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Elektronischer Umschalter
In der Fernmeldetechnik steht man oft vor der Aufgabe, in Abhängigkeit von dem Potential an einer hochohmigen Steuerleitung zwei Spannungen verschiedener Polarität niederohmig an ein leistungsverbrauchendes Organ anzulegen. Auf elektromechanischem Wege lässt sich diese Aufgabe z. B. mit Hilfe eines gesteuerten Umschaltkontaktes lösen. Ist die mechanische Trägheit dieser Kontakte hinderlich oder ist es notwendig, den Verschleiss der Kontaktflächen zu vermeiden, so kann man statt dessen Umschalter verwenden, die mit elektronischen Mitteln arbeiten.
Es ist z. B. ein elektronischer Umschalter bekannt, der mit Hilfe zweier dualer Transistoren in Kollektorschaltung arbeitet. In der Fig. 1 ist diese Schaltung dargestellt. Die beiden Transistoren T l und T2 sind in Reihe geschaltet und liegen zwischen dem gegen Masse positiven Pol Ul der Betriebsspannungsquelle und dem gegen Masse negativen Pol U2 derselben. Ihre Basen sind verbunden und liegen an der Eingangsklemme E. Ebenso sind die Emitter verbunden und liegen an der Ausgangsklemme A, wo der den Verbraucher darstellende Widerstand W z. B. gegen Masse angeschlossen ist. Der Transistor Tl ist vom n-p-n-Typ und der Transistor T2 vom p-n-p-Typ. Tritt nun beispielsweise an der Eingangsklemme E das gegen Masse negative Potential U2 auf, so fliesst zunächst von Masse über den Widerstand W und über die.
Emitter-Basis-Strecke des Transistors T2 zur Klemme E ein Injektionsstrom von Defektelektronen. welcher zur Folge hat, dass dieser Transistor leitend wird und sein wesentlich grösserer Kollektor-Emitterstrom den durch den Widerstand W dargestellten Verbraucher speist. Am Ausgang A des Umschalters stellt sich daher nahezu die gleiche Spannung ein, wie sie am Eingang E vorhanden ist, also hier die Spannung U2. Wenn nun die Eingangsspannung positiv gegen Masse ist, beispielsweise gleich U l, so wird in analoger Weise der Transistor Tl ausgesteuert, und es stellt sich am Ausgang wieder eine Spannung ein, die annähernd so gross ist, wie die am Eingang vorhandene, die hier jedoch einen Strom in umgekehrter Richtung wie im vorher beschriebenen Fall im Verbraucherwiderstand hervorruft.
In beiden Fällen ist jedoch der über den Ausgang fliessende Strom wesentlich grösser. nämlich im Verhältnis der Stromverstärkung, als der über den Eingang fliessende Strom, womit der gewünschte Effekt erzielt ist. Die Schaltung hat aber den Nachteil, dass man den Eingang mit einer Spannung aussteuern muss, die genau so gross ist, wie diejenige, die am Ausgang geliefert wird. Ausserdem werden duale Transistoren, also auch n-p-n-Transistoren, benötigt.
Für grössere benötigte Leistungen gibt es noch keine n-p-n-Transistoren, womit die Anwendbarkeit der Schaltung eingeschränkt wird.
Die Erfindung zeigt nun einen Weg zum Aufbau eines elektronischen Schalters unter Verwendung von zwei gleichartigen Transistoren, also beispielsweise von zwei p-n-p-Transistoren, bei der die am Ausgang abgegebene Spannung wesentlich grösser als die am Steuereingang benötigte Spannung ist. Diese Schaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass an die beiden Pole einer Betriebsspannungsquelle die Reihenschaltung zweier über einen Richtleiter verbundener, in. gleicher Weise angeordneter, gleichartiger Transistoren angeschlossen ist. Die Basis des ersten Transistors bildet dabei den Steuereingang und die Basis des zweiten Transistors ist über eine'1 Widerstand geeigneter Grösse an eine Vorspannungsquelle und an den Verbindungspunkt zwischen dem Richtleiter und dem ersten Transistor angeschlossen.
