DE1272980B - Transistorschalter zum OEffnen und Sperren eines Stromkreises - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H03k

Deutsche Kl.: 21 al-36/18

Nummer: 1 272 980

Aktenzeichen: P 12 72 980.5-31 (A 50973)

Anmeldetag: 3. Dezember 1965

Auslegetag: 18. Juli 1968

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltanordnung zum Öffnen und Sperren eines Stromkreises, in welchem ein über seinen Basisanschluß gesteuerter erster Transistor mit seinen Emitter- und Kollektoranschlüssen liegt, wobei ein so weit wie möglich gleiche Eigenschaften aufweisender zweiter Transistor vorgesehen ist, der basisseitig am Emitter und kollektorseitig am Kollektor des ersten Transistors angeschlossen ist.

In der gleichen Weise wie ein Relais dazu benutzt werden kann, in Abhängigkeit von der Größe des durch die Relaiswicklung fließenden Stromes einen Stromkreis zu öffnen bzw. zu sperren, kann auch ein Transistor, wenn er in geeigneter Weise betrieben wird, einen solchen Ein- oder Ausschaltvorgang durchführen.

Bei dieser Anwendung hat der Transistor gegenüber dem Relais sowohl Vorteile als auch Nachteile. So schaltet der Transistor schneller als ein Relais und weist eine höhere Lebensdauer auf. Andererseits sind jedoch die Schalteigenschaften des Transistors schlechter als die eines Relais. Im Gegensatz zu einem Relais erlaubt nämlich der Transistor nicht ein ideales Öffnen oder Sperren des Stromkreises, da der Transistor einerseits in seinem leitenden Zustand eine Rest- oder Durchlaßspannung hervorruft und andererseits in seinem nichtleitenden Zustand von einem Leckstrom durchflossen ist. Ein anderer Nachteil des Transistors hat seine Ursache in allerdings schnell abklingenden Schwingungen, die bei jedem Einschalt- und Ausschaltvorgang des Transistors auftreten. Diese Ein- und Ausschwingvorgänge, die normalerweise die Form von kurzen, eine steile Anstiegsflanke und eine exponentiell abklingende Rückflanke aufweisenden Impulsen haben, sind meist störender als die durch den Transistor im nichtleitenden Zustand fließenden Leckströme.

Wenn der Transistor zum Schalten von kleinen Strömen beispielsweise innerhalb sogenannter Zerhacker benutzt wird, ist es vorteilhaft, den Transistor in entgegengesetzter Schaltung anzuordnen, da hierbei sowohl die Restspannung als auch der Leckstrom erheblich herabgesetzt werden können.

Um die Restspannung des als Schalter dienenden Transistors auszuschalten, ist vorgeschlagen worden, an den Emitter des entgegengesetzt geschalteten Transistors die Basis eines zweiten Transistors Kompensationstransistors) anzuschließen, der dem Emitter des ersten Transistors den benötigten Strom zur Herabsetzung der Restspannung auf Null liefert.

Ein solcher Transistorschalter hat jedoch den Nachteil, daß die zwischen die Basis und den Kollek-Transistorschalter zum Öffnen und Sperren
eines Stromkreises

Anmelder:

Aktiebolaget Atomenergi, Stockholm

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Hoffmann,

Dipl.-Ing. W. Eitle

und Dr. rer. nat. K. Hoffmann, Patentanwälte,

8000 München 8, Maria-Theresia-Str. 6

Als Erfinder benannt:

Anders Gustaf Lyden, Jakobsberg (Schweden)

Beanspruchte Priorität:

