DE1537930A1 - Schwellwert-Schaltkreis - Google Patents

Description

AR/JM
J 3 259

Patentanwälte

Dipi.-ing.L8inwßber DipL-ingliinmermann

München 2, Rosental 7
I. 261989

COMPAGNIE GENERALE D¹ EIlCTRICITE 54, rue La Boe"tie, Paris (6Ö» Frankreich

SCHWELLWERT-SCHAIiTKaEIS

Die Erfindung "betrifft elektrische oder elektronische Schaltungen, deren Zustand sieh plötzlich ändert, -vvenn ein Parameter einen sogenannten Schwellwert erreicht.

Die Erfindung "betrifft insbesondere Schaltkreise, deren Zustand (Einschaltung, Ausschaltung) sich ändert, wenn ein Parameter einen "bestimmten Schwellwert aufweist.

-Gegenstand der Erfindung ist eine vereinfachte Schaltung, die sowohl die Schwellwertfunktion als auch die Umschaltfunktion gewährleistet. ■

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Es sind Elemente bekannt, die die Schwellwertfunktion gewährleisten. Hierbei handelt es sich beispielsweise um Gas-Dioden oder Zener-Dioden, die einen starken Strom hindurchlassen, wenn die Klemmen-Spannung einen bestimmten

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Schwellwert übersteigt. Diese Elemente können jedoch nicht in "gezündetem" Zustand gehalten werden, wenn die Klemmen-Span nung auf einen unter dem Schwel.lv.'ert liegenden Wert absinkt,

Andererseits verwendet man Tunnel-Bioden, die bei einem bestimmten Schwellwert des Stroms (Spitzenstrom) kippen und zwei Spannungspegel liefern. Die Tunnel-Diode kann eine Speicherfunktion erfüllen, d.h. sie bleibt durchlässig, wenn der Strom abfällt, sie ist jedoch nicht in der Lage, eine für bestimmte Anwendungen erforderliche Leistung abzugeben.

!Elektronische Bauelemente wie Gas-Thyratrone oder Thyristoren gehören zu den Elementen, die Umschalt- und Speicherfunktionen ausführen, d.h. diese Bauelemente sind durchlässig, wenn die Klemmen-Spannung einen gegebenen Schwellwert übersteigt, der von dem durch die Steuerelektrode fliessenden Strom abhängt.

Bekannt sind ebenfalls den Thyristoren äquivalente

■ " ■ ■ Schaltungen, die aus einer symmetrischen Schaltung bestehen,

in der ein PNP-Transistor einem IIPN-Transistor zugeordnet ist.

Die Strom-Spannungs-Kennlinie solcher Schaltungen ist diejenige eines Elements, das Umschalt- und Schwellwertfunktion gewährleistet. Diese Schaltungen besitzen einen Transistor oder zwei äquivalent-Transistoren, die den Vorteil bieten, den Zustand der Durchlässigkeit (Speicherung) aufrechtzuerhalten, wenn die Klemmen-Spannung unter den Schwellwert absinkt.

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Die Kennlinie derartiger Schaltungen ist jedoch nicht konstant, da der die Schwellen-Spannung bestimmuiidu Kippungsjjttrikt sich stark nach der Temperatur und der Alterung der Halbleiter-Bauelemente richtet. In der Praxis muss aloo dem * Thyristor oder den beiden 'Äquivalent-Transistoren ein besonderes Bauteil zugeordnet werden, das die Schwellwertfunktion ohne zeitliche Beeinträchtigung gewährleistet.

Die erfindungsgemässe Schaltung gestattet, diese Nachteile bekannter Schaltungen zu vermeiden und bietet zahlreiche, sich aus folgender Beschreibung ergebende Vorteile.

Gegenstand der Erfindung ist eine Schaltung, die dadurch gekennzeichnet tat, dass sie eine Anordnung z'voier Transistoren aufweist, von denen der eine einen Übergang mit den Kennwerten eines Zener-Ubergangs besitzt.

Nach einem anderen Merkmal der Erfindung ist der Schwellwert-Schaltkreis mit einem ersten Transistor ausgerüstet, dessen Basis am Emitter eines zweiten Transistors liegt, der einen Emitter-Basie-Ubergang des Zener-Typs hat, wobei.die Basis dQs ersten Transistors mit dem Kollektor des zweiten Transistors verbunden ist, und der Emitter des ersten Transistors und der Kollektor dos zweiten Transistors bilden die Eingangs- und Ausgangsklemmen dieser Schaltung.

