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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsvorrichtung mit der Funktion eines nachtriggerbaren Univibrators.
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Ein Univibrator, auch monostabile Kippstufe genannt, kann Ausgangsseitig zwei Zustände annehmen, von denen einer nur eine vordefinierte Zeit, auch Verweilzeit genannt, stabil ist. Man unterscheidet den nicht-nachtriggerbaren und den nachtriggerbaren Univibrator.
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Wenn ein Triggerimpuls den Univibrator auf ein zweites Niveau gebracht hat und ein weiterer Impuls vor dem Ablaufen der Verweilzeit am Eingang eintrifft, dieser aber nicht berücksichtigt wird, d. h. das zweite Niveau verschwindet nach Ablauf der durch den ersten Impuls ausgelösten Verweilzeit, dann handelt es sich um einen nicht-nachtriggerbaren Univibrator. Wird der zusätzliche Impuls aber berücksichtigt, d. h. die Verweilzeit wird durch den zweiten Impuls zurückgestellt, spricht man von einem nachtriggerbaren Univibrator.
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Ein diskret aufgebauter, nicht-nachtriggerbaren Univibrator, ist in der Fachliteratur, z. B. Tietze Schenk „Halbleiter-Schaltungstechnik”, 9.Auflage, beschrieben.
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Nachtriggerbare Univibratoren werden der höheren Komplexität wegen als integrierte Schaltkreise (IC's) oder unter Verwendung von IC's aufgebaut. Zum Beispiel werden dabei Logikgatter, Komperatoren, Timer ICs (s. 9) oder komplett integrierte Kippstufen verwendet.
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Aus der
US 4,282,429 ist eine Schaltung bekannt mit einem Timer, der im wesentlichen wie ein retriggerbarer Multivibrator funktioniert. Für die Funktion sind u. a. Transistoren Q6, Q7 und Q8 erforderlich. Eine Verweilzeit ist durch ein RC-Glied R23, C3 bestimmt. Für die komplette Funktion des retriggerbaren Multivibrators sind ein Differenzierglied C4, R26 und Verstärkertransistoren Q9 und Q11 erforderlich. Die Schaltung besteht aus mehr als zwei Transistoren, einer hohen Anzahl an Bauelementen und arbeitet mit nur einer Verweilzeit.
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Die
US 3,388,272 beschreibt einen retriggerbaren Multivibrator mit einem Zeitglied
23, Widerstand
36 und Kondensator
32 arbeiten als Differenzierglied. Der Kondensator
32 wird bis zur Basis-Emitter-Spannung U
BE des Transistors
28 über dessen interne Basis-Emitte-Diode kurzschlussartig entladen; R1 wirkt dabei nicht als Entladewiderstand. Nacheilig bei dieser Schaltung ist eine kürzere Verweilzeit bei vorgegebenen maximalen Gehäusegrößen der Kondensatoren, weil Kondensator
32 nicht als Zeitglied verwendet wird, höhere Bauteilkosten der Schaltung und Bauteileanzahl, ein zusätzliches kostenintensives SCR und ausgangsseitig ist kein Schalten auf B+ möglich. Das RC-Glied dient nicht als Zeitglied, sondern ausschließlich als Differenzierglied und weist keine zwei Teilverweilzeiten auf, die nacheinander ablaufen.
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Die
DE 30 40 751 zeigt einen bedingt nachtriggerbaren Multivibrator. Zwei Zeitglieder befinden sich in einem ersten Netzwerk zur Ansteuerung der Basis eines Transistors T5. Im Netzwerk eines Transistors T6 ist kein Zeitglied enthalten. Die beiden Zeitglieder werden mit einm Triggerimpuls gestartet und laufen parallel ab; sie halten T5 leitend, welcher damit auch T6 leitend hält. Ein Zeitglied mit einem Kondensator C3 erzeugt die längere von zwei Verweilzeiten. Diese ist nicht nachtriggerbar, d. h. der Ausgang der Schaltung muss erst zurückschalten, um den Kondensator C3 zu entladen und das Zeitglied damit für den nächsten Triggerimpuls betriebsbereit zu machen. Das Zeitglied mit einem Kondensator C6 erzeugt eine kürzere Verweilzeit und ist nachtriggerbar. Wenn mit C6 eine ähnlich lange Verweilzeit, wie mit C3 erreicht werden könnte, wäre das Zeitglied mit C3 nicht erforderlich, da beide Zeitglieder die Transistoren T5 und T6 leitend halten. Nachteil der Schaltung ist, dass beide Zeitglieder parallel ablaufen, nur die Teilzeit mit C6 nachtriggerbar ist und der Spannungsabfall an einer Diode D4 die Länge der Teilzeit vom Zeitglied mit C6 reduziert.