Schweden vom 3. Dezember 1964 (14 614)

tor des ersten Transistors und die zwischen den Kollektor und den Emitter des zweiten Transistors gelegten Spannungen zu jeder Zeit vollkommen gleich sein müssen, damit die Restspannung des ersten Transistors auch tatsächlich zu Null wird.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Transistorschalter der oben beschriebenen Art zu schaffen, der diesen obgenannten Nachteil nicht aufweist, indem dafür Sorge getragen wird, daß die erwähnten, an den beiden Transistoren der Schaltung anliegenden Spannungen zwangläufig in jedem Augenblick einander gleich sind.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß zusätzlich eine Treiberschaltung vorgesehen ist, die mit der Basis des ersten Transistors, dem Emitter des zweiten Transistors und den zusammengeschalteten Kollektoransehlüssen der beiden Transistoren verbunden ist und die zwischen der Basis und dem Kollektor des ersten Transistors bzw. zwischen dem Emitter und dem Kollektor des zweiten Transistors Spannungen von gleicher Größe und entgegengesetzter Polarität aufrechterhält.

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In vorteilhafter Weise hat der Verstärker phasen- genau gleich sind. Diese Forderung ist möglichst umkehrende Eigenschaften, indem sein Eingang zwi- genau einzuhalten, da bereits kleine Differenzen zwischen Emitter und Kollektor des zweiten Transistors sehen diesen Spannungen eine Abweichung der Restund sein niederohmiger Ausgang zwischen Basis und spannung des Transistors T₁ von Null bewirkt. Kollektor des ersten Transistors angeschlossen ist. 5 Die Wirkung der Schaltung ist folgende: Der zum

Der Verstärker kann ein Gleich- oder Wechsel- Emitterstrom des Transistors T₂ assoziierte Rekomspannungsverstärker sein. Im letzteren Fall kann an binationsstrom, d. h. der durch die in der Basis des Stelle des Verstärkers ein Transformator verwendet Transistors T₂ stattfindende Rekombination einer gewerden. Wenn jedoch ein Wechselspannungsver- ringen Teils des in die Basis vom Emitter injizierten stärker benutzt wird, ist es vorteilhaft, die Schal- io Lochstromes mit sich in der Basis befindenden Elektungsanordnung mit getrennten Mitteln für die tronen verursachte Basisstrom des Transistors T₂, Stromzuführung zur Basis des ersten Transistors und wird über die Basis des Transistors T₂ an den Emitzum Emitter des zweiten Transistors zu versehen. ter des Transistors T₁ geliefert. Vorausgesetzt, daß In diesem Fall können die beiden obigen Elektroden die Rekombinationsströme der beiden Transistoren mit dem Verbindungspunkt der Kollektoren des 15 T₁ und T₂ gleich sind, werden hierdurch im Tranersten und zweiten Transistors jede über einen wei- sistor T₁ die Rekombinationsverluste des Emitterteren Transistor, der als Schalter verwendet wird, Kollektor-Stromes, d. h. der Teil des in die Basis verbunden werden. Das Steuersignal kann dann den injizierten Emitterstromes, der wegen der Rekombi-Basiselektroden der beiden weiteren Transistoren zu- nation in der Basis in den Kollektor nicht geliefert geführt werden. 20 wird, kompensiert und die Restspannung auf Null

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der herabgesetzt.

Erfindung kann der Verstärker einen Eingang zum Die von den Spannungsquellen E₁ und E₂ geEmpfang der Steuersignale und zwei symmetrische lieferten Spannungen betragen während des AusAusgänge haben, von denen der eine zwischen Basis Schaltens des Schalters etwa 0,5 V, während sie und Kollektor des ersten Transistors angeschlossen 25 während des öffnens normalerweise gegen Null ist, während der andere zwischen Emitter und KoI- gehen. Eine ins einzelne gehende Erklärung der lektor des zweiten Transistors angeschlossen ist. Theorie der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 findet

Die Erfindung wird nun im folgenden an Hand man in »Aktiebolaget Atomenergi Report 121, von Ausführungsbeispielen näher erläutert und be- Stockholm, 1963«.

schrieben, wobei auf die Zeichnung Bezug ge- 30 Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäß ausgestaltete nommen ist. Es zeigt Ausführungsform der Schaltungsanordnung gemäß

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer dem Fig. 1, wobei die beiden SpannungsquellenE₁ Stand der Technik entsprechenden Schaltanordnung und E₉ aus F i g. 1 durch eine einen Gleichspanmit Schalt- und Kompensationstransistor, nungsverstärker A₁ enthaltende Treiberschaltung er-

