DE1107276B - Schalttransistoranordnung zum Schalten eines Verbrauchers an eine Speisequelle - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Schalttransistoranordnung zum Schalten eines Verbrauchers an eine Speisequelle, die die Verstärkereigenschaften der Transistoren benutzt, um verhältnismäßig große Verbraucher mittels kleiner Steuergrößen zu schalten. Sie besteht hierzu aus einer steuerbaren Transistorbrücke, zwischen deren eine Diagonalpunkte die Last und zwischen deren andere Diagonalpunkte die Laststromquelle angeschlossen ist, mit einer gemeinsamen Steuerspannungsquelle.

Bei einer bekannten Schalttransistoranordnung dieser Art sind sämtliche Transistoren in Steuerabhängigkeit von einer Steuerspannungsquelle gebracht, derart, daß stets zwei Transistoren gesperrt werden, solange das Steuersignal gegeben wird. Bei Fortfall des. Steuersignals haben dann alle Transistoren den gleichen Zustand. Es besteht dabei also die Möglichkeit, daß bei Fortfall des Steuersignals alle Transistoren stromleitend werden. Um in diesem Fall einen unerwünschten Stromfluß durch die Last zu vermeiden, müssen die einzelnen Brückenzweige genau abgeglichen werden, was praktisch nur sehr schwer zu erreichen ist.

Ferner benötigt die bekannte Anordnung zur Durchführung der Steuerung als Wechselrichter einen Steuertransformator mit vier Sekundärwicklungen, wodurch sie nur als fremdgeführter Wechselrichter betrieben werden kann. An Stelle eines solchen Steuertransformators kann auch ein mechanisches Relais treten, das aber wegen seiner Trägheit nur einen Wechselstrom geringer Frequenz erlaubt und außerdem sehr störanfällig ist. Auch kann die Last hierbei nicht nur in einer Richtung stromdurchflossert werden. An Stelle der Relaiskontakte können zwar auch zusätzliche Transistoren treten, jedoch gilt auch in diesem Fall das eingangs Gesagte. Eine Steuerung der einem Gleichstromverbraucher zugeführten Leistung ist hiermit nicht möglich.

Der Betrieb als fremdgeführter Wechselrichter oder als leistungssteuernde Schalteinrichtung gelingt mit kleinem Aufwand unter Fortfall eines Steuertransformators oder eines mechanischen Relais bei Einzelsteuerung der Transistoren nach der Erfindung dadurch, daß in an sich bekannter Weise im Steuerkreis eines jeden Transistors eine Hilfsgleichspannungsquelle solcher Polarität angeordnet ist_T daß im ungesteuerten Zustand der Anordnung ein an den einen Pol der Laststromquelle angeschlossenes Transistorpaar voll stromdurchlässig und das andere an den anderes Pol der Laststromquelle angeschlossenes Transistorpaar voll stromsperrend ist, daß für die Dauer einer nur dem normalerweise sperrenden Tran-Schalttransistoranordnung zum Schalten
eines Verbrauchers an eine Speisequelle

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,
East Pittsburgh» Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. P. Ohrt, Patentanwalt,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 12. November 1958

Richard O. Decker, Murrysville, Pa.,

Clarence I. Jones, Pitcairn, Pa.,
und George F. Pittman jun., Pittsburgh, Pa.

(V. St. Α.),
sind als Erfinder genannt worden

sistorpaar zugeführten Steuerspannung abhängig von deren Polarität einer der betreffenden normalerweise sperrenden Transistoren in den leitenden Zustand ausgesteuert wird und daß in Abhängigkeit von dem die Last in einer bestimmten, von der Polarität der Steuerspannung abhängigen Stromrichtung durchfließenden Laststrom ein die Hilfsgleichspannung des einen normalerweise stromdurchlässigen, nicht vom Laststrom durchflossenen Transistors überwiegender Spannungsabfall zur Sperrung dieses Transistors abgeleitet ist.

