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Die vorliegende Erfindung betrifft die Steuerung von
Leistungstransistoren mit kapazitiver Steuerung, wie
beispielsweise MOS-Transistoren und Bipolartransistoren mit
isoliertem Gate (IGBT).
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Näherhin bezweckt die vorliegende Erfindung die Schaffung
einer Steuerung, welche eine Isolierung zwischen der
Steuerschaltung und dem Leistungsstromkreis gestattet, wobei ein
kurzer Impuls den Leistungstransistor in seinen leitenden
Zustand überzuführen vermag, bis zur Zufuhr eines kurzen
Impulses entgegengesetzter Polarität zum Öffnen bzw. Sperren
des Leistungstransistors.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer
derartigen Schaltung, die besonders einfach ist, bei
niedriger Frequenz ohne Begrenzung des Tastverhältnisses bzw.
Arbeitszyklus arbeiten kann und die eine rasche Umschaltung
des Leistungstransistors gestattet.
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Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist die
Schaffung einer derartigen Steuerschaltung, welche ein Mittel zur
Unterbrechung der Leitung des Leistungstransistors im Fall
eines Kurzschlusses in der Verbraucherlast umfaßt.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die
Schaffung
einer derartigen Steuerschaltung, welche Mittel umfaßt,
um dem vom Leistungsstromkreis isolierten Teil der
Steuerschaltung eine Anzeige dafür, daß in der Verbraucherlast ein
Kurzschluß eingetreten ist, zuzuführen.
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Eine Gate-Steuerschaltung gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 ist aus JP-A-61 242 416 bekannt.
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Zur Erreichung dieser und anderer Ziele sieht die
vorliegende Erfindung eine Impulssteuerschaltung für einen
Leistungstransistor mit isoliertem Gate vor, welche einen
ersten oder Gate-Anschluß, einen zweiten oder Bezugsanschluß,
einen zwischen dem genannten ersten und dem genannten zweiten
Anschluß liegenden Hilfs-MOS-Transistor, sowie die
Sekundärseite eines Impulstransformators aufweist, welche einen
dritten und einen vierten Anschluß besitzt, die mit dem
ersten bzw. dem zweiten Anschluß verbunden sind. Diese
Schaltung umfaßt eine zwischen dem zweiten und dem vierten
Anschluß liegende erste Diode sowie zwei Parallelzweige mit
gesteuerter unipolarer (d. h. einseitig gerichteter)
Leitung, zwischen dem vierten Anschluß und dem Gate des
Hilfstransistors, wobei einer dieser Zweige leitfähig gemacht
wird, sobald ein positiver oder negativer Impuls über der
Sekundärseite des Transformators angelegt wird. Jeder dieser
Zweige weist jeweils eine zweite und eine dritte Diode in
Reihe mit einem ersten und einem zweiten MOS-Transistor auf,
wobei die beiden Dioden relativ zueinander antiparallel
geschaltet sind und die beiden MOS-Transistoren einen Kanal
von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp besitzen und ihre
Gate-Elektroden miteinander und mit dem genannten dritten
Anschluß verbunden sind.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind Mittel
zur Unterbrechung des Leitungszustands des
Leistungstransistors, sobald die Verbraucherlast einen Kurzschluß aufweist,
vorgesehen, wobei diese Mittel einen zu der genannten ersten
Diode parallelen Strompfad umfassen, der in den leitenden
Zustand gebracht wird, sobald der Strom in dem
Leistungstransistor eine vorgegebene Intensität übersteigt oder der
Spannungsabfall in dem Leistungstransistor im leitenden
Zustand einen vorgegebenen Wert übersteigt.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind Mittel
vorgesehen, um die Einschaltung des genannten Strompfads in
den leitenden Zustand während der Aufladung der
Gate-Kapazität des Leistungstransistors zu sperren.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die
Primärseite des genannten Transformators einer
Nachweisschaltung zugeordnet, welche den Durchgang eines
Entladungsimpulses der Gate/Elektroden-Kapazität des
Leistungstransistors in die Sekundärseite des Transformators infolge der
Schließung bzw. Einschaltung des genannten Strompfads
nachweist.