F i g. 2, 3 und 4 schematische Darstellungen von 35 setzt sind, dessen Eingang mit dem Emitter des Schaltanordnungen gemäß der Erfindung mit ver- Transistors T₂ und dessen Ausgang mit der Basis des schiedenen Treiberschaltungen. Transistors T₁ verbunden ist. Das Steuersignal für

Die in F i g. 1 gezeigte Schaltungsanordnung ent- die Treiberschaltung wird über die beiden Klemhält die beiden Transistoren T₁ und T₂, von denen men c und d zugeführt, von wo es dem Eingang des der Transistor T₁ als Schalter zum Schließen und 40 Verstärkers A₁ über den Widerstand!? zugeführt Öffnen eines äußeren, nicht gezeigten Schaltkreises wird. Da es erwünscht ist, daß die Ausgangsspandient, wobei letzterer über die beiden Anschluß- nung des Verstärkers A₁ von der gleichen Größe wie klemmen α und b an den Emitter und den Kollektor die Eingangsspannung des Verstärkers ist, jedoch des Transistors T₁ angeschlossen wird. Der Tran- von entgegengesetzter Polarität, muß der Verstärker sistor T₀ hat die Aufgabe, an den Emitter des Tran- 45 die Verstärkung — 1 haben, d. h., der Verstärker sistors T₁ einen Strom zu liefern, damit die Restspan- arbeitet wie eine einfache Phasenumkehrstufe, nung dieses Transistors T₁ auf Null herabgesenkt Weiterhin muß der Ausgang des Verstärkers A _t werden kann. Dazu ist die Basis des Transistors T₂ niederohmig sein, damit der erforderliche Treibermit dem Emitter des Transistors T₁ verbunden, der strom dem Transistor T₁ zugeführt werden kann, seinerseits mit der Anschlußklemme α verbunden ist. 50 Um die schnell abklingenden Schwingungen auszu-Die Kollektoren der beiden Transistoren T₁ und T₂ schalten, muß der Verstärker ohne Verzögerung sind gemeinsam an der Anschlußklemme b ange- arbeiten und eine stabile Verstärkung haben. Weiterschlossen. Während die Basis und der Kollektor des hin muß der Verstärker, um die Restspannung des Transistors T₁ mit einer ersten Gleichspannungs- Transistors T₁ auf Null zu halten, vernachlässigbare quelle E₁ verbunden sind, sind der Emitter und der 55 Abweichungen zwischen Eingangssignal und AusKollektor des Transistors T₂ an eine zweite Gleich- gangssignal haben und die obigen Forderungen bei Spannungsquelle E₂ angeschlossen. In F i g. 1 sind die stabiler Verstärkung erfüllen.

Basis-Emitter-Kapazitäten C₁ und C₂ der beiden Durch die oben beschriebene Verwendung des

Transistoren T₁ und T₂ gestrichelt dargestellt. Verstärkers A₁ anstatt der beiden getrennt einstell-

Es wird angenommen, daß die beiden Transistoren 60 baren Spannungsquellen E₁ und E₂ gemäß F i g. 1 gleich sind, d. h., daß die Kapazität C₁ des Tran- wird erreicht, daß die Spannungen zwischen Basis sistors T₁ gleich der Kapazität C₂ des Transistors T₂ und Kollektor des Transistors T₁ bzw. zwischen Kolist. Diese Forderung ist eine Voraussetzung für das lektor und Emitter des Transistors T₂ auf jeden Fall Unterdrücken der schnell abklingenden Schwingun- gleich gehalten werden können, da der Vergen im Ein- bzw. Ausschaltmoment. Um die Rest- 65 stärker A₁, wie schon oben erwähnt, eine Ausgangsspannung des Transistors T₁ auf Null abzusenken, spannung liefert, die immer von der gleichen Größe ist es notwendig, die Spannungsquellen E₁ und E₂ wie seine augenblickliche Eingangsspannung ist, so zu justieren, daß die abgegebenen Spannungen jedoch von entgegengesetzter Polarität. Der Ver-

