DE2852943A1

DE2852943A1 - Anordnung mit einem verzoegerungsbehafteten halbleiterschalter

Info

Publication number: DE2852943A1
Application number: DE19782852943
Authority: DE
Inventors: Juergen Ing Grad Zeis
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1978-12-07
Filing date: 1978-12-07
Publication date: 1980-06-12
Also published as: US4318011A; DE2852943B2; DE2852943C3; CH650112A5

Description

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH 6 Frankfurt/Main 70, Theodor-Stern-Kai 1

CS=SECSZB=I

Anordnung mit einem verzögerungsbehafteten Halbleiterschalter

Die Erfindung betrifft eine Anordnung, wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben. Eine solche Anordnung ist im Zusammenhang mit Fig. 2 der deutschen Patentanmeldung P 27 15 133 beschrieben worden.

Fig. 1 zeigt einen Schaltungsauszug aus der genannten Patentanmeldung. Soweit hier interessant, heißt es in der Patentanmeldung dazu:

^w.... die zwangsgesteuerte Schaltstufe .... besteht aus einem Schalttransietor Ts6/9 und einem vorgeschalteten PDM-Verstärker ..... Zur Vermeidung von Speicherzeiten dürfen die Transistoren nicht bis in die Sättigung gesteuert werden." Ein Schalttransistor Ts5 ist als Emitterfolger geschaltet. "Ohne PDM-Signal ist der Transistor Ts1 gesperrt. Damit ist auch die Konstantstromquelle Ts2 gesperrt. Ts3

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leitet, weil er über Widerstände B5 und ΈΒ und Dioden Gr5 xtnd Grx6 Basis st rom erhalt. Eine Diode Gr3 verhindert durcli 3 ε sis strombegrenzung, daß der Transistor !EsJ in die Sättigung gesteuert wird. Das geschieht in -der.Weise, daß beim Absinken der KoI-

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ff4 3

lektor-Emitter-Spannung des Transistors Ts3 auf ungefähr 1_t5 V oder weniger Strom über die Diode Gr3 zum Kollektor fließt. In diesem Zustand setzt sich, der Spannungsabfall vom basisfernen Bezugspunkt28 zum Emitter aus den Schleusenspannungen der Dioden Gr5>, Gr6 und der Basis-Emitter-Diode zusammen. Dem steht der Spannungsabfall von dem Punkt 28 über einen Kollektorzuleitungspunkt 29 zum. Emitter gegenüber. Dieser Spannungsabfall setzt sich aus der Schleusenspannung der Diode Gr3 und der Kollektor-Emitter-Spannung zusammen, die nicht bis auf die Sättigungsspannung absinken darf.

... Beim Eintreffen eines positiven PDM-Impulses an der Klemme 27 wird TsI leitend und schaltet ... die Konstant st romquelle mit dem Transistor Ts2 ein. ... Ts3 wird ... gesperrt ... Nach der Sperrung ... werden der Emitterfolger Ts4- sowie die Schalttransistoren Ts5 und Ts6/9 leitend. ... Wenn die Kollektor-Emitter-Spannung der Schalttransistoren auf etwa 6 V gesunken ist, wird eine Diode Gr8 leitend. Durch Basisstrombegrenzung von Ts4- und Ts5 mit Hilfe der Diode Gr8 wird eine weitere Durchsteuerung der Schalttransistoren bis in die Sättigung verhindert. ...

Besonders bemerkenswert ... sind die Maßnahmen zur Verkürzung der Schaltzeiten, die es überhaupt erst ermöglicht haben, ... die Verlustleistung klein zu halten."

Der Basisstrombegrenzung für die Transistoren Ts3 bzw. Ts4, 2[, Ts5 durch die Dioden GrJ bzw. Gr8 liegt die Überlegung zugrunde, daß die Speicherzeit eines Schalttransistors, das ist die Schaltverzögerungbeim Umschalten vom leitenden in den sperrenden Zustand, dann besonders groß ist, wenn der Transistor im durchgeschalteten Zustand in die Stromsättigung JO gesteuert wird. Beim Umschalten in den sperrenden Zustand können dann die Ladungsträger nicht schnell genug abtransportiert werden. Es muß daher im durchgeschalteten Zustand dafür gesorgt werden, daß die Stromsättigung nicht erreicht wird. Das ist durch Begrenzung des Basisstroms möglich.

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-ΛΛ -

Als Kriterium für die Begrenzung des Besisstromes durch Anleitung eines Teilstromes über die Dioden GrJ bzw. Gr8 auf den zugehörigen Kollektor eines Schalttransistors dient das Absinken der Kollektor-Emitter-Spannung auf einen Wert, der für die Annäherung an die Stromsättigung charakteristisch ist. Dann sinkt das Potential am Kollektor .so -weit ab," daß die genannten Dioden leitend werden. Durch die damit einsetzende Basisstrombegrenzung während einer Einschaltphase kann"die darauf folgende Speicherzeit wesentlich verkürzt werden.

Für einige Anwendungsfälle hat es sich nun gezeigt, daß die Verkürzung der Speicherzeit nicht ausreichend ist, sondern daß es trotz kurzer Speicherzeiten noch zu Funkt ionsstörungen kommen kann, wenn die Schaltzeit überhaupt eine Rolle spielt.

Dies ist zum Beispiel bei der Hintereinanderschaltung von gleichzeitig geschalteten Transistoren der Fall. Versuche haben gezeigt, daß sich die Kollektor-Emitter-Sperrspannungen von in Reihe zueinander geschalteten Schalttransistoren stark unterschiedlich aufteilen, wenn deren Speicherzeiten nur um

20. 25 ns voneinander abweichen. Das ist auch verständlich, wenn man bedenkt, daß beim Sperren eines Transistors dem anderen Transistor die Möglichkeit genommen wird, durch weiteren Kollektorstrom die freien Ladungsträger abzubauen. Als Abhilfe ist es in diesem Zusammenhang üblich, zur gleich.-mäßigen Spannungsauft eilung den Schalttransistoren eine Kette von Bauelementen parellelzuschalten, die Widerstände, Dioden und Kondensatoren enthalten kann. Diese Maßnahmen sind umständlich und führen zur Erhöhung der Verlustleistung.