Jedem Transistor des zweiten Paares ist eine Rückkopplung in Form eines Rückkopplungswiderstandes zugeordnet, der bei Öffnen eines Transistors des ersten Pares stromdurchflossen wird und die dabei auftretende Rückkopplungsspannung den betreffenden Transistor des zweiten Paares sperrt, indem sie die diesen leitend haltende Hilfsspannung im entgegengesetzten Sinne überwiegt. Durch entsprechende Bemessung des Rückkopplungswiderstandes im Verhältnis zum Lastwiderstand kann eine Verstärkung mit großem Wirkungsgrad erreicht werden, so daß ein von einer entsprechend starken Speisequelle gespeister Verbraucher schon durch kleine Steuersignale schaltbar ist. Insbesondere eignet sich die Anordnung nach der Erfindung zum Schalten von

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induktiven Verbrauchern, wie sie Feldwicklungen von Maschinen oder Apparaten darstellen. Hierzu sind vorteilhafterweise zu den Transistoren des zweiten Paares Dioden als Parallelpfade angeschlossen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die im Verbraucherkreis liegenden Teile galvanisch mit den Steuersignalkreisen gekuppelt sein können, so daß sich gesonderte Kopplungstransformatoren erübrigen. Darüber hinaus besteht die Anordnung nach der Erfindung lediglich aus ruhenden Schaltungselementen.

Als Steuersignale dienen vorzugsweise rechteckförmige Signale, die in ihrer Amplitude unverändert bleiben und nur in ihrer Impulsbreite und gegebenenfalls ihrer Polarität verändert werden. Bei der Vertauschung der Polarität der Steuersignale wird der Verbraucher von einem Strom in der anderen Richtung gespeist. Aus diesem Grunde eignet sich die Anordnung nach der Erfindung auch als fremdgeführter Wechselrichter, wozu nur eine Steuersignalspannung abwechselnder Polarität notwendig ist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind nachfolgend an Hand eines Ausführungsbeispiels für den Gegenstand der Erfindung näher erläutert.

Gemäß Fig. 1 sind vier Transistoren 30, 40, 60 und 70 mit einer Gleichstromspeisequelle 50 zu einer Brückenschaltung zusammengefaßt. Jeder Transistor hat einen Emitter 31, 41, 61 bzw. 71, einen Kollektor 32, 42, 62 bzw. 72 und eine Basis 33, 43, 63 bzw. 73. Die Emitter 41 und 31 sind mit dem positiven Pol der Speisequelle 50, die Kollektoren 62 und 72 mit dem negativen Pol der Speisequelle verbunden. Ferner ist der Kollektor 32 über einen Rückkopplungswiderstand 65 mit dem Emitter 61 und der Kollektor 42 über einen Rückkopplungswiderstand 75 mit dem Emitter 71 galvanisch verbunden. Zwischen dem Kollektor 32 bzw. 42 und dem Rückkopplungswiderstand 65 bzw. 75 ist der positive Pol einer Hilfsspannungsquelle 64 bzw. 74 angeschlossen, deren negativer Pol mit der Basis 63 bzw. 73 verbunden ist. Es wird somit erreicht, daß die Transistoren 60 und 70 normalerweise stromdurchlässig sind. Hierbei ist angenommen, daß es sich um Transistoren vom P-N-P-Typ handelt, bei denen zum Öffnen die Basis negativ gegen Emitter oder Kollektor sein muß, während zum Sperren solcher Transistoren die Basis positiv gegen die beiden Außenelektroden sein müssen. Der Rückkopplungswiderstand dient gleichzeitig als Strombegrenzungswiderstand.

Für die beiden anderen Transistoren 30 und 40 ist eine gemeinsame Hilfsspannungsquelle 20 vorgesehen, deren negativer Pol an die Emitter 31 und 41 gelegt ist und deren positiver Pol über je einen Strombegrenzungswiderstand 34 und 44 an die Basis 33 bzw. 43 angeschlossen ist. Die beiden Transistoren 30 und 40 sind somit normalerweise undurchlässig. Zum leitend machen der letztgenannten Transistoren wird an die Klemmen 10 und 13 ein Steuersignal gelegt. Hierzu sind die Emitter 31 und 41 über je einen HilfsWiderstand 11 bzw. 12 mit den Klemmen 10 bzw. 13 verbunden. Das Steuersignal ist in seiner Amplitude größer als die Hilf sspannung 20 gewählt und hat vorzugsweise eine konstante Amplitude E, während seine Impulsdauer sowie gegebenenfalls seine Polarität veränderbar sind. Das insbesondere aus rechteckförmigen Impulsen bestehende Steuersignal ist in Fig. 2 gezeigt. Es gelingt hierdurch — wie weiter unten noch näher erläutert ist — eine Steuerung des Verbraucherstromes hinsichtlich Dauer und Richtung. Der zu steuernde Verbraucher 80 ist mit seiner Klemme 81 an den Emitter 61 und mit seiner Klemme 82 an den Emitter 71 angeschlossen.
Solange kein Steuersignal an den Klemmen 10 und 13 auftritt, kann kein Verbraucherstrom fließen, da die Transistoren 30 und 40 stromundurchlässig sind. Wenn an die Klemmen 10 und 13 ein Steuersignal von solcher Polarität gelegt wird, daß die Klemme 10

ίο negativ gegen die Klemme 13 ist, dann leitet der Transistor 30, während der Transistor 40 weiterhin gesperrt bleibt. Durch das Leiten des Transistors 30 wird dann ein vom positiven Pol der Speisequelle 50 über den Transistor 30, den Rückkopplungswiderstand 65 und den schon durchlässigen Transistor 60 zum negativen Pol der Speisequelle hergestellt. Der durch den Rückkopplungswiderstand 65 fließende Strom erzeugt in diesem einen Spannungsabfall, der die Hilfsspannung für den Transistor 60 überwiegt und diesen sperrt. Nunmehr fließt der Strom über den Verbraucher 80 und den Transistor 70 zur Speisequelle 50 zurück. Die Stromrichtung ist dabei von der Klemme 81 zur Klemme 82 gerichtet. Die Dauer des Stromflusses für die Last 80 entspricht der Zeit 1^t₁ des in Fig. 2 dargestellten rechteckförmigen Steuersignals. Dieses Zeitintervall kann im Bereich i₀ bis U verändert werden. Die Rückkopplungsspannung erreicht sehr schnell den zur Sperrung des Transistors 60 notwendigen Wert, so daß die Anordnung nach der Erfindung außerordentlich rasch arbeitet. Die Rückkopplungswiderstände werden vorteilhafterweise klein gegenüber dem Widerstandswert der Last 80 bemessen und betragen in den meisten Fällen weniger als 10% des Verbraucherwiderstandswertes. Somit arbeitet die Anordnung mit einem Wirkungsgrad von über 90^fl/o, was eine enorme Zunahme gegenüber Stromkreisen bedeutet, die Mischwiderstände zur Erzielung von polaritätsumkehrbaren Ausgangsgrößen verwenden.

Bei einer induktiven Last 80 sind zum einwandfreien und glatten Betrieb der Anordnung zwischen die Außenelektroden 61 und 62 sowie 71 und 72 je eine Diode 91 und 92 geschaltet, die beide einander entgegengesetzte Durchlaßrichtungen haben. Diese Dioden bilden zusammen mit den normalerweise durchlässigen Transistoren 60 bzw. 70 einen Pfad, über den der induktive Strom fließen kann, wenn die Transistoren 30 und 40 bei Fortfall des Steuersignals gesperrt sind. Im geschilderten Fall kann ein induk-

tiver Strom über den Transistor 70 und die Diode 91 fließen.

Bei Anlegen eines Steuersignals entgegengesetzter Polarität wird in entsprechender Weise der Transistor 40 geöffnet und der Transistor 70 durch die Rückkopplung gesperrt, so daß der Strom durch den Verbraucher in der entgegengesetzten Richtung von der Klemme 82 zur Klemme 81 fließt. Bei Fortfall des Steuersignals kann dann ein induktiver Strom über den Transistor 60 und die Diode 92 vorübergehend weiter fließen.

