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Elektronische Schaltanordnung mit Transistoren Die vorliegende Erfindung
bezieht sich auf eine elektronische Schaltanordnung mit Transistoren zum Schalten
von Spannungen, die höher sind als die zulässige Sperrspannung eines Transistors,
durch gleichzeitige Steuerung mehrerer in Reihe liegender Transistoren, indem nur
der erste Transistor der Reihenschaltung willkürlich und die weiteren Transistoren
zwangläufig gesteuert werden, und bei der parallel zu den Schaltstrecken aller Transistoren
Ohmsche Widerstände geschaltet sind. Dabei können die Transistoren solche der pnp-Type
oder solche der npn-Type sein.
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Ziel der Erfindung ist die Vorsorge, daß die maximal zulässige Spannung
an dem einzelnen Transistor niemals überschritten wird, und ferner für jeden Transistor
eine geeignete Sperrspannung in dessen abgeschaltetem Zustand vorzusehen.
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Erfindungsgemäß sind daher in einer solchen Schaltanordnung die Steuerelektroden
der Transistoren über elektrische Ventile solcher Polung miteinander verbunden,
daß sie im Sperrzustand der Transistoren ebenfalls in Sperrichtung, im Leitungszustand
der Transistoren in ihrer Durchlaßrichtung beansprucht sind, und ferner sind parallel
zu den Schaltstrecken der Transistoren Kondensatoren geschaltet.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung an Hand einiger Ausführungsbeispiele
wird auf die Fig. 2 bis 4 der Zeichnung Bezug genommen.
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Zunächst soll jedoch auf die hypothetische Schaltung nach Fig. 1 eingegangen,
werden, welche eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Transistoren zur Steuerung
der Speisung einer Last enthält.
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Allgemein umfaßt die Anordung nach Fig. 1 Transistoren 30 und
40, welche in Reihe mit einer Last 90 und einer Speisespannungsquelle 20
geschaltet sind.
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Der Transistor 30 umfaßt einen Halbleiterkörper, der eine Emitterelektrode
31, eine Kollektorelektrode 32 und eine Basiselektrode 33 besitzt. Der Transistor
40 umfaßt einen Halbleiterkörper, der eine Emitterelektrode 41,- eine Kollektorelektrode
42 und eine Basiselektrode 43 besitzt. Die Schaltungsstrecke Emitter
31-Kollektor 32 des Transistors 30 und die Schaltungsstrecke Emitter 41-Kollektor
42 des Transistors 40 sind in Reihe mit der Last 90 und der Speisespannungsquelle
20 geschaltet. Ein Spannungsteilerwiderstand 34 und 44 für jede Emitter-Kollektor-Strecke
der Transistoren 30 und 40 ist parallel an die entsprechende der Emitter-Kollektor-Strecken
angeschlossen.
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Ein Paar von Vorspannungsquellen 21 und 22 entgegengesetzter Polarität
ist an den Emitter 31 des Transistors 30 angeschlossen. Ein Paar von Vorspannungsquellen
23 und 24 entgegengesetzter Polarität ist an den Emitter 41 des Transistors 40 angeschlossen.
Ein doppelpoliger Umschalter 25, welcher zwei Schaltstellungen besitzt, ist an die
Basiselektroden 33 und 43 der Transistoren 30 bzw. 40 angeschlossen.
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In seiner ersten Schaltstellung verbindet der doppelpolige Schalter
25 die Vorspannungen 22 und 24 mit den Basiselektroden 33 und
43 der Transistoren 30 bzw. 40. Die Polaritäten der Spannungsquellen
22 und 24 sind solche, daß sie die Emitter-Kol-@ lektor-Strecken der Transistoren
30 bzw. 40 leitend machen. In der zweiten Schaltstellung des doppelpoligen
Schalters 25 sind die Spannungen 21 und 23 an die Basiselektroden 33 und
43 der entsprechenden Transistoren 30 und 40 angeschlossen. Die Polarität
der Spannungen 21 und 23 ist eine solche, daß sie die Emitter-Kollektor-Strecken
der Transistoren 30 bzw. 40 nichtleitend machen.
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Die Arbeitsweise der hypothetischen Schaltung nach Fig. 1 im stationären
Zustand soll nun beschrieben werden.
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Wenn der Schalter 25 in der in Fig. 1 gezeigten Schaltstellung ist,
sind die Transistoren 30 und 40
eingeschaltet, also deren Emitter-Kollektor-Strecken
leitend, so daß die volle Speisespannung 20 -an der Last 90 liegt. Wenn der Schalter
25 in seiner anderen Stellung ist, werden die Spannungen 21 und 23 positiver Polarität
an die Basiselektroden 33 und 43 der entsprechenden Transistoren 30 und
40 angelegt, so daß fast die gesamte Spannung 20 an den Emitter-Kollektor-Strecken
der Transistoren 30 und 40 erscheint. Wenn die Parameter geeignet gewählt sind,
wird nur annähernd die Hälfte der Speisespannung 20 auf jeden der Transistoren 30
und 40 entfallen. Auf diese Weise kann eine Speisespannung mit etwa dem Zweifachen
des für einen einzelnen Transistor zulässigen Wertes beherrscht werden, vorausgesetzt,
daß beide Transistoren während des Sperrzustandes derselben Spannung standhalten
können. Wenn genügend Transistoren in Reihe geschaltet werden, ist es auf diese
Weise möglich, hohe Spannungen zu schalten.
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Wie bereits weiter oben angedeutet wurde, wirkt es sich bei der Schaltung
nach Fig. 1 unter Umständen nachteilig aus, daß während des Übergangs die Möglichkeit
besteht, daß ein Transistor vor dem anderen ein- oder abschaltet, so daß auf diese
Weise dann der volle Wert der Speisespannung 20 für einen Augenblick an dem später
geschalteten Transistor auftritt.
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Es wird nun auf Fig. 2 Bezug genommen, in der eine erfindungsgemäße,
beispielsweise, elektronische Schaltungsanordnung veranschaulicht ist, bei welcher
die in der vorausgehenden Beschreibung besprochenen Schwierigkeiten vermieden sind.
Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, daß der stationäre Zustandsbetrieb der beispielsweisen
erfmdungsgemäßen Schaltungsanordnungen nach den Fig. 2, 3 und 4 derselbe wie der
stationäre Zustandbetrieb der hypothetischen Schaltung nach Fig. 1 ist.
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In der Schaltungsanordnung nach Fig.2 sind gleichartigen Schaltungsteilen,
die bereits in der Fig. 1 vorhanden sind, dieselben Bezugszeichen gegeben worden.
Der hauptsächliche Unterschied zwischen den in den Fig. 1 und 2 veranschaulichten
Apparaten ist, daß in Fig. 2 ein dritter Transistor 50 in Reihe mit den Transistoren
30 und 40 hinzugefügt worden ist. Der Transistor 50 umfaßt einen halbleitenden Körper,
der eine Emitterelektrode 51, eine Kollektorelektrode 52 und eine Basiselektrode
53 besitzt. Die Emitter 51-Kollektor 52-Strecke ist in Reihe mit dem Lastkreis nach
Fig. 1 geschaltet. Ein Spannungsteilerwiderstand 54 ist ebenfalls parallel zur Emitter
51-Kollektor 52-Strecke des Transistors 50 angeordnet. Zusätzlich sind Kapazitäten
36, 46 und 56 an die entsprechenden Emitter-Kollektor-Strecken der Transistoren
30, 40 und 50 angeschlossen. Spannungsteilerwiderstände 81, 82 und
83 sind an die Last 90 und die Speisespannung 20 angeschlossen. Ein Strombegrenzungswiderstand
55 ist zwischen die Basiselektrode 53 und die Verbindungsleitung der beiden Widerstände
81 und 82 eingeschaltet worden. Ein Strombegrenzungswiderstand 4'5 ist zwischen
die Basiselektrode 43 und die Verbindungsleitung zwischen den Widerständen 82 und
83 eingeschaltet worden. Ein Strombegrenzungswiderstand 35 ist zwischen die Basiselektrode
33 und die Verbindungsleitung zwischen dem Widerstand 83 und der positiven Klemme
der Vorspannungsquelle 21 eingeschaltet worden. Die Vorspannungsquelle 21 ist in
Reihe mit dem Widerstand 26 geschaltet, wobei der erwähnte Widerstand 26 und die
erwähnte Spannung 21 eingeschaltet sind, um die Transistoren 30, 40 und 50 in Richtung
des Sperrzustandes oder nichtleitenden Zustandes vorzuspannen. Schaltungsmittel,
welche die Klemmen 11 und 12 für das Anlegen von Signalen an dem erwähnten Verstärker
umfassen, sind an die Reihenschaltung aus dem Widerstand 26 und der Vorspannungsquelle
21 angeschlossen. Die Dioden 37, 47 und 57 sind zwischen die entsprechenden Basis-
und Emitterelektroden der Transistoren 30, 40 und 50 eingeschaltet. Ein Diodengleichrichter
84 ist dem Widerstand 82 parallel geschaltet. Ein Diodengleichrichter 85 ist dem
Widerstand 83 parallel geschaltet.
