DE1058104B - Schalttransistor mit stromabhaengiger Steuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung hat eine neue Schalttransistoranordnung zum Gegenstand, welche entweder als bedienungsmäßig steuerbarer oder als stromabhängig selbsttätig steuerbarer Schalter benutzt werden kann. Ein solches grundsätzliches Element kann auch weitergehend Anwendung finden in allen denjenigen Schaltungen, wo ein .Schalttransistor zur Anwendung gelangt und zweckmäßig Vorsorge getroffen wird, daß der als Schalttransistor benutzte Transistor gegen unerwünschte bzw. unzulässige Ströme geschützt wird. Das grundsätzliche Wesen einer erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß dem Schalttransistor, der im Hauptstromkreis bzw. im Verbraucherstromkreis der Anordnung liegt, ein weiterer Transistor derart zugeordnet ist, daß die Steuerstrecke, z. B. Emitter-Basis-Strecke, des einen Transistors jeweils abhängig von der Spannung an den Ausgangselektroden, z. B. der Emitter-Kollektor-Strecke, des anderen Transistors gesteuert wird, wobei jedoch die Steuerstrecke des zugeordneten Transistors über ein Ventil an die Ausgangselektrodenstrecke des im Hauptleitungszug liegenden Transistors angeschlossen ist. Dieses Ventil ist dabei Teil widerstand eines an die Speisespannungsquelle hinter dem Haupttransistor der Anordnung angeschlossenen Spannungsteilers und ist bei geöffnetem Haupttransistor und bei Stromfluß über den Spannungsteiler geöffnet. Der erwähnte Widerstand, der zusammen mit dem genannten Ventil den Spannungsteiler bildet, liegt gleichzeitig im Steuerkreis bzw. Emitter-Basis-Kreis des zugeordneten Transistors und wirkt, wenn dieser Transistor geöffnet ist, als ein Begrenzungswiderstand für den Steuerstrom dieses Transistors. Sobald der zugeordnete Transistor geöffnet und der Haupttransistor gesperrt werden, wird das Ventil, welches dem Spannungsteiler angehört, in Sperrichtung beansprucht.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird nunmehr auf ein entsprechendes Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 Bezug genommen. An den Klemmen 1 und 2 liegt die Speisespannungsquelle der Anordnung, von welcher über den Transistor 3 z. B. vom (p-n-p)-Typ der Verbraucher 4 gespeist wird. Dem Transistor 3, der in der Hauptspeiseleitung liegt, ist ein weiterer Transistor 5 z. B. vom (p-n-p)-Tvp zugeordnet. 6 bezeichnet einen Widerstand im Steuerkreis des Transistors 3. Dieser Steuerkreis verläuft von der Klemme 1 über die Emitter-Basis-Strecke des Transistors 3, ein Ventil 7 und den Widerstand 6 zurück zum Anschluß 2 der Spannungsquelle. 8 bezeichnet ein Sperrventil, welches zusammen mit dem Widerstand 9 einen hinter dem Transistor 3 an die Spannungsquelle 1, 2 angeschlossenen Spannungsteiler bildet. Die Basis des zugeordneten Transistors 5 ist über ein Ventil 10 an die Verbindung zwischen Schalttransistor
mit stromabhängiger Steuerung

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Otto Werner, Berlin-Siemensstadt,
ist als Erfinder genannt worden

dem Sperrventil 8 und dem Widerstand 9 angeschlossen. Der Widerstand 9 ist bei gesperrtem Ventil 8 lediglich in dem Steuerkreis des Transistors 5 wirksam. Dieser Steuerkreis verläuft dann von der Klemme 1 der Spannungsquelle über die Emitter-Basis-Strecke des Transistors 5, das Ventil 10 und den Widerstand 9 zurück zur Klemme 2 der Spannungsquelle.

