DE2809434A1

DE2809434A1 - Elektrischer schalter

Info

Publication number: DE2809434A1
Application number: DE19782809434
Authority: DE
Inventors: Carel Johannes Francoi Coetzee; Wynand Jakobus Louw; Douw Gerbrandt Van Der Merwe
Original assignee: South African Inventions Development Corp
Current assignee: South African Inventions Development Corp
Priority date: 1977-03-07
Filing date: 1978-03-04
Publication date: 1978-09-14
Also published as: US4221980A; ZA771348B

Description

Elektrischer Schalter
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schalter und insbesondere einen umschaltbaren, verriegelbaren, rückgekoppelten elektrischen Schalter mit einer ersten und einer zweiten Energieklemme jnd einer Steuerklemme. Dabei handelt es sich vorzugsweise um einen Transistoren aufweisenden Schalter.
Der erfindungsgemäße Schalter weist ein mit einer ersten und einer zweiten Energieklemme und einer Steuerklemme versehenes umschaltbares Haupt-Schaltelement , ein mit einer ersten und einer zweiten Energieklemme und einer Steuerklemme versehenes umschaltbares Verriegelungselement , dessen Steuerklemme mit der ersten Energieklemme verbunden ist, während die Steuerklemme dz des Haupt-Schaltelementes mit der ersten Energieklemme des Verriegelungselementes verbunden ist, und ein parallel zum Verriegelungselement geschaltetes, eine erste und eine zweite Anschlußklemme aufweisendes stromverstärkendes Hilfselement auf, wobei die erste Anschlußklemme des Hilfselementes mit der zweiten Energieklemme des Verriegelungselementes und die zweite Anschlußklemme des Hilfselementes mit der Steuerklemme des Verriegelungselementes verbunden und das Hilfselement so ausgebildet ist, daß , wenn im Betrieb ein elektrischer Strom durch dasselbe fließt, das Verriegelungselement leitend gehalten wird, wobei ferner die Verbindung zwischen der ersten Anschlußklemme des Hilfselementes und der zweiten Energieklemme des Verriegelungselementes die erste Energieklemme des Schalters, die Verbindung zwischen der Steuerklemme des Haupt-Schaltelementes und der ersten Energiequelle des Verriegelungselementes die Steuerklemme des Schalters und die zweite Energieklemme des Haupt-Schaltelementes die zweite Energieklemme des Schalters bildet.
Auf diese Weise ist der Strom durch das Haupt-Schaltelement nicht nur der Steuerstrom des Verriegelungselementes und der Steuerstrom des Haupt-Schaltelementes, sondern auch der Strom durch das Hilfselement. Dadurch kann das Haupt-Schaltelement wirkungsvoller betrieben und benutzt werden.
Die beiden Klemmen oder Anschlüsse des Hilfselementes können Energieanschlüsse oder Energieklemmen sein. Auch kann das Hilfselement ebenfalls eine Steuerklemme aufweisen, welche ebenfalls mit der Steuerklemme des Verriegelungselementes verbunden ist. Vorzugsweise ist eine Mehrzahl von Hilfselementen vorgesehen, wobei der erste Anschluß jedes Hilfselementes mit dem zweiten Energieanschluß des Verriegelungselementes und der zweite Anschluß jedes Hilfselementes mit der Steuerklemme des Verriegelungselementes verbunden ist. Eine Anzahl Schalter kann parallel zueinander verwendet werden. Der Schalter kann mittels eines Impulssignals oder eines kontinuierlichen Signals ein-oder~ausgeschaltet werden.