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Bei Unterstellung, daß geeignete Sperrspannungen und Basistreibspannnungen
verfügbar sind, wird es aus einer Prüfung der Schaltung nach Fig. 2 augenscheinlich,
daß während eine Sperrspannung in Form der Spannung 21 vorhanden ist, die Speisespannung
20 in gleicher Weise auf die Emitter-Kollektor-Strecken der Transistoren
30, 40 und 50 aufgeteilt werden wird unter der Voraussetzung, daß die Widerstände
34, 44 und 54 in geeigneter Weise gewählt sind. Es ist auch angesichts der in Verbindung
mit der Fig. 1 angestellten Erörterung augenscheinlich, daß die Speisespannung
20 an der Last 90 erscheinen wird, wenn die Transistoren 30, 40 und
50 eingeschaltet bzw. durchlässig sind. In dem Gerät nach Fig. 2 wirken die Spannungen
20 und 21 als die Sperrspannungsquellen. Wenn kein Eingangssignal zwischen
den Klemmen 11 und 12 besteht, so wird die Spanung21 zwischen den Emitter- und Basiselektroden
jedes der Transistoren 30, 40 und 50 erscheinen, wenn kein Stromftuß besteht. Jedoch
wird die Spannung 21, da gewöhnlich ein bedeutender inverser Stromfluß von der Basis
zum Emitter eines Transistors während dessen Sperrzustand besteht, unter den Widerständen
34, 44, 54, 81, 82, 83, 35, 45, 55 und 26 aufgeteilt, ebensogut wie an jedem Transistor.
Da bei einer Verfolgung des Strompfades über die Widerstände 34, 44, 55, 82 und
83 zu den Basis- und Emitterelektroden 53 und 51 des Transistors 50 einem bedeutend
größeren Widerstand als durch den ähnlichen Pfad begegnet wird, der dem Transistor
40 zugeordnet ist, so ergibt sich auf Grund der Spannung 21 eine geringere Sperrung
am Transistor 50 als am Transistor 40. In ähnlicher Weise ergibt sich eine geringere
Sperrung am Transistor 40 als am Transistor 30. Um das Sperrpotential am Transistor
40 und insbesondere am Transistor 50 zu erhöhen, wird eine zusätzliche Sperrspannung
von der Speisespannungsquelle 20 in Verbindung mit den Spannungsteilernetzwerken,
welche aus den Widerständen 34, 44, 54 und den Widerständen 81, 82, 83 und 26 bestehen,
erreicht. Die Spannung an der Emitterelektrode 51 des Transistors 50 auf Grund der
Speisespannung 20 ist bestimmt durch das Verhältnis
und die Spannung an der Basiselektrode 53 des Transistors 50 ist bestimmt durch
das Verhältnis
Auf diese Weise können durch Benutzung der richtigen Widerstandswerte die geeigneten
Sperrpotential
an jedem der drei Transistoren 30, 40 und 50 erreicht
werden.
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Wenn eine genügende Spannung solcher Polarität, daß die Klemme 11
positiv in bezug auf die Klemme 12 ist, an die erwähnten Klemmen angelegt
wird, werden alle drei Transistoren 30, 40 und 50 einen genügenden Basisstrom haben,
um sie einzuschalten. Der Basisstrom des Transistors 50 muß über die Kollektoren
der Transistoren 30, 40 verlaufen, und der Basisstrom des Transistors
40 ist ein Teil des Kollektorstromes des Transistors 30. Da die Impedanz
eines Transistors vom Emitter zum Kollektor, wenn der Transistor in volleitendem
Zustand ist, sehr niedrig ist, so ist die Eingangsimpedanz zwischen den Klemmen
11 und 12, wie zu übersehen, diejenige der Widerstände 35, 45 und 55 in einer Parallelkombination.