Es ergibt sich in dieser Anordnung die folgende Wirkungsweise:

Der Transistor 3 ist geöffnet, wenn im Sinne des bereits geschilderten Steuerkreises von der Klemme 1 über die Emitter-Basis-Strecke des Transistors 3, das Ventil 7 und den Begrenzungswiderstand 6 ein entsprechender Strom zur Klemme 2 der Spannungsquelle fließt. Bei geöffnetem Transistor 3 fließt über den Spannungsteiler aus dem Ventil 8 und dem Widerstand 9 ein solcher Strom, daß das Ventil 8 geöffnet ist. In diesem Zustand ist der Transistor 5 gesperrt, da die Spannung, die an seiner Emitter-Basis-Strecke liegt, zu klein ist, um ihn an seiner Emitter-Kollektor-Strecke öffnen zu können. Aus Sicherheitsgründen ist das Ventil 10 vorgesehen, so daß ein wirksamer Steuerstrom über die Emitter-Basis-Strecke des Transistors 5 erst dann entstehen kann, wenn die am Steuerkreis des Transistors 5 wirksame Spannung einen durch das Ventil 10 vorgegebenen Schwellwert überschreitet. An die Stelle des Ventils 10 könnte auch eine entsprechende Gegenspannungsquelle treten,

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die dem Schwelhvert des Ventils 10 entspricht. Bei Die Wirkungsweise der Einrichtung im Falle des dieser Betrachtung ist zu berücksichtigen, daß das Auftretens eines Überstromes über die Last 4 ist beVentil 8 in Durchlaßrichtung beansprucht wird und reits geschildert worden. Eine solche Anordnung ist somit an ihm ein Spannungsabfall entsteht, der als also sowohl geeignet für eine bedienungsmäßige zusätzliche Steuerspannung im Steuerkreis des Tran- 5 Steuerung als auch für eine Überlastschutzeinrichtung, sistors 5 wirksam ist und bei der Bemessung des Eine solche Anordnung, wie sie grundsätzlich in

Ventils 10 berücksichtigt werden muß. Steigt der Fig. 1 geschildert worden ist, kann auch als Element Strom über die Belastung 4 und damit durch den in weiteren Schaltungen ausgenutzt werden. Ein BeiTransistor 3 bis auf einen unerwünschten bzw. un- spiel dafür ist z. B. ein Wechselrichter, in welchem zulässigen Wert an, so entsteht an den Ausgangs- io als gesteuerte Elemente Transistoren dienen. Die sinnelektroden des Transistors 3 ein Spannungsabfall, gemäße Steuerung dieser Transistoren in dem welcher als treibende Spannung einen Steuerstrom Wechselrichter erfolgt dann statt durch entsprechende über den Transistor 5 entstehen läßt, so daß dieser Bedienungsschalter, wie es in Fig. 1 gezeigt wurde, geöffnet wird. Sobald aber der Transistor 5 geöffnet abhängig von den Spannungen, welche an der Primärwird, wird der Widerstand 6 über den Transistor 5 15 wicklung bzw. den Teilwicklungen dieser Wicklung gespeist. Wegen des kleinen Spannungsabfalles, der des Ausgangstransformators des Wechselrichters aufbei geöffnetem Transistor 5 an dessen Emitter- treten, und abhängig von der Größe des Arbeits-Kollektor-Strecke liegt, wird der Stromfluß über die stromes, welcher über den als Steuerelement des Steuerstrecke des Transistors 3 unterbrochen. Damit Wechselrichters für die einzelne Halbwelle dienenden der Transistor 3 mit Sicherheit gesperrt wird, kann 20 Transistor fließt.

das Ventil 7 in seinem Steuerkreis vorgesehen werden. Eine beispielsweise erfindungsgemäße Anordnung

welcher als Gegenspannung bzw. als Widerstand mit dieser Art für einen Wechselrichter veranschaulicht Scliwellwertcharakter wirksam ist. Bei gesperrtem Fig. 2. In dieser Figur sind zwei Einheiten im Sinne Transistor3 hört der Stromfluß über den Spanmings- der Fig. 1 mit den entsprechenden Elementen enthalten, teiler, welcher aus dem Ventil 8 und dem Wider- 25 (Jm eine leichte Übersicht zu gewährleisten, sind die stand 9 gebildet ist, auf, d. h., das Ventil 8 wird nun- in den beiden Einheiten wieder wie in Fig. 1 vormehr geschlossen. Der Steuerstrom für den Tran- handenen gleichartigen Teile unmittelbar mit denselben sistor 5 nimmt nun seinen Weg von der Klemme 1 Zahlen beziffert worden, wobei diese Einzelteile in über die Emitter-Basis-Strecke des Transistors 5, den verschiedenen Einheiten nunmehr an der Ziffer über das Ventil 10 und den Widerstand 9 zurück zur 30 mit einem entsprechenden Ergänzungszeichen in Klemme 2 der Spannungsquelle. Damit bleibt der Form eines Striches bzw. zweier Striche versehen Transistor 3 im gesperrten Zustand. worden sind, 16 bezeichnet in der Anordnung den

