Anzeigegerät für Überspannungen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Anzeigegerät für zu hohe, insbesondere kurzseitig auftretende, Spannungen, wobei im Anzeigegerät Halbleiter verwendet werden.
Zur Vereinfachung der Darstellung soll in dieser Beschreibung statt überspannung und/oder über- strom der Ausdruck überspannung im im Sinne dieses doppelten Ausdruckes allein verwendet werden.
In elektrischen Anordnungen, die Halbleiter oder auch andere Bauteile mit einer vorgeschriebenen oberen Grenze für Spannung und Strom umfassen, muss das Auftreten von überspannungen angezeigt werden, damit die Überspannungen beseitigt werden oder die Anordnungen so abgeändert werden können, dass die Gefahr eines Schadens an den Bauteilen vermieden wird.
Solche Überspannungen können für eine Zeitdauer auftreten, die kleiner ist als eine Mikrosekunde, so dass die Anzeige und Messung durch ein Oszilloskop schwierig und unzuverlässig werden kann. Für die Anzeige so kurzer Überspannungen können wohl gasgefüllte Triggerröhren verwendet werden, doch ist das Triggerniveau (Ansprechniveau) dieser Röhren abhängig von der Dauer der Überspannung, so dass die Eichung des Anzeigers schwierig und das erhaltene Ergebnis unzuverlässig ist.
Es kann auch eine transistorisierte Multivibratorschaltung verwendet werden, um eine Überspannung der angegebenen Zeitdauer zu erfassen, wobei die Schaltung so ausgebildet ist dass sie beim Auftreten einer Überspannung vorbestimmter Grösse von einem Zustand in den andern geschaltet wird, doch ist die Ansprechgeschwindigkeit einer solchen Schaltung durch die Transistoren beschränkt und eine Pufferstufe, die dabei notwendig wird, um den Eingang vom Multivibrator zu trennen, verringert zusätzlich die Ansprechempfindlichkeit des Anzeigegerätes, wenn kurze Impulse oder Uberspan- nungen kurzer Dauer an den Eingang angelegt werden
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Überspannungs-Anzeiggerät, das Überspannungen zuverlässig anzeigt, wobei z.
B. die Amplitude der dabei auftretenden Stromimpulse unterhalb von 100 Mikro-Ampere liegen kann und deren Zeitdauer wenige Nano Sekunden betragen mag.
Das Anzeigegerät für Überspannungen ist gekennzeichnet durch einen bei Abwesenheit einer Uberspan- nung nichtleitenden Transistor mit einem Basis-Emitter-Kreis, der eine Tunneldiode enthält, und Mittel für die Anzeige und/oder Messung, die auf das Auftreten eines Kollektorstromes im Transistor ansprechen, und einen Eingangskreis, der an der Tunneldiode liegt und Gleichrichtemittel besitzt, die dahin wirken, dass, beim Eintreffen von Überspannungen verschiedener Polarität an den Eingangsklemmen, an der Tunneldiode nur einseitig gerichtete Spannungen auftreten können.
Die Mittel für die Anzeige und/oder Messung können mit dem Kollektorkreis oder Emitterkreis des Transistors verbunden sein.
Die Gleichrichtemittel können in einfacher Weise aus einem Paar Halbwellengleichrichter bestehen, die mit einander entgegengesetzter Polung zwischen eine Eingangsklemme des Eingangskreises, an den die Überspannungen engegengesetzter Polarität angelegt werden können, und die beiden Anschlussenden der Tunneldiode angeschlossen sind. Solch ein Anzeigegerät ist nützlich für die Anzeige von überspannungen einer einzigen Polarität.
Die Anzeige von Überspannungen beider Polaritäten kann z. B. dadurch erreicht werden, dass ein Brückenkreis, der den Eingangskreis bildet und dessen Ausgangsklemmen an die beiden Anschlussklemmen der Tunneldiode angeschlossen sind, Gleichrichtemittel umfasst, sodass an die einzelnen Anschlussklemmen der Tunneldiode unabhängig von der Pola- rität an den Eingangsklemmen des Brückenkreises jeweils die gleiche Polarität geführt wird.