Auch bei einem Schaltverstärker (Treiber) zur Steuerung einer Schaltröhre in einem Hochleistungs-Fulsdauermodulator hat sich gezeigt, daß es trotz sehr kurzer Speicherzeiten zu *.) kommen kann, insbesondere auch dann, wenn Schalttransistoren in Reihenschaltung und/oder Gegentaktschal tung betrieben werdai.

*) Zeichenverzerrungen (ImpulsVerzerrungen) und zur Zellstörung von Schslttransistören

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Zeichenverzerrungen sind

insbesondere dann zu beachten, wenn

der vom Schalttransistor durchzuschaltende Strom nicht konstant, sondern im Sinne einer Amplituden-Mitmodulation des pulsdauermodulierten Pulses veränderlich ist, wenn also der Laststrom - das ist bei einem Transistor der Kollektor-Eiuitterstrom - des Schalttransistors veränderlich ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zu >IO schaffen, mit der sich störende Einflüsse der Speiclierzeit wesentlich vermindern lassen.

Diese Aufgabe wird durch die Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Dabei ist von folgenden Überlegungen ausgegangen worden:

Es hat sich in Untersuchungen an Schalttransistoren herausgestellt, daß die Speicherzeit keine Konstante ist, sondern unter anderem'abhängig ist vom Kollektorstrom, der Kollektorspannung, dem Basisstrom, jeweils im durchgeschalteten Zustand des Schalttransistors, sowie von der Basisspannung im gesperrten Zustand und von der Temperatur. Zumindest wo sich eine dieser Größen in erheblichem Maße ändert, kann es daher zu Störungen dann kommen, wenn die Speicherzeit im jeweiligen Anwendungsfall überhaupt eine Rolle spielt. Zugleich muß oft auch für eine möglichst kurze Speicherzeit gesorgt sein; zu diesem Zweck muß ein Schalttransistor derart angesteuert werden, daß er sich im leitenden Zustand im Bereich der Quasi-Sättigung befindet. Mit "Quasi-Sättigung" wird der Betrieb bezeichnet, bei dem die Kollektor-Emitter-Spannung r-a α- \ i^m leitenden Zu-

(.Re st spannung)

stand des Schalttransistors/höher bleibt als die im Sättigungsbetrieb auftretende. Restspannung zwischen Kollektor und

(Sättigungsspannung)
Emitter/ Bei Quasi-Sättigung gibt es nun einen Zusammenhang zwischen dem Laststrom,· der Restspannung und der Speicherzeit. Man kann überschlägig sagen;

*) Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unter- '_ ^3 _

ansprächen angeso^n,-« _Λ , . _n . _{r e}

/ U A b ο

^Λ a) "bei konstanter Eestspannung steigt die Speicherzeit mit 'dem Last st rom j

b) "bei konstanter Speienerzeit steigt die Restspannung mit dem Laststrom.

In Fig. 2 sind diese Verhältnisse qualitativ angedeutet, -wobei auf der Abszisse die Restspannung Uc und auf der .Ordinate der last- oder Kollektor st rom Ic aufgetragen ist. Bei einer Schaltungsanordnung, bei der sich für einen konstanten _ Last strom II eine konstante Rest spannung TJ1 ergibt, stellt sich eine konstante Speicherzeit ts von 150 ns ein. Verändert sich jedoch der Laststrom Ic bei gleichbleibender . Restspannung U1, so treten erhebliche änderungen der Speicherzeit ts auf. Es ist nun mit Hilfe der Erfindung gelungen, einen Weg zu finden, um trotz Änderungen des Laststromes und/oder der Kollektor-Emitter-Spannung im durchgeschalteten Zustand oder trotz der Änderung von anderen Größen, die letztlich zu einer Änderung des Laststromes bzw. der Kollektor-Emitter-Spannung führen, zu einer im wesentlichen konstanten Speicherzeit ts zu gelangen. Aus

2C Fig. 2 ist ersichtlich, daß dies dann möglich ist, wenn man sich auf einer der Kurven ts = const, bewegt. Es muß also dafür gesorgt werden, daß zwischen Ic und Uc ein dem Kurvenverlauf entsprechendes Verhältnis ungefähr eingehalten wird. Hierzu dient eine während der Einschaltphase eingreifende

2h Regelschaltung, die im Regelkreis den Steuerweg enthält und auf die Steuerelektrode einwirkt.

Wie die erfindungsgemäße Anordnung und Ausführungsbeispiele arbeiten, wird im folgenden anhand der restlichen Figuren der Zeichnungen beschrieben:

Fig. 3 zeigt ein Prinzipschaltbild,

Fig. 4- gibt Spannungsverläufe zu Fig. 3 an,

Fig. 5 zeigt eine Einzelheit zu Fig. 3,

Fig. 6 stellt ein einfaches Ausführungsbeispiel

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Pig. 7 ein detaillierteres Ausführungsbeispiel der Erfindung und Pig. 8 ein Blockschaltbild mit den zusätzlichen Hilf ermitteln.