Wenn der Schalter mittels eines kontinuierlichen Signales ein- und ausgeschaltet werden soll, sind geeignete Puffer-oder Zwischenelemente zum Schutz der zahlreichen Elemente des Schalters vorgesehen.
Das Haupt-Schaltelement, das Verriegelungselement und das Hilfselement können in einer Richtung stromdurchlassende Elemente sein, wobei die ersten und zweiten Energieklemmen > des Haupt-Schaltelementes dessen Eingang und Ausgang, die ersten und zweiten Anschlüsse des Hilfselemente 5 dessen Eingang und Ausgang und die ersten und zweiten Energiean-Anschlüsse des Schalters seinen Eingang und Ausgang bilden, so daß der Schalter ebenfalls Strom in einer Richtung durchläßt. Alternativ können die ersten und zweiten Energieanschlüsse des Haupt-Schaltelementes seinen Ausgang und Eingang, die ersten und zweiten Energieanschlüsse des Verriegelungselementes dessen Eingang und Ausgang und die ersten und zweiten Anschlüsse des Hilfselementes dessen Ausgang und Eingang bilden, so daß die ersten und zweiten Anschlüsse des Schalters dessen Ausgang und Eingang bilden.
Wenn hier vo4in inner Richtung arbeitenden Elementen gesprochen wird, so sind damit elektrische Steuerelemente gemeint, welche Strom nur in einer Richtung von ihrem Einlaß zu ihrem Auslaß leiten. Wenn hier von Anschlüssen, Energieanschlüssen, Steuerans chlüssen oder -klemmen gesprochen wird, so sind hiermit übliche geeignete lösbare oder unlösbare elektrische Anschlüsse jeglicher Art einschließlich der bei gedruckten Schaltungen üblichen Arten gemeint.
Das Haupt-Schaltelement , das-Verriegelungselement und die Hilfselemente sind Festkörper-Vorrichtungen. Insbesondere kann das Haupt-Schaltelement ein bi-polarer npn-TransStor sein, dessen Kollektor seinen ersten Energieanschluß, dessen Basis seinen Steueranschluß und dessen Emitter seinen zweiten Energieanschluß bildet, während das Verriegelungselement ein bi-polarer pnp-Transitor ist , dessen Kollektor seinen ersten Energieanschluß, dessen Basis seinen Steueranschluß und dessen Emitter seinen zweiten Energieanschluß bildet. Alternativ kann das Haupt-Schaltelement ein bipolarer pnp-Transistor sein, dessen Kollektor den ersten Energieanschluß, dessen Basis den Steueranschluß und dessen Emitter den zweiten Energieanschluß bildet, während das Verriegelungselement ein bi-polarer npn-Transistor ist, dessen Kollektor seinenersten Energieanschluß, dessen Basis seinen Steueranschluß und dessen Emitter seinen zweiten Energieanschluß bildet. In änlicher Weise kann das Hilfselement wenigstens ein bi-polarer pnp-Transistor sein, dessen Emitter seinen ersten Energieanschluß, dessen Basis seinen SteueranschluB und dessen Kollektor seinen zweiten Energieanschluß bildet, jedoch ist es alternativ auch möglich, daß das HiXselement wenigstens einen bi-polaren npn-Transist aufweist, dessen Emitter seinen ersten Energieanschluß, dessen Basis seinen Steueranschluß und dessen Kollektor seinen zweiten Energieanschluß bildet.
