DE1257201B - Elektronischer Schalter - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H03k

Deutsche Kl.: 21 al - 36/18

Nummer: 1257 201

Aktenzeichen: E 30548 VIII a/21 al
Anmeldetag: 29. November 1965
28. Dezember 1967

Auslegetag:

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Schalter zum Schalten von einem oder mehreren Stromkreisen, der mit Transistoren und einem Transformator arbeitet. Solche Schalter sind an sich bekannt und enthalten einen Eingangstransistor, auf den Schaltimpulse gegeben werden und der ein Tor bildet, und einen Transformator, dessen Primärwicklung in Reihe mit der Kollektor-Emitter-Strecke des Eingangstransistors und mit einer Gleichstromquelle liegt, sowie einen zweiten Transistor, der mit der Sekundärwicklung verbunden ist und der für die Zeitdauer der am Eingangstransistor liegenden Schaltimpulse leitend wird.

Bei solchen Schaltern ist die Dauer der Wirkung des an den Eingangsimpuls gelegten Schaltimpulses am Ausgangsimpuls in großem Maße von den Abmessungen des Transformatorkerns abhängig. Der Transformatorkern muß bei den bekannten Schaltern wesentlich überdimensioniert werden, weil, wie später erläutert werden wird, nur ein Teil seiner Leistungsfähigkeit für die Erzeugung des Ausgangsimpulses ausgenutzt werden kann. Dem Zug zur Miniaturisierung steht also die Verwendung eines solchen Schalters im Wege.

Dieser Nachteil wird gemäß der Erfindung durch eine zweite Gleichstromquelle beseitigt, die eine höhere Spannung als die erste Gleichstromquelle aufweist und entgegengesetzt zu dieser geschaltet und derart an die Primärwicklung des Transformators angeschlossen ist, daß bei gesperrtem Eingangstransistor ein Strom von der zweiten Gleichstromquelle fließt, wobei der Transformator in einem Sinn magnetisiert wird, und daß bei nach Anlegen eines Schaltimpulses leitendem Eingangstransistor der von beiden Stromquellen kommende Strom durch den Eingangstransistor fließt, wobei durch den von der ersten Gleichstromquelle kommenden Strom der Transformatorkern im entgegengesetzten Sinn magnetisiert wird.

Damit am Ende des Schaltimpulses das Transformatorfeld rasch zusammenbricht, wird eine Diode mit hohem Schwellwert unmittelbar parallel zui Primärwicklung des Transformators geschaltet, und zwar in dem Sinn, daß der Strom fließt, wenn das Transformatorfeld am Ende eines Schaltimpulses umkehrt. Hierbei kann in Reihe mit der zweiten Gleichstromquelle ein Widerstand liegen, dessen Wert so gewählt ist, daß die Spannung über der Transformatorwicklung zusammenbricht, wenn die Spannung des Anfangsstromes unter der Schwellwertspannung liegt, bei der die Diode leitet.

Die Spannung der zweiten Gleichstromquelle ist Elektronischer Schalter

Anmelder:

Epsylon Research and Development Company
Limited, Bedfont, Feltham, Middlesex
(Großbritannien)

Vertreter:

Dipl.-Ing. W. Meissner

und Dipl.-Ing. H. Tischer, Patentanwälte,

Berlin 33, Herbertstr. 22

Als Erfinder benannt:

Graham John Hounsome,

Bedfont, Feltham, Middlesex (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 30. November 1964 (48 493)

zweckmäßig doppelt so groß wie die der ersten Stromquelle, und der Wert des Widerstandes soll so sein, daß der Strom durch die Primärwicklung des Transformators in beiden Richtungen gleich groß ist.

Als Ausgangstransistor wird zweckmäßig ein Chopper-Transistor mit einer Basis, einem Kollektor und zwei Emittern verwendet. Solche Transistoren lassen zwischen den beiden Emittern in beiden Richtungen einen Strom fließen, wenn zwischen Kollektor und Basis ein Strom fließt. Die Emitter können ohne weiteres in einen Stromkreis geschaltet werden, in dem sie als Schalter dienen.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird ein Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen elektronischen Schalters darstellt,

F i g. 2 eine graphische Darstellung des Stromes im Kollektor-Emitter-Stromkreis des Eingangstransistors und

F i g. 3 eine Hysteresisschleife zur näheren Erläuterung der Funktion des erfindungsgemäßen Schalters ist.