In Fig. 5 ist ein Schalttransistor T dargestellt mit seinem KollektöTstrcm Ic, seiner Kollektor-Emitter-Spannung Uc und seinem Basisstrom Ib. Der Kollektorstrcm ist fast gleich dem Laststron II, der von der positiven Klemme der &leichspannungsversorgung durch den Lastwiderstand R-r zum Kollektor fließt. In dem Steuerweg, der von den Eingangskienmen E zur Basis des Schalttransistors X führt, liegt eine Steuerschaltung 1. über sie führt eine Regelschleife, die von einen Abgriff 3 an der Schaltctrecke (Kollektor-Emitter-Strecke) ausgeht und eine Vergleichseinrichtung 2 enthält. Sarin wird ein Vergleich durchgeführt zwischen der am Abgriff 3 abgegriffenen Kollektorspannung TJc und der von einer Eingangsklemme abgegriffenen Eingangsspannung Ue. Das Vergleichser- gebnis ist die Regelspannung Ur, welche die Steuerschaltung 1 steuert.

Diese Steuerschaltung 1, gesteuert durch das Eingangssignal Ue, liefert den Basisstrom Ib an den Schalttransistor T. Bei fehlendem Eingangssignal, also in der Ausschaltphase des Eingangsimpulses Ue, liegt eine Sperrspannung an der Basis. Im Schaltbetrieb ist die Speicherzeit des Schalttransistors abhängig von der Grö3>e des Basisstroaies im durchgeschalteten und der Basiscperrspannung im gesperrten Zustand. Die Vergleichceinrichtung 2 regelt mit der Regelspannung Ur durch Änderung der Basisansteuerung des Schalttransistors T die Speicherzeit auf einen vorgegebenen Wert.

Kit Hilfe von Fig. 4 läßt sich der Regelinechanisinus verdeutlichen: Zu der Eingangsspannung Ue gehört die verzögert auftretende Kollektorspannung Uc. Von den auftretenden Verzögerungen interessiert hier die Zeit, die vergeht vom Abfall der Eingangsspannung Ue auf Null Volt und dem Übergang der Kollektorspannung Uc von der nahe Null Volt liegenden und in der Einschaltphase auftretenden Restspannung zu der in der Sperrphase auftretenden Sperrspannung. Diese Verzöge-

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rungszeit ist die Speicherzeit ts.

In der Vergleichseinrichtung 2 findet nun ein Vergleich zwischen Uc und Ue statt in Form einer Differenzbildung ' invertierten Spannung TJe und Uc. Das Vergleichsergebnis ist Ur1, eine Spannung, die in ihrem Verlauf Impulse entsprechend der Länge der Speicherzeit ts aufweist. Diese

sollen Impulse/dazu dienen, den Basisstrom des Schalttransistors T während des durchgeschalteten Zustandes mit fallendem Laststrom verstärkt hexabzusetzen; da die Speicherzeit aber erst jeweils nach dem Ende einer der Einschaltphssen des Schalttransistors T gemessen werden kann, kann der Meßvert UrI'" erst zur Steuerung des Basisstromes Ib der jeweils folgenden Einschaltphase verwendet werden.

Deshalb muß die Vergleichseinrichtung 2, die in Fig. 5 im ^AO Detail dargestellt ist, einen Speicher S in Form eines Integrators enthalten, in welchem die Sp annungs'z ext fläche von -UrI gebildet und für die nächste Einschaltphase des Schalttransistors T- bereit gehalten wird. In der Vergleichseinrichtung 2 wird durch einen Umkehrverstärker V aus der Eingangs spannung Ue zunächst die'invertierte Spannung TJe gebildet und ebenso wie Uc einem !Transistor Ts zugeführt. An dessen Kollektor ergibt sich Ur1 « TJe - KUc, wobei K eine Konstante zum Pegelausgleich ist. Hinter dem Speicher S ergibt sich als Spannungszeitintegral von UrI die Regelspannung Ur zur Beeinflussung des Basisstromes Ib über die Steuerschaltung 1. Dabei wird der Regelkreis so betrieben, daß bei zunehmender Speicherzeit ts der Basisstrom Tb in der darauffolgenden Einschaltphase verkleinert wird um zu verhindern, daß der Schalttransistor T zuweit in die Sättigung gerät.

Wegen der Speicherung im Speicher S ist die Regelung prinzipbedingt mit der Laufzeit einer Periode der Eingangsspannung Ue behaftet. Diese Laufzeit bzw. die Regelzeitkonstante des Regelkreises bestimmen-die maximale Frequenz, mit der sich *)■ zwischen der gegenüber Ue

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der Laststrom Il und das Tastverhältnis des Eingangssignales Ue bei Regelung der Speicherzeit ändern dürfen. Versuchsweise -Wurde bei einer Schaltfrequenz von 50 kHz eine maximale Frequenz für die Änderung von Laststrom und Tastverhältnis von 1,5 kHz ermittelt. Bei höheren Frequenzen für die Änderung schwankt die Speicherzeit, der Mittelwert läßt sich (jedoch konstant halten.

Bei dem Ausführungsbeispiel muß sichergestellt sein, daß die Ausschaitzeit desEingangssignales Ue größer ist als die Speicherzeit im ausgeregelten Zustand. Im praktischen Betrieb wurde für Modulationsfrequenzen des Tastverhältnisses bis 1,5 kHz eine stabile Speicherzeit von 200ns mit einem Schalttransistor erreicht, der nach Datenblatt eine Speicherzeit von 3 MikrοSekunden bei Schaltbetrieb mit Sättigung hat.

Während bei den Fig. 3 "bis 5 die am Abgriff 3 auftretende Spannung Uc, wie sie dort jeweils während der Speicherzeit auftritt, für die Regelung des Basisstromes maßgeblich war, ergeben sich wesentlich einfachere Verhältnisse, wenn am Abgriff 3 die Spannung Uc abgegriffen und zur Regelung verwendet wird, wie sie während der Einschaltphase auftritt. Hierauf beziehen sich die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 6 und 7· Bei ihrer Verwirklichung kommt die Tatsache zu Hilfe, daß zwischen dem Steuerstrom (Basisstrom) und dem Laststrom (Kollektorstrom eines Schalttransistors) eines Halbleiterschalters ein im wesentlichen fester Zusammenhang, nämlich die Stromverstärkung besteht.