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Während der Übergangsbedingungen hat die Lastspannung 20 die
Neigung, für einen Augenblick am letzten einschaltenden Transistor zu erscheinen.
Diese Wirkung wird in der Schaltung nach Fig.-2 durch Einschaltung der Kapazitäten
36, 46 und 56 parallel zu den Emitter-Kollektor-Strecken der Transistoren
30, 40 und 50 eliminiert. Während eines Überganges neigen die Kapazitäten
dazu, den Spannungsabfall aufrechtzuerhalten, welcher an dem Transistor vor der
Einleitung des Überganges bestand. Durch eine geeignete Einstellung jedes Kondensators
wird keine große Spannung an einem Transistor erscheinen. Tatsächlich schaltet der
Transistor langsamer. Auf diese Weise wird zu keiner Zeit während eines Überganges
irgendeiner der Transistoren bedeutend mehr von der Lastspannung 20 zu übernehmen
haben, als er unter stationärem Zustandsbetrieb zu übernehmen hat. Die Schaltung
nach Fig.2 ist experimentell und in zufriedenstellenderWeise, mit Rechteckwellen
schaltend, bis zu 1200 Perioden je Sekunde betrieben worden, ohne daß die Kapazitäten
störten und verursachten, daß das Schalten zu langsam vor sich ging. Die Gleichrichter
37, 47 und 57 können erfindungsgemäß zwischen die Basis- und Emitterelektroden des
entsprechenden der Transistoren 30, 40 und 50 eingeschaltet werden, um die Größe
der Sperrspannungen zu begrenzen und zu verhüten, daß sie zu hoch werden. , In Fig.
3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht, in welchem
gleichen Schaltungsteilen der Fig. 2 und 3 dieselben Bezugszeichen gegeben worden
sind. Die hauptsächlichste Unterscheidung zwischen den Apparaten, welche in den
Fig.2 und 3 veranschaulicht sind, ist, daß in Fig. 3 die Gleichrichter 38,
48 und 58 in Reihe mit den Emitterelektroden 31, 41 und 51 des entsprechenden
der Transistoren 30, 40 und 50 geschaltet sind. Das Spannungsteilernetzwerk, welches
die Widerstände 81, 82, 83 und 26 und die Sperrspannung 21 umfaßt, sind aus der
Schaltung nach Fig. 2 eliminiert worden. Der Eingang der Schaltungsanordnung ist
nunmehr noch über den Strombegrenzungswiderstand 13 parallel an die Basiselektroden
33-Emitterelektroden 31-Strecke des Transistors 30 angelegt. Die Widerstände 39,
49 und 59 sind zwischen die Basis-Emitter-Elektroden des entsprechenden der Transistoren
30, 40 und 50 eingeschaltet worden.
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Die Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 3 ist ähnlich der Arbeitsweise
nach Fig. 2 und wird daher nicht im einzelnen beschrieben werden, jedoch wird die
Sperrung des Gerätes nach --Fig.3 wegen des Spannungsabfalles an den Gleichrichtern
38, 48 und 58 in Reihe mit den Emittern 31, 41 und 51 der entsprechenden Transistoren
30; 40 und 50 erreicht. In dieser Schaltung muß nunmehr der Leckstrom über jeden
Transistor ebensogut wie der Strom über die Widerstände 34, 44 und 54, welche parallel
zu den Transistoren liegen, über die Dioden 38, 48 und 58 verlaufen und verursacht
ein Sperrpotential, welches zwischen dem Emitter und der Basis jedes Transistors
liegt. Wie in Fig.2 werden alle drei Transistoren, wenn genügend Spannung solcher
Polarität angelegt ist, daß die Klemme 11 positiv in bezug auf die Klemme 12 ist,
einen genügenden Basisstrom besitzen, um sie einzuschalten.
