DE1058550B - Transistor circuit for controlling the half-wave voltage applied to a consumer - Google Patents
Transistor circuit for controlling the half-wave voltage applied to a consumerInfo
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Description
DEUTSCHESGERMAN
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.The junction transistors that are predominantly used today are made up of layers of semiconductor monocrystals attached to one another, which are called p or η layers, depending on the type of foreign atoms with which they were enriched. If the enrichment element has one more valence electron than the basic element, then one speaks of an η-layer, in the opposite case of a p-layer. In the case of the η-layer the current carriers behave like negative charges, in the case of the p-layer like positive charges. There are two possible combinations for these layers, once in the pnp form and a second time in the form npn. The invention includes the use of both types of transistors. The transistor has three connection electrodes, the emitter, the base and the collector. In the case of the pnp-type junction transistor, the electrodes mentioned are connected in the order given to the outer surface of the first p-layer, to the η-layer and to the outer surface of the second p-layer. In the absence of an electric field, the electrical neutrality is disturbed in the border area of a pn junction, ie a charge density other than zero can be observed as a function of the location. These charge densities result in the creation of a potential difference. This boundary layer potential is reduced when a voltage U is applied to the pn junction with the positive pole on the p side. Conversely, when the p-side is made negative by an external voltage, the junction potential is increased. According to this, the pn junction has a blocking effect. It acts as a rectifier, ie it only allows high currents to flow for one polarity of the applied voltage. The voltage characteristic is exponential in nature.
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 RST. Der mittels des letzteren zu verändernde Emitterstrom iB steuert nun den Kollektorstrom iK. Diese Steuerwirkung ist darauf zurückzuführen, daß Transistorschaltung zur SteuerungThe described blocking or rectifying property of the pn junction allows an equivalent circuit diagram for the transistor, which, although not strictly correct, illustrates its properties well, as far as they are essential for the invention. It is shown in Fig. 1. This equivalent circuit diagram shows that the transistor consists of two valves connected against one another, which are given by the transitions emitter-base and collector-base. The first valve is designated with Gg, the second with G ^. The direct voltage source U ^ is connected between the emitter E and the collector K , and the direct voltage source Ust is connected between the emitter E and the base B. In addition, there is also a variable resistor R ST in the emitter-base current branch. The emitter current i B to be changed by means of the latter now controls the collector current i K. This control effect is due to the transistor circuit for control
der an einem Verbraucher liegendenthe one lying on a consumer
HalbwellenspannungHalf-wave voltage
Anmelder:Applicant:
Brown, Boveri & Cie. Aktiengesellschaft, Mannheim-Käfertal, Boveristr. 22Brown, Boveri & Cie. Aktiengesellschaft, Mannheim-Käfertal, Boveristr. 22nd
Helmut Beyer, Mannheim-Käfertal,
ist als Erfinder genannt wordenHelmut Beyer, Mannheim-Käfertal,
has been named as the inventor
das Ventil GK 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 GK über den Kollektor fließende Strom i^ ist eine Funktion des Emitter-Basis-Stromes iB, der in Durchlaßrichtung des Ventils Gß fließt.· Dabei ist der Strom i^ um den sogenannten Stromverstärkungsfaktor (meist 20 bis 70) größer als der Strom iB. UA bildet innerhalb der in Abb. 1 wiedergegebenen Schaltung die treibende Arbeitsspannung. ' ·the valve G K changes its blocking resistance as a function of the emitter current iß . In Fig. Γ this effect is expressed by an arrow placed through valve G%. In other words, the counter to the blocking action of G K via the collector current flowing i ^ is a function of the emitter-base current i B, flowing in the forward direction of the valve Gss. · It is the current i ^ to the so-called current amplification factor ( usually 20 to 70) greater than the current i B. U A forms the driving working voltage within the circuit shown in Fig. 1. '·
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.The invention relates to a transistor circuit for controlling a load lying half-wave voltage generated by rectification from an alternating voltage with the help a DC control voltage using transistors, preferably flat transistors * whereby according to the invention the working circuit by the series connection of the emitter-collector path with the AC voltage and the consumer is formed and the control circuit from the homopolar There is parallel connection of the base-collector path with the variable DC control voltage, and that the Switching elements of the control circuit are dimensioned such that even small differences between the fixed AC voltage peak value and the variable opposing control DC voltage control the transistor fully and with the voltage time area appearing at the consumer through the level of the DC control voltage is determined.
