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Schaltungsanordnung mit zwei gleichsinnig in Reihe geschalteten, in
Kollektorschaltung betriebenen Schalttransistoren, für eine Schaltspannung, die
höher ist als die maximal zulässige Sperrspannung eines Transistors In der Femmeldetechnik
zeigen sich in neuerer Zeit in zunehmendem Maße Bestrebungen, mechanische Kontakte
durch steuerbare Halbleiter, insbesondere durchSchalttransistoren zu ersetzen. Bei
derartigen Schalttransistoren ist von Natur aus der Spannungsabfall begrenzt, der
im Sperrzustand an dem Transistor auftreten darf, ohne eine überlastung des Transistors
nach sich zu ziehen. In der Praxis ist jedoch häufig die Aufgabe gegeben, Spannungen
zu schalten, die höher als die maximal zulässige Sperrspannung eines Schalttransistors
sind. Zur Lösung dieser Aufgabe ist es bereits bekannt, mehrere Schalttransistoren
in Reihe zueinander zu schalten. Dabei wird zur Erzielung einer gleichmäßigen Steuerung
und gleichmäßigen Belastung der einzelnen Schalttransistoren in einer bekannten
Schaltung nur der erste Transistor der Reihenschaltung willkürlich gesteuert, während
die Steuerung der weiteren Schalttransistoren durch Potentialänderungen bewirkt
wird, die an dem ersten Transistor bei dessen Steuerung auftreten. Hierzu ist jedem
weiteren Transistor ein besonderer Spannungsteiler zugeordnet, an dessen Abgriff
die Steuerelektrode des betreffenden Transistors angeschlossen ist; die weiteren
Schalttransistoren werden dabei durch das Verschwinden der im Sperrzustand an dem
willkürlich gesteuerten ersten Schalttransistor liegenden Teilspannung in den leitenden
Zustand gesteuert.
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In der bekannten Schaltungsanordnung werden die Schalttransistoren
in Emitterschaltungen betrieben, d. h., der Lastwiderstand liegt im Kollektorkreis
des letzten Schalttransistors der Reihenschaltung der Schalttransistoren. Für manche
Anwendungszwecke ist jedoch ein mit Schalttransistoren aufgebauter elektronischer
Schalter erwünscht, bei dem die Transistoren in Kollektorschaltung betrieben werden,
d.h. bei dem der Lastwiderstand im Emitterkreis des ersten Schalttransistors der
Reihenschaltung der Schalttransistoren liegt. Dies kann beispielsweise mit Rücksicht
auf bereits vorhandene Spannungsquellen erforderlich sein; es kann weiterhin dann
erforderlich werden, wenn beiderseits eines Verbrauchers je
ein elektronischer
Schalter in Form von pnp-Transistoren in den Verbraucherstromkreis eingefügt werden
soll, so daß nur dann ein Verbraucherstrom fließt, wenn beide Schalter durchlässig
sind.
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Wenn nun die Schalttransistoren eines elektronischen Schalters in
Kollektorschaltung betrieben werden sollen, so läßt sich hierauf nicht einfach in
gleicher oder analoger Weise die Steuerung übernehmen, wie sie bei in Emitterschaltung
betriebenen Schalttransistoren möglich ist. Bei einem elektronischen Schalter, der
mit zwei in Emitterschaltung betriebenen pnp-Transistoren aufgebaut ist, liegt die
Basiselektrode des zweiten Transistors über einen Vorwiderstand an der halben Schaltspannung.