Nach einem weiteren Herkmal der Erfindung weist der Schwellwert-Schaltkreis Transistoren auf, deren Rückstrom des Basis-Kollektor-Übergangs verbaltnismässig schwach ist.

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Ein anderes erf indungsgemässes Merkmal besteht darin, dass der Schwellwert-Schaltkreis einen Transistor mit Zener-Basis-Emitter-tJbergang hat, der nach der Planartechnik aufgebaut ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung enthält folgende Beschreibung unter Bezug auf die beispielsweise und keineswegs einschränkend gegebene Zeichnung.

Pig, 1 zeigt schematisch eine bekannte Schaltung mit einem Schnellwertelement zugeordneten Thyristor,

Fig. 2 zeigt schematisch eine der Pig. 1 äquivalente bekannte Schaltung, die ausserdem mit Widerständen zur !Dämpfung der Transistor-Verstärkung ausgerüstet ist.

Pig. 3 und 4- zeigen zwei erfindungsgemässe Schaltungen,

Pig. 5- zeigt sehr schematisch die Strom-Spannungs-Kennlinie der erf indungsgemässen Schaltung.

In Pig. 1 enthält eine Schaltung AB eine Last R, einen Thyristor 1 und ein Schwellwertelement 2 bekannten Typs. Dieses Schwellwert-Element kann beispielsweise eine Zener-Diode oder eine Neonröhre sein, die mit der Last und dem Thyristor in Parallelschaltung liegt.

⁴· Wenn die an den Klemmen von AB liegende Spannung einen gegebenen Wert übersteigt, steuert das Schwellwertelement 2 die Freigabe des Thyristors und lässt einen bestimmten Strom hindurch» oder aber es sendet ein Signal, z.B. einen Impuls, aus·

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Der !DurchlasS-Zustand der Schaltung AB hängt somit nicht mehr von der Klemmen-Spannung AB, sondern allein vom Stromwert ab.

In bestimmten Fällen und je nach den Erfordernissen kann die Sperrung der Schaltung AB Infolge Stromverringerung durch beliebige bekannte Mittel erzielt werden.

Die Schaltung in "Pig. Z ist derjenigen in Pig. 1 äquivalent, wobei der Thyristor durch die bekannte Anordnung aus zwei Transistoren T₁ und T₂ ersetzt wurde.

Wenn die an den Klemmen AB liegende Spannung einen bestimmten Wert übersteigt, gibt das Schwellwertelement den Transistor T₂ frei, welcher seinerseits den Transistor T.. freigibt, wodurch die Anordnung T₁ - T₂ durchlässig wird.

Der durch eine derartige Anordnung von Transistoren fliessende Strom kann in Abhängigkeit von der Verstärkung der Transistoren T₁. und T' eine bestimmte Instabilität aufweisen. Eine einfache Berechnung zeigt, dass der durch AB fliessende Strom etwa gleich

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ist, wobei α,, und α ₂ die Stromverstärkung der Transistoren T₁ und T₂ und Ι_ρ den Leckstrom des Basis-Emitter-übergangs des Transistors T₂ darstellen.

Wie ersichtlich, zeigt also der durch die Last fliessende Gesamtstrom I die Neigung, den Wert I_r anzunehmen, wenn

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(α.. +α₂)<4ζ.1 ist, d.h. einen sehr niedrigen Wert, der den-V nicht durchlässigen Zustand der Schaltung AB kennzeichnet, ■ ganz gleich, welches die Klemmen-'Spannung von AB ist.

Wenn dagegen (α- +α«) nach f tendiert, so tendiert der Wert I nach Unendlich, d.h. ein beträchtlicher Strom fliesst durch die Last R. Physikalisch drückt dieses Verhältnis eine eventuelle Instabilität des Durchlasszustandes der Schaltung AB aus.

Sine Möglichkeit, diese Instabilität zu vermeiden, besteht darin, Ableitwiderstände r^ und r_g von endlichem Wert zwischenzuschalten, wodurch die Verstärkung der Transistoren T. und Tp gedämpft und somit ein Zustand erreicht wird, der zwischen den weiter oben definierten Relationen liegt.

Die in Fig. 3 gezeigte erfindungsgemässe Schaltung vermeidet diese Nachteile.

Die Schaltung entsprechend der Erfindung weist zwei Bauelemente auf, nämlich den PEP-Transxstor T¹^ und den NPN-Transistor T'₂,wobei letzterer im Verhältnis zum Transistor T„ der Fig. 2 in Sperrichtung geschaltet ist.