In Fig. 1 ist ein Transistor VTl vom Typn-p-n gezeigt, dessen Basis mit einem Anschluß 11 über einen Widerstand R 1 und dessen Emitter mit einem Anschluß 12 verbunden ist, der zweckdienlich ge-

709 710/517

erdet sein kann und an dem negativen Pol einer Gleichstromquelle angeschlossen ist. Ein Widerstand R 7 liegt zwischen Basis und Emitter des Transistors VT1. Zur Betätigung des erfindungsgemäßen elektronischen Schalters wird ein Schaltimpuls auf die Anschlüsse 11 und 12 gegeben; der Transistor VTl arbeitet dabei als Tor.

Mit dem Kollektor des Transistors VTl ist die Primärwicklung 13 des Transformators 14 verbunden.

Der Kern 15 des Transformators 14 besteht aus einer Legierung mit hoher Permeabilität, beispielsweise Permalloy. Der Transformator 14 ist mit zwei Sekundärwicklungen 16,17 versehen, da sich die hier beschriebene Darstellung auf einen zweipoligen elektronischen Schalter bezieht.

Für einen einpoligen Schalter wäre nur eine Sekundärwicklung erforderlich, für einen dreipoligen Schalter wären dagegen drei Sekundärwindungen vorzusehen. Eine Abschirmung 18, angedeutet durch eine gestrichelte Linie, ist zwischen der Primär- und den Sekundärwicklungen angeordnet.

Das andere Ende der Primärwicklung 13 ist mit einem Anschluß, der eine Gleichstromquelle 19 darstellt, verbunden. In der beschriebenen Ausführungsform hat diese Gleichstromquelle eine Spannung von 6 Volt.

Parallel zur Primärwicklung 13 ist eine Diode D derart geschaltet, daß sie einen von der Gleichstromquelle 19 kommenden Strom sperrt.

Ein Ende der Sekundärwicklung 16 ist über einen Widerstand R 2 mit dem Kollektor eines Chopper-Transistors VT 2 verbunden. Dieser Chopper-Transistor VT2 weist den Kollektor 20, eine Basis 22 und zwei Emitter 23, 24 auf. Das andere Ende der Sekundärwicklung 16 ist mit der Basis 22 des Chopper-Transistors VT 2 verbunden. Zwischen Kollektor und Basis des Chopper-Transistors VT2 ist ein Widerstand R 3 geschaltet.

Die beiden Emitter 23 und 24 sind mit den Anschlüssen 25 bzw. 26 verbunden, die in einen zu schaltenden Stromkreis geschaltet sein können.

Ein Ende einer zweiten Sekundärwicklung 17 des Transformators 14 ist über einen Widerstand R 4 mit dem Kollektor 28 eines zweiten Chopper-Transistors VT3 und das andere Ende dieser Wicklung 17 ist unmittelbar mit der Basis 29 des Chopper-Transistors VT3 verbunden.

Ein Widerstand RS ist zwischen Kollektor und Basis des Chopper-Transistors VT 3 geschaltet. Die beiden Emitter 30 und 31 sind mit den Anschlüssen 32 bzw. 33 verbunden, die in einen zweiten zu schaltenden Stromkreis geschaltet sein können.

Die Eigenschaften beider Chopper-Transistoren VT 2 und VT 3 sind derart, daß dann, wenn ein Impuls mit der richtigen Polarität in den Transformatorwicklungen 16 und 17 auftritt, ein Strom zwischen Kollektor und Basis jedes Chopper-Transistors fließt und während er fließt, auch ein Strom in beiden Richtungen zwischen den Anschlüssen 25 und 26 bzw. 32 und 33 fließen kann.

Andererseits, wenn kein Strom zwischen Kollektor und Basis der Chopper-Transistoren fließt, ist der Widerstand zwischen den Anschlüssen 25 und 26 bzw. 32 und 33 extrem hoch, so daß jeder Chopper-Transistor als Schalter arbeitet, der einen sehr kleinen Widerstand besitzt, wenn er leitend und einen extrem großen Widerstand besitzt, wenn er gesperrt ist.