Vorzugsweise sind das Verriegelungselement und die Hilf ! elemente einander ähnlich. Wenn das Haupt-Schaltelement so ausgebildet ist, daß der zwischen seinen Energieanschlüssen fließende elektrische Strom im wesentlichen. ein konstantes Vielfaches des durch den Steueranschluß fließenden; Stromes ist, ist vorzugsweise eine Anzahl von Hilfselementen vorgesehen, deren Zahl gleich der dem konstanten Vielfachen am nächsten liegenden ganzen Zahl ist.
Die zahlreichen Elemente des Schalters können jedoch auch andere geeignete elektrische Vorrichtungen sein, beispielsweise Elektronenröhrenvorrichtungen, Relais, parametrisch arbeitende Verstärker oder dergleichen. Auch ist einzusehen, daß die Hilfselemente nicht unbedingt steuerbar sein müssen, Sie können beispielsweise Gleichrichter wie eine übliche Gleichrichterdiode oder eine Zenerdiode sein, welche einen genügenden Spannungsabfall haben, um das Verriegelungselement leitend zu halten. Als flilSselement ist sogar auch ein Widerstand denkbar.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann der Schalter ein umschaltbares Ausschaltelement mit einem ersten und einem zweiten Anschluß und einem Steueranschluß sein, wobei der erste Anschluß mit dem Steueranschluß des Haupt-Schaltelemente*id der zweite Anschluß mit dem-zweiten Energie anschluß des Haupt-Schaltelementes derart verbunden ist, daß der Steueranschluß des Ausschaltelementes den Ausschaltanschluß des Schalters bildet.
Das Ausschaltelement kann ebenfalls ein Strom nur in einer Richtung durchlassendes Schaltelement mit einem Eingang, einem Steueranschluß und einem Ausgang sein, wobei der Eingang mit dem Steueranschluß des Haupt-Schaltelementes und der Ausgang mit dem Ausgangsanschluß des Haupt-Schaltelementes verbunden ist und der Steueranschluß des Ausschaltelementes einen Ausschaltanschluß des Schalters bildet Alternativ kann der Eingang des Ausschaltelementes an den Eingangsanschluß des Haupt-Schaltelementes und der Ausgang des Ausschaltelementes mit dem Steueranschluß des Haupt-Schaltelementes verbunden sein, während sein Steueranschluß einen Steueranschluß des Schalters bildet, was von der verwendeten Bauweise abLängt.
Auch das Ausschaltelement kann eine als Festkörper ausgebildete elektronische Vorrichtung oder eine andere geeignete Vorrichtung sein. Vorzugsweise ist das Ausschaltelement ein bi-polarer npn-Transistor, dessen Kollektor seinen Eingang, dessen Basis seinen Steueranschluß und dessen Emitter seinen Ausgang bildet.
Die Erfindung wird nunmehr anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert,und zwar zeigt, Fig. 1 ein Schaltbild eines erfi.-ndungsgemäßen Schalters und Fig. 2 ein Schaltbild eines den Schalter aus Fig. 1 ergänzenden Schalters.
Xn Fig. 1 ist ein verriegelbarer, rückgekoppelter, in einer Richtung stromdurchlassender elektronischer Energie schalter 10 dargestellt, der eine Eingangsklemme 12.1, eine Ausgangsklemme 12.2, eine Einschaltklemme 12.3 und eine Ausschaltklemme 12.4 aufweist. Der Schalter 10 enthält einen als riegelung dienenden bi-polaren pnp-Transistor 14, eine Anzahl von als Hilfselemente dienenden bI-polaren pnp-Transistoren 16 , einen X s Haupt-Schaltelement dienenden bi-polaren npn-Transistor/und zwei bi-polare npn-Transis toren 20 und 22 , welche gemeinsam zum Ausschalten des Schalters 10 dienen.