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Diese und weitere Ziele, Eigenschaften und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung
spezieller Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungsfiguren
näher erläutert; in der Zeichnung zeigen:
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Figg. 1 und 2 jeweils dieselbe Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung während dem Anliegen eines Schließ- bzw.
Einschaltbefehls bzw. dem Anliegen eines Öffnungs- oder
Sperrbefehls;
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Fig. 3 dieselbe Schaltung aus den Figg. 1 und 2 mit
Hinzufügung von Mitteln zur Unterbrechung der Leitung des
Haupttransistors während eines Kurzschlußzustandes; und
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Fig. 4 ein Beispiel für die Anordnung der
Steuerschaltung
in Zuordnung zur Primärseite eines gemäß der
vorliegenden Erfindung verwendeten Impulstransformators.
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Die Figg. 1 und 2 zeigen eine spezielle Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. Allgemein betrifft die vorliegende
Erfindung die Umschaltsteuerung eines Leistungstransistors
oder Haupttransistors Tp, von dem ein erster Hauptanschluß
mit einer Speisespannung V verbunden ist, und dessen anderer
Hauptanschluß oder Bezugsanschluß rnit einer Verbraucherlast
L verbunden ist, die üblicherweise eine induktive Last
parallel zu einer freilaufenden Diode ist.
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Erfindungsgemäß sind Mittel vorgesehen, um den Transistor Tp
in den leitenden Zustand zu versetzen, sobald an der
Sekundärwicklung W2 eines Transformators ein Impuls einer ersten
Polarität auftritt, und diesen Haupttransistor Tp in den
nicht leitenden oder geöffneten Zustand zu versetzen, sobald
an der Wicklung W2 ein Impuls einer zweiten Polarität
auftritt. Zwischen dem Gate und der Bezugselektrode des
Transistors Tp liegt ein Hilfstransistor T1. Der Leitungszustand
des Transistors T1 ist so gesteuert, daß er komplementär zu
dem des Transistors Tp ist. Somit ist, wenn der Transistor
Tp nicht leitend ist, der Transistor T1 geschlossen, um
jegliche parasitäre Ladung, die am Gate des Transistors Tp
auftreten könnte, abzuführen, während, wenn der Transistor Tp
leitend ist, der Transistor T1 nicht-leitend wird, um eine
Entladung des Gates des Transistors Tp zu vermeiden.
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Des weiteren sieht die vorliegende Erfindung Mittel vor, um
bei einem Einschaltvorgang einen unipolar gerichteten
Stromfluß zu gewährleisten, damit das Gate des Transistors Tp
geladen und das Gate des Transistors T1 entladen wird und
die Gate-Elektroden bis zum Auftreten eines Impulses
entgegengesetzter Polarität in diesem Zustand verbleiben.
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Für den Fachmann sind verschiedene Mittel und Wege
vorstellbar, um eine derartige einseitig gerichtete übertragung von
in der Sekundärwicklung W2 auftretenden Impulsen zu
gewährleisten. Eine spezielle Ausführungsform dieser Mittel zur
Gewährleistung einseitig gerichteter Stromflüsse ist in den
Figg. 1 und 2 gezeigt. Sie umfaßt eine zwischen dem
Bezugsanschluß des Transistors T1 und dem unteren Anschluß der
Sekundärwicklung W2 liegende Diode D. Des weiteren ist
dieser untere Anschluß der Wicklung W2 mit dem Gate des
Transistors T1 über zwei Parallelzweige verbunden, die jeweils
jeder eine Diode D1 bzw. D2 von zur Polarität der Diode im
anderen Zweig entgegengesetzter Polarität aufweisen. Jede
Diode liegt jeweils in Reihe mit einem Unterbrecherschalter,
wobei diese beiden Schalter auf weiter unten noch erläuterte
Weise im Gegentakt gesteuert werden.
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In der dargestellten Ausführungsform ist der
Leistungstransistor Tp ein N-Kanal-Anreicherungs-MOS-Transistor, ebenso
der Hilfstransistor T1. In den beiden Parallelzweigen ist
der erste gesteuerte Schalter ein P-Kanal-MOS-Transi&tor M1
und der zweite gesteuerte Schalter ein
N-Kanal-MOS-Transistor M2. Die Gate-Elektroden der Transistoren M1 und M2 sind
miteinander und mit dem oberen Anschluß der Sekundärwicklung
W2 verbunden. Die Diode D1 ist so gepolt, daß sie einen
positiven Strom an das Gate des Transistors T1 durchläßt.
Die Diode D2 ist im umgekehrten Sinn gepolt. Die Diode D ist
so gepolt, daß sie einen positiven Strom zum unteren
Anschluß der sekundärwicklung W2 durchläßt.
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Im Rahmen der in Fig. 1 veranschaulichten speziellen
Ausführungs form entspricht ein Befehl zum Schließen bzw.
Einschalten des Transistors Tp dem Anlegen eines positiven
Impulses über der Sekundärwicklung W2, in der dargestellten
Weise. In Gegenwart dieses Impulses fließt ein Strom i&sub1;
vom oberen Anschluß zum unteren Anschluß der Wicklung W2,
und zwar über die Gate/Source-Kapazität des Transistors Tp
und über die Diode D. Ein Strom i&sub2; fließt in der
Gate/Source-Kapazität des Transistors M2, um diesen leitend zu
machen (gleichzeitig ist der Transistor M1 blockiert). Des
weiteren entlädt ein Strom i&sub3;, dessen Weg nur teilweise
veranschaulicht ist, die Gate/Source-Kapazität des
Hilfstransistors T1 (der Strom i&sub3; bildet eine durch die Diode
D2 und den Transistor M2 fließende Abzweigung des die Diode
D durchsetzenden Stroms i&sub1;).
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Des weiteren verbleiben, infolge des Vorhandenseins der
verschiedenen dargestellten Dioden, die Transistoren Tp und T1
in dem Zustand, den sie zu Ende des Anliegens des
Steuerimpulses aufweisen.
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Fig. 2 veranschaulicht das Anlegen eines Befehls zur Öffnung
bzw. Abschaltung des Haupttransistors Tp. Zur Sperrung des
Transistors Tp wird über der Wicklung W2 ein negativer
Impuls angelegt. Daher macht ein erster Strom i&sub4; den
Transistor M1 leitend (gleichzeitig wird der Transistor M2
gesperrt). Sobald dieser Transistor M1 leitend ist, kann ein
Strom i&sub5; vom unteren Anschluß der sekundärwicklung W2
durch den Transistor M1, die Diode D1, die Gate/Source-
Kapazität des Transistors T1, die Gate/Source-Kapazität des
Transistors Tp zum oberen Anschluß der Sekundärwicklung W2
fließen. Man erhält so gleichzeitig eine Ladung des Gates
des Transistors T1 und eine Entladung des Gates des
Transistors Tp, wodurch der Transistor T1 leitend gemacht und
der Transistor Tp gesperrt wird. Man erkennt, daß, sobald
der Transistor T1 einmal leitend gemacht ist, das Gate des
Transistors Tp seine Entladung direkt durch den Transistor
T1 und die mit diesem in Reihe dargestellte Impedanz
beendet.
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Die beschriebene Schaltung bildet ein spezielles Beispiel
einer Impulssteuerschaltung für einen Leistungstransistor,
bei dem es sich im gezeigten Fall um einen N-Kanal-MOS-
Transistor handelt, der aber ebenso ein anderer Typ eines
MOS-Transistors oder ein Bipolartransistor mit isoliertem
Gate (IGBT) sein kann. Ein Vorteil dieser
Impulssteuerschaltung besteht in ihrer Einfachheit und der kleinen Zahl
der sie bildenden Bestandteile. Daher kann man diese
Schaltung in integrierter Form auf dem den Leistungstransistor
enthaltenden Chip ausführen (lediglich die Sekundärwicklung
W2 liegt außerhalb der integrierten Schaltung).
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Ein anderer Vorteil der vorstehend beschriebenen Schaltung
besteht in der Möglichkeit ihrer Zuordnung zu einem System,
welches Kurzschlußzustände der Verbraucherlast nachweist, im
Fall des Nachweises eines Kurzschlußzustandes den
Leitungszustand des Leistungstransistors unterbricht und das
Vorliegen eines derartigen Kurzschlußzustandes anzeigt. Wie
nachfolgend erläutert, muß dabei zwischen der Funktion der
Abschaltung des Leitungszustandes bei einem Kurzschluß und
der Funktion der Signalisierung eines derartigen
Kurzschlusses unterschieden werden. Tatsächlich gibt es
Schaltungen, welche eine automatische Unterbrechung im Fall eines
Kurzschlusses ohne Anzeige des Auftretens einer derartigen
Unterbrechung gestatten. Mit derartigen Schaltungen, wenn
der Leistungstransistor für zyklischen Betrieb vorgesehen
ist, beispielsweise im Rahmen von Brückenanordnungen oder
Konverterschaltungen, wird in jedem Zyklus auf den Beginn
des Leitungszustandes im Fall eines Kurzschlusses in der
Verbraucherlast eine Unterbrechung bzw. Abschaltung folgen.
Es ist daher erwünscht, auf der Primärseite des
Transformators das Vorliegen eines derartigen Kurzschlußzustandes zu
signalisieren, um die Steuerung anzuhalten und abnormale
Erhitzungen zu vermeiden und so die Lebensdauer der
Leistungskomponenten zu erhöhen.
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In Fig. 3 finden sich die schon in den Figg. 1 und 2
gezeigten Schaltungselemente wieder, nämlich der Transistor Tp,
der Hilfstransistor T1, die Verbraucherlast L, die Diode D,
die Diode D1 und der P-Kanal-Anreicherungs-MOS-Transistor
M1, die Diode D2 und der
N-Kanal-Anreicherungs-MOS-Transistor M2, sowie die Sekundärwicklung W2. Zusätzlich ist in
dieser Schaltung ein niedriger Widerstand rm in Reihe
zwischen der Verbraucherlast und der Bezugselektrode des
Transistors Tp vorgesehen. Die Spannung an den Anschlüssen
dieses Widerstands rm steuert einen Unterbrecherschalter, der
im gezeigten speziellen Beispiel von einem
N-Kanal-Anreicherungs-MOS-Transistor M3 gebildet wird, der in Reihe mit
einer Diode D3 liegt, wobei dieses Aggregat parallel über
der Diode D liegt und die Dioden D3 und D relativ zueinander
antiparallel liegen. Man erkennt, daß, wenn der Transistor
M3 in Form eines Bipolartransistors ausgebildet ist, die
Anbringung einer Diode D3 entbehrlich ist, da diese Diode
lediglich deshalb vorliegt, weil in den üblicherweise für
einen MOS-Transistor, wie beispielsweise den Transistor M3,
angewandten Technologien parallel über dem Transistor eine
(nicht dargestellte) Diode von gleicher Polung wie die Diode
D vorliegt, wobei jedoch die Verwendung dieser (nicht
dargestellten) Diode, da sie langsam ist, nicht erwünscht ist.
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Sobald der Strom im Verbraucher und die Spannung über dem
Widerstand rm einen vorgegebenen Schwellwert übersteigen,
wird der Transistor M3 leitend und das Gate des Transistors
Tp entlädt sich über einen Strompfad, der durch die
Sekundärwicklung W2, die Diode D3 und den Unterbrecherschalter M3
sowie den Widerstand rm führt. Da der Transistor M3 in
Abwesenheit eines Kurzschlußzustands gesperrt ist,
beeinflußt der Parallelzweig aus der Diode D3 und dem Transistor
M3 die weiter oben beschriebene Wirkungsweise beim Öffnen
und Schließen der Schaltung nicht.
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Andererseits tritt die Entladung der Gate-Elektrode des
Leistungstransistors Tp im Fall eines Kurzschlusses nicht
während dem Vorhandensein eines den Transistor Tp in seinen
leitenden Zustand einschaltenden Impulses dazwischen, jedoch
unmittelbar nach derartigen Impulsen. Des weiteren ist eine
Schaltung vorgesehen, welche die Spannung an den Anschlüssen
des Widerstands rm während der Aufladung der
Gate-Kapazität des Transistors Tp maskiert. In der dargestellten
Ausführungsform weist diese Maskierungsschaltung des
Widerstands rm einen N-Kanal-MOS-Transistor M4 in Reihe mit
einem Widerstand R4 und einer Diode D4 auf, sämtlich in
Parallelschaltung über dem Widerstand rm. Das Gate des
Transistors M4 ist über einen Transistor M5 mit dem oberen
Anschluß der Sekundärwicklung W2 und über einen Widerstand R6
mit dem Bezugsanschluß der Transistoren T1 und Tp verbunden.
Das Gate des Transistors M5 ist mit dem Gate des Transistors
Tp verbunden, und zwischen dem Gate- und dem Source-Anschluß
des Transistors M5 ist eine Impedanz R5 vorgesehen. Sobald
daher ein Ladestrom für die Gate-Kapazität des Transistors
Tp von dem oberen Anschluß der Wicklung W2 zum Gate des
Transistors Tp fließt, d. h. während eines Einschalt- bzw.
Schließbefehls, bildet sich eine Spannung über dem
Widerstand R5 und eine negative Spannung am Gate des P-Kanal-
Transistors M5, der leitend wird und einen Stromdurchlaß im
Widerstand R6 und den leitenden Zustand des Transistors M4
hervorruft. Hieraus resultiert die Maskierung des
Widerstands rm, während der Transistor Tp von Strornspitzen
durchflossen wird, als Folge der Erholung der freilaufenden
Dioden parallel über der Verbraucherlast bei der
Einschaltung des Transistors Tp. Sobald die Aufladung der Gate-
Kapazität des Transistors Tp beendet ist, blockieren sich
die Transistoren M5 und M4, und die Spannung an den
Anschlüssen des Widerstands rm vermag nunmehr den Transistor
M3 in der zuvor beschriebenen Weise zu steuern, um die
Entladung der Gate-Elektrode des Transistors Tp hervorzurufen.
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Darüber hinaus sind in der Zeichnungsfigur verschiedene
zusätzliche Elemente wiedergegeben, welche die Funktionsweise
der Schaltung verbessern sollen. Zu diesen Elementen gehört
unter anderem eine Zener-Diode Z1 zwischen dem Gate und der
Source-Elektrode des Transistors T1. Diese Zener-Diode Z1
hat im wesentlichen die Bestimmung, das Anlegen zu hoher
Spannungen an diesem Gate zu Beginn der Sperrimpulse zu
vermeiden. Zwischen dem Gate und dem Source-Anschluß des
Transistors M3 ist eine Parallelschaltung aus einem Kondensator
C3 und einem Widerstand R3 vorgesehen. Das Aggregat aus dem
Kondensator C3, dem Widerstand R3 und der Diode D4 soll eine
Zeitkonstante gewährleisten, um den MOS-Transistor M3 nach
Feststellung einer überspannung genügend lange eingeschaltet
zu halten, zur vollständigen Entladung des Transistors Tp.
Parallel über dem Widerstand R5 liegt eine Diode D5, zur
Verringerung der Impedanz im Entladestromweg der
Gate-Elektrode des Transistors Tp.
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Somit gestattet die Schaltung von Fig. 3, dank des
Widerstands rm das Auftreten eines Kurzschlusses in der
Verbraucherlast nachzuweisen und die Gate-Kapazität des
Transistors Tp über die Diode D3, den Unterbrecherschalter M3
und die Sekundärwicklung W2 zu entladen, sobald eine
Überspannung aufgetreten ist. Diese Entladung der Gate-Kapazität
des Transistors Tp drückt sich in einem die Sekundärwicklung
W2 durchsetzenden negativen Stromimpuls aus. Wenn man diesen
negativen Stromimpuls auf der Primärseite nachweist, erhält
man eine Anzeige für den Umstand, daß ein Kurzschluß
aufgetreten ist, und man kann sodann eine Alarmanzeige
auslösen, die Zufuhr von Einschalt-Steuerbefehlen unterbinden
und den Öffnungs- oder Sperrzustand durch einen Sperrbefehl
bestätigen.
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Zur Steuerung von M3 kann eine andere herkömmliche
Kurzschluß-Nachweisschaltung verwendet werden. Statt den Strom
in rm zu überwachen, überwacht diese Schaltung die
Spannung über dem Kollektor von Tp. Im Fall eines Kurzschlusses
ist die Kollektor/Emitter-Spannung von Tp abnormal hoch, und
sie kann nach jeder beliebigen, dem Fachmann bekannten Weise
dazu dienen, das Gate von M3 am Ende des Einschaltimpulses
zu betätigen und die Entladung von Tp in W2 zu veranlassen,
was die Betätigung der Alarmschaltung gestattet.
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Fig. 4 zeigt ein Beispiel einer Steuerschaltung für die der
zuvor erwähnten Wicklung W2 zugeordnete Primärwicklung W1;
diese Schaltung gestattet darüber hinaus den Nachweis des
Auftretens eines negativen Stromimpulses über der Wicklung
W2, während der Transistor Tp normalerweise im leitenden
Zustand ist, wobei dieser Stromimpuls sich in einem
entsprechenden negativen Stromimpuls in der Primärwicklung W1
äußert.
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Die in Fig. 4 veranschaulichte Steuerschaltung für die
Primärwicklung W1 ist eine Brückenanordnung aus vier Zweigen 11
bis 14, deren jeder jeweils einen Unterbrecherschalter
parallel zu einer Umkehrdiode aufweist. Eine erste
Brückendiagonale liegt zwischen einer Speisespannung VCC und Masse-
GND. Die Primärwicklung Wl ist in der zweiten
Brückendiagonale angeordnet. Mit den in der Figur angegebenen
Bezeichnungen entspricht ein Impuls einer ersten Polarität, der aus
der Einschaltung der Schalter 12 und 13 in ihren leitenden
Zustand resultiert, einem Schließ- bzw. Einschaltimpuls,
während ein aus der Schließung bzw. Einschaltung der
Unterbrecherschalter 11 und 14 resultierender Impuls einer
zweiten Polarität der Zufuhr eines Öffnungs- bzw. Sperrimpulses
entspricht. In diesem Falle müssen, während man sich im
Schließ- bzw. Einschaltzustand nach der Zufuhr des Impulses
der ersten Polarität befindet, die Unterbrecherschalter 13
und 14 im Durchlaßzustand sein, die Unterbrecherschalter 11
und 12 hingegen gesperrt sein. In diesem Zustand ist es
erwünscht, das eventuelle Auftreten eines negativen Impulses
über der Primärwicklung W1 nachzuweisen, der von einem
Kurzschluß in der Verbraucherlast und von der Entladung der
Gate-Elektrode des Transistors Tp herrührt. Hierfür sieht
man eine Impedanz 15 vor, die beispielsweise aus zwei
antiparallel in dem den Kommutator 13 enthaltenden Brückenzweig
geschalteten Dioden gebildet wird. Man kann so in einfacher
Weise mit klassischen Mitteln das Auftreten einer Spannung
bestimmter Polarität feststellen, entsprechend dem genannten
negativen Impuls über der Wicklung W1, wie er über der
Impedanz 15 auftritt. Dieser Nachweis kann zur Auslösung eines
Alarms und zur Bestätigung des geöffneten oder gesperrten
Zustands des Leistungskommutators verwendet werden.
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Der Fachmann kann verschiedene Varianten von
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schaltungen konzipieren, wobei
das Wesentliche ist, daß die für jede dieser Schaltungen
angegebenen Funktionen zufriedenstellend erreicht werden.
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In den nachfolgenden Patentansprüchen dient das Wort
"verbinden" zur Bezeichnung einer Verbindung zwischen zwei
Schaltbauteilen unter eventueller Zwischenschaltung anderer
Bauteile, während der Ausdruck "anschließen" bzw.
"angeschlossen" zur Bezeichnung einer Verbindung dient, die
direkt sein kann.