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In Fig. 4 ist ein drittes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel veranschaulicht,
in welcher gleichen Komponenten der Schaltungen nach den Fig. 3 und 4 die gleichen
Bezugszeichen gegeben worden sind. Das Hauptunterscheidungsmerkmal zwischen den
in den Fig.3 und 4 veranschaulichten Geräten ist, daß in Fig. 4 ein Hilfstransformator
100 benutzt ist, um eine saubere Spannungsverteilung während des Überganges zu sichern.
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Der Transformator 100 umfaßt einen magnetischen Kern 101, welcher
Wicklungen 103, 104 und 105, in induktiver Beziehung zueinander angeordnet, trägt.
Die Wicklung 103 ist in Reihe mit der Kapazität 36 an die Emitter-Kollektor-Strecke
des Transistors 30 angeschlossen. Die Wicklung 104 ist in Reihe mit der Kapazität
46 an die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 40 angeschlossen. Die Wicklung
105 ist, in Reihe mit der Kapazität 56 geschaltet, an die Emitter-Kollektor-Strecke
des Transistors 50 angeschlossen. In dem Apparat nach Fig. 4 verhalten sich die
Kapazitäten 36, 46 und 56 als Kurzschlußstrecken während irgendeines Überganges,
und der Fluß, welcher in dem magnetischen Kern 101 hervorgerufen wird, zwingt die
gesamte angelegte Spannung der Speisespannung 20, sich anteilig gleich unter die
Transistoren 30, 40 und 50 aufzuteilen.
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Die Dioden 84 und 85 in den Fig. 2, 3 und 4 schaffen einen Pfad niedrigen
Widerstandes für die Basisströme der Transistoren 40 und 50, um zu fließen, wenn
die Transistoren eingeschaltet sind. Dieselben Dioden verhüten einen Stromfluß zur
Last 90 über den Widerstand 81 und lassen zu, daß Sperrspannungen an die Transistoren
40 und 50 angelegt sind, wenn die Transistoren 40 und 50 in Fig. 2 abgeschaltet
sind. Dieselben Dioden in den Fig. 3 und 4 sind benutzt, um zu verhüten, daß die
Spannungsquelle 20 an der Basis 53 und dem Kollektor 52 des Transistors 50 erscheint.
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Die Dioden 38, 48 und 58 erlauben, daß von ihren entsprechenden Vorwärtsspannungsabfällen
Sperrspannungen abgeleitet werden, welche an die Emitterelektroden und Basiselektroden
der Transistoren 30, 40 und 50 in den Fig. 3 und 4 angelegt werden sollen.
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Es wird darauf hingewiesen, daß die Ausführungsbeispiele nach den
Fig. 2; 3 und 4 auf der Voraussetzung basieren, daß das Eingangssignal, das an die
Klemmen 11 und 12 angelegt wird, ein solches von einem einzigen Ausgangszweig ist.
Das heißt, wenn die Klemme 11 positiv in bezug auf 12 ist,. sind die Transistoren
eingeschaltet, und wenn die Klemme 11 fast dasselbe Potential wie die Klemme 12
hat, sind die Transistoren abgeschaltet. Das ist der Grund, warum die Vorspannungsschaltungselemente
21 und
26 in Fig. 2 und die Dioden 38, 48 und 58 sowie die Widerstände
39, 49 und 59 in den Fig. 3 und 4 benutzt sind. Wenn das Eingangssignal das Signal
von einer Gegentaktschaltung ist, kann die sperrende Vorspannung von dem Eingangssignal
erlangt werden, wenn die Klemme 12 positiv in bezug auf die Klemme 11 ist. Dann
können die Vorspannungselemente 21 und 26 nach Fig. 2 fortgelassen werden.
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. Werden an Stelle der in den Ausführungsbeispielen benutzten Transistoren
der pnp-Type solche der npn-Type benutzt, so müssen sinngemäß die Polaritäten der
benutzten Gleichrichterventile umgekehrt werden.
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Zum Schluß wird darauf hingewiesen, daß, wenn auch die veranschaulichten
Ausführungsbeispiele praktische Verkörperungen der Erfindung darstellen, die Erfindung
dadurch nicht auf die exakten, gezeigten Einzelheiten beschränkt sein soll, da eine
Abwandlung derselben vorgenommen werden kann, ohne vom Grundgedanken der Erfindung
abzuweichen.