Wie Fig. 1 zeigt, sind die Emitter des Transistors 14 und der Transistoren 16 mit der Eingangsklemme 12.1, die Basis des Transistors 14 und die Basis und der Kollektor jedes Transistors 16 mit dem Kollektor des Transistors 18, der Kollektor des Transistors 14 , die Basis des Transistors 18 und der Kollektor des Transistor, 22 mit der Einschaltklemme 12.3 des Schalters 10 , die Emitter des Transistors 18 und des Transistors 22 mit der Ausgangsklemme 12.2 des Schalters 10, der Kollektor des Transistors 20 ebenfalls mit der Eingangsklemme 12.1 des Schalters 10, der Emitter des Ausschalt-Transistors 20 mit der Basis des anderen Ausschalt-Transistors 22 und die Basis des Ausschalt-Transistors 20 mit der Ausschaltklemme 32.4 des Schalters 10 verbunden.
Der Verriegelungs-Transistor 14 und die Hilfs-Transistoren 16 sind einander ähnlich und können gemeinsam in einem Bauelement einer integrierten Schaltung gebildet sein. Dementsprechend sind im Betrieb, da die Basis-Emitter-Spannungen dieser Transistoren gleich sind, die Basis-und Kollektor ströme derselben im wesentlichen gleich. Dementsprechend sind so viele Hilfs-Transistoren 16 vorgesehen, wie die dem gewünschten Verhältnis des Kollektorstromes zum Basis Strom des Haupt-Transistors 18 am nächsten liegende ganze Zahl. Dieses Verhältnis ist so gewählt, daß der Haupt-Transistors 18 unter allen Betriebsbedingungen bei eingeschaltetem Schalter 10 stets gesättigt ist. Die Sättigung des Transistors 18 bedeutet auch eine Sättigung des Transistors 14.
Wenn im Betrieb ein positiver Auslöseimpuls zur Einschaltklemme 12.3 des Schalters 10 gelangt, zieht der Haupt-Transistor 18 über die Basis des Verriegelungs-Transistors 14 und die Basis und den Kollektor jedes Hilfs-Transistors 16 zugefUhrten Kollektorstrom. Der Verriegelungs-Transistor or 14 beginnt einzuschalten, wodurch die Basisdrift des Haupt-Transistors 18 verstärkt wird. Durch die Rückkoppelungswirkung werden die Transistoren 14, 16 und 18 angetrieben bzw. leitend , so daß Strom durch den Schalter 10 von der Eingangsklemme 12.1 zur Ausgangsklemme 12.3 fließt.
Zum Abschalten des Schalters 10 wird der Ausschaltklemme 12.4 ein positiver Impuls übermittelt. Dadurch werden die Ausschalt-Transistoren 20 und 22 eingeschaltet. Die Kollektor-2mitter-SEttigungsspannung des Ausschalt-Transistors 22 ist niedriger als die Basis-Emitter-Spannung des Haupt-Transistors 18, so daß der Transistor 18 auszuschalten beginnt. Die Transistoren 14 und 16 beginnen wegen der Rückkoppelungswirkung ebenfalls auszuschalten. Durch das Ausschalten der Transistoren 14, 16 und 18 wird der Schalter 10 insgesamt ausgeschaltAt.
Um den Ausschalt-Transistor 22 zu schützen, wird an die Ausschaltklemme 12.4 ein kontinuierliches Signal angelegt, wobei der Kollektor des Ausschalt-Transistors 20 über einen als Sicherheit dienenden Wibrstand an eine geeignete Energiequelle angeschlossen wird.
In Fig. 2 ist ein Schalter 10.1 gezeigt, der den Schalter 10 aus Fig. 1 ergänzt. Der Schalter 10.1 hat ebenfalls eine Eingangsklemme 12.1, eine Ausgangsklemme 12.2, eine Einschaltklemme 12.3 und eine Ausschalt-klemme 12.4. Auch enthält der Schalter 10.1 einen Verriegelungs-Transistor 14, eine Anzahl von Hilfs-Transistoren 16,einen Haupt-Transistor 18 und einen Ausschalt-Transistor 22. Die Transistoren 14,16, 18 und 22 sind, wie Fig. 2 zeigt, ähnlich, jedoch spiegelbildlich wie im Schalter 10 aus Fig. 1 geschaltet. Der Schalter 10.1 arbeitet analog wie der Schalter 10, so daß sich eine entsprechende Beschreibung erübrigt.