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Eine nicht nachtriggerbare Schaltung ist durch die
DE 10 73 033 offengelegt. Es ist eine Totzeit (Totzeit = Schaltung im Ruhezustand) erforderlich um einen Kondensator
6 wieder zu laden und die Schaltung für den nächsten Triggerimpuls betriebsbereit zu machen, d. h. eine Retriggerung, Verhinderung des Rücksetzens des Ausgangssignals, ist nicht möglich. Es existiert eine obere Grenze für die Impulsfolgefrequenz. Ein Kondensator
12 und ein Widerstand
11 wirken nur als Differenzierglied. Die Verweilzeit wird ausschließlich durch den Kondensator
6 bestimmt (nicht von einem Kondensator
12). Es existieren keine zwei Teilverweilzeiten, die nacheinander ablaufen und die Schaltung benötigt für ihren Betrieb zwei Spannungsquellen.
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Nachteil dieser Lösungen sind dabei unter anderem ein eingeschränkter Betriebsspannungsbereich, ein eingeschränkter Betriebstemperaturbereich, eine hohe Empfindlichkeit gegenüber elektrostatischen Entladungen, eine eingeschränkte Austauschbarkeit der elektrischen Bauteile mit denen von alternativen Bauteileherstellern, sowie der wirtschaftliche Aufwand für die Beschaffung dieser Bauteile.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher eine Schaltungsvorrichtung mit der Funktion eines nachtriggerbaren Univibrators darzustellen, welche wirtschaftlich herstellbar ist, einen großen Betriebstemperaturbereich, wie z. B. im Kraftfahrzeug, und eine geringe Empfindlichkeit gegenüber elektrostatischen Entladungen aufweist und universell mit Bauteilen aus unterschiedlichen Bezugsquellen zuverlässig aufbaubar und betreibbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Anspruches 1 und dem damit in Verbindung stehenden Oberbegriffsmerkmal gelöst.
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Durch den diskreten Aufbau der Schaltungsvorrichtung ist sichergestellt, dass nur einfache Standardbauteile verwendet werden, wodurch ein wirtschaftlicher Aufbau möglich ist. Um die Funktion eines nachtriggerbaren Univibrators zu erfüllen ist die Verwendung von zwei einfach aufgebauten Schaltungsteilen (2, 3) mit jeweils einem Transistor (4, 5) und einem Netzwerk (6, 7) ausreichend. Der einfache Aufbau verringert die Fehlerwahrscheinlichkeit und verbessert die Zuverlässigkeit der Schaltung.
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Es ist vorgesehen, dass jedes der beiden Netzwerke (6, 7) ein Zeitglied (8, 9) für die Erzeugung einer Verweilzeit enthält (1).
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Weiter wird vorgeschlagen, dass das Netzwerk (6) des ersten Schaltungsteils ein Differenzierglied (13) enthält (2). Das Differenzierglied bewirkt, dass schnelle Änderungen, wie eine steigende Flanke eines Rechtecksignals durchgeleitet werden. Dieses Differenzierglied dient u. a. als Zeitglied, des ersten Schaltungsteils (2), wodurch der Bauteileaufwand verringert wird.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, die Verweilzeit aus zwei Teilverweilzeiten zusammenzusetzen, wobei die erste Teilverweilzeit durch das Zeitglied des ersten Schaltungsteils und die zweite Teilverweilzeit durch das Zeitglied des zweiten Schaltungsteils bestimmt wird.
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Das Ende der Teilverweilzeit des ersten Schaltungsteils löst die Teilverweilzeit des zweiten Schaltungsteils aus.
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Die Teilverweilzeit des zweiten Schaltungsteils ist nachtriggerbar.
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Die Verweilzeit der Schaltungsvorrichtung ist erst dann abgelaufen, wenn sowohl die erste Teilverweilzeit als auch die zweite Teilverweilzeit abgelaufen ist.
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Die Verweilzeit der Schaltungsvorrichtung und die Teilverweilzeit des ersten Schaltungsteils werden jeweils mit einer positiven Flanke am Eingang des ersten Schaltungsteils ausgelöst. Und vorzeitig beendet wird die Teilverweilzeit des ersten Schaltungsteils dagegen durch eine negative Flanke an dessen Eingang. Somit lässt sich die Verweilzeit beliebig verlängern, solange die Flankenwechsel am Eingang des ersten Schaltungsteils in kürzeren Zeitabständen erfolgen als die zweite Teilverweilzeit abläuft.
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Als Triggersignal wird für die Schaltungsvorrichtung bevorzugt ein Rechtecksignal verwendet. Dieses Rechtecksignal wird durch einen Hallsensor generiert.
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Die Funktion der Zeitglieder wird mit RC-Gliedern realisiert, wodurch ein besonders wirtschaftlicher Aufbau ermöglicht wird.
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Das Differenzierglied des ersten Schaltungsteils weist ein Bauteil auf, welches das Entstehen von negativen Spannungen, welche die Schaltungsvorrichtung beschädigen können, verhindert; dieses Bauteil ist vorzugsweise eine Diode.
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In einem Schaltungsteil ist ein N-Typ-Transistor und in dem anderen Schaltungsteil ist ein P-Typ-Transistor vorgesehen. Im vorliegenden Beispiel ist der Transistor des ersten Schaltungsteils ein NPN-Transistor. Demgemäß ist im zweiten Schaltungsteil ein PNP-Transistor vorgesehen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung dient die Schaltungsvorrichtung insbesondere dazu, ein von einem Drehzahlsensor kommendes Rechtecksignal so auszuwerten, dass bei einem Unterschreiten einer definierten Drehzahlgrenze ein Pegelwechsel des Ausgangssignals der Schaltungsvorrichtung erfolgt. Hierdurch kann einfach und schnell erkannt werden, ob z. B. ein Antrieb noch in Betrieb ist oder bereits stillsteht.
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Bei einem Kurzschluss des Schaltungseingangs Ue gegen Masse während der Teilverweilzeit des ersten Schaltungsteils wird die Restzeit der Verweilzeit der Schaltungsvorrichtung auf die Dauer der Teilverweilzeit des zweiten Schaltungsteils begrenzt, wodurch der Kurzschluss nach einer definierten Zeit erkannt wird.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtung wird bevorzugt zur Erfassung der Drehzahl eines Elektromotors eingesetzt, wobei der Elektromotor ein elektronisch kommutierter Gleichstrommotor für den Antrieb einer Wasserpumpe ist, deren Spannungsversorgung durch die Bordspannung eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt wird.
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Zweckmäßigerweise wird der Drehzahlsensor im Elektromotor integriert.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild eines nachtriggerbaren Univibrators,
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2 ein Blockschaltbild eines nachtriggerbaren Univibrators mit Differenzierglied,
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3 ein erstes Zeitdiagramm mit ordentlichem Ablauf,
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4 ein zweites Zeitdiagramm mit verkürzter Verweilzeit,
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5 ein drittes Zeitdiagramm mit durch Nachtriggern verlängerter Verweilzeit,
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6 ein diskret aufgebauter nachtriggerbarer Univibrator,
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7 eine Pumpe mit integriertem nachtriggerbarem Univibrator
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8 ein diskret aufgebauter nicht nachtriggerbarer Univibrator nach dem Stand der Technik und
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9 ein nachtriggerbarer Univibrator mit integriertem Schaltkreis nach dem Stand der Technik.
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines nachtriggerbaren Univibrators, in Form einer Schaltungsvorrichtung 1, bestehend aus einem ersten Schaltungsteil 2, einem zweiten Schaltungsteil 3, wobei der erste Schaltungsteil 2 ein erstes Netzwerk 6 und einen ersten Transistor 4 umfasst. Das Netzwerk 6 enthält ein erstes Zeitglied 8. Der zweite Schaltungsteil 3 umfasst ein zweites Netzwerk 7, mit einem zweiten Zeitglied und einen zweiten Transistor 5. Die Schaltungsvorrichtung wird mit einem Eingangssignal Ue getriggert und liefert ein Ausgangssignal Ua.
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2 zeigt ein Blockschaltbild eines nachtriggerbaren Univibrators mit Differenzierglied, wobei alle Bauteile und Baugruppen aus 1 vorhanden sind, wobei allerdings das erste Netzwerk zusätzlich ein Differenzierglied 13 umfasst.
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3 zeigt ein erstes Zeitdiagramm mit ordentlichem Ablauf. Das Zeitdiagramm zeigt das Eingangssignal Ue und das Ausgangssignal Ua. Eine positive Flanke des Eingangssignals Ue startet eine erste Teilverweilzeit 10. Mit Beginn der ersten Teilverweilzeit 10 ändert sich auch der Pegel am Schaltungsausgang Ua von low auf high. Ändert sich der Eingangspegel wie im gezeigten Beispiel nicht, läuft die erste Teilverweilzeit 10 nach einer definierten Zeitdauer ab und löst damit die zweite Teilverweilzeit 11 aus. Die Addition der beiden Teilverweilzeiten 10, 11 ergibt die Verweilzeit 12 der Schaltungsvorrichtung. Nach Ablauf der zweiten Teilverweilzeit 11 endet die Verweilzeit 12 und das Ausgangssignal fällt zurück auf low.
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4 zeigt ein zweites Zeitdiagramm mit verkürzter Verweilzeit. Das Zeitdiagramm zeigt das Eingangssignal Ue und das Ausgangssignal Ua. Eine positive Flanke des Eingangssignals Ue startet eine erste Teilverweilzeit 10, die jedoch durch eine negative Flanke des Eingangssignals Ue beendet wird. Dieser Vorgang kann z. B. durch einen Kurzschluss des Schaltungseingangs Ue gegen Masse während der ersten Teilverweilzeit ausgelöst werden. Der Beginn der ersten Teilverweilzeit 10 geht einher mit dem Beginn der Verweilzeit 12 der Schaltungsvorrichtung. Mit dem Beginn der Verweilzeit 12 wird das Ausgangssignal Ua auf high gesetzt. Die fallende Flanke beendet nicht nur vorzeitig die erste Teilverweilzeit 10 sondern startet auch die zweite Teilverweilzeit 11, deren Dauer durch die Bauteilparameter des zweiten Netzwerks vordefiniert ist. Die Verweilzeit 12 setzt sich hier zusammen aus der verkürzten ersten Teilverweilzeit 10 und der zweiten Teilverweilzeit 11. Mit Ende der Verweilzeit fällt das Ausgangssignal Ua auf low zurück. Die zweite Teilverweilzeit 11 wird durch einen Kurzschluss getriggert. Die Restverweilzeit der Schaltungsvorrichtung 1 wird damit auf die zweite Teilverweilzeit 11 begrenzt und der Kurzschluss damit schneller erkannt.
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5 zeigt ein drittes Zeitdiagramm mit durch Nachtriggern verlängerter Verweilzeit. Das Zeitdiagramm zeigt das Eingangssignal Ue und das Ausgangssignal Ua. Eine positive Flanke des Eingangssignals Ue startet die erste Teilverweilzeit 10, diese wird unterbrochen durch eine fallende Flanke; gleichzeitig wird die zweite Teilverweilzeit getriggert. Durch mehrmalige Wiederholung dieses Vorgangs startet bei jeder fallenden Flanke die zweite Teilverweilzeit 11 erneut und verlängert die Verweilzeit 12 der Schaltungsvorrichtung solange bis kein Flankenwechsel mehr innerhalb der Dauer der zweiten Teilverweilzeit 11 erfolgt. Bei dem Eingangssignal Ue handelt es sich hier um ein Rechtecksignal, das durch einen Hallsensor eines elektrischen Antriebs geliefert wird und proportional zu einer Drehzahl des Antriebs ist. Die erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtung kann hierdurch erkennen, ob der Antrieb noch in Betrieb ist oder ob dessen Drehzahl unter eine definierte Schwelle gefallen ist. Dieser Zustand kann bereits mit Ablauf der zweiten Teilverweilzeit 11 signalisiert werden.
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6 zeigt einen erfindungsgemäßen diskret aufgebauten nachtriggerbaren Univibrator, mit einem Eingang für ein Eingangssignal Ue, einem ersten Netzwerk 6, einem ersten Transistor T1, einem zweiten Netzwerk 7 und einem zweiten Transistor T2. Das erste Netzwerk 6 umfasst ein RC-Glied, bestehend aus einem Kondensator C1 und den Widerständen R1 und R12. Das RC-Glied des ersten Netzwerks 6 umfasst weiter eine Diode D, welche verhindert, dass negative Spannungen entstehen, welche die Schaltungsvorrichtung beschädigen könnten. Das zweite Netzwerk 7 umfasst ebenfalls ein RC-Glied, bestehend aus einem Kondensator C2 und den Widerständen R2 und R22. Der erste Transistor T1 ist ein NPN-Transistor. Eine steigende Flanke an Ue wird vom Kondensator C1 an die Basis des Transistors T1 durchgeleitet, so dass dieser durchschaltet. Dabei wird der Kondensator C2 des zweiten Netzwerks 7 kurzgeschlossen. Der zweite Transistor T2 ist ein PNP-Transistor, der bei durchgeschaltetem ersten Transistor T1 leitend wird und Ua auf high setzt. Sobald der Kondensator C1 soweit aufgeladen ist, dass die Schaltschwelle des ersten Transistors T1 unterschritten wird, sperrt dieser wieder. In diesem Moment beginnt sich der Kondensator C2 zu laden wodurch der Transistor T2 durchgeschaltet bleibt. Die Ladezeit ist ein Maß für die zweite Teilverweilzeit. Sobald der Kondensator C2 soweit geladen ist, dass die Schaltschwelle des zweiten Transistors T2 überschritten ist, sperrt der Transistor T2 und die Ausgangsspannung Ua wird über einen Widerstand R23 auf Masse gezogen. Damit endet die Verweilzeit des Univibrators.
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Wie zu 4 bereits beschrieben, kann der erste Transistor T1 auch durch eine fallende Flanke des Eingangssignals Ue gesperrt werden, wodurch die zweite Teilverweilzeit getriggert wird.
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Wie zu 5 bereits beschrieben kann sich dieser Vorgang beliebig oft wiederholen, wodurch bewirkt wird, dass der Kondensator C2 immer neu geladen und entladen wird. Der Transistor T2 schaltet durch, wenn der Transistor T1 durchschaltet oder beim Laden des Kondensators C2.
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7 zeigt eine Pumpe 15, die durch einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor betrieben wird, wobei der Gleichstrommotor mit einem erfindungsgemäßen im Motor integrierten nachtriggerbaren Univibrator 1 und einem Drehzahlsensor 14 ausgestattet ist.
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8 zeigt einen diskret aufgebauten nicht nachtriggerbaren Univibrator nach dem Stand der Technik.
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9 zeigt einen nachtriggerbaren Univibrator mit integriertem Schaltkreis nach dem Stand der Technik.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schaltungsvorrichtung (Univibrator)
- 2
- erstes Schaltungsteil
- 3
- zweites Schaltungsteil
- 4, T1
- erster Transistor
- 5, T2
- zweiter Transistor
- 6
- erstes Netzwerk
- 7
- zweites Netzwerk
- 8
- erstes Zeitglied
- 9
- zweites Zeitglied
- 10
- erste Teilverweilzeit
- 11
- zweite Teilverweilzeit
- 12
- Verweilzeit
- 13
- Differenzierglied
- 14
- Drehzahlsensor
- 15
- Pumpe
- Vcc
- Versorgungsspannung
- Ue
- Eingangsspannung, Triggersignal (Schaltungseingang)
- Ua
- Ausgangsspannung (Schaltungsausgang)
- D
- Diode
- R1
- erster Widerstand
- R12
- zweiter Widerstand
- R2
- dritter Widerstand
- R22
- vierter Widerstand
- R23
- fünfter Widerstand
- C1
- erster Kondensator
- C2
- zweiter Kondensator
