DE1058550B - Transistorschaltung zur Steuerung der an einem Verbraucher liegenden Halbwellenspannung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die heute überwiegend benutzten Flächentransistoren setzen sich aus aneinandergefügte« Schichten von Halbleiter-Einkristallen zusammen, die je nach der Art von Fremdatomen, mit denen sie angereichert wurden, p- oder η-Schichten genannt werden. Besitzt das Anreicherungselement gegenüber dem Grundelement ein Valenzelektron mehr, so spricht man von einer η-Schicht, im umgekehrten Falle von einer p-Schicht. Im Falle der η-Schicht verhalten sich die Stromträger wie negative, im Falle der p-Schicht wie positive Ladungen. Es gibt zwei Kombinationsmöglichkeiten für diese Schichten, einmal in der pnp-Form, ein zweites Mal in der Form npn. Die Erfindung schließt die Verwendung beider Transistorentypen ein. Der Transistor besitzt drei Anschlußelektroden, den Emitter, die Basis und den Kollektor. Beim Flächentransistor vom pnp-Typ sind die genannten Elektroden in der angegebenen Reihenfolge an die Außenfläche der ersten p-Schicht, an die η-Schicht und an die Außenfläche der zweiten p-Schicht angeschlossen. In Abwesenheit eines elektrischen Feldes ist in dem Grenzgebiet eines pn-Überganges die elektrische Neutralität gestört, d. h., man kann als Funktion des Ortes eine von Null verschiedene Ladungsdichte beobachten. Diese Ladungsdichten haben das Entstehen einer Potentialdifferenz zur Folge. Dieses Grenzschichtpotential vermindert sich, wenn man an den pn-übergang eine Spannung U mit dem positiven Pol an der p-Seite anlegt. Umgekehrt wird das Grenzschichtpotential vergrößert, wenn die p-Seite durch eine äußere Spannung negativ gemacht wird. Dem pn-übergang kommt hiernach eine Sperrwirkung zu. Er wirkt als Gleichrichter, d. h., er läßt nur für eine Polarität der angelegten Spannung hohe Ströme fließen. Die Stromspannungscharakteristik ist exponentieller Natur.

Die geschilderte Sperr- oder Gleichrichtereigenschaft des pn-Überganges läßt für den Transistor ein Ersatzschaltbild zu, das, wenn auch nicht streng korrekt, doch dessen Eigenschaften, so weit sie für die Erfindung wesentlich sind, gut veranschaulicht. Es ist in der Abb. 1 wiedergegeben. Es zeigt sich an Hand dieses Ersatzschaltbildes, daß der Transistor aus zwei gegeneinandergeschalteten Ventilen besteht, die durch die Übergänge Emitter—Basiis und Kollektor—Basis gegeben sind. Das erste Ventil ist mit Gg, das zweite mit G^ bezeichnet. Zwischen den Emitter E und den Kollektor K ist die Gleichspannungsquelle U^, zwischen den Emitter E und die Basis B die Gleichspannungsquelle Ust geschaltet. Außerdem liegt im Emitter-Basis-Stromzweig noch ein variabler Widerstand R_ST. Der mittels des letzteren zu verändernde Emitterstrom i_B steuert nun den Kollektorstrom i_K. Diese Steuerwirkung ist darauf zurückzuführen, daß Transistorschaltung zur Steuerung

der an einem Verbraucher liegenden

Halbwellenspannung

Anmelder:

Brown, Boveri & Cie. Aktiengesellschaft, Mannheim-Käfertal, Boveristr. 22

Helmut Beyer, Mannheim-Käfertal,
ist als Erfinder genannt worden

das Ventil G_K seinen Sperrwiderstand in Abhängigkeit vom Emitterstrom iß ändert. In der Abb. Γ ist diese Wirkung durch einen durch das Ventil G% gelegten Pfeil zum Ausdruck gebracht. Mit anderen Worten, der entgegen der Sperrwirkung von G_K über den Kollektor fließende Strom i^ ist eine Funktion des Emitter-Basis-Stromes i_B, der in Durchlaßrichtung des Ventils Gß fließt.· Dabei ist der Strom i^ um den sogenannten Stromverstärkungsfaktor (meist 20 bis 70) größer als der Strom i_B. U_A bildet innerhalb der in Abb. 1 wiedergegebenen Schaltung die treibende Arbeitsspannung. ' ·

