. Aus der nachfolgenden Erläuterung geht hervor,
daß der Transistorschalter durchgeschaltet ist, wenn in beiden Transistoren von
der Basis- zur Kollektorelektrode ein Strom fließt.
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Der in einem Transistor von der Basis- zur Kollektorelektrode fließende
Strom bewirkt ein Potential zwischen der Emitter- und der Kollektorelektrode des
Transistors. Dieses Potential bewirkt einen Spannungsabfall. Da der Transistor
31 und die mit ihm verbundene Schaltung identisch ist mit dem Transistor
32 und der mit ihm verbundenen Schaltung, haben die beiden Spannungsabfäffe
in den Transistoren die gleichen Werte. Wenn der Sigaalgeber 10
F
die Spannung am Punkt 19 ändert, so ändert sich auch die Spannung
am Punkt 20 um den gleichen Betrag. Diese Wirkung ergibt sich durch die Schließung
des Stromkreises vom Kollektor des Transistors 31 über die Leitung
36 und über den Kollektor zum Emitter des Transistors 32. In dieser
Leitung bestehen zwei Potentiale. Das erste Potential ist der am Transistor
31 entstandene Spannungsabfall und das zweite Potential ist der am Transistor
32 entstandene Spannungsabfall. Die Polarität der beiden Spannungsabfälle
ist so, daß der Emitter des Transistors 31 (Punkt 19) positiv ist
bezüglich des Kollektors des Transistors 31 (Punkt 41) und daß der Emitter
des Transistors 32 (Punkt 20) positiv ist bezüglich des Kollektors des Transistors
32 (Punkt 42). Beide durch die Basisströme hervorgerufenen Spannungsabfälle
heben sich gegenseitig auf, da sie gleich groß sind und entgegengesetzte Polaritäten
aufweisen. Wenn daher der Schalter 11F durchgeschaltet ist, wird das am Punkt
19 bestehende Potential nahezu unverändert zu dem Punkt 20 übertragen.
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Der Schalter 11F ist unterbrochen, wenn durch den übertrager
33 kein Signal übertragen wird. Wenn bei Unterbrechungen des Schalters der
Signalgeber 10F dem Punkt 19 eine Spannung zuführt, erhält entweder die Emitter-Basis-Strecke
des Transistors 31 oder die Emitter-Basis-Strecke des Transistors
32 eine sperrende Vorspannung. Die Sperrung von jeweils einer der beiden
Strecken ist abhängig von der Polarität der Spannung, die am Signalgeber 10F abgeleitet
wird. Ist diese Spannung am Punkt 19 positiv, so wird die Emitter-Basis-Strecke
des Transistors 31 gesperrt, und wenn diese Spannung am Punkt 19 negativ
ist, wird die Emitter-Basis-Strecke des Transistors 32 gesperrt. Wenn daher
der Schalter 11F gesperrt ist, können die Spannungsänderungen des Punktes
19 am Punkt 20 nicht wirksam werden.
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Unter der Voraussetzung, daß die Dioden 37, 38
und
39 nicht vorhanden sind, wird die Sperrspannung lediglich gebildet durch
die Spannungen der Emitter-Basis-Strecken der Transistoren 31 und
32. Die Emitter-Basis-Sperrspannung eines Transistors ist verhältnismäßig
gering, so daß durch den Schalter nur eine geringe Sperrspannung gebildet werden
könnte. Wenn die Dioden 37, 38 und 39 nicht vorhanden sind, so bewirkt
eine am Punkt 19 vorhandene positive Spannung, welche die Emitter-Basis-Sperrspannung
des Transistors 31 überwindet, einen Strom vom Punkt 19 zum Punkt
20 über zwei Pfade. Der erste Strompfad verläuft von der Basis des Transistors
31 über die Leitung 40 zur Basis des Transistors 32 und von dort zum
Emitter des Transistors 32. Die am Punkt 19 bestehende positive Spannung,
die die Sperrspannung der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 31 überwindet,
bewirkt ferner die Entsperrung der Basis-KoRektor-Strecke des Transistors
31. Es kann daher ein Strom fließen vom Emitter des Transistors
31 über dessen KoIlektor und den Signalübertrager 33 zur Basis des
Transistors 32 und von dort zu dessen Kollektor. Wenn am Punkt
19 eine negative Spannung entsteht, ergibt sich über die beiden Transistoren
ein Stromkreis in umgekehrter Reihenfolge.
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Die beiden erwähnten Strompfade können durch die Anordnung der Dioden
37, '38 und 39 gespent werden. Der erstgenannte Strompfad wird gesperrt
durch die Dioden 37 und 39, und der zweite Strompfad wird gesperrt
durch die Zener-Spannung der Diode 38. Durch die in F i g. 1 dargestellte
Einrichtung wird der Betrag der Sperrspannung normalerweise begrenzt auf die Sum
me des Sperrspannungsbetrages der Emitter-Basis-Strecke des einen Transistors und
die Zener-Spannung der Diode 38. Wenn indessen die obengenannte Summe die
Summe der Sperrspannungen der Emitter-Basis-Strecke des einen Transistors
und der Kollektor-Basis-Strecke des anderen Transistors überschreitet, hat der Transistorschalter
eine Sperrspannung, die der Summe der Sperrspannungen der Emitter-Basis-Strecke
des einen Transistors und der Kollektor-Basis-Strecke des anderen Transistors entspricht.