In der bisherigen Beschreibung ist die Anordnung Ausgangstransformator des Wechselrichters, dessen nur derart geschildert worden, daß sie beim Auftreten Primärwicklung mit den Teilen α und b die beiden eines bestimmten Stromes über die Belastung 4 wirk- 35 Einheiten zugeordnet sind. Die Gleichspannungsquelle sam wird, d. h., sie wirkt z. B. als eine selbsttätige für den Wechselrichter ist mit 19 bezeichnet. Sie ist Uberstromschutzeinrichtung für den Transistor 3. Der in diesem Falle der Einfachheit halber als Batterie Transistor 3 kann aber im Speisestromkreis der Last 4 angedeutet. Zum Ingangsetzen der Anordnung dient auch nach Art eines bedienungsmäßig gesteuerten ein Bedienungsdruckknopf 17, der in Reihe mit einem Schalters oder zusätzlich mit dieser Funktion benutzt 40 Kondensator 18 an der Basis-Kollektor-Strecke des werden. Hierfür sind die Bedienungsschalter 11 und 12 Transistors 3" liegt.

in die Fig. 1 mit eingetragen. Durch ein kurzzeitiges Nachstehend wird nunmehr die Wirkungsweise

Schließen des Schalters 11, der nach Art eines Druck- dieser Anordnung geschildert. Es wird davon ausknopfschalters ausgebildet sein kann, \vird die Ein- gegangen, daß die beiden eigentlichen Arbeitstranrichtung eingeschaltet, durch ein kurzzeitiges Schließen 45 sistoren 3' und 3" sich in gesperrtem Zustand bedes Schalters 12 ausgeschaltet. Zur Erläuterung sei finden, während die diesen beiden Arbeitstransistoren von dem Zustand ausgegangen, in welchem der Tran- zugeordneten Hilfstransistoren 5' und 5" geöffnet sistor 5 geöffnet ist. Es fließt dann an ihm ein Steuer- sind, d.h. sich im Zustand des Durchlasses ihrer strom von der Klemme 1 über seine Emitter-Basis- Emitter-Kollektor-Strecke befinden. Dieser Schal-Strecke, das Ventil 10 und den Widerstand 9 zurück 50 tungszustand der Anordnung wird dadurch aufrechtzur Klemme 2 der Spannungsquelle. Wird nunmehr erhalten, daß für den Transistor 5' von der Stromder Schalter 11 vorübergehend geschlossen, so werden quelle 19 ein Steuerstrom über das Ventil 10' und den die Punkte 13 und 14 der Schaltung auf gleiches Widerstand 6' fließt und für den Transistor 5" ein Potential gebracht, so daß an der Emitter-Basis- Steuerstrom über das Ventil 10" und den WiderStrecke des Transistors 5 keine Spannung mehr liegt. 55 stand 6". Mit dem Schließen des Startdruckknopfes Der Transistor 5 wird daher an seiner Emitter- 17 für das Ingangsetzen der Anordnung fließt ein Kollektor-Strecke gesperrt. Sobald aber diese Sperrung Ladestrom über den Kondensator 18, der den Trandes Transistors 5 erfolgt, wird der Transistor 3 ge- sistor 3" öffnet. Mit der öffnung des Transistors 3" öffnet, weil die Emitter-Kollektor-Spannung des Tran- wird der Transistor 5" gesperrt. Das hat wiederum sistors 5 die für die öffnung notwendige Steuerspan·- 60 zur Folge, daß der Transistor 3" geöffnet bleibt, auch nung des Transistors 3 erreicht. Damit ist der Ver- wenn der Ladestrom über den Kondensator 18 nicht braucher 4 eingeschaltet. Die Ausschaltung der An- mehr fließt. In diesem Zustand liegt an dem Wickordnung kann dadurch herbeigeführt werden, daß lungsteil b der Primärwicklung des Transformators vorübergehend der Schalter 12 geschlossen wird. Hier- 16 nunmehr fast die volle Spannung der Stromquelle durch werden die Punkte 13 und 15 der Schaltung auf 65 19. Hierbei ist das Ende B der Primärwicklung des gleiches Potential gebracht, d. h., die Emitter- Transformators positiv gegenüber dem anderen Kollektor-Spannung des Transistors 5 wird praktisch Ende A der Primärwicklung und der Mittel-Null, so daß über die Emitter-Basis-Strecke des Tran- anzapfung C Durch die an den Klemmen B und C der sistors 3 kein Strom mehr fließt und die Emitter- Primärwicklung des Transformators liegende Span-Kollektor-Strecke des Transistors 3 gesperrt wird. 70 nung wird der Kern des Transformators in Richtung