Die Erfindung bezieht sich auf eine Transistorschaltung für Steuerung der an einem Verbraucher liegenden, durch Gleichrichtung aus einer Wechselspannung erzeugten Halbwellenspannung mit Hilfe einer Steuergleichspannung unter der Verwendung von Transistoren, vorzugsweise Flächentransistoren* wobei erfindungsgemäß der Arbeitskreis durch die Reihenschaltung der Emitter-Kollektor-Strecke mit der Wechselspannung und dem Verbraucher gebildet wird und der Steuerkreis aus der gleichpoligen Parallelschaltung der Basis-Kollektor-Strecke mit der variablen Steuergleichspannung besteht, und daß die Schaltelemente des Steuerkreises derart bemessen sind, daß schon kleine Differenzen zwischen dem festen Wechselspannungs-Scheitelwert und der variablen entgegengerichteten Steuergleichspannung den Transistor voll durchsteuern und wobei die am Verbraucher erscheinende Spannungszeitfläche durch die Höhe der Steuergleichspannung bestimmt wird.

Die Erfindung macht sich die Sperrwirkung der Emitter-Basis-Strecke gegenüber den negativen Halbwellen der Arbeitswechselspannung zunutze. Es

909 529/300

treiben die positiven Halbwellen der Arbeitswechselspannung einen Steuerstrom i_B über den Parallelzweig zur. Basis-KollektornStrecke,,.wobei sich der Steuerstromkreis über die niederöhraige Spannungsquelle Ua "schließt. Insgesamt gesehen fließt also über den Kollektor ein pulsierender Gleichstrom, der durch den Steuerstrom i_B bestimmt ist. Die erfindungsgemäße Transistorschaltung ist in der Abb. 2 an einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel veranschaulicht. Aus der Abb. 1 wiederkehrende Teile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Gegenüber der Schaltung nach Abb. 1 ist die Gleichspannungsquelle im Emitter-Kollektor-Kreis durch eine Wechselspannungsquelle ersetzt. Im gleichen Kreis liegt außerdem ein Verbraucher V. Parallel zur Basis-Kollektor-Strecke liegt ein Widerstand R_ST, an den eine an sich veränderliche Gleichspannung Uq gelegt ist. Dabei ist die letztere der Durchlaßrichtung der Basis-Emitter-Strecke entgegengeschaltet. Die Arbeitswechselspannung wird hier ebenfalls zum Treiben des Steuerstromes i_B benutzt. i_B ist bestimmt durch die Spannung U _A und den Widerstand R_St-Wird letzterer entsprechend "klein gehalten, so kann der Transistor als Schalter arbeiten, der in der positiven Halbwelle der Arbeitsspannung U_A diese über eine durch die Gegenspannung Uq bestimmte Zeit an den Verbraucher legt und sie in ihrer negativen Halbwelle sperrt. Die Abb. 3 erläutert diese Arbeitsweise. In sie sind über zwei in verschiedenen Höhen ausgezogene Zeitachsen beziehentlich die Spannung U _A und der Steuerstrom i_ß als Ordinaten eingetragen. Durch die zeitachsenparall el en Geraden U_G und i_Bl sind die Höhe der im Steuerzweig gelegenen Gegenspannung und jener Wert des Steuerstromes iß angedeutet, bei dem der Transistor voll ausgesteuert ist.

■ In der positiven Halbwelle der Arbeitswechselspännung U_A kann so lange kein Steuerstrom % fließen, wie U_a<CUq ist. Die Spannung am Verbraucher ist in der gleichen Zeitspanne gleich Null. Ein Steuerstrom i_B beginnt erst von dem Zeitpunkt an zu fließen, in, dem U_A — U_G wird. Es ist dabei der Steuerstrom durch die Spannungsdifferenz U_A — Uq und durch den Widerstand R$t bestimmt. Ist mit dem Erreichen des Wertes i_Bl des Steuerstromes ig der Transistor voll ausgesteuert, so liegt von diesem Zeitpunkt an die volle Spannung U_A, abgesehen von dem Restspannungsabfall am Transistor, am Verbraucher, bis i_B wieder unten unter den Wert i_Bl sinkt. Sind nun erfindungsgemäß die Schaltelemente der Transistorschaltung so bemessen, daß die mit dem Beginn des Steuerstromfließens am .,Verbraucher erscheinende Spannung mit steiler Flanke auf den Wert der Arbeitswechselspannung springt, so läßt sich sagen, daß die am Verbraucher mit dem Überschreiten der Gegenspannnung durch die Arbeitswechselspannung erscheinende gerichtete Spannungszeitfläche allein durch die Gegenspannung bestimmt ist.

Die erfindungsgemäße Transistorschaltung macht es hiernach möglich, an einen Verbraucher eine gerichtete Spannungszeitfläche zu legen, deren Größe allein durch eine Spannung bestimmt ist. Dabei kann infolge der Stromverstärkung im Transistor die Gegenspannung erheblich leistungsschwächer gewählt werden, als sie der im Verbraucher umgesetzten Leistung entspricht. Die im Transistor selbst auftretende Verlustleistung ist dabei, durch seine schalterartige Wirkung bedingt, sehr klein. ;

■ In einer Weiterführung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, daß der erfindungsgemäß geschaltete Transistor mit seinem Emitter-Kollektor-Kreis auf die Steuerwicklung eines Rücklaufmagnetverstärkers, d. h. eines Magnetverstärkers, arbeitet, dessen Drossel in der Steuerhalbperiode seiner Speisespannung mit einem entmagnetisierenden Spannungszeitintegral beaufschlagt ist. Damit werden die sonst beim Rücklaufmagnetverstärker notwendigen Steuergleichrichter eingespart. Ein weiterer Vorzug des erfindungsgemäßen transistorgesteuerten Magnetverstärkers ist die zusätzliche Stromverstärkung über den Transistor.

In Abb. 4 ist ein besonders einfaches und vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines über die erfindungsgemäße Transistorschaltung gesteuerten Rücklaufmagnetverstärkers schematisch wiedergegeben. Dabei sind die in die Emitter-Kollektor-Kreise der Transistoren TSl und 7\S*2 gelegten Steuerwicklungen zweier Rücklaufmagnetverstärkerkerne mit TU 1 und TU2 bezeichnet. Als Arbeitswechselspannung dient die an der mittenangezapften Sekundärwicklung eines

ao Transformators Tl abgenommene Wechselspannung. Die beiden Magnetverstärkerwicklungen arbeiten in Gegentakt. Zu diesem Zwecke sind die Kollektorelektroden der beiden Transistoren über die Magnetverstärkersteuerwicklungen sowohl an den Minuspol der steuernden Gegenspannung U₀ als auch an die Mittenanzapfung des Transformators T1 angeschlossen. Die Basen beider Transistoren liegen am Pluspol der steuernden Gegenspannung U₀. Die steuernde Gegenspannung wird dabei an dem Widerstand R_ST abgenommen. Durch die Sperrwirkung der Emitter-Basis-Strecken der Transistoren TSl und TS 2 kann jeweils abwechselnd nur in einer Halbwelle der am Transformator T1 abgenommenen Wechselspannung ein Steuerstrom i^ bzw. i^₂ durch die Steuerwickhingen TU 1 bzw. TU2 fließen. Die Größen dieser Ströme richten sich bei geöffneten Transistoren nur nach den an die Wicklungen TUl und TU2 gelegten Spannungszeitflächen und den Magnetisierungskennlinien der beiden Kerne. Die Schaltzeit und damit die Größe der an die Steuerwicklungen TUl und TU2 gelangenden Spannungszeitflächen ist durch die Größe der Gegenspannung Uq bestimmt. Es ist damit eine gleiche Magnetisierung der beiden Kerne TUl und TU 2 auch bei ungleichen Kennlinien erreicht, da sich jeder Kern seinen Magnetisierungsstrom selbst bestimmt, der nach der angelegten Spannungszeitfläche erforderlich ist. Die Schaltung verhindert außerdem einen Rückstrom während der negativen Speisespannungshalbwelle über die Magnetverstärkersteuerwicklungen. Die in Abb. 4 eingezeichneten Polaritäten für eine Halbwelle zeigen das. Die für TU2 und TS2 gerade vorherrschende negative Halbwelle legt an den Kollektor von TS2 über den Mittelpunkt des Speisetransformators Tl das Potential Null. An die Basis von TS2 gelangt das Pluspotential der Steuergegenspannung, so daß die entsprechende Kollektor-Basis-Strecke G^ auf Sperrung beansprucht wird, und zwar im normalen Richtungssinn des Stromes {%,. Damit kann aber kein negativer Steuerstrom durch die Magnetverstärkersteuerwicklung fließen.