Der Richtleiter ist so gepolt, dass er vom Strom des ersten Transistors in Durchlassrichtung durchflossen wird. Sein Verbindungspunkt mit dem zweiten Transistor stellt den Ausgang des Umschalters dar. Der Ausgang arbeitet über den Verbrau-
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cher auf eine Potentialquelle, deren Potential in geeigneter Weise zwischen den Potentialen der Pole der Betriebsspannungsquelle liegt.
In der Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel für einen derartigen Umschalter dargestellt. Er enthält die beiden p-n-p-Transistoren Tl und T2, zwischen denen der Richtleiter G12 eingeschleift ist. Zwischen dem Ausgang A und Masse ist als Verbraucher der Widerstand W angeschlossen,-Dem Emitter des Transi- storsTI wird die gegenMasse positiveSpannungUl und dem Kollektor des Transistors T2 die gegen Masse negative Spannung U21 zugeführt. Der Basis des Transistors T2 wird dagegen über den Widerstand R die negative Spannung U22 zugeführt. Sie sei aber zunächst genau so gross wie die Spannung U21.
Das Massepotential möge so zwischen den Potentialen der Pole der Betriebsspannungsquelle liegen. dass der Betrieb der beiden Transistoren in der vorgesehenen Weise gewährleistet ist. Dem Eingang E wird nun eine gegen die Spannung Ul negative oder positive Steuerspannung zugeführt, wodurch der Transistor Tl leitend gemacht bzw. gesperrt wird und wodurch das vorgesehene Umschalten bewirkt wird. Infolgedessen fliesst der Strom durch den Widerstand W abwechselnd in den beiden Richtungen.
Wenn zunächst die am Eingang E und damit an der Basis des Transistors T l liegende Spannung gegen die Emitterspannung Ul negativ ist, so erhält die Basis eine Injektion von Defektelektronen, und der Transistor Tl wird leitend gemacht. Der Kollektorstrom fliesst dann zum Teil über den Richtleiter G12, den Ausgang A und über den Verbraucher W und zum Teil über den Widerstand R ab. Der letztere Strom ist ein Verluststrom. Man wird daher den Widerstand R, um den Verluststrom zu beschränken, so gross wie möglich machen. Infolge des Spannungsabfalles am Richtleiter G12 liegt am Emitter des Transistors T 2 eine niedrigere Spannung als an seiner Basis, so dass der Transistor gesperrt ist und den eben beschriebenen Stromfluss nicht beeinflusst.
Um den Umschalter in seinen andern Betriebszustand zu bringen, wird dem Eingang E nunmehr eine gegen die Emitterspannung Ul positive Steuerspannung zugeführt. Der Transistor Tl wird dadurch gesperrt.
Es kann zunächst nur noch ein Strom fliessen von Masse über den Widerstand W, die Emitter-Basis-Strecke des Transistors T2 und den Widerstand R, da dieser mit seinem einen Ende an der negativen Spannung U22 liegt. Mit diesem Strom ist eine Defektelektrùneninjektion in Jie Basis verknüpft, wodurch der Transistor T2 leitend gemacht wird. Sein Widerstand in diesem Zustand ist umso kleiner, je grösser der Injektionstrom ist, also desto kleiner der Widerstand R ist. Der Emitter-Kollektor-Strom des Transistors, der auch durch den Widerstand W fliesst, jedoch in entgegengesetzter Richtung wie der Strom in dem vorigen Betriebszustand, soll möglichst gross sein. Daher soll der Innenwiderstand des Transistors T2 im leitenden
Zustand möglichst klein sein.