Der Transistor T' kann nach einer bekannten Technik hergestellt werden, wogegen es sich bei dem Transistor T'_o um einen solchen mit Zener-Basis-Emitter-Ubergang handelt, der bis zu einer gegebenen Schwellenspannung keinen merklichen Rückstrom hindurchlässt, und sodann durchlässig wird, wenn der Strom den Schwellwert übersteigt. ;

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» ;| Der Transistor T'_g hat einen Zener-Basis-Emitter-,übergang, und kann beispielsweise nach der Planartechnik aufgebaut worden sein.

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Die,unmittelbaren Kennwerte der Transistoren T¹^ und *£ ^fg brauchen nicht identisch, die Rückströme der Kollektor-Bfteis-Uborgange müssen jedoch verhältnismässig schwach sein.

Bei den Transistoren T^ und T'p kann es sich um im .Handel erhaltliche Transistoren handeln.

f- i j Die Schaltung nach Fig. 2 arbeitet folgendermassen ϊ

Bel positiver €pannung V an A ist der Basis-Emitter-Übergangs des Transistors T₁ in Durchlassrichtung polarisiert, An diesem-Übergang liegt also praktisch kein Spannungsabfall

^f fOTf und die Spannung V wird auf die Basis von T₁ und den Kollektor von T„ gegeben, während der Kollektor von T₁ päreJfctisch über ten Basie-Smitter-TTbergang von T„ an Masse Liegt· Wenn das Schwellwertelement 2 durchlässig ist, wird die Spannung V an die Basis des Transistoren T. gelegt, welcher i» Verhältnis zum Emitter von T« positiv ist. Der Tranaietor T„ wird freigegeben, und die Basis von T₁ wird in

auf dessen Emitter negativ. Die gesäumte Vorrichtung 1st also durchlässig.

der in Fig. 3 gezeigten erfindungsgemässen Schaltung liegt der NPIT-Transistor T¹« in ^c.p verschaltung; der Baels-Baitter-Ubergang desselben ist entgegengesetzt polarisiert» und die Basis des Transistors T¹^ hat im wesent_t, .' liehen die gleiche positive Spannung wie der Emitter von T* _Λ.

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Bekanntlich kann ein NPN-Transistor in 3p Errichtung mit einem Löcherstrom arbeiten, wobei die Verstärkung sehr schwach ist.

Zur Freigabe des in Sporrichtung liegenden Transistors T·„ muss die Basisspannung im Verhältnis zum Kollektor positiv sein» Ties wird dadurch erreicht, dass der Basis-Emitter-Ubergang von T*¹« als Zener-TJbergang ausgelegt ist, und eine Erhöhung des Spannungswertes V über den Zener-Schwellenwert hinaus ruft dessen Durchbruch hervor. Die Basisspannung

von T.. wird sodann auf die Basis von T'₂ gegeben. Dieser ! lässt einen Löcherstrom hindurch, der die Freigabe des Transistors T'^ bewirkt. Letzterer leitet einen starken Strom durch den in Durchlassrichtung polarisierten Basis-Kollektor-Ubergang von ϊ¹«. Die Transistor-Anordnung T'., und T'« weist einen sehr schwachen Widerstand auf (Umschalt-Funktion), und die Leitfähigkeit wird aufrechterhalten, selbst wenn die an den Klemmen AB liegende Spannung unter die Zündschwelle abfällt, die durch den Zener-Ubergang des Transistors T¹« (Speicher-Funktion) bestimmt wird.

Fig. 5 zeigt rein schematisch die Strom-Spannungs-Kennlinie der Schaltung nach Fig. 3· Wie ersichtlich, wird bei einer unter V„ liegenden Spannung der Stromwert durch das Kurventeil OC bestimmt, das praktisch dem im wesentlichen waagerecht verlaufenden Teil der umgekehrten Kennlinie eines Zener-tJbergangs entspricht, übersteigt die Spannung V den Wert V₂, wird die Schaltung durchlässig (Teil CD der Kurve); sodann erfolgt Durchlass eines verhältnismässig starken

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ORIGINAL INSPECTED

Stromes (TeilDE der Kurve), wobei der Stromwert zunehmend abhängig von der starken Spannungssteilheit ist.