stärker kann durch eine Rückkopplung sehr stabil gemacht werden, so daß die Basis-Emitter-Spannungen der beiden Transistoren während sämtlicher Phasen der Schaltperioden, also auch im Augenblick der Umschaltung, stets gleich sind. Eine solche Wirkung ist erforderlich, nicht nur um, wie gesagt, die Restspannung des Schalttransistors T₁ auf Null zu bringen, sondern auch, um von den spannungsabhängigen Kapazitäten der Transistoren T₁ und T₂ verursachte Schwingungen auszuschalten.

Der in Fig. 2 gezeigte Verstärker A₁ kann durch einen solchen Gleichspannungsverstärker ersetzt werden, der zwei symmetrische Ausgänge hat, von denen der eine an die Basis des Transistors T₁ und der andere an den Emitter des Transistors T₂ angeschlossen ist. In diesem Fall werden die Steuersignale dem Eingang des Verstärkers zugeführt, der an einem Ausgang eine Spannung gleicher Polarität wie die Eingangsspannung und am anderen Ausgang eine Spannung entgegengesetzter Polarität abgibt.

F i g. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel für die Treiberschaltung mit einem Wechselspannungsverstärker A., mit der Verstärkung —1. Dieser Verstärker hat einen niederohmigen Ausgang, der mit der Basis des Transistors T₁ über den Kondensator C₃ verbunden ist. Der Eingang ist mit dem Emitter des Transistors T₂ über den Kondensator C₄ verbunden. Die beiden Kondensatoren C₃ und C₄ sollen eine möglichst große Kapazität haben, damit die durch sie gebildeten Scheinwiderstände vernachlässigbar klein sind. Der Treiberstrom für den Transistor T₁ wird der Basis dieses Transistors über den Widerstand JR₁ zugeführt, der an die negative Klemme einer Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, deren positive Klemme geerdet ist. Der Treiberstrom für den Transistor T₂ wird dem Emitter dieses Transistors über den Widerstand R₂ zugeführt, der an die positive Klemme einer zweiten Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, deren negative Klemme geerdet ist. Um es zu ermöglichen, die beiden Transistoren T₁ und T₂ in den nichtleitenden Zustand zu bringen, sind in der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 3 zwei weitere Transistoren T₃ und T₄ vorgesehen, die gemäß dem in F i g. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel pnp-Transistoren sind, jedoch auch durch npn-Transistoren ersetzt werden können. Während der Emitter des Transistors T₃ mit der Basis des Transistors T₁ verbunden ist, ist der Emitter des Transistors T₁ mit dem Emitter des Transistors T., — d. h. mit dem Verbindungspunkt des Widerstandes R_a und des Kondensators C₄ — verbunden. Die Kollektoren der beiden Transistoren T₃ und T₄ sind an den Verbindungspunkt der Kollektoren der Transistoren T₁ und T₂ angeschlossen, während die Basen der Transistoren T₃ und T₄ zusammen an die Klemme e angeschlossen sind. Die beiden Transistoren T₃ und T₄, die beide als Transistorschalter arbeiten, haben die Aufgabe, den Treiberstrom für die Transistoren T₁ und T₂ abzuleiten und diese Transistoren zu sperren, wobei die Sperrdauer durch das über die Klemme e zugeführte Eingangssignal bestimmt ist.

Im vorstehend beschriebenen wurde angenommen, daß der Verstärker A _y bzw. A₂ mit seinem Eingang an den Emitter des Transistors T₂ und mit seinem Ausgang an die Basis des Transistors T₁ angeschlossen ist. Es ist jedoch klar, daß die Schaltungsanordnung die geforderte Aufgabe auch mit einem Verstärker in umgekehrter Schaltung löst, d. h. wenn der Eingang des Verstärkers mit dem Transistor T₁ und der Ausgang mit dem Transistor T₂ verbunden ist. In diesem Fall muß jedoch der in F i g. 2 gezeigte Widerstand R an die Basis des Transistors T₁ und nicht an den Emitter des Transistors T₁₁ angeschlossen werden.