Fig. 6 zeigt den Schalttransistor T, dessen Speicherzeit konstant gehalten werden soll, mit dem Stromverstärkungsfaktor B β 10, dem Laststrom (Kollektorstrom) Ic, dem Basisstrom Ib, der Kollektor-Emitter-Spannung Uc, der Basis-Emitter-Spannung Übe und der Kollektor-Basis-Spannung Ucb.

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" Es wird von der annähernd' richtigen Annahme aus-

im Betrieosoereicn gegangen, daß der Stromverstärkungsfaktor B/unabhängig von Laststrom Ic ist. Die Einschaltung des Schalttransistors T erfolgt von einer Konstant stromquelle M- über einen Enitterfolger To und einen Serienwiderstand R von beispielsweise 30..Ohm. Bei einem Kollektorstrom Ic, der praktisch gleich

äußeren
dem/Laststrom Il ist, von 0,1 A benötigt der Schalttransistor T zum Durchschalten 10 mA Basisstrom Ib, wie in der Tabelle, die zu Fig. 6 gehört, angegeben. Am Serienwiderstand R ergibt sich dann ein Spannungsabfall von 0,5 V.

Der Steuerelektrode (Basis) des als Halbleiterschalter dienenden Schalttransistors T ist (über den Emitterfolger To) ein Schaltungspunkt 5 vorgeschaltet, von dem eine Rückführung abzweigt mit einer als Ventil dienenden Diode D, welche zu einem AbgrUE3 führt, der an der Schaltstrecke liegt, die durch die Kollektor-Emitter-Strecke des Schalttransistors T gebildet wird.

Da die Schleusenspannungen des Emitterfolgers To und der Diode D etwa gleich groß sind, ist bei leitender Diode D die Kollektor-Restspannung des Schalttransistors T gleich dem Spannungsabfall am Serienwiderstand R zuzüglich der Basis-Emit ter-Spannung des Schalttransistors T. Es ist in diesem Pail also ^TJcb gleich dem Spannungsabfall an R. Die Tabelle bestätigt dies für R = 30 0hm. Dabei ergeben sich die Tabellenwerte für Ic aus dem Basisstrom Ib multipliziert mit dem Stromverstärkungsfaktor B von 10. Die Differenz zwischen Uc und Ucb ist die Basis-Emitter-Spannung in der Größenordnung von 0,7 bis ^Λ- V. Bei M- A Kollektorstrom Ic benötigt der Schalttransistor bei dem gewählten Beispiel 0,4 A Basistrom.

Am Serienv/iderstand R fallen 12 V ab. Die . Restspannung Uc betragt dann 15 V.

Die Regelwirkung der Diode D in Zusammenwirkung mit dem Serienwiderstand. R erkennt man .leicht durch folgende überle-

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gung: Versucht die Konstantstromcuelle 4 über den Emitterfolger To beispielsweise mehr als 0,4 A Basisstrom Ib fließen zu lassen oder ist der Stromverstärkungsfaktor B größer als 10, dann versucht die Kollektorspsnming TJc von ihrem

Wert bei Quasi-Sättigungs-Betrieb auf

die Restspannung bei Sättigung zu sinken. In diesem Fall wird über die Diode D überschüssiger Strom aus der Konstp.ntstromquelle 4- abgeleitet, so daß der Basisstrom Ib sinkt und die Kollektorspannung wieder in den erhöhten Bereich für die Quasi-Sättigung geht. Durch die entsprechende Wahl des Serienwiderstandes R kann die Speicherzeit eines gegebenen Schalttransistors T korrigiert werden. Während bei konstanter Bestspannung im Sättigungs-Betrieb sich die Speicherzeit bei einer Laststromänderung von 0 ...2,5 A um ca. 1,2/cs änderte, betrug die Änderung der Speicherzeit bei gleicher Stromänderung und laststromabhängig erhöhter Restspannung Uc , das heißt unter dem Einfluß der Diode D und des optimal bemessenen Serienwiderstandes R bei einem handelsüblichen Transistor ca 50 ns.

2C- Die optimale Bemessung von R derart, daß sich in einem gegebenen i'oiderungsbereich des Laststromes eine möglichst laststromunabhängige Speicherzeit ergibt, kann durch Versuche erfolgen, indem für verschiedene Serienwiderstände R jeweils im Bereich der vorgegebenen Laststromänderung die Speicherzeiten des Schalttransistors T ermittelt werden.

Es kann aber auch eine Berechnung erfolgen. Hierzu wird zunächst für einen ausgewählten Schalttransistor T der thermisch zulässige Durchlaßstrom Icmax und dann für den Bereich der vorgesehenen Laststromänderungen die mittlere Stromver-3^ Stärkung B aus dem Datenblatt ermittelt. Dann muß durch Messungen ein Diagramm nach Art der Pig- 2 erstellt und eine Kurve für konstante Speicherzeit ts ausgewählt werden. Man wählt am zweckmäßigsten eine der Kurven, für die im Bereich der Laststromänderungen ein ungefährer linearer Zusammenhang

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von Ic mit TJc besteht. Aus der ausgewählten Kurve können die zusammengehörigen Ic/Uce-Werte ermittelt und daraus der Serienwiderstand R nach den Formelnerrechnet werden: Uc = Fbe + R · Ic/B _; Vtb*-Uc -(/ie =R-J_C/B (GUith**j i) R * (Uc - Übe) · (B/Ic); R = Ucb · B/Ic, (GUukv^z) wobei übe die Basis-Emitter-Spannung des Schalttransistors ist, die ungefähr gleich 0,7 V gesetzt werden kann. Wird R nach der oben angegebenen Formel für verschiedene Vertepaare von Üc und Ic errechnet, so weichen die Werte für R bei günstiger Wahl einer Kurve ts. = const. nur wenig voneinander e~b, so daJ3 ein Kittel wert von R gewählt werden kann, der in einer Schaltungsanordnung nach Fig. 6 in ausreichendem Maße gewährleistet, daß die Speicherzeit des Schalbfcransi-

' Laststors T im Bereich der vorkommenden stromänderungen im wesent-

liehen konstant bleibt. - ^ " .

Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in welchem die Konstantstroiiicuelle. ^. nach Fig. 6 im einzelnen dargestellt und zum Sperren de ε Schalttransistors T eine KonstantSpannungsquelle 6 vorgesehen ist. Es hat sich nämlich gezejgb, daß es zwar für den durchgeschalteten Zustand des Schalttransistors T günstig ist, wenn nach Fig. Seine Konstantstromquelle ^ vorgesehen ist, deren Konstantstrom am Schaltungspunkt 5 aufgeteilt werden kann auf die Rückführung mit der Diode D und den zur Steuerelektrode des 'Schalttransistors T führenden Zweig; zum Sperren des Schalttransistors T ist es aber günstig, wenn der Basis eine Sperrspannung aus einer Konstantspannungsquelle ( 4· in Fig. 7 ) zugeführt wird.

Die Anordnung nach Fig. 7. arbeitet im einzelnen folgendermaßen: . ■ ■ :.

Bei Anlegen eines (positiven) Tastzeichens 7(Einschaltphase) an die Basis eines Transistors T1 schaltet T1 über Widerstände R14 und R15 die Konstantstromquelle ein, die hauptsächlich durch einen Transistor T2 gebildet wird. Zur thermischen Entlastung von T2 ist der Konstantstrom mit Hilfe einer Diode D1 und eines Widerstandes R16 und des Spannungsabfalles an einem

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Widerstand R17 abhängig gemacht rom Laststrom des Transistors

To.. T2 liefert Strom über einen Widerstand R18 an die negative Klemme (-8 7)der Gleichspannungsversorgung und über eine Diode D2 an den bereits im Zusammenhang mit Pig. 6 beschriebenen Emitterfolger To. To liefert über den,Widerstand R an den Schalttransistor T Basisstrom. In Abhängigkeit vom Laststrom Il wird, wie im Zusammenhang mit Fig. 6 beschrieben, über die Diode D der Basisstrom von T während der Einschaltphase geregelt. Ein Widerstand R19 und ein Kondensator C dienen der Schaltbeschleunigung. Die Emitterfolger T3 und T4 in der Konstantspannungsquelle & bleiben während der Einschal tphase von To, T, T1, T2 gesperrt.

Ohne das Tastzeichen 7» also in der Ausschaltphase, sperrt T1. Damit sperren auch die Konstantstromquelle (T2) und der Emitterfolger To. Dagegen werden die Emitterfolger TJ, T4- leitend und legen an die Basis des Schalttransistors T zur schnellen Sperrung eine Sperrspannung von fast -8 V.

Auf weitere Einzelheiten der Figur 7? insbesondere auf die Funktion der Widerstände E20, R21, des Kondensators C1 und des Transistors Tp wird weiter unten noch eingegangen, wenn die in dieser Beziehung allgemeinere Fig. 8 beschrieben worden ist.

Figur 8 bezieht sich.auf zusätzliche Hilfsmittel zur Beeinflussung der Speicherzeit int Sinne einer Feinregelung, wie sie in den Patentansprüchen 12 ff beansprucht ist, während sich die Patentansprüche 1 bis 11 auf die zugehörige Grobregelung beziehen, wie sie im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 7 erläutert worden ist.

Ein besonders interessantes Anwendungsgebiet für die zusätzliehe Feinregelung ist die Reihenschaltung von Schaltstrecken, die durch Halbleiterschalter, insbesondere Schalttransistoren

*) und einen als gesteuerter Widerstand arbeitenden Transistor 15 . ' -

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Λ gebildet werden. Bei gleichzeitigem Schalten der Halbleiterschalter kommt es sehr darauf an, daß die Schaltzeiten aller in Reihe zueinander liegenden Halbleiterschalter untereinander gleich, d.h. an einen gemeinsamen Sollwert angeglichen sind. Hierauf bezieht sich insbesondere Patentanspruch 15 und die Figur 8 und der noch nicht erläuterte Teil von Figur 7.

In Pi-g. 8 sind zwei Transistoren T, Ta mit hintereinander geschalteten Schaltstrecken gezeigt. Zur Steuerung an den Basen ist ein "Übertrager 8 vorgesehen, dem primärseitig positive Tastzeichen 7 als Eingangsimpulse zugeführt werden. Diese Tastzeichen 7 erscheinen wieder an den Sekundärseiten des Übertragers 8 und gelangen von dort über die Steuerschaltung 9 bzw. 9a zur Basis des Transistors T bzw. Ta. Die Steuerschaltungen 9 bzw. 9a übernehmen zusammen mit Vergleichseinrichtungen 2 bzw. 2a und Abgriffen 5 bzw. 5a zunächst die gleiche Funktion, also die Grobregelung, wie die gleichnamigen Teile 1, 2 bzw. 3 in Figur 3· Yon den Abgriffen 3 bzvr. 3a, an welchen zumindest während der Speicherzeiten des jeweils zugehörigen Schalttransistors die Kollektor-Emitter-Spannungen abgegriffen werden, gelangen diese zu einer Einrichtung 10 bzw. 10a. Deren Ausgang ist mit 11 bzw. 11a bezeichnet, während ein zusätzlicher Steuereingang der Steuerschaltung 9 bzw. 9a die Bezeichnung 12 bzw. 12a trägt.