Ein Vorteil der erfindungsgemassen Schaltung ist deren stabiler Betrieb. Im allgemeinen braucht bei dieser Schaltung die Verstärkung der Transistoren nicht über Widerstände r. und r₂ gedämpft zu werden, da dank der Sperrschaltung die Verstärkung des Transistors T¹ (!ig. 3) schwach ist. Eies schützt vor unerwünschter Zündung der Schaltung.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemassen Schaltung liegt in deren bemerkenswerter Stabilität gegenüber Umgebungsbedingungen. Die Zener-Kennlinie ändert sich beispielsweise kaum in Abhängigkeit von der Temperatur, und sie ist besonders konstant, wenn der Zener-Sehwellwert zwischen 4 und 6 V liegt.

Bei nach der Planartechnik aufgebauten herkömmlichen Transistoren liegen die Zener-Spannungen der Basis~lmitterÜbergänge in der Regel in diesem Bereich, Im übrigen ist dies ein zuverlässiger Wert, da die Zener-Kennlinie bekanntlich von der Alterung der Bauteile wenig betroffen wird.

Einen anderen Vorteil bietet die Einfachheit der

Schaltung, die in der Art eines Bipoles in den Stromkreis |

eingefügt werden kann. Sie besteht lediglich aus zwei ge- |

wohnlichen, auswechselbaren und billigen elektronischen |

Bauelementen. - ^!

Der sehr geringe Stromverbrauch vor der Auslösung infolge des schwachen Leckstroms der Diode mit Zener-Charakteristik bei Spannungen un^er dem Wert der Schwellen- , ·

- 0098 1 1 / 11 5 8 OFuG-NAL SUSPECTED /

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Spannung ist ein zusätzlicher Vorteil der "beschriebenen Schaltung. Andererseits kann die Schwellen-Spannung relativ gering sein, wodurch eine Schaltung mit sehr empfindlicher Schaltschwelle erzielt wird.

Bei einer anderen erfindungsgemässen Aasführungsart sind "beide Transistoren zu einem kompakten gekapselten Block zusammengefasst.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Aiisfiihrungsbeispiele beschränkt und kann im Rahmen ihres Anwendungsgebietes auf don Fachmann bekannte Weise geändert werden.

Ih Fig. 3 handelt es sich beispielsveise um einen PHP-Transistor T^ und einen NPN-Transistor T'₂ mit Zener-Basis-Smitter-Ubergang. Die in Fig. 4 gezeigte Schaltung, in welcher der Transistor T*.. vom Typ NPN ist und der PNP-Transistor T'₂ einen Zener-Basis-Emitter-Übergang aufweist, arbeitet in ähnlicher Weise (umgekehrte Polung).Eine solche Schaltung fällt unter die Erfindung.

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Claims (1)

1. -11 ·

   Patentansprüche:

   (^ 1, Schwellwert-Schaltkreiß, dadurch gekennieichnet, daß er einen ersten Transistor (T'^) aufweist, dessen Basis aa Emitter tinte iweiten Transistors (TV») mit einem Zener-Basis-Enitter _t übergangliegt» wobei die Basis dee swelten Transistors ait dem Kollektor dta ersten Transistors rerbunden ist und der Emitter des ersten Transistors (T* ^) und der Kollektor des cweiten Tran* tittort (T'₂) dit Eingänge- bsv. Ausgangsklemmen (A, B) dea Schaltkreises bilden.

   Z* Schwellwert-Schaltkreis nach Anspruch -1, dadurch gektnnstlohntt, daß es sich bei den ersten Transistor (T*^) üb einen PHB-Transiator und bei des sweiten (T*₂) um einen MPJi-Traneistor handelt (flg. 3).

   3· Schwtllwert-Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch ge~ ktnnstiohntt, daß es sich bei dec ersten Transistor (T*^) um einen IP»-Traneistor und bei de« Eweiten (T*₂) ua einen PHP-Transistor handelt (Flg. 4).

   \ . . BAD Ort» Dl^AL .;

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   4· Schwellwert-Scheltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennieichnet» daß bei den Transistoren (T¹-, T'«) der Sperretron des Basie-Kollektor-Übergangs VerhältnisBäfiig achvach ist·

   5. Schwellvert-Schaltkreis nach Anspruch 1» dadurch geeich kennzeichnet, daß es/bei den Transistor (T'g) alt Zener-Basis-

   EBitter-Ubergang üb einen nach der Planartechnik aufgebauten Transistor handelt·

   6. Schwellwert-Schaltkreiß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Transistor (T'₂) »U Zentr-Basie-Eeitter-Übergang üb einen Transistor handelt, dessen Zener« Durchbruchspannung 6 V beträgt·

   7· Schwellwert-Schaltkreis nach Anspruch 1₉ dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung aus eines kompakten Block besteht·

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