F i g. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung mit einer Treiberschaltung, die einen Übertrager Tr mit einem Differentialausgang enthält. Der Übertrager weist eine Sekundärwicklung mit Mittenanzapfung auf, die mit dem Verbindungspunkt der beiden Kollektoren der Transistoren T₁ und T₂ verbunden ist, wobei die äußeren Enden der Sekundärwicklung an den Emitter des Transistors T₂ bzw. die Basis des Transistors T₁ angeschlossen sind. Parallell zu den beiden Teilen der Sekundärwicklung sind jeweils die Widerstände R₃ und A₄ geschaltet. Bei dieser Schaltung erreicht die Treiberspannung der beiden Transistoren im nichtleitenden Zustand nicht den Wert Null, sondern ist vom gleichen Betrag, jedoch mit entgegengesetzter Polarität wie die Treiberspannung der Transistoren im leitenden Zustand.

Vorstehend wurde angenommen, daß alle Transistoren vom pnp-Typ sind. Die Erfindung betrifft natürlich auch entsprechende Schaltungsanordnungen mit npn-Transistoren, so wie anderen Halbleiterbauelementen, die für den obigen Zweck geeignet sind, beispielsweise sogenannte Feldeffekttransistoren oder Unipolartransistoren.

Weiterhin sei erwähnt, daß eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung in vorteilhafter Weise auch ganz oder teilweise in Form einer oder mehrerer integrierter Schaltungen aufgebaut werden kann. Beispielsweise können die beiden Transistoren T₁ und T₂ und der Verstärker A₂ (Fig. 2) in einer einzigen integrierten Schaltung zusammengefaßt sein.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Schaltanordnung zum Öffnen und Sperren eines Stromkreises, in welchem ein über seinen Basisanschluß gesteuerter erster Transistor mit seinen Emitter- und Kollektoranschlüssen liegt, wobei ein so weit wie möglich gleiche Eigenschaften aufweisender zweiter Transistor vorgesehen ist, der basisseitig am Emitter und kollektorseitig am Kollektor des ersten Transistors angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Treiberschaltung vorgesehen ist, die mit der Basis des ersten Transistors (T₁), dem Emitter des zweiten Transistors (T₀) und den zusammengeschalteten Kollektoranschlüssen der beiden Transistoren (T₁, T₂) verbunden ist und die zwischen der Basis und dem Kollektor des ersten Transistors (T₁) bzw. zwischen dem Emitter und dem Kollektor des zweiten Transistors (T₂) Spannungen von gleicher Größe und entgegengesetzter Polarität aufrechterhält.

2. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltung ein phasenumkehrender Vierpol ist, der eingangsseitig oder ausgangsseitig am Emitter und Kollektor des zweiten Transistors (T₂) und mit der entgegengesetzten Seite an der Basis und dem Kollektor der ersten Transistors (T₁) liegt.

3. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltung ein Mehrpol mit einem Eingang und zwei symmetrischen Ausgängen ist, von denen der eine zu Basis und Kollektor des ersten Transistors (T₁), der S andere zu Emitter und Kollektor des zweiten Transistors (T₂) führt (F i g. 4).

4. Schaltanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Transistoren (T₁, T₂) getrennt gespeist sind, indem die Treiber- ι ο schaltung zusätzlich zwei Transistoren (Γ₃, T₄) enthält, die emitterseitig mit der Basis des ersten Transistors (T₁) und dem Emitter des zweiten Transistors (T₂) verbunden sind und an deren

miteinander verbundene Basisanschlüsse das gemeinsame Steuersignal geführt ist (Fig. 3).

5. Schaltanordnung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltung im wesentlichen aus einem Gleichspannungsverstärker (A) besteht.

6. Schaltanordnung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltung im wesentlichen aus einem Wechselspannungsverstärker (A₂) besteht.

7. Schaltanordnung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltung im wesentlichen aus einem Übertrager (Tr) besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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