DE1114537B - Anordnung zur Erhoehung der Schaltgeschwindigkeit eines aus zwei parallelgeschalteten Transistoren bestehenden Kippschalters - Google Patents

Description

Bei Verwendung von Halbleitern als Hochfrequenzschalter, wie z. B. in Verbindung mit Magnetverstärker^ wurde festgestellt, daß Lochspeicher in der Basisregion des Halbleiters einen effektiven Kurzschluß zwischen der Basis- und der Kollektorelektrode während des »Abschalt«~Überganges ergeben, was ein Ansteigen der Schaltzeit und somit eine theoretische Beschränkung der oberen Schaltfrequenz zur Folge hat. Zusätzlich zur vergrößerten Schaltzeit wurde festgestellt, daß Leistungsverluste sehr groß wurden, wenn ein Halbleiterkreis 10 000 Schaltungen per Sekunde und mehr unterworfen wird. Deshalb ist es notwendig, die gespeicherten Löcher während jedes Abschaltüberganges zu entfernen, um den wirksamen Kurzschluß zu verhindern und die Leistungsverluste zu vermeiden.

Es ist allgemein üblich, Kondensatoren mit den Basiselektroden zu verbinden, um einen niedrigen Impedanzweg während der Kondensatorentladezeit zu erlangen, damit der Ladestrom die gespeicherten Löcher von der Basisregion während der Abschaltübergänge entfernt. Die Schwierigkeit besteht darin, daß solche Kondensatoren umfangreiche und teuere Bauelemente sind und daß die hohe Spitze der Basisströme die Brauchbarkeit der Schaltelemente, ζ. Β. magnetische Verstärker, zu beschränken sucht, die sonst in Hochfrequenz-Gleichstrom-Wechselstrom-Umformkreisen verwendet werden.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit eines Kippschalters, der aus zwei parallelgeschalteten Transistoren besteht, deren Emitter-Kollektor-Strecken in einem Gleichstromkreis liegen und abwechselnd leitend sind, wobei die Transistoren von einer periodischen Vorspannungsquelle abwechselnd derart vorgespannt werden, daß der eine Transistor in den leitenden und der andere Transistor in den nichtleitenden Zustand kommt.

Die Erfindung besteht darin, daß die Basen der Transistoren durch eine Induktivität verbunden sind, die so bemessen ist, daß während des Kippens der Anordnung von einem in den anderen Zustand ein Verzögerungsstrom erhalten wird, durch den die gespeicherten Ladungsträger von der Basis des abzuschaltenden Transistors rasch abgeleitet werden.

Die periodische Vorspannungsquelle ist zweckmäßig ein Transformator mit einem magnetischen Kern, der einen quadratischen HysteresisscHeifencharakter besitzt. Eine Wicklung des Transformators liegt dann zwischen den Kollektorelektroden und die zweite Wicklung zwischen den Basiselektroden. Diese Anordnung wird zweckmäßig bei einem Gleichstrom-Anordnung zur Erhöhung

der Schaltgeschwindigkeit eines aus zwei

parallelgeschalteten Transistoren

bestehenden Kippschalters

Anmelder:

ίο International Standard Electric Corporation, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,
_ie Stuttgart-Zuffenhausen, Hellmuth-Hirth-Str. 42

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 1. Mai 1959 (Nr. 810 328)

Arthur Julius Radcliffe jun., Chicago, 111. (V. St. Α.), ist als Erfinder genannt worden

Wechselstrom-Umformer verwendet. Hierbei wird eine Steuerspannung mit zwei Polaritäten vorgesehen, von denen die eine an den Mittelabgriff der ersten Wicklung des Transformators und die andere an die Emitterelektroden des Halbleiters und an den Mittelabgriff der zweiten Wicklung angeschlossen sind. Eine dritte Wicklung des Transformators dient dann als Wechselstromausgang des Umformers.

Die Erfindung wird in Verbindung mit einem Ausführungsbeispiel mit Hilfe der Zeichnung, die einen Gleichstrom- und Wechselstromumformer zeigt, erläutert.