Der zweite Schalttransistor wird dabei dadurch leitend, daß nach Leitendwerddn des
ersten, willkürlich gesteuerten Schalttransistors ein Potential an dem Verbindungspunkt
der beiden Schalttransistoren auftritt, das das Basispotential des zweiten Transistors
übersteigt. Würde man dieses Steuerverfahren auf einen elektronischen Schalter übertragen,
der mit zwei in Kollektorschaltung betriebenen pnp-Schalttransistoren aufgebaut
ist, so würde nach dem Leitendwerden des ersten, willkürlich gesteuerten Transistors
am Verbindungspunkt der beiden Schalttransistoren nun nicht ein solches Potential
auftreten, daß auch der zweite Schalttransistor in den leitenden Zustand gesteuert
werden würde, sondern gerade ein solches Potential, daß der zweite Schalttransistor
im Sperrzustand verbleibt. Ein Betrieb der Schalttransistoren in Kollektorschaltung
ist also nicht ohne weiteres möglich.
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Die genannten Schwierigkeiten werden durch die Erfindung überwunden.
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nüt zwei gleichsinnig in Reihe geschalteten,
inKollektorschaltung betriebenenSchalttransistoren, vorzugsweise prip-Transistoren,
die in
Abhängigkeit von der Steuerung des ersten Transistors beide
entweder durchlässig oder nicht durchlässig sind, für eine Schaltspannung, die höher
als die maximal zulässige Sperrspannung eines Transistors ist. Diese Schaltungsanordnung
ist dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungspunkt des Lastwiderstandes und des
Emitters des ersten Transistors über einen Richtleiter mit dem Verbindungspunkt
eines ersten Widerstandes und der Kathode einer Zenerdiode einer an eine die Schaltspannung
übersteigendeVorspannung angeschlossenen Reihenschaltung eines weiteren Widerstandes,
der Zenerdiode und des ersten Widerstandes verbunden ist und daß die Basis des zweiten
Transistors an den Verbindungspunkt des weiteren Widerstandes und der Anode der
Zenerdiode angeschlossen ist.
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Durch die Erfindung wird erreicht, daß zugleich mit der Aussteuerung
des ersten, willkürlich ge-
steuerten Schalttransistors in den Durchlässigkeitszustand
die an der Basis des zweiten Transistors herrschende Spannung so verändert wird,
daß nunmehr auch der zweite Schalttransistor in den leitenden Zustand gelangen kann.
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An Hand der Figuren sei die Erfindung näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt eine mit zwei gleichsinnig in Reihe geschalteten
pnp-Transistoren Tl und T2 aufgebaute Schaltungsanordnung gemäß derErfindung. Zwischen
dem Emitter des ersten Transistors Tl und Erde liegt der Lastwiderstand RL; der
Kollektor des zweiten Transistors T2 ist mit einer Spannungsquelle verbunden, die
die Schaltspannung - UB abgibt. Diese Schaltspannung - UB kann bei
der Schaltungsanordnung nach Fig. 1, in der zwei Schalttransistoren in Reihe
geschaltet sind, bis zu zweimal so groß wie die maximal zulässige Sperrspannung
eines der Schalttransistoren sein; sie kann beispielsweise - 60 V betragen.
Der Verbindungspunkt e des Lastenwiderstandes RL und des Emitters des ersten Transistors
Tl ist über einen Richtleiter D mit dem Verhindungspunkt a eines Widerstandes
Rw und der Kathode einer Zenerdiode ZD verbunden. Der Widerstand Rw und die Zenerdiode
ZD bilden zusammen mit einem weiteren Widerstand Rv eine Reihenschaltung, die an
eine die Schaltspannung - UB übersteigende Vorspannung - Uv von beispielsweise
- 70 V angeschlossen ist. An den Verbindungspunkt b des Widerstandes
Rv, der an der die Vorspannung - Uv abgebenden Spannungsquelle liegt, und
der Anode der Zenerdiode ZD ist die Basis das Schalttrausistors T2 angeschlossen.
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Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 arbeitet in folgender Weise:
Bei der in der Figur dargestellten Lage des mit der Basis des Schalttransistors
Tl verbundenen Schalters S ist an die Basis des Transistors T
1 über einen Widerstand R eine Spannung + U von beispielsweise
+ 1 V angeschaltet, wodurch der Schalttransistor Tl im Sperrzustand gehalten
wird. Dadurch, daß die Emitter-Basis-Strecke des Transistors T 1 nichtleitend
ist, liegt am Verbindungspunkt e Erdpotential, so daß auch die Diode D gesperrt
ist. Die Zenerdiode ZD ist leitend, d. h., ihr Arbeitspunkt liegt im Zenerbereich.