Wird nun beispielsweise der Ausgang 11 mit dem Eingang 12a und der Ausgang 11a mit dem Eingang 12 verbunden, so ergibt sich folgende Arbeitsweise der zusätzlichen Hilfsmittel 10 bzw. 10a: Ist die Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors T am Abgriff 3 in einer Sperrphase niedrig,

dann bedeutet das, daß der Schalttransistor zu langsam sperrt. Diese

Information wird über die Einrichtung 10, den Ausgang

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und den Eingang 12a an die Steuerschaltung 9a übermittelt, die dadurch bewogen werden soll/-die Umschaltung des Schalttransistors Ta ebenfalls etwas zu verzögern, d.h. dessen Speicherzeit zu verlängern; dies kann durch betrag_.smäßiges Herabsetzen der Basissperrspannung dieses Transistors geschehen. In ähnlicher Weise kann der Transistor T vom Abgriff 3 a über die Einrichtung 10a, deren Ausgang 1^a, den Steuereingang 12 und die Steuerschaltung 9 beeinflußt werden.

Bevorzugt wird jedoch eine andere Ausführungsform nach Fig. 8, nämlich diejenige, bei welcher die Klemmen 11 und ^2 miteinander und 11a und 12a miteinander verbunden sind. Dsnn ist die Arbeitsweise folgende: Ist die Spannung am Abgriff 3 in der Sperrphase

zu niedrig, dann sperrt der Schalttransistor T zu langsam; diese Information .veranlaßt über die Einrichtung 10 und die Klemmen 11 und 12 die Steuerschaltung 9 dazu, das Sperren

in der folgencen Eperrphose

des Schalttransistors T/dadurch zu beschleunigen, daß der Betrag der Basissperrspannung erhöht wird.

Detaillierter ist der eingerahmte Schaltungsteil 13 der Fig. 8 in Fig. 7 dargestellt, auf die jetzt wieder ergänzend eingegangen wird.

Zur Feinregelung der Speicherzeit wird diese innerhalb der Ausschaltphase des Tastzeichens 7 beeinflußt, die eigentlich mit der Sperrphase des Schalttransistors T übereinstimmen sollte, was aber wegen der Speicherzeit nicht der Fall ist. Nach dem Ende der Einschaltphase des Tastzeichens 7 kann die Speicherzeit in gewissem Maße noch durch die Höhe der 3osis-Sperrspannung des Schalttransistors T beeinflußt werden, aber nur noch zwischen dem Ende der Einschaltphase des Tastzeichens 7 und dem Beginn der tatsächlichen Sperrphase des Schalttransistors T, also nur während der Speicherzeit. Für diese Beeinflussungszwecke ist vom Abgriff 5 wegführend ein zusätz- *) in der folgenden Sperrphase

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lieher Steuerweg vorgesehen mit zusätzlichen Hilfsmitteln (entsprechend den Hilfsmitteln 10 in Figur 8), enthaltend Widerstände E20, R21 und einen Integrationskondensator 01. Der zusätzliche Steuerweg führt·zunächst zur Basis des Tranig sistors T5. Damit steuert, mitbestimmt durch das Spannungsteilerverhältnis zwischen den Widerständen R20 und R21, die Kollektorspsnnung Uc von T den Transistor T 5'. In der Sperrphase des Tastzeichens 7, also wenn der Transistor T2 gesperrt ist, ergibt sich am Schaltungspunkt 14· ungefähr die Emitterspannung von T5, die über den Widerstand R23 für den Steuerstrom des Transistors TJ verantwortlich ist.

Da in der Sperrphase des Tastzeichens 7 der Transistor T1 sperrt und damit auch die Transistoren T2 und To gesperrt sind, während der Schalttransistor T anfangs noch leitend -·. ist, werden die Emitterfolger TJ und T4 leitend und legen an die Basis des Schalttransistors T zu dessen schneller Sperrung eine Basissperrspannung. Die Höhe dieser Basissperrspannung beeinflußt die Speicherzeit, so daß sich damit bei Reihenschaltung von mehreren Schalttransistoren (T und Ta in Fig. 8) die Aufteilung der gemeinsam an allen Kollektor-Emitter-Strecken liegenden Sperrspannung auf die einzelnen Kollektor-JEmitter-Strecken regeln läßt. Diese gemeinsame Sperrspannung -wird sich, stark unterschiedlich aufteilen, wenn die Sperrzeiten der Schalttransistoren nur um 25 ns voneinander differieren, weil beim verfrühten Sperren eines Transistors dem anderen die Köglichkeit genommen wird, durch weiteren Kollektorstrom die freien Ladungsträger abzubauen.

Ist beispielsweise die Kollektorspannung TJc von T in der Einschaltphase und insbesondere zu Beginn der Speicherzeit noch sehr niedrig, dann bedeutet, das, daß T langsamer sperrt als der· in Reihe geschaltete Transistor Ta (Fig. S). Über den Widerstand R20 gelangt die Kollektorsperrspannung-Uc von T an die Becis von T 5, die ..dadurch stark negatives Potential

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/] erhält. Τ5 wird folglich weitgehend lei'tend, so daß sich das Fotential am Schaltungspunkt 14 nach negativen Werten verschiebt und über die schon durchgeschalteten Emitterfolger T3, T4, die Widerstände R23, R24 und das Ventil V an die Basis von T gelangt und auf diese Weise die Sperrung von T beschleunigt, somit nlso die Speicherzeit verkürzt.

Ist die Kollektorsperrspannung Uc von T dagegen hoch, dann bedeutet das ein schnelles Sperren von T in der Reihenschaltung mit Ta (Fig. 8). Die hohe Kollektor-Sperrspannung Uc verringert an der Besis von T5 und damit auch an der Basis von T beim Sperren das negative Potential. Damit wird die Sperrung verlangsamt, die Speicherzeit also verlängert, so daß eine Angleichung an die Speicherzeit des Schalttransistors Ta -(Fig. 8) stattfindet.

Der Integratioriskondensator C1 bewirkt zusammen mit dem Widerstand R20, daß die heruntergeteilten Spannungsimpulse vom Abgriff 3-? wie sie dort in der . Sperrphase auftreten, auch noch jeweils bis zu der folgenden Sperrphase an der Basis von T5 zur Verfügung stehen. CI ist also ein in den

PC zusätzlichen Hilfsmitteln 10 (Fig. 8) enthaltener Speicher für die der Eingangsklemme 12 (Fig. 8) auf dem zusätzlichen Steuerweg 3a-10-11-12 zugeführte Steuergröße (Spannung Uc am Abgriff 3).

Für manche Anwendungsfälle kann es genügen, wenn in einer An-Ordnung ähnlich der von Fig. 8 lediglich einem der beiden Scholttr^nsistoren T bzw. Ta eine Schaltung nach Fig. 7 zur Beeinflussung der Speicherzeit während der Speicherzeit zugeordnet ist. Vorzugsweiße wird jedoch jedem der gleichzeitig zu schaltenden und in Reihe liegenden Schalttransistoren eine Schaltung aur Beeinflussung der Speicherzeit zugeordnet.

Wie aus Fig. 7 zu ersehen ist, dienen die Transistoren T3 und T4 gleichzeitig als Einrichtung, welche den über den

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Widerstand E20 führenden zusätzlichen Steuearweg "bezüglich seiner Einwirkung auf die Basis des Schalttransistors T in dessen Einschaltphase unwirksam machen, außer in der Speicherzeit.

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Claims

Xicentia Patent-Verwaltungs-GmbH 6 Frankfurt/Main 70, Theodor-Stern-Xai 1

Berlin, den 5· Dez. 78

HE2-B/Wii-zg

N-B 78/6

P a t e η t a η s ρ r u c h jj, :

1) Anordnung mit wenigstens einem verzögerungsbehafteten Halbleiterschalter und ersten Hilfsmitteln zur Beeinflussung, der sogenannten Speicherzeit eines Halbleiterschalters, die als Verzögerungszeit ■ auftritt beim Schalten vom leitenden (Einschsltphnse) in den sperrenden (Sperrphase) Zustand, wobei die erst en Hilfsmittel einen ersten Steuerweg aufweisen von einem Abgriff an dem durch die Schaltstrecke eines Halbleiterschalters führende den Lnststrompfad zu einem Schaltungspunkt im Steuersignalweg, der ·zur Steuerelektrode ei-nes Halbleiterschalter führt, und wobei an dem Abgriff eine Istwertgröße abgegriffen wird, die sich bei Änderungen der Speicherzeit verändert und die zur Verkürzung der Speicherzeit durch Beeinflussung einer Steuergröße dient, welche der Steuerelektrode des Halbleiterschalters innerhalb der Einschaltphase zugeführt wird,
dadurch gekennzeichnet,

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ORIGINAL INSPECTED

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daß bei Betriebsbedingungen, die im vorgesehenen Betriebsbereich zu Abweichungen der Speicherzeit (ts) von einem Sollwert führen können, die ersten Hilfsmittel (1, 2; E) zur derartigen Beeinflussung des Steuerstromes (Ib) ausgestaltet sind, daß sich eine Regelung der Speicherzeit in Sinne einer verbesserten Konstanz ergibt.(Fig. J> und G)

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ι 2) Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

ersten pis Istwertgröße . dienenden"

die/Hilfsmittel (1, 2) von der/Spannung CUc; am-Abgriff

(3) gesteuert sind, wie sie dort jeweils während der Speicherzeit (ts) auftritt, und daß die/Hilfsmittel einen Speicher (S) enthalten zur Speicherung der Spannung (IJc) am Abgriff (3) oder einer davon abgeleiteten Größe/jeweils bis zur nächsten Beeinflussung des Steuerstromes (Ib) in der Einschaltphase. (Fig. 3 und 5)

3) Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

ersten ' ,

IC die/Hilfsmittel eine Vergleichseinrichtung (2) enthalten zum Vergleich der Spannung (Uc) am Abgriff (3) mit einem für den Halbleiterschalter (T) vorgesehenen

I Tip 1

Eingangssignal (UeX oder zum Vergleich von Größen, die

(Uc)
von der Spannung/'bzw. dem Eingangssignal (Ue) abgeleitet sind.(Jig. 3 und 5)

4) Anordnung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß

ersten

die/Hilfsmittel einerseits in an sich bekannter Weise enthalten:

eine Rückführung mit Ventil (D) von dem Schaltungspunkt

(5) zu dem Abgriff (3) zur Ableitung von Steuerstrom bei

(Uc)

Absinken der Restspannung, die im durchgeschalteten Zustand an der Schaltstrecke liegt, auf Werte, welche zu einer, unerwünscht hohen Speicherzeit (ts) führen,

sowie wenigstens ein Bauelement (R), das zwischen dem Schaltuncspunkt (5) und der Steuerelektrode bei fließendem Steuerstrom (Ib) einen Spannungsabfall verursacht, der bei Anwachsen des Steuerstromes zunimmt,

ersten

daß aber andererseits das Bauelement (R) in den/Hilfsmitteln derart bemessen ist, daß die Konstanz der Speicherzeit (ts) in Abhängigkeit von den im Betrieb vorkommenden Werten des Durchlaßstromes (Ic) wesentlich verbessert ist gegenüber'dem Fall der Verwendung eines *} mittelbar oder unmittelbar _-4 _

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Fig. ι )
• Bauelementes (Gx5, G-r6,/, das einen vom Steuerstrom (Ib) unabhängigen Spannungsabfall hervorruft. (Fig. 6)

5) Anordnung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement ein Widerstand (E) ist. (Pig. 6)

6) Anordnung nach Anspruch 4- oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Schaltungspunkt (5) und der Steuerelektrode (Basis von T) ein Verstärker vom Typ eines Emitterfolgers (To) mit dem Bauelement (R) in Reihe geschaltet ist. (Fig. 6)

7) Anordnung nach einem der Ansprüche 4- bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente in den Zuleitungen des Halbleiterschalters (T) einschließlich des Bauelementes (R) zwischen dem Schaltungspunkt (5) und dem Halbleiterschalter (T) derart di_mensioniert sind, dsß im Betriebsbereich des durchgeschalteten Halbleiterschalters Kollektor-Basis-Spannungsänderungen im wesentlichen gleich Änderungen des Spannungsabfalls am Bauelement (R) sind (Gleichung 1, Fig. 6).

8) Anordnung nach den Ansprüchen 5 und 7? dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Widerstandes (R) ungefähr

gleich dem Produkt aus der im Betriebsbereich des durchgeschalteten Halbleiterschalters (T) auftretenden Stromverstärkung (B) und der Spannung zwischen Abgriff und Steuerelektrode (Ucb -Uc- Übe), dividiert durch den 25> Durchlaßstrom (Ic) ist (Gl. 2). (Fig. 6)

9) Anordnung nach einem der Ansprüche 4- bis 8, dadurch gekennzeichnet i daß dem Schaltpunkt (5) ein Schalter . (Konstantstromquelle 4-) vorgeschaltet ist, der im durchgeschalteten Zustand einen konstanten Strom liefert. (Fig. 6)

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10) Anordnung nach einem der Ansprüche 4- bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Durchschalten des Halbleiterschalters (T) mit Hilfe einer Konstant stromquelle (4) an der Steuerelektrode (Basis von T) und Mittel zum Sperren mit- -Hilfe einer Konstantsp annungs quelle (6) an der Steuerelektrode vorgesehen sind. (I¹Ig. 7)

11) Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daS eine Einrichtung (T3, 1^·) vorgesehen ist zum Unwirksammachen der Konstantspannungsquelle (6) während der Einschaltphase soweit sie außerhalb der Speicherzeit (ts)· liegt (Pig. 7).

"2) Anordnung nach einen der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
öp3 zusätzliche Hilfsmittel (10;-£20, H21, Cl, T3>, 6)

-Ip zur Beeinflussung der Speicherzeit (ts) eines HaIoleiterscheiters (T, Ta) vorgesehen sind_/ daß die durch diese zusätzlichen Hilfsmittel beeinflußte Steuergröße die Sperrspannung (übe) an der Steuerelektrode eines Halbleiterschalters (T, Ta) ist sowie

2C) da3 die Beeinflussung durch die zusätzlichen Hilfsmittel jeweils innerhalb einer Speicherzeit (ts) erfolgt. (Fig. 7und 8)

"•3) Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die' zusätzlichen Hilfsmittel (10; B20, R21, C1, T5,

2[> 6) ihrerseits von der Spannung (Uc) am Abgriff (3) gesteuert sind
und

daß die zusätzlichen Hilfsmittel einen Speicher (Ci) enthalten zur Speicherung der Spannung (Uc) am Abgriff . (5) oder einer davon abgeleiteten Größe jeweils bis zur nächsten Beeinflussung der Sperrspannung (Übe) innerhalb der nächsten Speicherzeit (ts). (Fig. 7)

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Anordnung nach Anspruch 12 oder 131 'dadurch gekennzeichnet;, daß die Beeinflussung durch die zusätzlichen Hilfsmittel (10; R20, R21, CI, T5, 6) im Sinne einer Regelung auf Konstanz der Speicherzeit (ts) erfolgt. (Fig. 7 und 8)

15) Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß bei Halbleit erschalt em (T, Ta), deren Schalt strecken einander in Reihe geschaltet sind, von dem Abgriff (3) für die Spannung (Uc) an wenigstens einer Schaltstrecke der· Steuerweg mit den zusätzlichen Hilfsmitteln (10, 1Oa) zu einer Steuerelektrode eines Halbleiterschalters (T, Ta) führt zur Beeinflussung von dessen Steuerspannung (Übe) jeweils innerhalb der Speicherzeit (ts) derart, daß sich eine Angleichung der Speicherzeit dieses EaIbleiterschalters (T, Ta) an diejenige eines zu ihm in Reihe geschalteten Halbleiterschalters (T , T) ergibt. (Fig. 8)

16) Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Hilfsmittel (10; R20, R21, C1, T5, 5) in einem Steuerweg liegen, der zur Steuerelektrode desselben Halbleiterschaiters (T) geführt ist, an dessen Schaltstrecke der Abgriff (3) vorgesehen ist, zur Steuerung dieses Halbleiterschalters (T) im Sinne einer Verkürzung der Speicherzeit (ts) bei zu geringer Spannung (Uc) an der Schaltstrecke zu Beginn der Speicherzeit (ts). (Fig. 7)

17) Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Hilfsmittel (10; R20, R21, 01, T5, 6) vorgesehen sind zur Vergrößerung des Betrages der Steuersperrspannung (Übe) an der Steuerelektrode bei zu geringer Spannung (Uc) an der Schaltstrecke zu Beginn der Speicherzeit (ts). (Fig.7)

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'S) Anordnung nach einein der Ansprüche 15 bis 17». dadurch gekennzeichnet, deß eine.Einrichtung (T3, IM-) vorgesehen ist zur Unterbrechung der Beeinflussung durch den zusätzlichen Steuerweg (R?O, R21, C1, T5, 6) wahrend der Einschaltphsse-, soweit sie außerhalb der Speicherzeit (ts) liegt. (Fig. 7)

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