Um dies zu erreichen, muss aber der Widerstand R so klein wie möglich sein, um eine möglichst grosse Defektelektroneninjektion hervorzurufen. Es muss nun, wenn die Spannungen U21 und U22 gleich sind, ein Kompromiss zwischen beiden entgegengesetzten Anforderungen an die Grösse des Widerstandes R geschlossen werden. Der Richtleiter Gl2 wird, wenn der Transistor T2 leitend ist, in Sperrichtung beansprucht und bildet daher keinen störenden Nepenschluss zur Emitter-BasisStrecke dieses Transistors.
Da bereits kleine Spannungen zwischen Emitter und Basis eines Transistors genügen, um diesen leitend zu machen oder zu sperren, werden bei dem erfindungsgemässen Umschalter im Gegensatz zu dem in Fig. l dargestellten nur kleine Steuerspannungen benötigt, um den erstrebten Wechsel im Betriebzustand des Umschalters zu bewirken. Ferner gibt es p-n-p-Transistoren, die eine verhält - nismässig grosse Leistung abgeben können. Der erfindungsgemässe Umschalter erlaubt daher, eine Reihe vorher unlösbarer Schaltaufgaben zu lösen. Man kann selbstverständlich auch einen entsprechenden Umschalter mit n-p-n-Transistoren aufbauen.
Gemäss der weiteren Erfindung kann der Anteil des über den Widerstand R fliessenden Verluststromes am Emitter-Kollektor Strom des Transistors Tl dadurch verringert werden, dass man den Widerstand R vergrössert und ausserdem die Spannung U22 um so viel negativer macht als die Spannung U21, dass der Basisstrom des Transistors T2 die gleiche Grösse wie in der vorherigen Schaltung hat, wodurch der
Emitter-Kollektor-Strom des Transistors T2 im leitenden Zustand genau so gross wie vorher ist.
Im folgenden wird angegeben, wie die Verminderung des über den Widerstand R fliessenden Verlust- stromanteil am Emitter-Kollektor-Strom des Tiansistros Tl zu erklären ist.
Es ist dabei die Auswirkung der Absenkung der Spannung U22 in den beiden Schaltzuständen des Um- schalters zu vergleichen. Es liegt an denEndpunkten der Reihenschaltung des Emitter-Kcllektor-Wider- standes des Transistors Tl und des Widerstandes R eme feste Potentialdifferenz. Die Aufteilung dieser Po- tentialdifferenz an der Reihenschaltung ist aber in den beiden Schaltzuständen verschieden. Wenn der Transistor Tl gesperrt ist, hat er einen grossen, wenn er leitend ist, einen kleinen Emitter-Kollektor-Wi- derstand. Daher liegt dementsprechend im leitenden Zustand des Transistors Tl am Widerstand R eine grössere Spannung als im gesperrten Zustand.
Die grössere der beiden Spannungen sei mit U, die kleinere
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mit u bezeichnet.
Zunächst wird nun der Zustand des Umschalters betrachtet, in dem der Transistor T2 leitend md der Transistor T l gesperrt ist. In diesem Zustand wirkt der über den Widerstand R fliessende Strom nicht als Verluststrom, sondern als Injektionsstrom für den Transistor T2, welcher dessen Leitfähigkeit bewirkt. Um nun bei einer Absenkung der negativen Spannung U22 den Transistor T2 in demselben Zustand festzuhalten, wird mit der Absenkung eine Vergrösserung des Widerstandes R verbunden. Dabei ist notwendig, dass die Zunahme des Widerstandes R proportional der Zunahme des Spannungsabfalls an diesem Widerstand ist.
In diesem Fall fliesst nämlich über den Widerstand R jeweils der gleiche Strom, wodurch der Basisstrom des Transistors T2 und damit dessen Betriebszustand erhalten bleiben. Die Absenkung der negativen Spannung sei mit A U22 = A u bezeichnet, sie ist gleich der Zunahme des Spannungsabfalls am Widerstand R.