Um eine noch größere Verstärkung zu erhalten, können erfindungsgemäß ein in Kollektorschaltung mit Gegensteuerspannung betriebener weiterer Transistor oder mehrere in Kollektorkaskade geschaltete und gleicherweise in Gegensteuerspannung betriebene Transistoren vorgesehen werden, der mit seinem bzw. die mit dem Emitter der letzten Stufe an die die Basen der beiden Magnetverstärkerkerne direkt steuernden Transistoren verbindende Leitung angeschlossen sind.

Die Abb. 5 zeigt hierfür ein Ausführungsbeispiel. Das in Abb. 4 wiedergegebene Ausführungsbeispiel ist hierbei durch einen Transistor-Vorverstärker TS 3 erweitert. Er liegt mit seinem Kollektor über einen Widerstand 7? am negativen Pol der steuernden Gegenspannung U₀ und wird durch diese, die in einen parallel zur Basis-Kollektor-Strecke geschalteten Steuerkreis gelegt ist, gesteuert. Sein Emitter ist an die Verbindungsleitung der Basen der beiden Transistoren TSl und TS 2 angeschlossen. Es ist dieser Anschluß, der es trotz der in Gegentakt betriebenen Magnetverstärkerdrosseln ermöglicht, den Vorverstärker mit nur einem Transistor zu betreiben. In beiden Halbwellen der speisenden, am Transformator Tl abgenommenen Wechselspannung wird nämlich dank diesem Anschluß der Transistor TS 3 geöffnet.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Transistorschaltung für Steuerung der an einem Verbraucher liegenden, durch Gleichrichtung aus einer Wechselspannung erzeugten HaIbwellenspannung mit Hilfe einer Steuergleichspannung unter der Verwendung von Transistoren, vorzugsweise Flächentransistoren, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitskreis durch die Reihenschaltung der Emitter-Kollektor-Strecke mit der Wechselspannung und dem Verbraucher gebildet wird und der Steuerkreis aus der gleichpoligen Parallelschaltung der Basis-Kollektor-Strecke mit der variablen Steuergleichspannung besteht und daß die Schaltelemente des Steuerkreises derart bemessen sind, daß schon kleine Differenzen zwischen dem festen Wechselspannungs-Scheitelwert und der variablen entgegengerichteten Steuergleichspannung den Transistor voll durchsteuern und wobei die am Verbraucher erscheinende Spannungszeitfläche durch die Höhe der Steuergleichspannung bestimmt wird.

2. Transistorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Verbraucher die Steuerwicklung eines Rücklauf-Magnetverstärkers verwendet wird und daß die veränderliche, die Steuerwicklung beaufschlagende Spannungszeitfläche die Rückmagnetisierung des Kernes nach Maßgabe eines Steuerbefehls bewirkt.

3. Transistorschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerwicklungen zweier Rücklauf-Magnetverstärker in Vollwegschaltung über zwei Transistoren betrieben werden, wobei ein Transformator mit Mittenanzapfung die> Sp'eiisewechselspaniniing liefert und dfe Stearung der Spannungszeitflächen durch eine einzige Steuergleichspannung erfolgt, die den Basis-Kollektor-Strecken beider Transistoren parallel geschaltet ist.

4. Transistorschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuergleichspannung unter Zwischenschaltung einer weiteren, als Verstärker wirkenden Transistorstufe den Basisstrom der beiden Haupttransistoren beeinflußt, wobei das Schaltungsprinzip der Verstärkerstufe mit dem der Haupttransistoren übereinstimmt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen