DE1050426B - Einrichtung zur Steuerung oder Rege lung eines Verbrauchers mit mehreren parallelgeschalteten steuerbaren HaIbleiterwiderstanden - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Es ist bekannt, zum Schalten, Steuern und Regeln, von elektrischen Schwachstromkreisen Transistoren zu benutzen. Die gesteuerten Stromstärken liegen dabei in der Größenordnung von einigen Milliampere. Die geschaltete Leistung beträgt höchstens ein paar Watt.Um dieTransistoren zum Steuern größerer Stromstärken oder Leistungen verwenden zu können, insbesondere für Steuerzwecke in der Starkstromtechnik, d. h. zum Steuern von Leistungen von 10 Watt aufwärts, sind bereits zahlreiche Vorschläge gemacht worden, die darauf abzielen, die Erwärmung des Transistors herabzusetzen oder den Transistor 'lediglich als Schaltmittel zu verwenden und das Verhältnis der Durchlaßzeit zur Sperrzeit des Transistors zu steuern. Aber alle diese Vorschläge reichen bei verschiedenen Aufgaben der Starkstromtechnik nicht aus, so daß es erforderlich wird, mehrere Transistoren parallel zu schalten.

Es ist bekannt, welche Schwierigkeiten es bereitet, beispielsweise einen Stromkreis von 100 Ampere mit zwei parallel liegenden Schaltern zu steuern, da keiner der beiden Schalter vor dem anderen geöffnet oder geschlossen sein darf. Ähnlich ist das Problem bei parallel geschalteten Transistoren. Zwar ist es möglich, alle parallel geschalteten Transistoren zu genau dem gleichen Zeitpunkt zu öffnen, bzw. zu schließen. Es ist jedoch sehr schwierig, für die Parallelschaltung Transistoren zu finden, die ganz genau den gleichen Kennilinienverlauf haben. Im allgemeinen streuen die Kennwerte der einzelnen Transistoren auch bei sogenannten Serienfabrikaten verhältnismäßig stark. Man ist daher bei der Parallelschaltung mehrerer Transistoren gezwungen, den durch die Transistoren fließenden Strom nach dem schwächsten Glied der Parallelschaltung zu bemessen, d. h. die Arbeitsspannung dem Transistor mit dem geringsten Imnenwiderstand anzupassen.

Zur Erläuterung sei auf die Fig. 1 verwiesen, in der für drei verschiedene, in emittergeerdeter Schaltung angeordnete Transistoren 6, 7, 8 das Kollektorstrom-KollektorspannuTigs-Kennlinienfeld dargestellt ist. L sei die für alle Transistoren gleiche Grenzleistungshyperbel. Da die Kollektorspannung im Durchlaßfall Uc₀ für alle Transistoren dieselbe ist, muß sie so gewählt werden, daß 'bei dem Transistor mit dem ge- 4-5 ringsten Innenwiderstand, in diesem Falle Transistor 6, die Grenzleistungshyperbel L nicht überschritten wird. Es fließt dann durch den Transistor 6 ein Kollektorstrom /c₆. Bei der zugehörigen Kollektorspannung U _CD werden aber die anderen beiden Transistoren nicht ausgenutzt, da sie die Grenzleistungshyperbel nicht erreichen. So fließt beispielsweise durch den Transistor 7 ein Kollektorstrom /_Cg. Die Summe dieser Kollektorströme/^₆ Einrichtung zur Steuerung
oder Regelung eines Verbrauchers
mit mehreren parallel geschalteten
steuerbaren Halbleiterwiderständen

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dipl.-Ing. Dr. Georg Sichling, Erlangen,
ist als Erfinder genannt worden

und J Q₁ und /^₈ ergibt im Durchlaßfall den Arbeitspunkt A.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei einer Einrichtung zur Steuerung eines Verbrauchers bzw. einer Verbrauchergruppe mit mehreren parallel geschalteten Halbleiterwiderständen, vorzugsweise Transistoren, die Ausnutzung der einzelnen Transistoren zu vergrößern. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß im Arbeitskreis und gegebenenfalls auch im Steuerkreis jedes einzelnen Halbleiterwiderstandes, insbesondere Transistors, ohmsche Vorschaltwiderstände vorgesehen sind.

Fig. 2 zeigt das Schaltbild für eine derartige Anlage. Darin ist der Verbraucher bzw. die Gruppe der zu steuernden Verbraucher symbolisch durch einen Widerstand 1 angedeutet, der über die parallel gesohalteten Transistoren 6 bis 9 an die Leitungen P und N einer Gleichspannungsquelle 14 angeschlossen ist. Zur Steuerung der parallel geschalteten Transistoren dient in der hier dargestellten emittergeerdeten Schaltung die Basisspannung 15. Grundsätzlich kann natürlich auch eine andere an sich bekannte Schaltung, beispielsweise die Basis- oder Kollektorschaltung, verwendet werden. In den Arbeitskreis der einzelnen Transistoren, in diesem Falle den Kollektorkreis, sind die Vorschaltwiderstände 2, 3, 4 und 5 geschaltet.

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Außerdem sind im Basiskreis, dem Steuerkreis jedes Transistors, die Vorschaltwiderstände 10 bis 13 vorgesehen.

In Fig. 3 ist wie in Fig. 1 das Kollektorstrom-Kollektorspannungs-Kennlinienfeld der Transistoren dargestellt, und zwar der Übersichtlichkeit halber nur für die Transistoren 6, 7 und 8. Man kann nun die Widerstände so auslegen, daß die Durchlaßströme aller Transistoren gleich sind. Um eine volle Ausnutzung der parallel geschalteten Transistoren zu erreichen, sind die vorgeschalteten Widerstände 2, 3, 4 usw. so bemessen, daß der Arbeitspunkt des jeweils zugehörigen Transistors im Durchlaßfall auf oder nahezu auf der Grenzleistungshyperbel L liegt. Dabei kann der Transistor 8 mit dem größten Innenwiderstand ohne Vorwiderstand ausgelegt werden, wenn der Verbraucherwiderstand 1 so abgestimmt ist, daß an dem Transistor 8 die Kollektorspannung U_Cs liegt. Mit dem Ko-llektorstrom /_C8 liegt dann der Arbeitspunkt dieses Transistors gerade auf der Grenzleistungshyperbel L. An dem Transistor 7 mit dem geringeren Inweniwiderstand darf aber nur die Kollektorspannung U_Cl Hegen, damit der Kollektorstrom J_Cl nicht überschritten wird. Zu dem Zweck muß der Vorschaltwiderstand 3 mit dem Widerstandswert R₃ so bemessen sein, daß

+ J_Cl -R₃-Uc

Entsprechendes gilt für alle übrigen parallel geschalteten Transistoren, so daß allgemein die Formel gilt:

U CK + /,

CK

= U

Clmax

wobei Ucn die Kollektorspannung, Ick. der Kollektorstrom und R% der Vorschaltwiderstand des K-tem Transistors, U_amax die Durchlaßspannung desjenigen Transistors ist, der den größten Innenwiderstand aufweist. Man erkennt in Fig. 3, daß in diesem Falle die Addition der Kollektorstromstärken /_Ce und /_C7 und /_C8 einen wesentlich größeren Strom mit dem Arbeitspunkt B ergibt.

Bei einer derartigen Anordnung ist zu beachten, daß mit ihrer Hilfe zwar die größtmögliche Schaltleistung erreicht werden kann, daß der Wirkungsgrad gegenüber der nach Fig. 1 beschriebenen Parallelschaltung jedoch infolge der Verluste in den Widerständen geringer ist. Es ist daher darauf zu achten, daß die Streuung der Innenwiderstands werte der einzelnen Transistoren bei einer Parallelschaltung entsprechend Fig. 2 und 3 möglichst gering ist.

Für die Basiswiderstände fO bis 13 der Fig. 2 gilt, daß der Basisstrom jedes Transistors vorteilhaft so einzustellen ist, daß vor Erreichen der Grenzleistungshyperbel gerade keine Sättigung des Kollektorstromes eintritt. Würden die Vorschaltwiderstände in den Basiskreisen der Transistoren nicht vorhanden sein, so würde jeder Transistor dieselbe Basisspannung erhalten und sich damit ein Basisstrom einstellen, der auf Grund des für jeden Transistor feststehenden Stromverstärkungsfaktors y = J_c/I_B nicht den gewünschten Werten entsprechen würde. Mit Hilfe der Vorschaltwiderstände 10 bis 13 können dagegen die Basisspannungen der einzelnen Transistoren ■wunschgemäß' eingestellt werden. Wird beispielsweise für den Transistor 6 die größte Bastsspannung verlangt, so. kann dieser Transistor gegebenenfalls ohne Vorschaltwiderstand unmittelbar an die Basisspannung 15 angeschlossen werden. Für den Vorschaltwiderstand 11 des Transistors 7 ergibt sich dann ein Widerstandswert .R₁₁, der sich analog· den obigen Formeln aus der Gleichung

Ub-, + Jb₁ · R₁₁ = U_B6

errechnen läßt. Für den K-ten Transistor ergibt sich dann

ίο mit R_BK als Basis-Vorschaltwiderstand des K-ten Transistors. Die angelegte Basisspannung 15 muß natürlich mindestens gleich der Spannung U_B/_max sein.

Für die Praxis ist es vorteilhaft, wenn die parallel

geschalteten Halbleiterwiderstände mit den zugehörigen Vorschaltwiderständen in einer Baueinheit zusammengefaßt sind. Die Grenzspannungen U_Ci_max und Ußimax könnten dann genormt werden. Ein Ausführungsbeispiel für eine derartige Baueinheit zeigt Fig. 4. Darin ist jeder Transistor 6 auf einer Montage-

ao platte 20 befestigt, die mit einer an der Montagewand 17 angeordneten Halteeinrichtung 16 verbunden ist. Die Halteeinrichtung 16 kann aus einer Montageschiene bestehen, auf die die einzelnen Montageplatten aufgeklemmt oder aufgeschraubt werden können. Die

as Montageplatten 20 können dabei als Kühlplatten ausgebildet sein, d. h., ihre Oberfläche wird so bemessen, daß eine hinreichend große Kühlung der Transistoren erreicht wird. Zu diesem Zweck ist es weiterhin vorteilhaft, die Montageplatten, wie in dem Ausführungsbeispiel dargestellt, vertikal oder annähernd vertikal anzuordnen, so daß die Luft zwischen den Montageplatten aufsteigen kann und durch die Konvektion eine zusätzliche Kühlung der Transistoren und der Montageplatten erreicht wird.

Weiterhin ist es vorteilhaft, die Montageplatten entweder, wie in Fig. 4 dargestellt, U-förmig oder aber Z-förmig auszubilden. In diesem Falle können wie in dem Ausfü'hrungsbeispiel die Montageplatten mit dem einen Schenkel 20a an der Halteeinrichtung befestigt werden, während an dem anderen Schenkel 20 b eine alle Platten verbindende Leiste 21, eine sogenannte Verbindungsleiste, angeordnet ist. Auf dieser Verbindungsleiste können die Vorschaltwiderstände 2, 10 usw. sowie die Anschlußklemmen 30, 31,32 «sw. raontiert sein. Statt dessen ist es jedoch auch möglich, die Vorschaltwiderstände mit den Anschlußklemmen an der Montageplatte 20 bzw. an dem freien Schenkel 20 b der Montageplatte zu befestigen. Es könnten dann die Anschlußklemmen als Steckvorrichtung ausgebildet sein, so daß beispielsweise beim Aufschieben der einzelnen Montageplatten 20 auf die Halteeinrichtung 16 die Steckvorrichtungen ineinandergreifen und eine besondere Leitungsverlegung nicht erforderlich ist. Auf diese Weise kann je nach der zu schaltenden Stromstärke eine entsprechende Anzahl von Transistoren mit Vorschaltwiderständen ohne Schwierigkeiten parallel geschaltet werden. Am Ende der Baueinheit verbleiben dann lediglich die drei in Fig. 2 angedeuteten Klemmen 33, 34, 35. Eine derartige Zusammenfassung der Transistoren mit den zugehörigen Widerständen u. dgl. in einer Baueinheit ist außer für parallel geschaltete Transistoren auch für Transistoren in Serien- oder gemischter Schaltung möglich.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Steuerung oder Regelung eines Verbrauchers bzw. einer Verbrauchergruppe mit mehreren parallel geschalteten steuerbaren Halbleiterwiderständen, vorzugsweise Transistoren, dadurch gekennzeichnet, daß zur besseren

Ausnutzung der Halbleiterwiderstände im Arbeitskreis und gegebenenfalls auch im Steuer'kreis jedes einzelnen Halbleiterwiderstandes, insbesondere Transistors, ohmsche Vorschaltwiderstände vorgesehen sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im Arbeitskreis jedes steuerbaren Halbleiterwiderstandes angeordnete Vorschaltwiderstand so bemessen ist, daß der Arbeitspunkt des zugehörigen steuerbaren Halbleiterwiderstandes im Durchlaßfall auf oder nahezu auf der Grenzleistungshyperbel liegt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im Steuerkreis jedes steuer-

baren Halbleiterwiderstandes angeordnete Widerstand so bemessen ist, daß der steuerbare Halbleiterwiderstand auf einer Kennlinie arbeitet, die erst außerhalb der Leistungshyperbel in die Sättigung geht.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sättigungsknick in der Arbeitskennlinie des steuerbaren Halbleiterwiderstandes möglichst nahe an der Leistungshyperbel liegt.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Halbleiterwiderstände mit den zugehörigen Vorschaltwiderständen in einer Baueinheit zusammengefaßt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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