Am Verbindungspunkt b und damit an der Basis des Transistors T2 herrscht
eine Spannung von der halben Höhe der Schaltspannung, d. b. beispielsweise
eine Spannung von - 30 V. Der Transistor T2 ist daher genauso wie der Transistor
T 1 nichtleitend. Eine gleichmäßige Aufteilung der an der Reihenschaltung
der beiden SchalttransistorenT1 und T 2 liegenden Schaltspannung -
UB auf die beiden Schalttransistoren wird dadurch erzielt, daß über den
WiderstandR, über die Basis-Kollektor-Strecke des Transistors Tl, die Emitter-Basis-Strecke
des Transistors T2 und den Widerstand Rv ein geringer Sperrstrom fließt, der bewirkt,
daß die am Verbindungspunkt der beidenSchalttransistoren herrschende Spannung gleich
der halben Schaltspannung ist. Das Auftreten einer zu hohen Spannung an einem der
Schalttransistoren bei deren Sperrzustand wird also vermieden.
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Wird in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 der Schalter
S geschlossen, so wird nunmehr über den Widerstand Rs die Spannung
- Us von etwa -- 70 V an die Basis des Schalttransistors T
1 angeschaltet. Damit wird die Emitter-Basis-Strecke dieses Transistors leitend,
so daß eine entsprechend negative Spannung auch am Verbindungspunkt e auftritt.
Dies hat zur Folge, daß die Diode D durchlässig wird; der Diodenstrom fließt
dabei über den Widerstand Rw. über die Diode D setzt sich die negative Spannung
auch am Verbindungspunkt a durch, was zur Folge hat, daß die Zenerdiode ZD in den
Sperrzustand gelangt. Infolgedessen ist nunmehr die volle Vorspannung
- Uv von -70 V an der Basis des Schalttransistors T2 wirksam, so daß
der Transistor T2 in den leitenden Zustand gelangt. Es fließt jetzt also ein Laststrom
über denLastwiderstandRL und die beiden Schalttransistoren T 1 und T 2.
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Fig. 2 zeigt eine eine Weiterbildung der Erfindung beinhaltende Schaltungsanordnung.
Bei Schalttransistoren treten naturgemäß beim Übergang vom Durchlaßzustand in den
Sperrzustand Trägheitserscheinungen auf, d. h., ein solcher Übergang geht
nicht in unendlich kurzer Zeit vor sich. Wenn nun zur Beherrschung einer höheren
Schaltspannung zwei Schalttransistoren in Reihe geschaltet sind, wobei der zweite
Transistor zwangläufig in Abhängigkeit von der Steuerung des ersten Transistors
gesteuert wird, so kann das Auftreten des Trägheitseffektes dazu führen, daß beim
Sperren des ersten Transistors dieser schon gesperrt ist, der zweite Transistor
aber zunächst noch für eine kurze Übergangszeitspanne leitend bleibt, so daß während
dieser Zeitspanne praktisch die ganze Schaltspannung an dem ersten Transistor abfällt.
Ein solches auch nur kurzzeitiges Auftreten einer zu hohen Spannung an einem Transistor
wird in der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 vermieden.
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Die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 ist zunächst in der gleichen Weise
aufgebaut wie diejenige nach Fig. 1; gleiche Schaltelemente sind daher auch
in der gleichen Weise bezeichnet. Zusätzlich ist jedoch der Verbindungspunktv der
beiden SchalttransistorenT1 und T 2 über die Reihenschaltung einer Zenerdiode
Z 1, eines Widerstandes R 1 und eines entgegengesetzt zur Zenerdiode
gepolten Richtleiters D 1 mit dem Punkts und damit über den Widerstand
R mit einer Spannungsquelle verbunden, welche eine Spannung + U von beispielsweise
+ 1 V abgibt, die bei ihrem Wirksarnwerden an der Basis des ersten Transistors
T 1 die Sperrung der beiden Transistoren herbeiführt.