Claims (6)

auf seine positive Sättigung magnetisiert. Das veranschaulicht die Fig. 3. In dieser ist eine Magnetisierungsschleife des Kernmaterials des Transformatorkernes wiedergegeben. Die Magnetisierung in Richtung auf die positive Sättigung verläuft also auf dem ansteigenden Ast der Kennlinie in Richtung auf den Punkt 1. Sobald der Magnetisierungsstrom über den Wicklungsteil b der Primärwicklung des Transformators so groß wird, daß der Spannungsabfall an der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 3" ausreicht, um den Transistor 5" etwas zu öffnen, wird der Transistor 3" gesperrt wegen der geringen Spannung, die dann nur noch an seiner Steuerstrecke liegt. Durch die Unterbrechung des Stromes über die Wicklung b ändert sich die Induktion des Transformatorkernes gemäß Fig. 3 von einem Wert, z. B. entsprechend dem Punkt 1, auf einen Wert entsprechend der durch den Punkt 2 bestimmten Remanenz. Durch diese Induktionsänderung wird in den Transformatorwicklungen ein Spannungsstoß umgekehrter Polarität induziert, wobei der Anschluß A der Primärwicklung des Transformators positiv wird gegenüber den Anschlüssen B und C. Durch diesen Spannungsstoß wird der Transistor 5' gesperrt. Wird aber der Transistor 5' gesperrt, so wird nunmehr der Transistor 3' geöffnet und legt das positive Potential der Stromquelle an den Punkt A der Transformatorteilwicklung a. Die Magnetisierungskurve des Kernes des Transformators wird mm weiter gemäß Fig. 3 vom Punkt 2 in Riehtung auf den Punkt 3 durchlaufen, bis der Anstieg des Magnetisierungsstromes durch den von ihm an der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 3' hervorgerufenen Spannungsabfall zu einer Öffnung des Transistors 5' und damit zu einer Sperrung des Transistors 3' führt. Sobald der Transistor 3' gesperrt wird und die Stromführung durch ihn hindurch aufhört, ändert sich die Induktion des Kernes des Transformators in Richtung auf den Remanenzpunkt 4. Durch diese Induktionsänderung entsteht eine Spannung an den Wicklungen des Transformators, die zur Sperrung des Transistors 5" führt. Durch die Sperrung des Transistors 5" wird der Transistor 3" geöffnet, und es beginnt alsdann das Spiel von neuem. Aus der Schilderung ist zu erkennen, daß die Arbeitstransistoren 3' und 3" jeweils dann gesperrt werden, wenn der sie durchfließende Strom so groß ist, daß der Spannungsabfall an ihren Emitter-Kollektor-Strecken ausreicht, die Transistoren 5' bzw. 5" zu öffnen. Bei kleiner bzw. normaler Belastung des Wechselrichters wird dieser Steuervorgang, wie erläutert, durch den Anstieg des Magnetisierungsstromes am Schluß der Spannungshalbwelle erfolgen. Bei einer zu großen Belastung wird diese Erscheinung aber bereits früher durch den Belastungsstrom eintreten. Dann wird aber nicht die gesamte Induktionsänderung am Kern des Transformators durchlaufen. Der Induktionssprung von dem jeweilig erreichten magnetischen Induktionswert bis zum Remanenzpunkt wird dann entsprechend kleiner, so daß schließlich das Öffnen des gegenphasigen Arbeitstransistors unterbleibt. Es bleiben dann beide Transistoren 3' und 3" gesperrt, bis an der Anordnung ein neuer Startbefehl über den Druckknopf 17 gegeben wird. Die erfindungsgemäße Anordnung ist geeignet als Wechselrichter für die Speisung von Verbrauchern ohmschen Charakters als auch solche induktiven bzw. kapazitiven Charakters. In einer erfindungsgemäßen Anordnung kann auch sowohl für die Steuerkreise jeder der beiden Transistoren je eine besondere Spannungsquelle benutzt werden, wobei der eine Pol aller Spannungsquellen an der einen Elektrode des Haupttransistors liegt. Ein erfindungsgemäßer Wechselrichter kann auch derart aufgebaut sein, daß er nur eine Halbwellenspännung liefert, wobei dann nur eine Einheit, bestehend aus Haupttransistor und Hilfstransistor, erforderlich ist. Patentansprüche:

1. Schalttransistor mit stromabhängiger Steuerung, dadurch gekennzeichnet, daß einem Haupttransistor (3), der einem Verbraucher (4) vorgeschaltet ist, ein Hilfstransistor (S) zugeordnet ist, daß die Steuerstrecke (Emitter-Basis-Strecke) des Haupttransistors (3J an die Ausgangsstrecke (Emitter-Kollektor-Strecke) des Hilfstransistors (5) liegt und die Steuerstrecke (Emitter-Basis-Strecke) des Hilfstransistors (5) an der in Richtung auf den Verbraucher (4) zu liegenden Elektrode (Kollektorelektrode) der Ausgangsstrecke (Emitter-Kollektor-Strecke) des Haupttransistors (3) über einen Gleichrichter (8) angeschlossen ist, der in Reihe mit dem Haupttransistor (3) und einem ohmschen Widerstand (9) im Steuerkreis des Hilfstransistors (5) liegt und welcher bei geöffnetem Haupttransistor (3) durch den Stromfluß über die Reihenschaltung aus Ventil (8) und Widerstand (9) geöffnet ist, und daß der Hilfstransistoa" (S) mit seinen Ausgangselektroden (Emitter-Kollektor-Strecke) über einen Begrenzungswiderstand (6) an. eine Spannungsquelle angeschlossen ist.

2. Schalttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Steuerkreis des Haupttransistors eine Gegenspannungsquelle bzw. ein entsprechender spannungsabhängiger, nichtlinearer Widerstand mit Schwellwertcharakter vorgesehen ist.

3. Schalttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Steuerkreis des Hilfstransistors eine Gegenspannungsquelle bzw. ein entsprechender spannungsabhängiger, nichtlinearer Widerstand mit Schwellwertcharakter vorgesehen ist.

4. Schalttransistor nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung an den Steuerstrecken der beiden Transistoren durch vorübergehende Überbrückung bzw. Herabsetzung der Steuerspannung selbsttätig oder bedienungsmäßig soweit vermindert wird, daß der betreffende Transistor gesperrt und dadurch der jeweils andere Transistor zwangläufig geöffnet wird.

5. Schalttransistoranordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch Anwendung einer oder mehrerer Einheiten aus Haupttransistor und Hilfstransistor als gesteuerte Elemente eines Wechselrichters, bei welchem die Abschnitte der Primärwicklung des Ausgangstransformators über die genannten Einheiten von ihrer Gleichstromquelle gespeist werden und die Steuerung derart erfolgt, daß die Abschaltung der Speisung der Primärwicklung bzw. der jeweiligen Teilwicklung von der Gleichspannungsquelle in Abhängigkeit von der Höhe des Belastungsstromes des Haupttransistors erfolgt und die Einschaltung des für die Arbeitsweise des Wechselrichters je-

weils nachfolgenden Haupttransistors stattfindet durch die in den Wicklungen des Wechselrichtertransformators beim Abschalten des vorher eingeschalteten Haupttransistors durch die wegfallende magnetische Erregung induzierte Spannung.

6. Schalttransistoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Ingangsetzung der Anordnung die Basis-Kollektor Strecke des einen Schalttransistors vorübergehend durch einen Kondensator überbrückt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen