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Transistorschalter mit vier Transistoren Für das Zu- oder das Abschalten
von Spannungen für verschiedene elektronische Stromkreise werden in neuester Zeit
gewöhnlich kontaktlose Transistorschalter verwendet. An diese Schalter werden, was
die Genauigkeit betrifft, hohe Ansprüche gestellt. Die erzielbare Genauigkeit der
bisher bekannten Transistorschalter wird aber einesteils durch die Spannungsabfälle
an den im Zustand der Durchlässigkeit sich befindenden Transistoren, wenn dieselben
von dem geschalteten Strom durchflossen werden, und weiter durch Ruheströme in gesperrtem
Zustand, gegebenenfalls durch beide Einflüsse zugleich begrenzt.
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Bei den bisher benutzten Eintransistorschaltelementen mit Steuerspannung
zwischen Basis und Emitter oder mit Steuerspannung zwischen Basis und Kollektor
entsteht zwischen Kollektor und Emitter im Durchlaßzustand eine bestimmte Restspannung.
Bei Steuerung zwischen Basis und Emitter besitzt diese Restspannung zwischen Kollektor
und Emitter der Ordnung nach einen Wert von 10 mV und bei Steuerung zwischen Basis
und Kollektor 1 mV und dies beim Nullwert des geschalteten Stromes, welcher die
Kollektor-Emitter-Strecke oder umgekehrt durchfließt. Diese Restspannung bildet
die sogenannte statische Restspannung. Der Durchgangswiderstand zwischen Kollektor
und Emitter im Durchlaßzustand beträgt bei der ersten Alternative der Erregung ungefähr
5 bis 10 Q und bei der zweiten Alternative ungefähr 1 S2. An diesem Widerstand entsteht
beim Durchfluß des geschalteten Stromes durch das Schaltelement ein weiterer Spannungsabfall,
der sogenannte dynamische Spannungsfehler.
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Es ist eine Reihenschaltung mehrerer steuerbarer Halbleiter bekanntgeworden,
die dazu dient, mit Transistoren Spannungen zu schalten, deren Höhe größer ist als
die Sperrspannung des Halbleiters. Dabei sind die Steuerspannungsquellen der Transistoren
galvanisch getrennt. Es sind Mittel vorgesehen, die bewirken, daß alle Steuerspannungen
gleichzeitig zur gemeinsamen Steuerung zusammenwirken. Dieses Problem wird in der
vorliegenden Erfindung nicht behandelt.
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Es ist eine Brückenschaltung von vier Transistoren bekanntgeworden,
die als ein Schalter ausgebildet ist, der die Spannung umkehrt. In dieser Schaltung
ist eine Kompensation von statischen und dynamischen Restspannungen nicht vorgesehen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Spannungsfehler
von Transistorschaltern zu kompensieren und so einen schnell arbeitenden und genauen
Transistorschalter zu erhalten. Die Erfindung geht aus von einem Transistorschalter
mit vier Transistoren derselben Type mit synchron arbeitenden, galvanisch untereinander
getrennten Aussteuerungsquellen, die jeweils in Kollektorschaltung über einen Begrenzungswiderstand
angeschlossen sind und derart arbeiten, daß der erste und der vierte Transistor
leiten, wenn der zweite und dritte Transistor gesperrt sind, und umgekehrt.
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Die Erfindung besteht darin, daß der Emitter des ersten Transistors
an den Emitter des zweiten Transistors angeschlossen ist, der Kollektor des zweiten
Transistors mit dem Kollektor des dritten Transistors verbunden ist und der Emitter
des dritten Transistors an den Emitter des vierten Transistors angeschlossen ist
und daß die Last mit einer Klemme an die untereinander verbundenen Emitterelektroden
des ersten und zweiten Transistors und mit der anderen Klemme an die untereinander
verbundenen Emitterelektroden des dritten und vierten Transistors und die Quelle
der zuzuschaltenden Spannung an die Kollektoren des ersten und vierten Transistors
angeschlossen sind.
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Mit dieser Schaltung wird eine Kompensation der statischen und dynamischen
Restspannungen erreicht. Erfindungsgemäß kann die Schaltung auch so ausgelegt werden,
daß der Kollektor des ersten Transistors an den Kollektor des zweiten Transistors
angeschlossen ist, der Emitter des zweiten Transistors mit dem Emitter des dritten
Transistors verbunden ist und der Kollektor des dritten Transistors an den
Kollektor
des vierten Transistors angeschlossen ist und daß die Last mit einer Klemme an die
untereinander verbundenen Kollektorelektroden des ersten und zweiten Transistors
und mit der anderen Klemme an die untereinander verbundenen Kollektorelektroden
des dritten und vierten Transistors, während die Quelle der zuzuschaltenden Spannung
an die Emitter des ersten und des vierten Transistors angeschlossen ist (F i g.
2).
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Zum wahlweisen Anschalten von zwei Spannungsquellen an eine Last wird
erfindungsgemäß die Schaltung in der Art ausgeführt, daß eine der Quellen mit einem
Pol an die mit der Elektrode des zweiten Transistors nicht verbundene Elektrode
des ersten Transistors und mit dem anderen Pol an die mit der Elektrode des dritten
Transistors nicht verbundene Elektrode des vierten Transistors angeschlossen ist,
während die andere Quelle mit einem Pol an die mit der Elektrode des ersten Transistors
nicht verbundene Elektrode des zweiten Transistors und mit dem anderen Pol an die
mit der Elektrode des vierten Transistors nicht verbundene Elektrode des dritten
Transistors angeschlossen ist (F i g. 3).
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Sollen zwei Lasten wahlweise an eine Spannungsquelle geschaltet werden,
so kann das erfindungsgemäß dadurch geschehen, daß eine Last mit einem Pol an die
mit der Elektrode des zweiten Transistors nicht verbundene Elektrode des ersten
Transistors und mit dem anderen Pol an die mit der Elektrode des dritten Transistors
nicht verbundene Elektrode des vierten Transistors angeschlossen ist, während die
andere Last mit einem Pol an die mit der Elektrode des ersten Transistors nicht
verbundene Elektrode des zweiten Transistors und mit dem anderen Pol an die mit
der Elektrode des vierten Transistors nicht verbundene Elektrode des dritten Transistors
angeschlossen ist und daß die Quelle der zuzuschaltenden Spannung mit einem Pol
an die untereinander verbundenen Elektroden des ersten und des zweiten Transistors
und mit dem anderen Pol an die untereinander verbundenen Elektroden des dritten
und vierten Transistors angeschlossen ist (F i g. 4).
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Die Umkehrung einer Spannung kann erfindungsgemäß dadurch vorgenommen
werden, daß die Transistoren in an sich bekannter Weise in Form einer Brückenschaltung
geschaltet sind, in dem die mit der Elektrode des zweiten Transistors nicht verbundene
Elektrode des ersten Transistors an jene mit einer Elektrode des vierten Transistors
nicht verbundene Elektrode des dritten Transistors und die mit ; einer Elektrode
des ersten Transistors nicht verbundene Elektrode des zweiten Transistors an die
mit einer Elektrode des dritten Transistors nicht verbundene Elektrode des vierten
Transistors angeschlossen ist, wobei die Gleichstromquelle der zuzuschaltenden ;
Spannung mit einem Pol an die verbundenen Elektroden des ersten und dritten Transistors
und mit dem anderen Pol an die verbundenen Elektroden des zweiten und vierten Transistors
angeschlossen ist und die Last als Querwiderstand an die verbundenen Elektroden
des ersten und zweiten Transistors und des dritten und vierten Transistors angeschlossen
ist und daß die jeweils leitenden Transistoren gegensinnig in Reihe geschaltet sind.
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Alle diese Schaltungsausführungen erreichen eine Kompensation von
statischen und dynamischen Restspannungen und sind daher insbesondere für solche
Schaltungen geeignet, die eine hohe übertragungsgenauigkeit der zu schaltenden Spannungen
verlangen.
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Die Zeichnung dient der Erläuterung der Erfindung. Es zeigt F i g.
1 einen erfindungsgemäßen Schalter, F i g. 2 eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Schalters.
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F i g. 3 einen Schalter zum wahlweisen Anschalten von zwei Spannungsquellen
an eine Last nach der Erfindung, F i g. 4 einen Schalter zur wahlweisen Schaltung
von zwei Lasten an eine Spannungsquelle, F i g. 5 einen Schalter zur Umkehrung einer
Spannung.
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Die erfindungsgemäße Schaltung ist in F i g. 1 dargestellt. Es bedeuten
1, 2, 3, 4 die Transistoren, 5, 6, 7, 8 die Begrenzungswiderstände, 9, 10, 11,
12
die Erregerhilfsquellen, 13 die Speisegleichstromquelle mit vernachlässigbar
kleinem Innenwiderstand für die Last und 1.4 die Last.
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Der kontaktlose Transistorschalter gemäß der Erfindung enthält vier
so geschaltete Transistoren, daß der Emitter des ersten Transistors an den Emitter
des zweiten Transistors geschaltet ist, dessen Kollektor des dritten Transistors
angeschlossen ist, dessen Emitter mit dem Emitter des vierten Transistors verbunden
ist und die Speisespannungsquelle dann an den Kollektor sowohl des ersten als auch
des vierten Transistors angeschlossen sind. Ferner ist die Last 14 mit einem Pol
an die verbundenen Emitter des ersten und zweiten Transistors 1 und 2 und mit dem
zweiten Pol an die verbundenen Emitter des dritten und vierten Transistors 3 und
4 angeschlossen ist, und für jeden Transistor ist je eine Steuerspannungsquelle
9, 10, 11, 12 angeordnet, welche gegenseitig galvanisch getrennt und über Begrenzungswiderstände
5, 6, 7, 8 zwischen Basis und Kollektor der entsprechenden Transistoren geschaltet
sind. Die Transistoren können entweder der Type PNP oder NPN sein, aber das Transistorpaar
1 und 4 muß immer von derselben Type sein, gleichviel ob PNP oder NPN, und das Transistorenpaar
2 und 3 muß ebenfalls von derselben Type PNP oder NPN sein; die Transistoren können
auch alle von derselben Type sein, ganz gleich ob PNP- oder NPN-Type.
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Es ist nun auch eine andere Serienschaltung der Transistoren z. B.
gemäß F i g. 2 möglich. Hier werden die gleichen Symbole wie in F i g. 1 benutzt.
Die Transistoren sind so geschaltet, daß der Kollektor des Transistors 1 mit dem
Kollektor des Transistors 2 verbunden ist, dessen Emitter mit dem Emitter des Transistors
3 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 3 ist mit dem Kollektor des Transistors
4
verbunden. Die Last bei dieser Schaltung ist an die verbundenen Kollektoren
der Transistoren 1 und 2 und an die verbundenen Kollektoren der Transistoren 3 und
4 angeschlossen.
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Bei beiden angeführten Schaltungen wird jeder der Transistoren mit
Hilfe einer Steuerstromquelle gesteuert, welche vom Transistor galvanisch getrennt
ist. Die Amplitude dieser von den Steuerspannungsquellen 9, 10, 11, 12 gelieferten
Spannung muß größer sein als die höchste Amplitude der Schaltspannung.
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Die Schaltung arbeitet folgendermaßen: Die Steuerspannungsquellen
sind so gepolt, daß bei leitendem Schalter die Transistoren 1 und 4 leiten
und
die Transistoren 2 und 3 gesperrt sind. Bei gesperrtem Schalter sind die Steuerspannungen
so polarisiert, daß die Transistoren 2 und 3 leiten und die Transistoren 1 und 4
gesperrt sind. Es leiten also immer abwechselnd die Transistoren 1 und 4 oder 2
und 3. Bei Anlegen der Steuerspannung des Transistors zwischen seinem Kollektor
und der Basis, derart, daß der Steuerstrom im Zustand der vollen Leitfähigkeit größer
als der geschaltete Strom ist, ist die statische Restspannung an dem Transistor,
d. h. zwischen Kollektor und Emitter, etwa 1 mV. Unter der angeführten Voraussetzung,
d. h. daß der Steuerstrom größer ist als der geschaltete Strom, entsteht bei Benutzung
von Transistoren der Type NPN (gemäß F i g. 1) eine statische Restspannung einer
solchen Polarität, daß der Emitter gegenüber dem Kollektor positiv ist.
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Bei Benutzung von Transistoren der Type PNP ist die Polarität des
Spannungsabfalls umgekehrt, am Emitter ist die Spannung gegenüber dem Kollektor
negativ.
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Der Emitter-Kollektor-Widerstand des Transistors besitzt im Leitzustand
der Ordnung nach einen Wert von 1 62.
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Zur Erklärung der Wirkungsweise sei jener Betriebszustand betrachtet,
in dem der Schalter leitend ist, d. h. wenn die Last 14 an die Gleichstromspeisequelle
13 mit vernachlässigbar kleinem Innenwiderstand angeschlossen ist. Dies bedeutet,
daß die Transistoren 1 und 4 leiten, die Transistoren 2 und 3 dagegen nicht.
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Der Ruhestrom Iko der gesperrten Transistoren 2 und 3, deren Widerstand
im Sperrzustand nicht unendlich groß wird, fließt, da die Transistoren 2 und 3 parallel
zur Last 14 geschaltet sind, auch über die leitenden Transistoren 1 und 4, die einen
Widerstand von etwa 1 ohm in leitenden Zustand aufweisen. Bei diesem geringen Widerstand
und dem außerordentlich kleinen Ruhestrom der Transistoren 2 und 3 tritt praktisch
kein erhöhter Spannungsabfall an den Transistoren 1 und 4 auf, der sich an der Last
14 bemerkbar machen würde.
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Die statischen Restspannungen an den Transistoren 1 und 4, welche
mit der Gleichstromquelle 13 mit vernachlässigbar kleinem inneren Widerstand und
der Last 14 in Reihe geschaltet sind, sind gegeneinander polarisiert und heben sich
gegenseitig auf. Geltend macht sich bloß ihr Unterschied bei ungleichen Transistoren.
Durch Einfluß des geschalteten Stromes entsteht an dem Durchgangswiderstand eines
jeden leitenden Transistors eine dynamische Restspannung mit einer Polarität, die
von der Polarität des durchfließenden Stromes gegeben wird. Diese dynamischen Restspannungen
werden addiert. Der Gesamtfehler des Schalters im Schaltzustand wird also durch
den Unterschied der statischen Restspannungen und durch die Summe der dynamischen
Restspannungen der leitenden Transistoren gebildet.
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Wenn die Steuerströme der leitenden Transistoren größer sind als der
Schaltstrom, dann sind die dynamischen Restspannungen im Vergleich mit den statischen
Restspannungen sehr klein. Der Fehler des Schalters im leitenden Zustand wird also
im wesentlichen nur vom Unterschied der statischen Restspannungen gebildet. Unter
Voraussetzung der passenden Wahl von Transistoren ist dieser Fehler fast um einige
Größenordnungen kleiner als bei den bekannten Schaltungen dieser Art. Die gleiche
Situation entsteht im Sperrzustand des Schalters, d. h., wenn die Transistoren 2
und 3 leiten und die Transistoren 1 und 4 gesperrt sind. Die Ruheströme Iko der
Transistoren 1 und 4 werden hierbei von den leitenden Transistoren 2 und 3 kurzgeschlossen,
und der Nullfehler an der Last wird nur durch den Unterschied der statischen Restspannungen
der leitenden Transistoren 2 und 3 gegeben.
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Wie aus der Schaltung und Wirkungsweise des Transistorschalters hervorgeht,
erzielt man vermittels der Serienschaltung von vier Transistoren gemäß der Erfindung
eine solche Kompensation der statischen Restspannungen an den leitenden Transistoren,
daß die erzielbare Genauigkeit des Schalters um einige Größenordnungen höher liegt
als dies bei den bekannten Ausführungen der Fall ist.
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Die Kompensation der Spannungsabfälle der leitenden Transistoren des
Schalters gemäß der Erfindung kann auch bei einem kontaktlosen Umschalter zweier
Spannungen gemäß F i g. 3 ausgenutzt werden, bei dem die Zeichen 1 bis
12 dieselbe Bedeutung wie in F i g. 1 haben und 15 die erste Gleichstromspeisequelle
und 16 die zweite Gleichstromspeisequelle für die Last 14 bezeichnen.
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Bei dem kontaktlosen, zwei Speisespannungsquellen enthaltenden Schalter
nach Fi g. 3 ist die eine, erste Speisequelle 15 an die Kollektoren des ersten und
vierten Transistors 1 und 4 und die zweite Speisequelle 16 an die Kollektoren des
zweiten und dritten Transistors 2, 3 geschaltet.
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Die Wirkungsweise dieser Anordnung gleicht der vorstehend beschriebenen.
An die Last wird abwechselnd die Spannung der Quelle 15 und 16 umgeschaltet. Beim
Anschließen der Spannung aus der Quelle 15 an die Last 14 ist die Wirkungsweise
genau dieselbe wie beim vorigen Stromkreis des Schalters in eingeschaltetem Zustand.
Da der Stromkreis des Umschalters genau symmetrisch ist, ist die Wirkungsweise beim
Umschalten der Last an die Quelle 16 wieder die gleiche.
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Die erfindungsmäßige Schaltung kann weiter auch auf die in F i g.
4 veranschaulichte Weise benutzt werden. Für die Bezeichnungen in dieser Figur wurden
dieselben Symbole benutzt wie in F i g. 1 und 2, jedoch mit folgender Ergänzung:
17 benutzt die erste Last, 18 die zweite Last. Bei dieser Schaltung handelt es sich
um einen kontaktlosen Umschalter der Spannung aus der Quelle 13 entweder an die
Last 17 oder die Last 18.
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Bei dem kontaktlosen Schalter, welcher zwei Lasten schaltet, sind
die Kollektoren des ersten und vierten Transistors 1, 4 über die eine Last 17 und
die Kollektoren des zweiten und dritten Transistors 2 und 3 über die zweite Last
18 verbunden sind, wobei der eine Pol der Speisequelle 13 an die verbundenen Emitter
des ersten und zweiten Transistors 1, 2 und der zweite Pol der Quelle 13 an die
verbundenen Emitter des dritten und vierten Transistors 3 und 4 angeschlossen ist.
Die Wirkungsweise ist genau dieselbe wie im vorhergehenden Falle, nur mit dem Unterschied,
daß die Quelle und die Lasten gegenseitig ausgewechselt sind.
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Der Erfindungsgedanke kann weiter bei der Ausführung eines Reversierschalters,
des sogenannten gesteuerten Umkehrschalters ausgenutzt werden. Seine Schaltung in
in F i g. 5 angedeutet. Für die Bezeichnung der einzelnen Teile des Invertors wurden
die gleichen Bezugszeichen wie in F i g. 1 benutzt.
Bei dem kontaktlosen
Transistorschalter für die Umkehrung einer Spannung ist der Kollektor des zxve,ten
Transistors 2 über die Speisequelle 13 an den Kollektor des ersten Transistors 1
angeschlossen und der Kollektor des dritten Transistors 3 über die Speisespannungsquelle
13 mit dem Kollektor des vierten Transistors 4 verbunden.
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Die Art der Steuerung ist wiederum die gleiche wie bei den vorigen
Anordnungen. Wenn die Transistoren 1 und 4 leiten, sind die Transistoren 2 und 3
gesperrt, und umgekehrt. Gemäß der angegebenen Polarität der Quelle 13 gemäß der
die Transistoren 1
und 4 leiten und 2 und 3 gesperrt sind, hat die Spannung
im gemeinsamen Punkt der Emitter der Transistoren 1 und 2 in bezug auf die Emitter
der Transistoren 3 und 4 eine positive Polarität. Wenn die Transistoren 2 und 3
leiten und die Transistoren 1 und 4 gesperrt sind, ist die Spannung in diesen Punkten
und deshalb auch an der Last 14 von umgekehrter Polarität.
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Bei allen hier angeführten Anwendungen gemäß F i g. 3, 4, 5 kann die
Schaltung der Transistoren mit Kompensation gemäß der Erfindung auch auf die in
F i g. 2 angedeutete Weise ausgenutzt werden, und zwar so, daß in der Schaltung
bei jedem Transistor der Kollektor und der Emitter gegenseitig vertauscht sind.
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Bei allen diesen Anwendungen der erfindungsgemäßen Schaltung mit der
Schaltung der Transistoren mit eigener Kompensation wird eine hohe Genauigkeit der
geschalteten Spannung erzielt.