Die Anordnung nach der Erfindung kann für alle Arten von Verbrauchern vorteilhaft verwendet werden und arbeitet mit hohem Wirkungsgrad. Außerdem kann bei der Anordnung nach der Erfindung — wie bereits erwähnt — ein Kopplungstransformator zwischen Steuerquelle und Lastkreis in Fortfall kommen. Die Anwendungsmöglichkeiten des Gegenstandes nach der Erfindung schließen insbeson-

dere die Steuerung von Erregerwicklungen sowie Feldwicklungen für Maschinen und Apparate ein, ebenso wie die Steuerung von industriellen Anlagen und Hilfseinrichtungen für Maschinen. Bei Anlagen eines Steuersignals abwechselnder Polarität kann die An-Ordnung nach der Erfindung als fremdgesteuerter Wechselrichter dienen.

Selbstverständlich können an Stelle von P-N-P-Transistoren auch N-P-N-Transistoren verwendet werden, wobei in diesem Fall die Speise- und Hilfsquellen entsprechend umgepolt werden müssen.

Es ist weiterhin möglich, die Rückkopplung der offenen Transistoren auf andere an sich bekannte Weise vorzunehmen, wie sich überhaupt die Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Schalttransistoranordnung zum Schalten eines Verbrauchers an eine Speisequelle, bestehend aus einer steuerbaren Transistorbrücke, zwischen deren eine Diagonalpunkte die Last und zwischen deren andere Diagonalpunkte die Laststromquelle angeschlossen ist, mit einer gemeinsamen Steuerspannungsquelle, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise im Steuerkreis eines jeden Transistors eine Hilfsspannungsquelle solcher Polarität angeordnet ist, daß im ungesteuerten Zustand der Anordnung ein an den einen Pol der Laststromquelle angeschlossenes Transistorpaar voll stromdurchlässig und das andere an den anderen Pol der Laststromquelle angeschlossenes Transistorpaar voll stromsperrend ist, daß für die Dauer einer nur dem normalerweise sperrenden Transistorpaar zugeführten Steuerspannung abhängig von deren Polarität einer der betreffenden normalerweise sperrenden Transistoren in den leitenden Zustand ausgesteuert wird und daß in Abhängigkeit von dem die Last in einer bestimmten, von der PoIarität der Steuerspannung abhängigen Stromrichtung durchfließenden Laststrom ein die Hilfsgleichspannung des einen normalerweise stromdurchlässigen, nicht vom Laststrom durchflossenen Transistors überwiegender Spannungsabfall zur Sperrung dieses Transistors abgeleitet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Transistor des zweiten Paares eine Hilfsspannungsquelle (64, 74) und einen Rückkopplungswiderstand (65, 75) zwischen der Basiselektrode (63, 73) und der mit dem Verbraucher (80) verbundenen Außenelektrode (61, 71) enthält und daß der Rückkopplungswiderstand im Verbraucherstromkreis liegt.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basen (33, 43) des ersten Transistorpaares über Strombegrenzungswiderstände (34, 44) und eine gemeinsame Hilfsspannungsquelle (20) an die miteinander verbundenen Außenelektroden (31, 41) angeschlossen sind und daß die Basen unmittelbar an die Ausgangsklemmen (10, 13) einer Steuersignalquelle, die miteinander verbundenen Außenelektroden (31, 41) über Eingangshilfswiderstände (11, 12) an die Ausgangsklemmen der Steuersignalquelle angeschlossen sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für vorwiegend induktive Verbraucher jedem Transistor des zweiten Paares (60, 70) eine zwischen seinen Außenelektroden (61, 62; 71, 72) liegende Diode (91, 92) als Überbrückung für den jeweils beim Fließen des induktiven Verbraucherstromes bei gesperrten Transistoren des ersten Paares (30, 40) zugeordnet ist und die beiden Dioden entgegengesetzte Durchlaßrichtung haben.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungswiderstand klein bemessen ist gegenüber dem Widerstand des Verbrauchers.

6. Anordnung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuersignale rechteckförmig mit gleichbleibender Amplitude und gegebenenfalls veränderlicher Polarität sind.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 6, gekennzeichnet durch ihre Verwendung zum Schalten von Erreger- oder sonstigen Feldwicklungen elektrischer Maschinen oder Apparate.

8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verwendung als fremdgeführter Wechselrichter die Steuersignale in ihrer Polarität abwechselnd veränderbar sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 821 639.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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