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Schaltungsanordnvmg mit Halbleitern zum kontaktlosen Steuern eines
Wechseistromes durch einen Gleichstrom Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
mit Halbleitern zum kontaktlosen Steuern eines iVechselstromes durch einen Gleichstrom,
insbesondere als trägheitsarmveränderlicher VJiderstand zum Öffnen und Schließen
eines Stromkreises mit Wechselspannungsquelle und Lastwiderstand und zur bedarfsweisen
Einstelltlng der Größe der Amplitude des Wechsel stromes in dem Stromkreis.
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Derartige Schaltungsanordnungen werden vielfältig benötigt, beispielsweise
als Torschaltung oder als Steuerschaltung für Stellmotore. Sie lösen vielfach elektromechanische
Schalter ab.
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Es ist eine Schaltungsanordnung für einen trägheitslos veränderlichen
Widerstand bekannt (DIR-PS 72 288, Kl. 21al-36/18), bei der in einem Diagonal zweig
einer Graetz-Gleichrichterbrückenschaltung als regelbares aktives Bauelement ein
Transistor angeordnet ist. Die andere Diagonale ist in den anfangs genannten Stromkreis
geschaltet. Der Transistor wird mittels eines Gleichstromes angesteuert, so daß
die Brücke entweder niederohmiger oder hochohmiger abgeschlossen wird.
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Nachteilig bei dieser Schaltungsanordnung ist, daß für Wechselspannungen
unterhalb der Durchlaßspannungen der Dioden keine Steuerung möglich ist. Darüber
hinaus vergrößert sich die Verzerrung bei kleinen Wechsel spannungen, die in Größenordnung
der
Durchlaßspannung der Dioden liegen.
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Bei Austausch des Transistors durch einen Thyristor verbessern sich
die Verhältnisse auch nicht, da der einmal durchgeschaltete Thyristor erst wieder
geöffnet werden kann, wenn die 'iechselspannung gegen Null geht, das heißt, der
Wechselstromfluß läßt sich nicht zu jedem Zeitpunkt unterbrechen. Ur kleine FUechselpannungen
ist der Thyristor gleichfalls nicht geeignet.
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Es ist weiterhin eine Schaltungsanordnung bekannt (nTorschaltung für
300 kHz-Signale mit Feldeffekt-Transistoren", Elektronik 1965, H. 10, S. 321), die
aus zwei in Reihe geschalteten, gleich aufgebauten Brücken besteht. Eine Brücke
besteht wiederum aus je einem PestYdderstand in den ersten beiden Brückenzweigen,
einer Parallel schaltung aus veränderbarem Widerstand und veränderbarem Kondensator
im dritten Brückenzweig und einem Feldeffekttransistor im vierten Brückenzweig.
Uber einen Eingangstransformator wird das hochfrequente Signal zugeführt und speist
die erste Brücke, diese wiederum über ihren Ausgang die zweite Brücke, deren Ausgang
auf einen Ausgangstransformator geht.
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Eine Ausgangsklemme der ersten Brücke ist an Masse gelegt und somit
auch eine Eingangsklemme der zweiten Brücke. Beide Feldeffektransistoren sind mit
ihren Steuereingängen über gleiche Vorwiderstände an ein und dieselbe Steuerimpulsquelle
anschaltbar, deren eine Klemme gleichfalls an Masse liegt.
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Die 3rücken sind so abgeglichen, daß bei fehlendem Steuerimpuis kein
Wechselspannungssignal am Ausgang der Schaltung vorhanden ist. Wird ein Steuerimpuls
zugeführt, so wird das Brückengleichgewicht
gestört und an den
Ausgangsklemmen erscheint für die Impulsdauer das hochfrequente Signal.
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Nachteilig bei dieser Schaltungsanordnung sind der große Bauelementeaufwand,
die durch den Aufbau - transformatorische Einkopplung und Auskopplung - bedingte,
nur mittelbare und verlustbehaftete Verbindung zwischen Wechselspannungsquelle und
Lastwiderstand und die Frequenzabhängigkeit. Die Schaltungsanordnung ist demzufolge
nur für kleine Leistungen geeignet. Auf Grund der 3ru'ckenbedingungen ist keine
freie Wahl des Massepunktes möglich.
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Zweck der Erfindung ist die Vermeidung der genannten Nachteile, insbesondere
die Erhöhung der Funktionssicherheit und des Einsatzbereiches derartiger Halbleiterschaltungs
anordnungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur kontaktlosen Steuerung
eines Wechsel stromes mittels eines Gleichstromes für einen Wechsel stromkreis aus
Spannungsquelle und Lastwiderstand eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die als
einstellbarer Widerstand bis zum Schalterbetrieb sowohl über einen großen Frequenzbereich,
als auch für einen großen Leistungsbereich und für einen großen Spannungsbereich
bis hinunter zu Spannungen unterhalb der Durchlaßspannungen von Dioden einsetzbar
ist.
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Dabei soll die Steuerung der Amplitude des Wechsel stromes weitestgehend
trägheitslos erfolgen. Bei Schalterbetrieb soll die Schaltungsanordnung im geschlossenen
Zustand einen hinreichend kleinen Durchlaßwiderstand haben und verzerrungsfrei arbeiten
und
im geöffneten Zustand eine große Stromdammung besitzen.
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Erfindungsgemaß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zwei Transistoren,
deren Emitter miteinander verbunden sind, mit ihren Emitter-Kollektor-Strecken hintereinander
in den Stromkreis geschaltet sind und die beiden Basiseingänge mit dem gemeinsamen
Emitterpunkt den Steuereingang bilden, und für Wechseispannungen oberhalb der Knie
spannung eines Transistors parallel zu Jeder Emitter-Kollektor-Strecke eine Diode
geschaltet ist.
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Bei Verwendung von npn-Transistoren sind die Anoden der Dioden mit
dem gemeinsamen Emitterpunkt verbunden.
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Bei Verwendung von pnp-Transistoren sind die Katoden der Dioden mit
dem gemeinsamen Emitterpunkt verbunden.
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Zur Symmetrierung der Schaltungsanordnung bezüglich des Emitterpunktes
ist mindestens einer Basis ein abgleichbarer Widerstand vorgeschaltet.
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Die Schaltung eignet sich sowohl für kleinere Wechsel spannungen als
auch für große Wechselspannungen.
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Für kleine Wechselspannungen fließt im durchgeschalteten Zustand der
Wechselstrom nur über beide Transistoren, wobei der eine Transistor invers betrieben
wird. Bei WechaelBpann mgen oberhalb der Knie spannung eines Trsnsistors übernimmt
die betreffende parallel geschaltete Diode für den Jeweils invers betriebenen Transistor
den größten Teil des Wechselstromes.
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Demzufolge sind Verformungen der Kurvenform, sofern nicht durch entsprechende
Steuerung beabsichtigt, weitgehendst ausgeschlossen. Bei Betrieb der Schaltungsanordnung
als gesteuerter Widerstand
wirkt sie wie eine Begrenzerschaltung.
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Bei geeigneter Wahl der Transistoren können infolge ihrer Stromverstärkung
mit relativ kleinen Gleichströmen große Wechsel ströme gesteuert werden. Der Wechselstromfluß
kann beliebig zu jedem Zeitpunkt durch An- und Abschalten des Gleichstromes mit
hinreichend kleiner Verzögerung ein- und ausgeschaltet werden.
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Durch Einsatz von Transistoren mit entsprechender Grenzfrequenz ist
die Schaltungsanordnung sowohl für den Niederfrequenzbereich als auch für den Hochfrequenzbereich
geeignet.
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Die Schaltungsanordnung kann vorteilhafterweise als ein Baustein in
integrierter Technik hergestellt werden.
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Die Erfindung soll nachstehend an einem ausführungsbeispiel näher
erläutert werden.
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In der zugehörigen Zeichnung ist ein Stromkreis mit einer Schaltungsanordnung
mit Transistoren der Zonenfolge npn dargestellt.
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Zwei Transistoren 1; 2 sind mit ihren Emittern miteinander verhunden.
Der Verbindungspunkt ist mit einer Klemme 10 des Steuereinganges und den Anoden
der Dioden 3; 4 zusammengeschaltet.
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Der Kollektor des Transistros 1 ist mit der Katode der Diode 3 und
mit einem Lastwiderstand 8 verbunden. Der Kollektor des Transistors 2 ist mit der
Katode der Diode 4 und einer Wechselspannungsquelle 7 verbunden. Die WechaelgpE
m ungsquelle 7 ist mit dem Lastwiderstand 8 in Reihe geschaltet. Die zweite Eingangsklemme
9 ist über einen Widerstand 5 mit der 3asi des Transistors 1 und über einen zweiten
ungefahr gleich stoßen Widerstand 6 mit der Basis des Transistors 2 verbunden.
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Im folgenden wird die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung beschrieben;
dabei bilden die Klemmen 9; 10 den Gleichstromsteuereingang und die Klemmen 11 12
den Wechselstromeingang.
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Liegt am Steuereingang 9; 10 kein Steuerstrom beziehungsweise keine
Steuerspannung an, dann erhalten die Transistoren 1; 2 keinen Basisstrom und die
Kollektor-Emitter-Strecken sind dann hochohmig. Von der Wechselspannungsquelle 7
fließt ueber den Lastwiderstand 8 nur ein Reststrom, der durch die Sperrwider stande
der Jeweils sperrenden Transistoren 1 beziehungsweise 2 und der Dioden 3 beziehungsweise
4 bedingt ist. Liegt beispielsweise momentan der Pluspol der Wechsel spannungs quelle
7 an der Klemme 11, dann sperren Transistor 1 und Diode 3. FUr Minuspol an Klemme
11 sperren Transistor 2 und Diode 4.
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Bei Anlegen einer Steuergleichspannung an den Steuereingang 9:10,
insbesondere Pluspol an Klemme 9, fließt ein Basisstrom, der die Transistoren 1;
2 durchsteuert. Die Kollektor-Emitter-Strecken beider Transistoren werden niederohmig.
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Ist die maximale Wechselspannungsamplitude der Wechselspannungsquelle
7 kleiner als die Durchlaßspannung einer Diode, so flieht der gesamte Wechselstrom
über die Transistoren 1 2. Dabei wird Jeweils ein Transistor für eine Halbwelle
invers betrieben. Für die positive Halbwelle ist es der Transistor 2 und flir die
negative Halbwelle der Transistor 1. Für derart kleine Wechselapa u gen ist ein
inverser Betrieb unkritisch.
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Ist die maximale Wechselspannungsamplitude der Wechaelapannungaquelle
7 wesentlich großer als die Durchlaßspannung einer Diode,
so wird
der jeweils invers betriebene Transistor durch die ihm parallelgeschaltete Diode
entlastet. Das geschieht derart, daß der Hauptteil des Wechseistromes über die betreffende
Diode fließt, und der Spannungsabfall an der Kollektor-Rmitter-Strecke auf die Durchlaßspannung
der Diode begrenzt wird. Liegt beispielsweise Plus an Klemme 11, so fließt der Wechselstrom
über den Transistor 1 und weiter geteilt über Transistor 2 und Diode 4. Liegt Minus
an Klemme 11, so fließt der Wechselstrom geteilt über Transistor 1 und Diode 3 und
ungeteilt über Transistor 2.
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Durch entsprechende Ubersteuerung der Transistoren 1 2 kann erreicht
werden, daß der Wechselspannungsabfall über den Klemmen 11 12 im durchgesteuerten
Zustand sehr klein bleibt und die Kurvenform des Wechsel stromes kaum beeinflußt
wird.
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Die Widerstande 5 6 sind für die prinzipielle Wirkungsweise von untergerodneter
Bedeutung. Sie bewirken jedoch einmal eine Scherung der Transistoreingangskennlinien
und zum anderen, daß der Steuergleichstrom in zwei annähernd gleich große Basisströme
aufgeteilt wird. Besteht die Forderung nach Abgleich auf größtmögliche Symmetrie,
so können beide Widerstände 5, 6 zweckmäßig durch einen einzigen Trinimwiderstand
ersetzt werden, dessen Schleifer an Klemme 9 gelegt wird.
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Im allgemeinen werden die Transistoren 1; 2 so weit Ubersteuert, daß
sie für den Wechselstromspitzenwert voll durchgesteuert sind.
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Pur Anwendungsfälle, wo eine Beeinflussung der Kurvenform des Wechselatromes
gestattet oder erwünscht ist, kann der Steuergleichstrom
kleiner
gewählt werden. Die Spitzen der WechBelstromhalbwellenvwerden abgekappt und es fließt
nicht mehr der volle Spitzenstrom über die Transistoren. Die Schaltungsanord nung
arbeitet dann als Begrenzer, Durch entsprechende Xnderung des Steuergleichstromes
ist infolge der Änderung des Wechselstromes eine Steuerung der Verbraucherleistung
am Lasttiderstand möglich. Soll die Verbraucherleistung verkleinert werden, so muß
die Verlustleistung an den Transistoten vergrößert werden. Pur große Schaltleistungen
kann es deshalb zweckiniißig seint die Schaltungsanordnung über einen Schmitt-Trigger
anzusteuern.
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Die Schaltungsanordnung läßt sich ohne Schwierigkeiten mit Transistoren
der Zonenfolge pnp ausführen. Sie eignet sich sowohl für Germaniumtransistoren als
auch für Siliziumtransistoren. Als Dioden können gleichfalls sowohl Germaniumdioden
als auch Siliziumdioden eingesetzt werden.
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Verwendete Bezugszeichen: 1 = Transistor 2 = Transistor 3 = Diode
4 = Diode 5 = Widerstand 6 = Widerstand 7 = Wechselspannungsquelle 8 = Lastwiderstand
9 = Klemme des Gleichstromsteuereinganges 10 = Klemme des Gleichstromsteuereinganges
11 = Klemme des Wechselstromeinganges 12 = Klemme des Wechselstromeinganges