Die maximal erreichbare Sperrspannung des Transistorschalters wird durch die genannte
Maßnahme erhöht um einen Betrag, welcher der Zener-Spannung der Diode
38 entspricht.
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Wie aus der Darstellung der F i g. 1 hervorgeht, enthält der
Signalübertrager 33 die Primärwicklung 33B und die Sekundärwicklung
33A. Ein Signal vorgegebenerPolarität und ausreichenderAmplitude, das der
Wicklung 33 B zugeführt wird, erzeugt in der Wicklung 33A ein sekundäres
Signal, das den Transistorschalter für die Dauer des Signals durchschaltet.
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Für die Arbeitsweise des Transitorschalters ist es notwendig daß bei
Unterbrechung der Schaltstrecke der Stromkreis über die Zener-Diode 38 unterbrochen
ist.
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Der in Fig. 1 dargestellte Transistorschalter hat den Nachteil,
daß für den Betrieb des Signalübertragers 33 eine verhältnismäßig große Signalspannung
erforderlich ist, weil sie die Aufgabe hat, zusätzlich zur Entsperrung der Basis-Emitter-Strecken
der Transistoren 31 und 32 eine Durchschaltung der Diode
38 herbeizuführen. Dieser Nachteil wird vermieden
durch
den in F i g. 2 dargestellten Transistorschalter.
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Der in F i g. 2 dargestellte Transistorschalter entspricht
in allen Teilen dem Transistorschalter nach F i g. 1, mit der Ausnahme, daß
die Zener-Diode 38
durch den Transistor 48 ersetzt wird. Um die Schaltstrecke
des Transistors durchzuschalten, wird durch den Signalübertrager 33' eine
Spannung erzeugt, die bezüglich des Punktes 21' positiv und bezüglich des Punktes
47 negativ ist. Es fließt daher ein Strom durch den Widerstand 46, wodurch eine
Steuerspannung gebildet wird, welche die Emitter-Basis-Strecke des Transistors 48
entsperrt. Dadurch ergibt sich ein Strom von dem Kollektor des Transistors 48 zu
dem Emitter des Transistors 48. Das Potential am Punkt 21' wird dadurch positiv
bezüglich des Punktes 22', wodurch der Schalter 11F durchgeschaltet wird. Wenn am
Signalübertrager 33' keine Steuerspannung besteht, fließt durch den Transistor
48 kein Strom, so daß die Schaltstrecke des Transistorschalters 11F unterbrochen
ist. Der Vorteil der in F i g. 2 dargestellten Einrichtung besteht darin,
daß der Schalter durch eine verhältnismäßig kleine Signalspannung durchgeschaltet
werden kann. Für die Durchschaltung der Schaltstrecke ist nur ein Signal erforderlich,
dessen Größe ausreichend ist, um den Transistor 48 zu entsperren. Ferner ergibt
sich die maximale Sperrspannung des in F i g. 1 dargestellten Transistorschalters,
die durch die Unterbrechung der Schaltstrecke gesperrt werden kann, aus der
Summe der Spannungen der Basis-Emitter-Strecke des einen Transistors und
der Zener-Sperrspannung der Diode 38. Wenn nur ein Steuersignal kleiner Spannung
zur Verfügung steht, muß eine Zener-Diode 38 gewählt werden, die eine verhältnismäßig
geringe Zener-Sperrspannung aufweist. Daraus ergibt sich andererseits eine geringe
Sperrspannung bei Unterbrechung der Schaltstrecke des Transistorschalters. Durch
den in F i g. 2 dargestellten Transistorschalter kann bei Unterbrechung der
Schaltstrecke eine Sperrspannung erzielt werden, die entweder der Summe entspricht,
die gebildet wird durch die Emitter-Basis-Sperrspannung des einen Transistors
31' oder 32' und der Kollektor-Basis-Sperrspannung des anderen Transistors
31' oder 32',
oder der Betrag besteht aus der Summe der Emitter-Basis-Sperrspannung
des einen Transistors 31' oder 32' undderKollektor-Basis-SperrspannungdesTransistors48.
Da Transistoren normalerweise eine verhältnismäßig große Kollektor-Basis-Sperrspannung
aufweisen, ergibt sich für den in F i g. 2 dargestellten Transistorschalter
eine hohe Sperrspannung, wenn dessen Schaltstrecke unterbrochen ist.
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Die in den F i g. 1 und 2 dargestellten Transistorschalter
enthalten NPN-Transistoren. Transistorschalter, welche das gleiche Betriebsverhalten
aufweisen, können auch dargestellt werden durch PNP-Transistoren. Wenn PNP-Transistoren
in einer Schaltung angewendet werden, die den Ausführungen der F i g. 1 und
2 entspricht, so ist es notwendig, die Dioden 37 bis 39 in entgegengesetzter
Polung anzuordnen. Bei den Ausführungsbeispielen der F i g. 1 und 2 sind
die Schalttransistoren 31, 32 bzw. 31', 32' so angeordnet, daß ihre
Emitterelektroden mit den Ein-bzw. Ausgangsklen-unen 19, 20 verbunden sind
und daß ihre Kollektorelektroden an einem Punkt verbunden sind. Die Transistorschalter
können jedoch auch so ausgebildet sein, daß die beiden Schalttransistoren
31, 32 bzw. 31', 32' eine entgegengesetzte Polung aufweisen
d. h., daß ihre Kollektorelektroden mit den Ein-, Ausgangsklemmen
19, 20 und ihre Emitterelektroden an einem Punkt verbunden sind.