Das obige Anzeigegerät kann gewünschtenfalls eine Anzahl in Serie geschalteter Tunneldioden im Basis-Emitter-Kreis des Transistors umfassen, so dass die Grösse der eintreffenden überspannungen, die an den Eingangskreis angelegt werden, in Abhängigkeit von der Änderung des Zustandes von einer oder mehr Tunneldioden gemessen und/oder angezeigt werden kann. Wenn mehrere Tunneldioden verwendet werden, um eine Unterscheidung der Grösse der überspannungen zu erreichen, wird der Eingangskreis des Anzeigegerätes Vorzugsweise an alle Dioden angeschlossen.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in der beiliegenden Zeichung veranschaulicht und werden an Hand dieser Zeichnung nachfolgend beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 die Schaltung eines Uberspannungs-Anzeige- gerätes für die Anzeige von zu hohen Werten von Spannungen und/oder Strömen, die bei der Klemme I1 gegenüber der Klemme I2 einen negativen Wert haben,
Fig. 2 ein Diagramm, das unter anderen die Strom-Spannungs-Charakteristik der Tunneldiode und des Transistors von Fig. 1 zeigt,
Fig. 3 die Schaltung eines Uberspannungs-Anzeige- gerätes ähnlich Fig. 1, jedoch mit einem Eingangskreis, der so ausgebildet ist, dass sowohl negative wie positive überspannungen angezeigt werden,
Fig. 4 die Schaltung eines Überspannungs-Anzeigegerätes ähnlich Fig.
1, bei dem eine Anzahl Tunneldioden vorgesehen sind, um im einzelnen die Grösse der an den Eingangskreis angelegten Überspannungen anzuzeigen,
Fig. 5 die Schaltung eines überspannungsanzeigegerätes ähnlich Fig. 3, jedoch mit einer Anzahl Tunneldioden, um im einzelnen die Grösse der an den Eingangskreis angelegten Überspannungen anzuzeigen, und
Fig. 6 die Schaltung eines Überspannungsanzeigegerätes ähnlich Fig. 5, jedoch mit einer Basis-Vorspannung für den Transistor, die von einer Parallelschaltung eines Kondensators mit einer Zenerdiode stammt.
Nach Fig. 1 umfasst das dargestellte überspannungsanzeigegerät einen Transistor T1, dessen Emitter mit einer Quelle positiver Potentials (+) und dessen Kollektor über ein Strommessinstrument M mit einer Quelle nagtiven Potentials verbunden ist. Der Emitter des Transistors T1 ist mit der Basis des Transistors über eine Tunneldiode TD verbunden, die in Richtung zur Basis gepolt ist. Die Basis des Transistors und die Tunneldiode sind ausserdem über einen Widerstand R1 mit der Quelle negativen Potentials (-) verbunden, mit dem Diode und Transistor vorgespannt werden.
An den beiden Klemmen der Tunneldiode TD liegt ein Eingangskreis des Anzeigegerätes, der einen Widerstand R2 umfasst, der mit dem einen Ende mit der Eingangsklemme I1 und mit dem anderen Ende mit den Gleichrichtern D1 und D2 verbunden ist, die so gepolt sind, dass sie von der einen Klemme der Tunneldiode TD weg und zur anderen Klemme der Tunneldiode hin gerichtet sind. Die weitere Eingangsklemme I2 ist mit dem Emitter des Transistors T1 verbunden.
Fig. 2 zeigt das Diagramm der Tunneldiode TD, die Eingangscharakteristik des Transistors und strichpunktiert die resultierende Charakteristik der Kombination aus Tunneldiode TD und Transistor T1. Die Belastungslinie des Widerstandes R1 ergibt an der resultierenden Charakteristik die beiden stabilen Arbeitspunkte A bzw. B der Schaltung. Aus Fig. 2 ergibt sich, dass eine Zunahme der Spannung an der Tunneldiode bewirken kann, dass die Schaltung unstabil wird (Punkt P) und von einem stabilen Arbeitspunkt A zu dem anderen Arbeitspunkt B wechselt. Wenn das Anzeigegerät nach Fig. 1 der Zeichnung eingeschaltet wird, geht es zunächst in den durch den Arbeitspunkt A angegebenen Zustand.
Tritt aber an der Eingangsklemme I1 eine genügend grosse negative überspannung auf, wird infolge der Zuleitung negativen Potentials über den Gleichrichter D1 das negative Potential an der Tunneldiode TD grösser und der Strom in der Tunneldiode, die im Basis-Emitter-Kreis des Transistors liegt, nimmt infolgedessen ab, nachdem ein kleines anfängliches Anwachsen des Transistorstromes 1T aufgetreten war, wodurch die Basis des Transistors gegenüber dem Emitter des Transistors negativer und dadurch der Transistor T 1 leitend wurde.
Der Kollektorstrom dieses Transistors bedeutet einen Strom, der in der Anzeigevorrichtung M die Angabe des Auftretens einer negativen überspannung an der Eingangsklemme I1 gegenüber der Eingangsklemme I2 bewirkt. Wenn ein positiver Impuls oder eine kurzzeitige positive überspannung an die Klemme I1 des Eingangskreises des Anzeigegerätes angelegt wird, fliesst Strom durch den Widerstand R2 und den Neben schlussweg durch den Gleichrichter D2, aber die Spannung an den Klemmen der Tunneldiode TD bleibt unverändert, so dass der Transistor T1 nicht leitend bleibt. Daraus ergibt sich, dass das oben an Hand der Fig. 1 und 2 beschriebene Anzeigegerät für die Anzeige negativer überspannungen bestimmt ist.
Aus Fig. 2 ergibt sich, dass nur eine kleine Zunahme des Stromes IT durch die Tunneldiode TD erforderlich ist, um diese zum Schalten zu bringen. Infolgedessen kann der Eingangswiderstand R2 einen hohen Weg besitzen, der für die Anzeige auch schwer nachzu weisender überspannungen von Vorteil ist. Der Wert des Widerstandes R2, der erforderlich ist, um zu be wirken, dass der Kreis bei einer Eingangsspannung V schaltet, ergibt sich aus der Formel: R2 = V:IT.
In Fig. 3 ist ein Anzeigegerät dargestellt, das sowohl negative wie positive Überspannungen nachweisen kann. Zu diesem Zweck besitzt der Eingangskreis die Form einer Brückenschaltung, deren Eingangsklemme die Eingangsklemmen I1 und I2 des Anzeigegerätes sind und deren Ausgangsklemmen mit den entsprechenden Anschlussklemmen der Tunneldiode verbunden sind. Die Brückenzweige bei der Eingangsklemme I2 bestehen in Gleichrichtern D2 und D3, die den Strom zu dieser Klemme hin bzw. von ihr wegleiten, während die beiden Brückenarme bei der Eingangsklemme Il durch die Widerstände R2 und R3 gebildet werden.
Die negative Ausgangsklemme der Brücke ist über den Gleichrichter Dl mit der Anode der Tunneldiode TD und der Basis des Transistors Tl verbunden, während die positive Ausgangsklemme der Brücke mit der Kathode der Tunneldiode und mit dem Emitter des Transistors Tl verbunde ist.
Demnach kann eine an die Eingangsklemme I1 und 12 angelegte negative Überspannung, bei der I1 negativ ist, eine Zunahme des Potentials an den Klemmen der Tunneldiode TD und eine anfängliche Zunahme des Stromes 1T bewirken, auf die eine Abnahme des Stromes durch die Tunneldiode folgt, wenn diese von einem Zustad zum andern unmschaltet, wobei sich eine Zunahme des negativen Potentials ergibt, das an die Basis des Transistors geht, um diesen leitend zu machen und dadurch mittels des stromempfindlichen Messgerätes M im Kollektorkreis des Transistors die Anzeige einer negativen Überspannung zu erhalten.
In ähnlicher Weise gelangt im Falle einer positiven Überspannung an den Eingangsklemmen Il und I2, bei der I1 positiv ist, ein negatives Potential über den Gleichrichter Dl zu der Verbindungsstelle zwischen dem Widerstand Rl und der Tunneldiode TD, so dass der Transistor Tl wiederum leitend wird, um am Anzeigeinstrument M eine Anzeige des Auftretens einer positiven überspannung am Eingangskreis zu erhalten.
Fig. 4 endlich zeigt die Schaltung eines Anzeigegerätes, die der oben beschriebenen Schaltung nach Fig. 1 gleicht, jedoch im Basis-Emitter- Kreis des Transistors Tl eine Reihe in Serie geschalteter Tunneldioden und einen Strombegrenzungswiderstand R4 aufweist. Wie im Falle der Schaltung nach Fig. 1 können nur negative überspannungen angezeigt werden. Dadurch, dass eine Anzahl Tunneldioden in der Schaltung nach Fig. 4 vorgesehen sind, kann im einzelnen der Wert der negativen überspannung festgestellt werden, die an den Eingangskreis gelangt, wobei diese Wertfeststellung in folgender Weise erreicht wird. In Ruhezustand der Vorrichtung nehmen die Tunneldioden TD den Zustand an, der durch den Punkt A der Charakteristik in Fig. 2 bestimmt ist.
Beim Anlegen einer negativen überspannung an die Eingangsklemme I1 ändern eine oder mehrere Tunneldioden ihren Zustand von Punkt A auf den von Punkt B der Charakteristik. Beim Übergang der ersten Tunneldiode vom Zustand A in den Zustand B wird der Vorstrom durch Rl und die Tunneldioden verringert. Der Eingangsstrom, der notwendig ist, um die nächste Tunneldiode aus dem Zustand A in den Zustand B zu schalten, ist grösser als der Strom zum Schalten der ersten Diode. Und so wird beim über gang jeder nachfolgenden Tunneldiode für den übergang der weiteren nachfolgenden Tunneldiode fortlaufend ein höherer Eingangsstrom erforderlich. In Fig.
2 betrachtet, wird jedesmal, wenn eine Tunneldiode TD schaltet, der Punkt A weiter in Richtung zum Nullpunkt des Koordinatensystems auf der Charakteristik verschoben, wodurch der Strom IT zum Schalten der nächsten Diode jedesmal grösser wird. Auf diese Weise kann bewirkt werden, dass eine Tunneldiode ihren Zustand bei einer Zunahme der Eingangsklemmen um Stufenwerte von beispielsweise 1.000 Volt schaltet, wobei das Anzeigeinstrument M so geeicht ist, dass es die Grösse der auftretenden Überspannungen anzeigt. Die Vorspannung (-Vl) kann über eine Zenerdiode mit parallelgeschaltetem Kondensator gewonnen werden.
Fig. 5 zeigt die Schaltung für ein überspannungsanzeigegerät, bei dem eine Anzahl in Serie geschalteter Tunneldioden in dem Basis-Emitter-Kreis des Transistors Ti liegen, um die Grösse der an der Eingangskreis gelegten Überspannungen anzuzeigen, wie oben mit Bezug auf Fig. 4 dargestellt werden, und bei dem die Basis des Transistors über einen Widerstand Rl aus einer Quelle von zumindest angenährt konstantem Potential -Vl gespeist wird. Der Eingangskreis des Anzeigegerätes besitzt die Form einer Gleichrichter Brückenschaltung, die mit Bezug auf Fig. 3 bereits beschrieben wurde, so dass die negative Ausgangsklemme der Brücke mit der Anode des Gleichrichters Dl verbunden ist, während die positive Klemme der Gleichrichterbrücke mit dem Emitter des Transistors Tl verbunden ist.