Die Zunahme des Widerstandes sei A R. In diesem Betriebszustand des Umschalters gilt also für den Injektionsstrom 11 vor und 12 nach der Absenkung der Spannung U22
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Nunmehr wird betrachtet, welche Folgen die Absenkung der Spannung U22 auf die Grösse des über
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Vergleicht man nun die Folgen der Absenkung der Spannung U22 in den beiden Schaltzuständen des Umschalters, so ergibt sich, dass die Zunahme der Spannung u um A u der Zunahme des Widerstandes R um A R proportional ist und daher die Zunahme der grösseren Spannung U um denselben Betrag A u weniger als proportional der Zunahme des Widerstandes R um A R ist. Daher ist auch 14 kleiner als 13, denn die erzeugende Spannung hat relativ weniger zugenommen, als der gleichzeitig vergrösserte Widerstand, durch den der betrachtete Strom fliesst.
Es wird also durch die Absenkung der Spannung U22 der gewünschte Effekt, nämlich eine Abnahme des Verluststromes, erzielt. Ausserdem kann mit Hilfe dieser Massnahme der für diesen Verwendungszweck optimale Betriebszustand des Transistors T2 eingestellt werden.
In der Fig. 3 wird eine Schaltung angegeben, bei der mit Hilfe einer andern Methode eine Verringerung des über den Widerstand R fliessenden Verluststromes erzielt wird. Die Kollektorspannung U2 des Transistors T2 ist hiebei gleich der dem Widerstand R zugeführten Vorspannung. Der Widerstand R wird so gross gewählt, dass der über ihn fliessende Verluststrom nicht ins Gewicht fällt. Damit ist verknüpft, dass der Injektionsstrom in die Basis des Transistors T2 verhältnismässig klein ist, und dass daher der vom Transistor T2 gelieferte Kollektorstrom wesentlich kleiner ist als vorher. Durch den Emitterstrom dieses Transistors steuert man deshalb einen dritten Transistor T3, der mit seiner Basis an den Emitter des Transistors T2 angeschlossen ist. Sein Kollektor ist mit dem des Transistors T2 verbunden und erhält daher die gleiche Betriebsspannung.
Sein Emitter ist über einen Richtleiter G13 an den Kollektor des Transistors Tl angeschlossen. Den Ausgang des Umschalters bildet der Emitter vom Transistor T3. Wenn der Transistor T2 leitend gemacht wird, wird sein Emitter negativer und der mit der Basis angekoppelte Transistor T3 ebenfalls leitend. Über die Basis von Transistor T3 fliesst der Emitterstrom von Transistor T2, der wesentlich grösser ist als sein Basisstrom. Der Emitterstrom des Transistors T3 in leitendem Zustand ist daher ebenfalls wesentlich grösser als der von Transistor T2. Der über den Verbraucherwiderstand W fliessende Strom wird daher überwiegend vom Transistor T3 geliefert und kann eine hinreichende Grösse haben.
Wenn dagegen der Transistor Tl leitend ist, so fliesst sein Kollektorstrom über den Richtleiter G13 zum Arbeitswiderstand W in analoger Weise wie bei den andern Schaltungen. Der Transistor T3 wird durch den Spannungsabfall am Richtleiter G13 gesperrt, da an diesem Richtleiter sein Emitter und über den Richtleiter G12 auch seine Basis angeschlossen ist und in dieser Betriebslage die Basis positiver als der Emitter ist.
Gemäss der weiteren Erfindung werden Umschalter in der Weise aufgebaut, dass der erste und der zweite Transistor jeweils mehrfach vorgesehen ist, und dass jedem zweiten Transistor mehrere erste Transistoren zugeordnet sind, die über Entkoppelrichtleiter an denverbindungspunkt zwischenRichtleiter und Widerstand des zugehörigen zweiten Transistors angeschlossen sind. Ein Schaltungsbeispiel für Umschalter, die nach dieser Methode aufgebaut sind, zeigt die Fig. 4. Es sind hier die drei ersten Transistoren Tll, T12 und T13 vorhanden und die drei zweiten Transistoren T21, T22 und T23. Die ersten Tran- sistoren sind mit denjenigen zweiten Transistoren, mit denen sie zusammenarbeiten sollen, überEnt-
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koppelrichtleiter verbunden.
Das Schaltungsbeispiel ist so gewählt worden, dass je ein Kombinationspaar von ersten Transistoren mit einem zweiten Transistor zusammenarbeitet ; es hätte selbstverständlich auch eine andere Zuordnung der Transistoren gewählt werden können. Es sind daher hier die Kollektoren der Transistoren Tll und T12 über die Richtleiter G13 und G23 an die Basis des Transistors T23, die Kollektoren der Transistoren Tll und T13 über die Richtleiter G12 und G32 an die Basis des Transistors T22 und die Kollektoren der Transistoren T12 und T13 über die Richtleiter G21 und G31 an die Basis des Transistors T21 angeschlossen. Es arbeitet also auch jeder erste Transistor auf mehrere, in diesem Fall zwei zweite Transistoren.
Die eingefügten Entkoppelrichtleiter verhindern eine Verkopplung der Emitter der zweiten Transistoren über die Kollektoren der ersten Transistoren. Jedem zweiten Transistor sind hier zwei erste Transistoren zugeordnet. Wenn nun mindestens einer der beiden ersten Transistoren leitend ist, so wird durch den Spannungsabfall am zwischen Basis und Emitter des zweiten Transistors Jiegenden Richtleiter wie bei den früheren Schaltungen jeder zugehörige zweite Transistor gesperrt. Wenn dagegen beide erste Transistoren nicht leitend sind, so wird analog zu den früheren Schaltungen jeder zugehörige zweite Transistor leitend.
Betrachtet man diesen Betriebszustand als Arbeitslage des aus einem zweiten Transistor und den beiden ersten Transistoren gebildeten Umschalters mit zwei Steuereingängen, nämlich den Basen der ersten Transistoren, so ergibt sich, dass er erst in die Arbeitslage kommt, wenn beide Steuereingänge die betreffende Steuerspannung haben. Der Umschalter wirkt also zugleich als"lind"-Schaltung oder Koinzi- denzschaltung. Diese Eigenschaften ermöglichen die vorteilhafte und vielfältige Anwendun des Umschal- ters in Femmeldeschaltungen. Wenn nur ein einziger zweiter Transistor vorhanden ist, auf den mehrere erste Transistoren arbeiten, so liegt keine Vielfachschaltung von zweiten Transistoren vor, es können dann die Entkoppelricbtleiter eingespart werden.
PATENTANSPRÜCHE
1. Elektronischer Umschalter zur Schaltung des Stromes in einem Verbraucher, der am Ausgang des Schalters angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass an die beiden Pole U1 und U21 einer Betriebsspannungsquelle die Reihenschaltung der Emitter-Kollektorstrecken zweier über einen Richtleiter (G 12) verbundener, in gleicher Weise angeordneter Transistoren (T1 und T2) vom gleichen Leitungstyp angeschlossen ist, wobei die Basis des ersten Transistors (Tl) den Steuereingang (E) bildet und die Basis des zweiten Transistors (T2) über einen Widerstand (R) geeigneter Grösse an eine Vorspannungsquelle (U22) und an den Verbindungspunkt zwischen dem Richtleiter (G12) und dem ersten Transistor (Tl) angeschlossen ist, und dass der Richtleiter (G12) so gepolt ist,
dass er vom Strom des ersten Transistors (T1) in Durchlassrichtung durchflossen wird, und dass sein Verbindungspunkt mit dem zweiten Transistor den Ausgang A des Umschalters darstellt, welcher über den Verbraucher (W) auf eine Potentialquelle (Masse) arbeitet, deren Potential in geeigneterweise zwischen denPotentialen derPole (Ul undU21) der Betriebsspannungsquelle liegt.