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Die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 arbeitet an sich in der gleichen
Weise wie diejenige nach Fig. 1.
Durch die zusätzlichen Schaltelemente wird
jedoch folgendes erreicht: Beim öffnen des Schalters S würde
zunächst
der Transistor Tl gesperrt werden, während der Transistor T2 zunächst noch leitend
bliebe. Dies würde zur Folge haben, daß für eine gewisse kurze Übergangszeit im
wesentlichen die gesamte Schaltspannung - UB an dem ersten Schalttransistor
T 1
abfiele. Eine solche Überlastung des Schalttransistors Tl, die
unterUmständen zu seinerZerstörung führen könnte, wird nun in der Schaltungsanordnung
nach Fig. 2 dadurch vermieden, daß die Zenerdiode Z 1
bei öffnen des
Schalters S leitend wird, d. h. daß ihr Arbeitspunkt in den Zenerbereich
gelangt. Dadurch besteht jetzt zwischen dem Schaltungspunkt s und dem Verbindungspunkt
v eine Spannungsdifferenz, die angenähert gleich der Zenerspannung ist und beispielsweise
30 V betragen mag. Damit wird aber erreicht, daß auch die zwischen der Basis
und dem Kollektor des Transistors Tl auftretende Spannung diesen Wert von beispielsweise
30 V nicht überschreitet, und zwar auch nicht während der Übergangszeitspanne,
in der der Transistor T2 noch voll durchlässig ist, der Transistor Tl sich dagegen
schon mehr oder weniger stark im Sperrzustand befindet. Damit wird auch ein nur
kurzzeitiges Auftreten einer zu hohen Spannung an dem Schalttransistor T1, wie es
andernfalls unter Umständen während des Ausschaltvorganges des Fall sein könnte,
vermieden.
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Das Fließen eines Stromes über die Zenerdiode Z l bei geschlossenem
Schalter S und durchlässigen Transistoren T 1 und T 2 wird dadurch
verhindert, daß in Serie der Zenerdiode Z 1 ein entgegengesetzt dazu gepolter
Richtleiter D 1 angeordnet ist, der bei diesen Verhältnissen in den Sperrzustand
gelangt.
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Gegebenenfalls kann, ohne daß dies in Fig. 2 besonders dargestellt
ist, zwischen der an den Verbindungspunkt v angeschlossenen, die Zenerdiode Zl enthaltenden
Reihenschaltung und der Basis des Transistors Tl auch noch ein in Kaskadenschaltung
betriebener Verstärker liegen; dabei wird dann bei gleichem Basisstrom des TransistorsT1
die ZenerdiodeZ1 von einem entsprechend geringerem Strom durchflossen.
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In Fig. 2 ist des weiteren noch eine, an den Verbindungspunkt v angeschlossene,
gestrichelt gezeichnete Begrenzerschaltung dargestellt. Diese Begrenzerschaltung,
die aus einer an eine die halbe Schaltspannung - UB12 abgebende Spannungsquelle
angeschlossene Diode D 2 besteht, kann vorgesehen werden, wenn eine den Schalttransistor
T2 schädigende Überlastung dieses Transistors während des Einschahevorgangs,
d. h. beim Schließen des Schalters S,
zu befÜrchten ist. Beim Schließen
des Schalters S
wird nämlich im ersten Augenblick nur der Transistor Tl leitend,
so daß vorübergehend ein zu hoher Spannungsabfall an der Basis-Kollektor-Strecke
des Transistors T2 auftreten könnte. Mit Hilfe der Begrenzerschaltung wird jedoch
erreicht, daß das Potential am Verbindungspunkt v den Wert - UB12,
d. h. - 30 V, nicht übersteigen kann, so daß eine Überlastung des
Transistors T2 verhindert wird.