Auf diese Weise liegt die Gleichrichterbrücke parallel zu den in Serie geschalteten Tunneldioden.
Bei den Ausfürungsbeispielen nach Fig. 4 und 5 genügen Änderungen von Spannung und Strom im Punkt P (Fig. 2) zwischen den Tunneldioden, um die Reihenfolge zu bestimmen, in der die Dioden geschaltet werden. Die hier beschriebenen Schaltungen können durch Unterbrechen des Anschlusses Vi oder durch Kurzschliessen der Tunneldiode(n) wieder in ihren Anfangszustand zurückgeführt werden.
Angenommen, dass der Basisstrom des Transistors verglichen mit 1T vernachlässigbar ist, können die Vorspannung V1 und die Grösse Rl des Widerstandes Rl aus den folgenden Gleichungen berechnet werden: VB-VA = (1)
1T
V1 = R1 Ip + (N+l) VA = VB (2) worin bedeuten:
VA = Spannung jeder Tunneldiode im Zustand A,
VB = Spannung jeder Tunneldiode im Zustand B, IT = Stromintervall, der zu Umschalten der Tunneldiode führt,
Ip = Höckerstrom der Tunneldioden und
N = Anzahl der Tunneldioden in Serie.
Die Schaltung des Anzeigegerätes nach Fig. 6 gleicht der in Fig. 5 mit der Ausnahme, dass die Vorspannung -Vl, die durch den Widerstand Rl in Fig. 5 gewonnen wird, aus der Parallelschaltung eines Kondensators Cl und einer Zenerdiode 7 stammt, wobei die Parallelschaltung am einen Ende mit der Verbindungsstelle zwischen dem Widerstand Rl und einem Widerstand R6 und am andern Ende mit dem Emitter des Transistors Tl verbunden ist. Der Kollektor-Emitter-Kreis des Transistors enthält eine Batterie B und einen Schalter S und das Messgerät M im Kollektor-Kreis kann so geeicht sein, dass 0 bis 5000 Volt in fünf Stufen abgelesen werden können, wobei der Zeiger des Messgerätes jedesmal um eine Stufe weitergerückt wird, wenn eine der fünf Tunneldioden geschaltet wird.
Auf diese Weise wird eine Unterscheidung der Überspannungen nach Amplituden für jede Polarität erreicht.
Wie ersichtlich, ist bei allen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen das stromempfindliche Messinstrument M im Kollektorkreis des Transistors Ti angeordnet. Doch kann das Messinstrument statt im Kollektorkreis mit Vorteil auch im Emitterkreis des Transistors Tl angeordnet werden, so dass es in Emitterfolge arbeitet. Diese zweitgenannte Schaltung des Transistors erhöht die Eingangsimpedanz des Transistors, so dass die Belastung der vorausgehenden Diode verringert und die Transistorstufe für Parameter änderungen infolge von Temperaturveränderungen weniger empfindlich wird.
Ausserdem bewirkt eine Änderung der Stromverstärkung zwischen einem Transistor und einem anderen Transistor, wenn zwei oder mehr Transistorstufen Verwendung finden, einen löschenden Rückkopplungsstrom zur Basis, während jede Änderung des Reststromes zwischen Kollektor und Emitter des Transistors Tl durch Temperaturänderung eine Vorspannung bewirkt, die der Änderung des Reststromes entgegenzuwirken sucht.
Bei den oben an Hand der Zeichnung beschriebenen Ausführungsformen ist der Transistor Tl ein pnp Transistor, doch kann auch ein npn-Transistor Verwendung finden, wobei natürlich die Dioden und elektrischen Polaritäten eine Umkehrung erfahren.