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Schaltungsanordnung zur Kompensation der Leerlaufrestspannung bei
einem Transistorschalter Zum Schalten vieler elektrischer Vorgänge war man lange
Zeit ausschließlich auf mechanische Schalter angewiesen. Diese Schalter arbeiten
zwar bis zu einem gewissen Grad einwandfrei und sicher, doch ist wegen der zu einer
Betätigung notwendigen mechanischen Kraft die zum Bewegen einer Masse erforderlich
is4 von vornherein der Geschwindigkeit eines Schaltvorganges eine Grenze gesetzt.
Diese Begrenzung der Schaltgeschwindigkeit ist für neue Schaltaufgaben der Technik
nicht mehr ausreichend. Darüber hinaus ist die Lebensdauer von mechanischen Schaltern
relativ gering.
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Das Bestreben, solche Nachteile zu vermeiden, hat dazu geführt, an
Stelle von mechanischen Schaltelementen, z. B. Relais, Elektronenröhren zu verwenden.
Durch deren Verwendung in Schaltern hat man zwar einzelne Verbesserungen erreichen
können, doch brachte diese Entwicklung auf der anderen Seite -einen erheblichen
Unsicherheitsfaktor infolge des erhöhten Schaltungsaufwandes, z. B. an Heizleistung,
mit sich, so daß derartige Schalter auf besondere Anwendungsgebiete beschränkt blieben.
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Erst mit der Einführung des Transistors gewann der elektronische Schalter
seine jetzige Bedeutung. Schalter, die aus Transistoren aufgebaut sind, sogenannte
Transistorschalter, arbeiten nahezu trägheitslos und lassen deshalb erheblich kleinere
Schaltzeiten zu als beispielsweise mechanische Schalter. Im Verhältnis zu den bisher
bekannten elektronischen Röhrenschaltern benötigen die Transistorschalter nur einfache
Schaltungen, so daß der Schaltungsaufwand wesentlich reduzierbar ist. Weiterhin
sind sie sowohl in ihrer Zuverlässigkeit als auch in ihrer Genauigkeit für viele
Schaltaufgaben mechanischen Schaltern weit überlegen. Darüber hinaus übertrifft
aber auch ihre Lebensdauer bei weitem die mechanischer Schalter.
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Die bisher bekannten Transistorschalter weisen durch ihr statisches
Verhalten folgenden Nachteil auf: Das statische Verhalten eines Schalters läßt sich
stets durch zwei Kennlinien darstellen. Die eine ist die Leitkennlinie, und die
andere ist die Sperrkennlinie. Bei einem idealen Schalter würden diese Kennlinien
auf den Achsen eines rechtwinkligen Koordinatensystems liegen, in dem auf der einen
Achse der Strom und auf der anderen Achse die Spannung aufgetragen ist. Während
die Kennlinien eines mechanischen Schalters diesem Idealfall recht nahe kommen,
erfüllt ein aus Transistoren aufgebauter Schalter im allgemeinen diese Bedingungen
nicht, da bei ihm einmal auch im gesperrten Zustand ein Strom fließt, der allgemein
als Sperrstrom bezeichnet wird, und zum anderen auch im leitenden Zustand an dem
Transistor sowohl ein Spannungsabfall als auch ein Durchlaßwiderstand gemessen wird.
Diese auf das Schaltverhalten eines Transistorschalters einwirkenden Einflüsse können
bekanntlich verringert werden, wenn man den Transistor nicht im Normalbetrieb, sondern
ün Inversbetrieb betreibt.
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In den F i g. 1 a und 1 b wurden die Kennlinien eines
idealen Schalters sowohl für den gesperrten (F i g. la) als auch für den
leitenden Zustand (F ig. lb) neben den Kennlinien eines aus einem Transistor bestehenden
Transistorschalters aufgezeichnet. Die beim Transistorschalter im leitenden Zustand
W i g. 1 b) auftretende Durchlaßrestspannung wird mit UO, der im gesperrten
Zustand (F i g. 1 a) ffießende Sperrstrom wird mit I.,p bezeichnet.
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Das in der F i g. 2 b dargestellte Ersatzschaltbild
des in der F i g. 2 a abgebildeten Transistorschalters besteht aus der Serienschaltung
einer Spannungsquelle UO mit einem Widerstand RO und einem Schaltkontakt sowie einer
dazu parallelgeschalteten Stromquelle I." mit einem eingeprägten Strom. Der Zweig
mit der Spannungsquelle U, und dem Widerstand R, gilt dabei für den leitenden
Zustand, während der andere Zweig mit der Stromquelle I" für den gesperrten Zustand
gilt.
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Dieses Ersatzschaltbild gilt nur innerhalb eines Spannungsbereiches,
der durch die an den Transistor angelegte Sperrspannung begrenzt wird. Bei höheren
Spannungen wird die Emitter-Basis-Diode leitend. Die Werte für die Ersatzgrößen
im leitenden Zustand (U, und RO) sind für einen Germaniumflächentransistor
in
Abhängigkeit vom Basisstrom des Transistors in den Fig.3a und 3b dargestellt.
Eine von diesem Ersatzschaltbild abgeleitete Sperrkennlinie zeigt die F i
g. 4.
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Während bei einem mechanischen Schalter irn gesperrten Zustand praktisch
kein Strom fließt, da der Kontakt geöffnet ist, der Schalter also dann ein nahezu
ideales statisches Verhalten zeigt, fließt bei einem Transistorschalter in seinem
Sperrzustand auch ein Sperrstrom. Ebenso wird im leitenden Zustand nicht die Spannung
Null gemessen, sondem eine Restspannung U2, die sich aus der Leerlaufrestspannung
U, und dem Produkt aus Strom und Durchlaßwiderstand I - R,
zusammen
setzt (U2 = UO + I - R.). Wenn
hohe Anforderungen an die Genauigkeit des Schalters gestellt werden müssen oder
wenn. sehr kleine Spannungen geschaltet werden, sollen, dann ist der Fehler, der
durch die Spanhung-U0, den Durchlaßwiderstand R, und den Sperrstrom I" verursacht
wird, nicht mehr vernachlässigbar. Das Bestreben geht. also dahin, bei Transistorschaltem
einmal im Durchlaßbereich die störende Leerlaufrestspannung und zum anderen im Sperrzustand
den, fließenden Sperrstrom zu beseitigen.
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Es sind bereits Schaltungen bekannt, durch die man die bei Tränsistorschaltem
auftretende Spannung kompensieren kann. Diese Schaltungen beruhen im wesentlichen
darauf, daß zwei Transistoren, die jeweilg gleiche Kemidaten besitzen, so in Serie
ge-#chaltet sind, daß' sich die Leerlaufrestspannungen der beiden Transistoren kompensieren.
Die F i g. 5 a zeigt einen bekannten elektronischen Schalter, der zur Kompensation
der Leerlaufrestspannung zwei in Seri.e geschaltete Transistoren Tl und T2 enthält,
die - 'jeweils - gleiche - - Leerlaufrestspannungen
- aufweiseilAn der F i g-. 5 b ist das entsprechende Ersatzschaltbild
für den leitenden Zustand dargestellt.
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Durch eine solg:he Kompensationsschaltung gelingt es.' zwar-, die
im, leitenden Zustand auftretende störend 6 Leerlatifrestspannung zu kompensieren,
doch fließt nach wi e vor im Sperrzustand ein beträchtlicher Sperrstrom. Die Sperrkennlinien
der einzelnen, Transistoren Tl und T 2 der F i g. 5 a zeigen jeweils die
F i g. 6 a und 6 b, während die Sperrkennlinie des gesamten, aus der
Serienschaltung der Transistoren Tl und T2- bestehenden Transistorschalters
- in der F i g. 7 dargestellt ist. Diese Kennlinie für das Sperrverhalten
ergibt sich durch Addition der aus den Kennlinien der einzelnen Transistoren ermittelten
Spannungen bei gleichen Strömen.
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Ein bedeutender Nachteil, der diesen Kompen-.sationsschaltungen anhaftet,
ist der, daß der resultierende Schaltwiderstand, also der Durchlaßwiderstand RO
des Transistorpaares im leitenden Zustand etwa doppelt so groß ist wie bei einem
Schalter mit einem Transistor. Besonders nachteilig -wirkt sich diese Tatsache dann
aus, wenn der Schalter vor einer Schaltung mit niedrigem Eingangswiderstand liegt,
da dann ein entsprechend großer ,Fehler durch Spannungsteilung auftritt. Der hohe
Schaltwiderstand wirkt aber dann auch störend, wenn der Schalter vor einem Meßübertrager
liegt, da die - dann entstehende induktive Belastung eine entsprechend große
Dachsehräge des Spannungsimpulses mit sich bringt. Diese Eigenschaft ist dann besonders
unangenehm, wenn wegen des erheblich kleineren Sperrstromes an Stelle von Germaniumtransistoren
Siliziumtransistoren verwendet werden. Da nämlich der Durchlaßwiderstand RO bei
Siliziumtransistoren in der Regel etwa um einen Faktor 3
größer ist als bei
Germaniumtransistoren, ist der bei Serienkompensation auftretende Schaltwiderstand
ebenfalls um diesen Faktor größer.
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Eine solche Kompensation ist jedoch grundsätz# lieh an die Bedingung
geknüpft, daß die verwendeten Transistoren nicht nur gleichen Typs sind, sondern
daß sie darüber hinaus auch noch in ihren speziellen Kenndaten (z. B. Leerlaufrestspannung
und Temperaturkoeffizient der Leerlaufrestspannung) sehr genau übereinstimmen müssen.
Wegen der unvermeidbaren Streuung dieser Werte - selbst bei Transistoren
gleichen Typs und gleicher Fertigung bedeutet das, daß die in solchen Kompensationsschaltungen
verwendeten Transistoren ausgesucht werden müssen.
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Dieser Nachteil trifft aber auch auf solche bekannte Transistorschaltungen
zu, die ebenfalls aus zwei Transistoren aufgebaut sind, bei denen die
Transistoren
jedoch nicht in Serie, sondern anti-m parallel geschaltet sind. In derartigen Schaltungen
wird die Kompensation der Leerlaufrestspannung U6
über die Kurzschlußströme
der beiden Transistoren erreicht. Um hier den gewünschten Effekt, nämlich eine Verbesserung
des Schaltverhaltens, zu erreichen, ist es stets erforderlich, in ihren speziellen
Werten identische Transistoren zu verwenden. Diese Forde, rung bedeutet, daß die
einzelnen, paarweise zu ver7 wendenden Transistoren vor ihrer Verwendung auf vollständige
Identität ihrer Daten geprüft werden' müssen.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen elektronisch - en Schalter
anzugeben, durch den die vorher genannten Vorteile elektronischer Schalter, wie
z. B *
,sehr kurze Schaltzeiten, lange Lebensdauer, große Zuverlässigkeit
usw., gewährleistet und mit einem guten statischen Verhalten verbunden, wobei gleichzeitig
die Nachteile bekannter. Kompensationsschaltungen vermieden werden.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Verhältnis
von Leerlaufrestspannung zu Durchlaßwiderstand (Kurzschlußstrom) jedes der beiden
Transistoren auf einen gleichen Wert einstell-.bar ist.
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Die Nachteile der bekannten Transistorschalter sind auf diese Weise
vermeidbar. So ist einmal der Schaltwiderstand (Durchlaßwiderstand R.) erheblich
kleiner als der eines in Serie geschalteten Transistorpaares. Zum anderen ist die
Kompensation der Leerlaufrestspannung, die über die Kurzschlußströme erfolgt, unabhängig
von genauen Kenndaten der verwendeten Transistoren, da gemäß der Erfindung bei einem
Transistorschalter der Kurzschlußstrom jedes Transistors eine Funktion seines Basisstromes
ist, also durch Änderung des Basisstromes leicht eingestellt werden kann.
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Ein zusätzlicher Vorteil eines gemäß der Erfindung aufgebauten Schalters
besteht darin, daß bei nahezu symmetrischen Transistoren - und nur solche
finden wegen des kleinen Durchlaßwiderstandes RO zum Schalten kleiner Spannungen
Verwendung - der Temperaturkoeffizient des Kurzschlußstromes kaum meßbar
ist, so daß sich ein Aussuchen der Transistoren nach gleichen Temperaturkoeffizienten
der Kurzschlußströme erübrigt. Darüber hinaus ist es ein weiterer Vorteil. daß
durch
einen gemäß der Erfindung aufgebauten Transistorschalter eine weitgehende Annäherung
im statischen Verhalten an den idealen Schalter erreicht wird. Es wird einmal der
im gesperrten Zustand ffießende Sperrstrom erheblich kleiner als bei bekannten Transistorschaltern,
zum anderen wird aber auch im leitenden Zustand der Anstieg der Leitkennlinie durch
den kleineren Schaltwiderstand steiler.
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Eine gemäß diesem erfinderischen Gedanken aufgebaute Schaltungsanordnung
zeigt die F i g. 8. Die beiden dort verwendeten Transistoren TI und T2 sind
jeweils vom pnp-Typ. Die Antiparallelschaltung geschieht in der Weise, daß sowohl
die Emitterelektrode EI des ersten Transistors TI mit der Kollektorelektrode
K2 des zweiten Transistors T2 als auch die Kollektorelektrode Kl des ersten Transistors
T 1 mit der Emitterelektrode E 2 des zweiten Transistors T2 verbunden
ist. Die Verbindung der Emitterelektrode El des ersten, mit der Kollektorelektrode
K2 des zweiten Transistors ist an den negativen Pol einer Spannungsquelle
U2 angeschlossen, während die Verbindung der Kollektorelektrode Kl mit der
EmitterelektrodeE2 an den negativen Pol einer anderen SpannungsquelleU1 angeschlossen
ist. Die Basis B 1 des ersten Transistors ist über einen Widerstand R
1 und einen übertrager 0 1 mit dem positiven Pol der Spannungsquelle
Ul verbunden, während die Basis B 2 des zweiten Transistors über einen zweiten Widerstand
R2 und über einen übertrager Ü2 mit dem positiven Pol der anderen Spannungsquelle
U2 verbunden ist.
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Eine zweite gemäß der Erfindung aufgebaute Schaltung ist in der F
i g. 9 dargestellt. An Stelle von zwei gleichen Transistoren sind in diesem
Beispiel zwei zueinander komplementäre Transistoren verwendet worden. Während beispielsweise
der Transistor T3 ein npn-Transistor ist, ist der Transistor T4 ein pnp-Transistor.
Gemäß dem Gedanken, die Kompensation der Leerlaufrestspannung über die Kompensation
der Kurzschlußströme durchzuführen, sind hier sowohl die Emitterelektroden
E3 und E4 der beiden Transistoren T3 und T4 als auch die Kollektorelektroden
K3 und K4 der beiden Transistoren T3 und T4 verbunden. Die Basis B3 des einen
Transistors T3 ist über einen Widerstand R3 und eine Spannungsquelle
U3 an den Pol eines Übertragers Ü angeschlossen, während die Basis
B 4 des anderen Transistors T4 über einen Widerstand R4 und eine Spannungsquelle
U4 an den anderen Pol des übertragers V angeschaltet ist. Während also bei
der Schaltung der F i g. 8 der Transistorschalter durch die erfindungsgemäße
Antiparallelschaltung von zwei gleichen Transistoren gekennzeichnet ist, ist die
Schaltung der F i g. 9 dadurch gekennzeichnet, daß zwei komplementäre Transistoren
einfach parallel geschaltet sind. Aus den in den F i g. 8 a und
9 a dargestellten Ersatzschaltbildern der beiden Schaltungen ist jedoch zu
ersehen, daß beide Schaltungen ihrem äußeren Verhalten nach gleich sind. Aus diesen
Ersatzschaltbildern (F i g. 8 a und 9 a), die für den leitenden Zustand
gelten, ist ersichtlich, daß eine Kompensation der Leerlaufrestspannung dann erreicht
wird, wenn die Transistoren jeweils gleiche Kurzschlußströme aufweisen,
d. h. wenn das Verhältnis von UO:RO gleich ist, da dann die resultierende
Leerlaufrestspannung den Wert Null hat. Die Bedingung für gleiche Kurzschlußströme
kann erfindungsgemäß jeweils sehr leicht erfüllt werden, ohne daß die Transistoren
vorher ausgesucht werden müssen, da zur Einstellung -des Kurzschlußstromes lediglich
der Basisstrom verändert werden muß. Im Rahmen der Erfindung kann eine Veränderung
des Basisstromes beispielsweise durch einen in der Basisleitung liegenden regelbaren
Widerstand (R 2 in F i g. 8;
R 4 in F i g. 9) durchgeführt werden.
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Der Wert des Schaltwiderstandes eines elektronischen Schalters nach
der Erfindung beträgt nur etwa ein Viertel des bei üblichen elektronischen Schaltern
mit in Serie geschalteten Transistoren gemessenen Wertes. Die bisher mit dem hohen
Schaltwiderstand von elektronischen Schaltern verbundenen Nachteile werden vermieden.
Die weitgehende Annäherung des statischen Verhaltens an einen idealen Schalter wird
deutlich, wenn man die Sperrkennlinie eines solchen elektronischen Schalters mit
den Sperrkennlinien anderer Schalter vergleicht.
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Die Kennlinie für das Sperrverhalten eines elektronischen Schalters
mit der erfindungsgemäßen Kompensation über den auf einen gleichen Wert einstellbaren
Kurzschlußstrom erhält man durch Addition der Sperrströme der beiden Transistoren
(z. B. T 1
und T2inFig. 8; T3 und T4 inFig. 9) bei gleichen
Spannungen. Die Sperrkennlinie der in den F i g. 8
und 9 dargestellten
Schalter zeigt die F i g. 10.
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Eine Zusammenstellung mehrerer Sperrkennlinien verschiedener Schalter
finden sich in den F i g. 11 und 12. Die F i g. 11 zeigt neben der
Sperrkennlinie eines aus einem einzigen Transistor bestehenden elektronischen Schalters
(gestrichelte Linie) auch die Sperrkennlinie eines aus in Reihe geschalteten Transistoren
bestehenden Transistorschalters (strichpunktierte Linie) sowie die Sperrkennlinie
eines aus parallelgeschalteten Transistoren bestehenden elektronischen Schalters
(normal ausgezogene Linie). Als vierte Kennlinie ist zum Vergleich noch die Sperrkennlinie
eines idealen Schalters. eingezeichnet worden (stark ausgezogene Linie). Es ist
deutlich zu sehen, daß die Sperrkennlinie des erfindungsgemäß aufgebauten elektronischen
Schalters gegenüber den bekannten elektronischen Schaltern hinsichtlich des Sperrstromes
bedeutend günstiger liegt. Mit denselben Stricharten zeigt die F i g. 12
die Kennlinien für das Leitverhalten der vier in F i g. 11 verglichenen Schalter.
Wiederum wird deutlich, daß auch für das Leitverhalten die Kennlinie des erfindungsgemäß
aufgebauten elektronischen Schalters gegenüber anderen bekannten elektronischen
Schaltern bedeutend günstiger liegt.