Eine zweite Gleichstromquelle mit höherer Spannung als die Stromquelle 19 wird von dem Anschluß 34 dargestellt. Ihre Spannung beträgt in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel 12 Volt. In die Verbindung zwischen der zweiten Stromquelle 34 und der Verbindungsstelle des einen Endes der Primärwicklung 13 und des Kollektor-Emitter-Stromkreises des Transistors VTl ist ein Widerstand R 6 gelegt.
Im Betriebszustand, d. h. wenn die Anschlüsse 25

ίο und 26 sowie 32 und 33 in Stromkreisen liegen, die geschaltet werden sollen, sind die Stromkreise anfänglich gesperrt. Um sie beide für kurze Zeit leitfähig zu schalten, wird ein SchaItimpuls auf die beiden Anschlüsse 11 und 12 bzw. auf den Eingangstransistor VTl gegeben. Dieser Transistoren ist im Normalzustand nichtleitend. Der auf ihn gegebene Schaltimpuls macht ihn leitend. Folglich fließt ein Strom von der Stromquelle 19 durch die Primärwicklung 13 und durch den Kollektor-Emitter-Stromkreis des Transistors VT1. Der sich in dem Kern 15 aufbauende Fluß induziert Spannungen in den Sekundärwicklungen 16 und 17, so daß ein Stromfluß in dem Kollektor-Basis-Stromkreis der Chopper-Transistoren VT 2 und VT 3 einsetzt und ein Fließen des Stromes zwischen den Anschlüssen 25 und 26 sowie 32 und 33 bewirkt, d. h., die mit den Anschlüssen verbundenen Stromkreise sind damit geschlossen. Am Ende des Schaltimpulses wird der Transistor VTl nichtleitend, und das Feld im Kern 15 bricht zusammen. Um das Zusammenbrechen dieses Feldes zu beschleunigen, ist die Diode D vorgesehen, durch die der Strom fließt, bis das Feld nicht mehr besteht.

Der Zweck der zweiten Gleichstromquelle 34 soll im folgenden an Hand der F i g. 2 und 3 erläutert werden.

Es wird zunächst auf F i g. 2 hingewiesen. Wenn ein Schaltimpuls auf den Anschluß 11 gegeben wird und der Transistor VTl leitend wird, verläuft der Strom in seinem Kollektor-Emitter-Kreis wie in Fig. 2, die eine graphische Darstellung des Stromes im Kollektor-Emitter-Kreis über der Zeit zeigt. Die Stromkurve verläuft angenähert so wie Kurve 35, d. h., sie steigt von Null bis auf ein bestimmtes Niveau und verläuft auf diesem während der Magnetisierung des Kernes 15, bis ein Punkt 36 erreicht ist, an dem der Kern gesättigt ist. Danach steigt der Strom, wie der Kurventeil 35 a zeigt, sehr schnell an. Die maximale gebräuchliche Länge des Schaltimpulses ist die Zeit T. Der nutzbare Zeitabschnitt T zwischen dem Beginn des Schaltimpulses und dem Punkt 36 hängt ab von den Abmessungen des Kernes.

Um einen Impuls gegebener Länge an den Schaltanschlüssen der Chopper-Transistoren VT 2 und VT 3 zu erzielen, muß der Transformatorkern geeignete, der Länge des Zeitabschnitts T entsprechende, Abmessungen besitzen.

Es wird nun auf F i g. 3 hingewiesen, in der eine Hysteresisschleife bzw. der Magnetisierungsverlauf des Kerns 15 dargestellt ist. Bei Stromlosigkeit der Quelle 34 und bei gesperrtem Transistor VTl liegt die Magnetisierung des Kerns 15, bevor er zum ersten Mal benutzt wird, am Punkt 38, d. h., sie ist Null. Das Auftreten eines Schaltimpulses bewirkt die Magnetisierung des Kerns entlang der Linie 39, bis der Sättigungspunkt 40 erreicht ist. Am Ende des über den Transistor VTl erfolgten Schaltimpulses verläuft die Magnetisierung zurück entlang des Kurventeilstückes 41, bis der Punkt 42 erreicht ist. Ein weiterer

Claims (3)

1. Schaltimpuls über dem Transistor VTl würde den Verlauf der Magnetisierung entlang der Kurve 43 bis zum Punkt 40 bewirken. Unter den beschriebenen Bedingungen wird lediglich ein kleiner Teil des Magnetisierungsbereiches des Kerns ausgenutzt.

   Eine besondere Ausführungsform der Erfindung ist durch die Anwendung der zweiten Gleichstromquelle 34 gegeben. Von dieser Quelle 34 fließt nach dem Einschalten ein Strom durch den Widerstand R 6 und durch die Primärwicklung 13 zum Anschluß 19 und bringt den Kern 15 im entgegengesetzten Sinn, wie durch den Punkt 44 gezeigt, in die Sättigung. Wenn der Schaltimpuls auf die Anschlüsse 11 und 12 gegeben wird und der Transistor VTl leitend wird, dann fließt der Strom vom Anschluß 19 durch die Transformatorprimärwicklung 13 und den Emitter-Kollektor-Kreis des Transistors VTl und treibt die Magnetisierung des Kerns 15 vom Punkt 44 entlang der Hysteresisschleifenhälfte 45 auf den Punkt 40. Wird die volle Magnetisierungskurve des Kerns 15 durchfahren, dann ist die Zeit T (s. Fig. 2) sehr wesentlich länger.