Die Erfindung macht sich die Sperrwirkung der Emitter-Basis-Strecke gegenüber den negativen Halbwellen der Arbeitswechselspannung zunutze. EsThe invention makes the blocking effect of the emitter-base path against the negative half-waves the working alternating voltage. It
909 529/300909 529/300
treiben die positiven Halbwellen der Arbeitswechselspannung einen Steuerstrom iB 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 iB 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 RST, 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 iB benutzt. iB ist bestimmt durch die Spannung U A und den Widerstand RSt-Wird letzterer entsprechend "klein gehalten, so kann der Transistor als Schalter arbeiten, der in der positiven Halbwelle der Arbeitsspannung UA 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 iß als Ordinaten eingetragen. Durch die zeitachsenparall el en Geraden UG und iBl sind die Höhe der im Steuerzweig gelegenen Gegenspannung und jener Wert des Steuerstromes iß angedeutet, bei dem der Transistor voll ausgesteuert ist.drive the positive half-waves of the working AC voltage to a control current i B via the parallel branch. Base-collector path, where the control circuit closes via the low-voltage source Ua ". Viewed overall, a pulsating direct current, which is determined by the control current i B , flows across the collector. The transistor circuit according to the invention is shown in FIG Parts that recur from Fig. 1 are given the same reference numerals. Compared to the circuit according to Fig. 1, the direct voltage source in the emitter-collector circuit is replaced by an alternating voltage source. In the same circuit there is also a consumer V. parallel to the base-collector path is a resistor R ST, to which a variable in itself DC voltage Uq is laid. the latter is the forward direction is the base-emitter path counter connected in. the work AC voltage is also used here to drive the control current i B. i B is determined by the voltage U A and the Wide rstand R S t- If the latter is kept correspondingly "small, the transistor can work as a switch that applies this to the consumer in the positive half-cycle of the working voltage U A for a time determined by the counter-voltage Uq and blocks it in its negative half-cycle. Fig. 3 explains this mode of operation. In it, the voltage U A and the control current i ß are entered as ordinates over two time axes drawn out at different heights. The straight lines U G and i Bl parallel to the time axis indicate the level of the counter voltage in the control branch and that value of the control current iß at which the transistor is fully controlled.
■ In der positiven Halbwelle der Arbeitswechselspännung UA kann so lange kein Steuerstrom % fließen, wie Ua<CUq ist. Die Spannung am Verbraucher ist in der gleichen Zeitspanne gleich Null. Ein Steuerstrom iB beginnt erst von dem Zeitpunkt an zu fließen, in, dem UA — UG wird. Es ist dabei der Steuerstrom durch die Spannungsdifferenz UA — Uq und durch den Widerstand R$t bestimmt. Ist mit dem Erreichen des Wertes iBl des Steuerstromes ig der Transistor voll ausgesteuert, so liegt von diesem Zeitpunkt an die volle Spannung UA, abgesehen von dem Restspannungsabfall am Transistor, am Verbraucher, bis iB wieder unten unter den Wert iBl 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.■ In the positive half-wave of the alternating working voltage U A , no control current% can flow as long as U a <CUq. The voltage at the consumer is zero in the same period of time. A control current i B only begins to flow from the point in time in which U A becomes U G. The control current is determined by the voltage difference U A - Uq and the resistance R $ t . If the transistor is fully modulated when the value i Bl of the control current ig is reached , then from this point in time the full voltage U A is applied to the consumer, apart from the residual voltage drop across the transistor, until i B falls again below the value i Bl. If, according to the invention, the switching elements of the transistor circuit are dimensioned in such a way that the voltage appearing at the start of the control current flow on the consumer jumps with a steep edge to the value of the working AC voltage, it can be said that the voltage on the consumer when the counter voltage is exceeded by the working AC voltage appearing directed stress-time area is determined solely by the counter-stress.
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. ;The transistor circuit according to the invention then makes it possible to send a directed to a consumer To lay stress-time area, the size of which is determined solely by a stress. This can result the counter voltage can be selected to be considerably weaker than the current amplification in the transistor, than it corresponds to the performance implemented in the consumer. The power loss occurring in the transistor itself is very small due to its switch-like effect. ;
■ 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 a continuation of the inventive concept it is provided that the switched according to the invention Transistor with its emitter-collector circuit on the control winding of a flyback magnet amplifier, d. H. of a magnetic amplifier, whose choke works with its supply voltage in the control half-cycle a demagnetizing voltage-time integral is applied. This would otherwise be the case with the return magnet amplifier the necessary control rectifier saved. Another advantage of the invention transistor-controlled magnetic amplifier is the additional current amplification via the 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 einesIn Fig. 4 a particularly simple and advantageous embodiment of a return magnetic amplifier controlled via the transistor circuit according to the invention is shown schematically. The control windings of two flyback magnetic amplifier cores, which are placed in the emitter-collector circuits of the transistors TS1 and 7 \ S * 2, are labeled TU 1 and TU2. The working AC voltage on the center-tapped secondary winding is used
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 RST 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.ao transformer Tl removed AC voltage. The two magnetic amplifier windings work in push-pull. For this purpose, the collector electrodes of the two transistors are connected via the magnetic amplifier control windings both to the negative pole of the controlling counter voltage U 0 and to the center tap of the transformer T 1. The bases of both transistors are connected to the positive pole of the controlling counter voltage U 0 . The controlling counter voltage is taken from the resistor R ST . Due to the blocking effect of the emitter-base paths of the transistors TS1 and TS 2 , a control current i ^ or i ^ 2 can flow through the control windings TU 1 and TU2 alternately only in one half- cycle of the alternating voltage taken from the transformer T1. When the transistors are open, the magnitudes of these currents depend only on the voltage-time areas applied to the windings TU1 and TU2 and the magnetization characteristics of the two cores. The switching time and thus the size of the voltage-time areas reaching the control windings TU1 and TU2 is determined by the size of the counter voltage Uq. The same magnetization of the two cores TU1 and TU 2 is thus achieved even with unequal characteristics, since each core determines its own magnetization current, which is required according to the applied voltage-time area. The circuit also prevents reverse current through the magnetic amplifier control windings during the negative supply voltage half-cycle. The drawn in Fig. 4 polarities for a half-wave show that. The straight predominant for TU2 and TS2 negative half-wave creates the collector of TS2 over the center of the supply transformer Tl zero potential. The positive potential of the control countervoltage arrives at the base of TS2, so that the corresponding collector-base path G ^ is blocked, namely in the normal direction of the current {% ,. However, this means that no negative control current can flow through the magnetic amplifier control winding.
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.In order to obtain an even greater gain, a collector circuit can be used according to the invention further transistor operated with counter control voltage or several connected in collector cascade and transistors operated in counter control voltage are provided, which are connected to their or those with the emitter of the last stage directly controlling the bases of the two magnetic amplifier cores Transistors connecting line are connected.
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.Fig. 5 shows an embodiment for this. The embodiment shown in Fig. 4 is here extended by a transistor preamplifier TS 3. Its collector lies across a resistor 7? at the negative pole of the controlling counter voltage U 0 and is controlled by this, which is placed in a control circuit connected in parallel to the base-collector path. Its emitter is connected to the connecting line of the bases of the two transistors TSl and TS. 2 It is this connection that enables the preamplifier to be operated with just one transistor, despite the push-pull operated magnetic amplifier chokes. In both half-waves of the feeding AC voltage taken from the transformer T1, the transistor TS 3 is opened thanks to this connection.
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