Der Schalter 10 aus Fig. 1 kann auch durch Anlegen eines negativen Impulses an die Basis des Verriegelungs-Transistors 14 und der Schalter 10.1 aus Fig. 2 durch Anlegen eines negativen Impulses an die Basis des Haupt-Transistors 18 einige; schaltet werden.
Der beschriebene Schalter ist ein Energie schalter, der 50 A mit einer Blockierspannung von 80 V schalten kann und in 1,5 Mikrosekunden oder weniger eingeschaltet und in etwa 1 Mikrosekunde mittels eines 8 mA-starken und 10 Mikrosekunden dauernden Ausschaltimpulses ausgeschåtet werden kann.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Schaltelemente, obwohl deren Anschlüsse als "Eingang" und "Ausgang" bezeichnet wurden, nicht unbedingt Schaltelemente mit bestimmter Richtung ,~ charakteristik sein müssen. Es sind auch andere Schaltelemente wie Relais verwendbar, deren Eingänge und Ausgänge dann Kontakte sind.
Weiterhin sei darauf hingewiesen, daß die Schaltelemente nicht unbedingt Schaltelemente mit drei Anschlüssen sein müssen. In bestimmten Fällen sind auch Schaltelemente mit nur zwei Anschlüssen verwendbar. Beispielsweise kann man beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 anstelle der Hilfs-Transistoren 16 auch Dioden vorsehen.
L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche: (:1) Umschaltbarer verriegelbarer, rückgekoppelter elektrischer Schalter mit einer ersten und einer zweiten Energieklemme und mit einer Steuerklemme, d a d u r c hi g e k e n n z e i c h n e t s daß er ein mit einer ersten und einer zweiten Energieklemme und einer Steuerklemme versehenes umschaltbares Haupt-Schalt element (18)S ein mit einer ersten und einer zweiten Energieklemme und einer Steuerklemme versehenes umschaltbares Verriegelungselement (14), dessen Steuerklemme mit der ersten Energieklemme und dessen erste Energieklemme mit der Steuerklemme des Haupt-Schaltelementes (18) verbunden tst, und ein parallel zum Verriegelungselement (14) geschaltetes9 eine erste und eine zweite Anschlußklemme aufweisendes stromverstärkendes Hilfselement (16) aufweist9 wobei die erste Anschlußklemme des Hilfselernentes mit der zweiten Energieklemme des Verriegelungselementes und die zweite Anschlußklemme des Hilfselementes mit der Steuerklemme des Verriegelungselementes verbunden und das Hilfselement so ausgebildet ist, daß ., wenn im Betrieb ein elektrischer Strom durch das Hilfselement fließt, das Verriegelungselement leitend gehalten wird, und daß die Verbindung zwischen der ersten Anschlußklemme des Hilfselementes und der zweiten Energieklemme des Verriegelungselements die erste Energieklemme (i2,1,12.2) des Schalters, die Verbindung zwischen der Steuerklemme des Haupt-Schaltelementes (18) und der ersten Energiequelle des Verriegelungselementes (14) die Steuerklemme (12.3) des Schalters und die zweite Energie klemme des Haupt-Schaltelementes (18) die zweite Energieklemme (12.2,12.1) des Schalters bildet.

2.) Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Anschlüsse des Hilfselements (16) Energieanschlüsse sind und daß das Hilfselement ebenfalls eine Steuerklemme aufweist, welche ebenfalls mit der Steuerklemme des Verriegelungselements (14) verbunden ist.

3.) Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Mehrzahl von Hilfselementen (16) aufweist, wobei der erste Anschluß jedes Hilfselementes mit dem zweiten Energieanschluß des Verriegelungselementes (14) und der zweite Anschluß jedes Hilfselementes mit der Steuerklemme des Verriegelungselementes verbunden ist.

4.) Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Haupt-Schaltelement (18) das Verriegelungselement (14) und das Hilfselement (16) in gleicher Richtung mit den ersten und zweiten Energieklemmen des Haupt-Schaltelementes, welche dessen Eingang und Ausgang bilden, angeordnet sind, wobei die ersten und zweiten Anschlüsse des Verriegelungselementes dessen Ausgang bzw. Eingang bilden, die ersten und zweiten Anschlüsse des Hilfselementes dessen Eingang und Ausgang bilden und die ersten und zweiten Anschlüsse des Schaltelementes dessen Eingang und Ausgang bilden.

5.) Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptelement (18), das Verriegelungselement (14) und das Hilfselement (16) in einer Richtung elektrischen Strom durchlassen, wobei die ersten und zweiten Energieklemmen des Hauptelementes dessen Ausgang und Eingang, die.ersten und zweiten Energieklemmen des Verriegelungselementes dessen Eingang und Ausgang, die ersten und zweiten Anschlüsse des Hilfselementes dessen Ausgang und Eingang und die ersten und die zweiten Energieklemmen des Schalters dessen Ausgang und Eingang bilden.

6.) Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Haupt-Schaltelement (18), das Verriegelungselement (14) und die Hilfselemente (16) feste elektronische Vorrichtungen sind.

7.) Schalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Haupt-Schaltelement ein bi-polarer npn-Transistor ist, dessen Kollektor den Eingang, dessen Basis die Steuerklemme und dessen Emitter den Ausgang bildet.

8.) Schalter*Vnach Anspruch 4, dadurch gek-ennzeichnet, daß das Verriegelungselement (14) ein bi-polarer pnp-Transistor ist, dessen Kollektor den Ausgang, dessen Basis die Steuerklemme und dessen Emitter den Eingang bildet.

9.) Schalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Haupt-Schaltelement (18) ein bi-polarer pnp-Transistor ist, dessen Kollektor den Ausgang, dessen Babies die Steuerklemme und dessen Emitter den Eingang bildet.

10.) Schalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verriegelungselement (14) ein bi-polarer ñtn-Transistor ist, dessen Kollektor den Eingang, dessen Basis die Steuerklemme und dessen Emitter den Ausgang bildet.

11.) Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfselement (16) ein bi-polarer pnp-Transistor ist, dessen Emitter den ersten Energieanschluß, dessen Basis die Stuerklemme und dessen Kollektor den zweiten Energieanschluß bildet.

12.) Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfselement (16) ein bi-polarer npn-Transistor ist, dessen Emitter den ersten Energieanschluß, dessen Basis die Steuerklemme und dessen Kollektor den zweiten Energieanschluß bildet.

13.) Schaltetiach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verriegelungselement (14) und die Hilfselemente (16) ähnlich ausgebildet sind.

14.) Schalter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Haupt-Schaltelement (18) derart ausgebildet ist, daß der zwischen seinen Energieklemmen fließende elektrische Strom im wesentlichen ein konstantes Vielfaches des durch seine Steuerklemme fließenden Stromes ist und daß die gleiche Anzahl von Hilfselementen (16) wie die dem konstanten Vielfachen am nächsten liegende ganze Zahl vorgesehen ist.

15.) Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß er ein umschaltbares Ausschaltelement (22) mit einer ersten und einer zweiten Energieklemme und einer Steuerklemme enthält, wobei die erste Energieklemme an die Steuerklemme des Haupt-Schaltelementes (18) und die zweite Energieklemme an die zweite Energieklemme des Haupt-Schaltelementes angeschlossen ist und die Steuerklemme dieses Ausschaltelementes die Ausschaltklemme (12.4) des Schalters bildet.

16.) Schalter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß er ein in einer Richtung arbeitendes, umschaltbares Ausschaltelement (22) mit einer Eingangsklemme, einer Steuerklemme und einer Ausgangsklemme aufweist, wobei die Eingangsklemme mit der Steuerklemme des Haupt-Schaltelementes (18) und die Ausgangsklemme mit der Ausgangsklemme des Haupt-Schaltelementes verbunden ist und die Steuerklemme des Umschaltelementes die Ausschaltklemme (12.4) des Schalters bildet 17.) Schalter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausschaltelement (22) eine feste elektronische Vorrichtung ist.

18.) Schalter nach Anspruch 16g dadurch gekennzeichnet, daß das Ausschaltelement (22) ein bi-polarer npn-Transistor ist, dessen Kollektor seinen Eingang, dessen Basis -seine Steuerklemme und dessen Emitter seinen Ausgang bildet.