   Während dieses Zeitraumes fließt auch ein Strom von der zweiten Stromquelle 34 durch den Widerstand R 6 und den Kollektor-Emitter-Kreis des Transistors VT1. Am Ende des Schaltimpulses, wenn der Transistor VTl sperrt, fließt wieder Strom von der Stromquelle 34 durch die Transformatorprimärwindung 13 zum Anschluß 19, so daß die Magnetisierung des Kerns 15 nun entlang der anderen Hysteresisschleifenhälfte 41, 46 verläuft, bis der Punkt 44 erreicht ist. Durch die Anwendung dieser zweiten Stromquelle 34 ist die Möglichkeit gegeben, bei sonst gleichen Verhältnissen, einen Transformatorkern zu verwenden, der nur ein Viertel der Abmessungen des Kernes besitzt, der benötigt würde, wenn die zweite Stromquelle nicht vorhanden bzw. nicht angewendet würde.

   Die Diode D ist eine Siliziumdiode, und der Widerstand der Transformatorprimärwicklung 13 und der des Widerstandes R 6 sind so gewählt, daß der Spannungsabfall, der von dem Strom der Stromquelle 34 in der Windung 13 herrührt, niedriger ist als die Schwellspannung, bei der die Diode D leitet. Folglich ist die Diode D nur am Ende eines Schaltimpulses leitend, um das Feld des Kerns 15 zusammenbrechen zu lassen.

   impulse gegeben werden, und mit einem Transformator, dessen Primärwicklung in Reihe mit der Kollektor-Emitter-Strecke des Eingangstransistors und mit einer ersten Gleichstromquelle liegt, sowie mit einem zweiten Transistor, der mit der Sekundärwicklung des Transformators verbunden ist und der für die Zeitdauer der am Eingangstransistor liegenden SchaltimpuIse leitend wird, gekennzeichnet durch eine eine höhere Spannung als die Gleichstromquelle (19) aufweisende zweite Gleichstromquelle (34), die entgegengesetzt zur Quelle (19) geschaltet und derart an die Transformatorprimärwicklung (13) angeschlossen ist, daß bei gesperrtem Eingangstransistor ein Strom von der zweiten Gleichstromquelle (34) durch die Transformatorprimärwicklung zur ersten Gleichstromquelle (19) fließt, wobei der Transformatorkern in einem Sinn magnetisiert wird, und daß bei nach Anlegen eines Schaltimpulses leitendem Eingangstransistor der von beiden Gleichstromquellen kommende Strom durch den Eingangstransistor fließt, wobei durch den von der ersten Gleichstromquelle (19) kommenden Strom der Transformatorkern im entgegengesetzten Sinn magnetisiert wird.
2. 2. Elektronischer Schalter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Diode (D). die einen hohen Schwellwert aufweist und die unmittelbar parallel zur Primärwicklung des Transformators geschaltet ist, und zwar in dem Sinn, daß der Strom fließt, wenn das Transformatorfeld am Ende eines Schaltimpulses umkehrt, und durch einen Widerstand (R 6), der in Reihe mit der zweiten Gleichstromquelle (34) geschaltet ist und dessen Ohmwert so gewählt ist, daß die Spannung über der Transformatorprimärwicklung zusammenbricht, wenn die Spannung des Anfangsstromes unter der Schwellwertspannung liegt, bei der die Diode (D) leitet.
3. 3. Elektronischer Schalter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung der zweiten Stromquelle (34) doppelt so groß ist wie die der ersten Stromquelle (19) und daß der Ohmwert des Widerstandes (R 6) so ist, daß der Strom durch die Transformatorprimärwicklung in beiden Richtungen gleich groß ist.

   Patentansprüche: In Betracht gezogene Druckschriften:

   50 Patentschrift Nr. 33 499 des Amtes für Erfindungs-1. Elektronischer Schalter mit einem ein Tor und Patentwesen in der sowjetischen Besatzungszone bildenden Eingangstransistor, auf den Schall- Deutschlands.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   709 710/517 12. 67 © Bundesdruckerei Berlin