Der dargestellte Gleichstrom-Wechselstrom-Umformer enthält einen Transformator mit Wicklungen 20 bis 24, von denen 21 und 22 eine Eingangswicklung bezeichnen, 23 und 24 eine Rückkopplungswicklung zur Schwingungserzeugung und 20 eine Ausgangswicklung, die den Wechselstrom zur Belastung 50 leitet. Die Wicklungen sind mit einem magnetischen Kern 25 versehen, der eine rechteckige Hysteresisschleife besitzt. Ein Gleichstrom-Eingangspotential —E liegt an der Klemme 41 (welche der Mittelabgriff zwischen den Eingangswicklungen- 21 und 22 ist) und über die Wicklungen 21 und 22 an den Eingangselektroden 3 und 13 der Transistoren 5 bzw. 15. Obwohl die Transistoren 5 und 15 als P-N-P-Transistoren gezeigt sind, ist es offensichtlich, daß auch andere Halb-

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leiter-Typen verwendet werden können. Die Basiselektroden 1 und 11 liegen am äußeren Ende der Rückkopplungswicklungen 23 und 24. Die Widerstände 30 und 31 begrenzen den Stromfluß zu den Basiselektroden, d. h., sie machen die Wirkung an beiden Transistoren gleich. Die Emitterelektroden 4 und 14 liegen am gemeinsamen Erdungspunkt 40 und am Mittelabgriff der Rückkopplungswicklungen 23/ 24. Die Induktivität 32 liegt zwischen den Basiselektroden 1 und 11, um eine Stromverzögerung während der Abschaltübergänge zum Entfernen der Ladungsträger von den Basisflächen zu bewirken, während der Widerstand 33 zum Begrenzen des Stromes durch diese Induktivität dient.

Der Stromkreis wird mittels einer negativen Spannung —E eingeschaltet, das an die Klemme 41 gelegt wird. Obwohl der Stromkreis abgeglichen dargestellt wird, ist es bekannt, daß kein Kreis dieser Art vollständig abgeglichen ist. Deshalb wird dort eine kleine Potentialdifferenz bestehen, die bewirken wird, daß einer der Transistoren zu leiten beginnt. Für die Zwecke dieser Beschreibung wird angenommen, daß der Transistors leitend ist. Somit fließt der Strom vom Eingang 41 über die Wicklung 21, den Kollektor 3 und den Emitter 4 an Erde 40. Ansprechend auf diesen Strom wird durch die Transformatorwirkung von der Wicklung 21 in den Wicklungen. 20, 23 und 24 ein Signal induziert. Das Signal, das in der Wicklung 24 induziert wird, spannt den Transistor 11 in positiver Richtung vor, und das in der Wicklung 23 induzierte Signal spannt den Transistor 5 in negativer Richtung vor. Der Stromfluß durch die Wicklungen 21 und den Transistors steigt somit an. Schließlich erreicht Transistors seine Sättigung und bietet dem Stromfluß keinen Widerstand mehr zu einer Zeit, in der der Transistor 15 dem Stromfluß seinen größten Widerstand bietet.

Wenn der Strom über den Transistor 5 ansteigt, wird der Kern 25 bis zur Sättigung vorgespannt. Erreicht der Kern 25 einen Punkt, an dem eine weitere magnetische Sättigung nicht möglich ist, dann wird der induktive Effekt am Transformator vernachlässigbar, und die Vorspannung von der Basiselektrode wird entfernt. Dies bewirkt das Abschalten des Stromflusses über den Transistor 5.

Während dieses Abschaltens bewirken die durch den Tranformator induzierten Signale einen Strom in einem Kreis, der von der Windung 24 über den Widerstand 31, den Widerstand 33, die Induktivität 32, den Widerstand 30 und die Wicklung 23 führt Zur Zeit des Abschaltens fließt positiver Strom durch die Induktivität 32, und nach dem Abschalten fließt kurzzeitig weiterhin Strom durch diesen Kreis infolge der Verzögerung, die durch den induktiven Effekt der Induktivität 32 bewirkt wird, wodurch die schädlichen Löcher aus der Basis entfernt werden. Der Ruhestrom in der Induktivität 32 wird durch Wahl richtiger Werte für die Widerstände 30, 31 und 33 bestimmt.

Nachdem der Transistors abgeschaltet hat, beginnt der Magnetfluß in der Wicklung 21 zu verschwinden, wodurch ein kleiner Strom in den Wicklungen 23 und 24 in einer Richtung induziert wird, die entgegengesetzt der Richtung liegt, in der der Strom geschlossen ist, während der Transistor 5 leitend war. Der durch den verschwindenden Fluß induzierte Strom spannt somit den Transistor 5 in der Richtung seines Abschaltens vor und. den Transistor 15 in Richtung des Leitendwerdens. Ein kleiner Strom beginnt über einen Kreis zu fließen, der von Erde am Punkt 40 über den Emitter 14, die Basis 11, den Kollektor 13, die Wicklung 22 und den Punkt 41 zu einer Eingangssignalquelle — E führt. Ein auf diesen Strom ansprechendes Signal wird durch die Transformatorwirkung aus der Wicklung 22 über den Kern 25 zu den Wicklungen 23 und 24 induziert. Der Strom, der in der Wicklung 24 induziert wird, spannt die Basis 11 ferner in Richtung der Leitfähigkeit und die Basis 1

ίο in Richtung des Abschaltens vor.

Durch den Transistor 15 fließt Strom, bis der Kern 25 in seinen magnetischen Sättigungszustand kommt, der dem entgegengesetzt ist, der erzeugt wurde, als der Transistors leitend war. Wenn der Kern25 in den Sättigungszustand gesprungen ist, enden die am Kern 25 induzierten Signale, und der Transistor 15 wird abgetrennt. Der Strom, der durch die Induktivität 32 fließt, wird wiederum sofort nach dem Abschalten kurzzeitig weiterfließen. Durch diesen Verzöge-

ao rungsstrom wird die Ansammlung der schädlichen Löcher aus der Basiselektrode 11 entfernt.

Jedesmal, wenn Strom durch die Wicklungen 21 und 22 fließt, wird ein Ausgangssignal in der Wicklung 20 induziert. Es ist somit zu erkennen, daß ein Wechselstrom zur Last 50 abgeleitet wird, der einem Gleichstromeingang am Punkt 41 entspricht. Die Frequenz des Wechselstromausganges wird durch die Zeit bestimmt, die erforderlich ist, den Kern 25 zu sättigen.

Da angenommen wird, daß der Kern 25 eine praktisch rechteckige Hysteresisschleife besitzt, wird der Wechselstromausgang dann eine Folge von rechteckförmigen Wellen sein.

Wie oben ausgeführt, wurden einfache Ausdrücke benutzt und spezifische Elemente beschrieben, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern. Die Zeichnung zeigt z. B. einen Stromkreis, der P-N-P-Transistoren benutzt, die die Probleme besitzen, welche erne Anhäufung von Löchern bei Abschaltübergängen betreffen. Es wurde auch darauf hingewiesen, daß die Erfindung in gleicher Weise für eine beliebige Form von Halbleitern anwendbar ist, z. B. bei einem N-P-N-Transistor, bei dem ein ähnliches Problem für die Anhäufung von Elektronen besteht. Es ist also verständlich, daß die oben beschriebenen Prinzipien in gleicher Weise bei einem elektronischen Schaltelement mit einer Speicherung von Ladungsträgern angewendet werden kann und daß der Begriff »Löcher«, wie er hier benutzt wird, alle solche Ladungsträger umfassen soll.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Anordnung zur Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit ernes Kippschalters, der aus zwei parallelgeschalteten Transistoren besteht, deren Emitter-Kollektor-Strecken in einem Gleichstromkreis liegen und abwechselnd leitend sind, wobei die Transistoren von einer periodischen Vorspannungsquelle abwechselnd derart vorgespannt werden, daß der eine Transistor in den leitenden und der andere Transistor in den nichtleitenden Zustand kommt, dadurch gekennzeichnet, daß die Basen der Transistoren (5, 15) durch eine Induktivität (21, 22) verbunden sind, die so bemessen ist, daß während des Kippens der Anordnung von einem in den anderen Zustand ein Verzögerungsstrom erhalten wird, durch den die gespeicherten

Ladungsträger von der Basis des abzuschaltenden Transistors rasch abgeleitet werden.

2. Anordnung nach Anpruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungsquelle ein Transformator (21 bis 25) mit magnetischem Kern mit quadratischer Hysteresisschleifencharakteristik ist.

3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Wicklung (21, 22) des Transformators zwischen den Kollektorelektroden (3, 13) und dessen zweite Wicklung (23, 24) zwischen den Basiselektroden (1, 11) liegt.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung als Gleichstrom-Wechsel&trom-Umformer eine Steuerspannung mit zwei Polaritäten vorgesehen ist, von denen die eine an den Mittelpunkt einer ersten Wicklung (21, 22) des Transformators und die zweite an die Emitterelektroden (4, 14) des Halbleiters und an den Mittelpunkt einer anderen Wicklung (23, 24) angeschlossen sind.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator eine dritte Wicklung (20) besitzt, die mit dem Wechselstromausgang verbunden ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen