DE1613705A1

DE1613705A1 - Energieantriebsstromkreis

Info

Publication number: DE1613705A1
Application number: DE19671613705
Authority: DE
Inventors: Ladd Jun Frederick Foster
Original assignee: Mohawk Data Sciences Corp
Current assignee: Mohawk Data Sciences Corp
Priority date: 1966-09-28
Filing date: 1967-09-20
Publication date: 1971-05-13
Also published as: GB1188559A; FR1538858A; US3435295A; GB1178029A; DE1588989A1

Description

PATENTANWÄLTE

DR. E. WIEGAND DIPL-ING. W. NIEMANN 161 3705

DR. M. KOHLER DIPL-ING. C. GERNHARDT MÖNCHEN HAMBURG

telefon= 395314 2000 HAMBURG 50, den 19. 3ept.l967

TELEGRAMME: KARPATENT KCf NIGSTRASSE 28

W. 13275/67 12/P

Anelex Corporation Boston, Massachusetts (V.St.A.)

Energieantriebsstromkreis.

Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiterstromkreise und insbesondere auf einen Energieantriebsstromkreis, der zum Einführen starker Ströme in induktive Belastungen verwendbar ist.

Großes Interesse hat in den letzten Jahren die Entwicklung integrierter Stromkreise auf dem Gebiet der Halbleitertechnik erfahren. Die Hauptanstrengungen sind auf diesem Gebiet, insbesondere zur Anwendung bei Rechnern, auf elektronische Schaltkreise konzentriert worden, die als logische Komponenten für die Verarbeitung digitaler Informationen arbeiten. Solche logische Komponenten werden gewöhnlich bei sehr niedrigen Energiepegeln betätigt. Da ihre Gestaltung auf der Voraussetzung beruht, dafS sie bei diesen sehr niedrigen Energiepegeln arbeiten, sind sie nicht in der Lage, Ausgangsvorrichtungen direkt anzutreiben, Wenn es erforderlich ist, eine hohe Belastung, beispielsweise einen Harnrnerantriebsmechanismus

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für eine mit hoher Geschwindigkeit arbeitende Druckvorrichtung anzutreiben bzw. zu steuern, dann kommen sehr hohe Energiepegel in Frage, und es muß eine Energiestufe für die Ausübung einer solchen Ausgangsfunktion verwendet werden.

Es ist außerordentlich erwünscht, daP sowohl die Energiestufe, die dazu vorgesehen ist, solche hohen Belastungen anzutreiben, als auch die vorgenannten logischen Komponenten möglichst klein gehalten werden. Bei der sehr kleinen Dimensionierung oder der Ausbildung als integrierter.Stromkreis kann eine Energieantriebsvorrichtung, wie der bekannte Darling ton-Stromkreis, für diesen Zweck verwendet werden.

Jedoch ist bei Verwendung eines Energieantriebsstromkreises zum Antreiben einer hohen Belastung, wie z.B. eines Hammerantriebsmechanismus, gefunden worden, daß unter typischen Sehaltbedingungen die Transistoren in dem Stromkreis gegen die Rückspannungen geschützt werden müssen, die erzeugt werden, wenn der Energieantriebsstromkreis in den Aus-Zustand schaltet. Es sind bereits verschiedene Schutzvorrichtungen in verschiedenen Ausführungen geschaffen worden, jedoch haben sie sich als nicht zufriedenstellend für Probleme erwiesen, die bei integrierten Energieantriebsvorrichtungen angetroffen werden, die in der Lage sein sollen, hohe Ströme in der Grössenordnung von 5 Ampere zu führen.

Demgemäß besteht ein Hauptzweck der Erfindung darin, eine Schutzvorrichtung für einen Halbleiter-Energieantriebsstromkreis zu schaffen, uer dazu verwendet wird, induktive

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Komponentenbelastraigen anzutreiben.

Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, eine Schutzvorrichtung zu schaffen, die leicht in einen monolithischen Halbleiter- Energieantriebsstromkreis eingeschlossen werden kann.

Das Problem des Antreibens hoher induktiver Belastungen wird nachstehend anhand eines besonderen Energieantriebsstromkreises erklärt, jedoch ist die Erfindung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.

Zum Erfüllen der oben genannten Zwecke sieht die Erfindung den Anschluß eines Lawinenreglers z.B. in Form einer Zenerdiode als Schutzeinrichtung vor, um den Energieantriebsstromkreis gegen die schädigenden Wirkungen völlig zu schützen, die durch induktive Komponentenbelastungen erzeugt werden. Es ist bekannt, daß eine Zenerdiode eine derartige Charakteristik hat, daß sie vor Erreichen der Durchbruchspannung eine ausserordentlich hohe Impedanz schafft. Eine Zenerdiode ergibt weiterhin einen außerordentlich scharfen Durchbruch, womit gemeint ist, daß die Vorrichtung einen Bereich konstanter Spannung in ihrer rückwärts vorgespannten Charakteristik hat.

Die Erfindung sieht als Hauptmerkmal den Anschluß eines Lawinendurchbruchreglers, der durch eine Zenerdiode dargestellt ist, als Schutzeinrichtung an die Anschlüsse des Energieantriebsstromkreises derart vor, daß der Energieantriebsstromkreis gegenüber nachteiligen Wirkungen, die durch induktive Belastungen erzeugt werden vollständig geschützt ist.

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Eine solche Schutzeinrichtung in Form einer Zenerdiode ist vollständig wirksam, da die Durchbruchsspannung der Zenerdiode so gewählt ist, daß sie höher als die Zufuhrspannung ,ist. In der Wirkung ist dann die in den Energieantriebsstromkreis geschaltete Zenerdiode während des Speicherkreislaufs nicht wirksam, d.h. dann nicht wirksam, wenn der Belastung Strom zugeführt wird. Eine Zenerdiode schafft bekanntlich vor Erreichen des Durchbruchs eine außerordentlich hohe Impedanz und weiterhin einen außerordentlich scharfen Durchbruch, womit gemeint ist, daß sie in ihrer rückwärts vorgespannten Charakteristik einen Bereich konstanter Spannung hat. Zufolge der Fähigkeit des Stromkreises gemäß der Erfindung, die gespeicherte Energie in der induktiven Belastung zu absorbieren, ist durch die Erfindung eine wesentlich bessere Technik des Antreibens einer induktiven Belastung geschaffen.

Die oben genannten und weitere Zwecke und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in welcher die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert wird.

Die Zeichnung ist ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform des Stromkreises gemäß der Erfindung .

In der Zeichnung ist der Stromkreis gemäß der Erfindung in integrierter Form dargestellt. Die äußeren Anschlüsse A, B, C, sind diejenigen, die gewöhnlich als Stöpselzugänge zu einem monolithischen integrierten Stromkreis vorgesehen sind.

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Der Ausdruck "monolithisch" bedeutet die bekannte Technik des Einschließens von Pestkörperstromkreisen in einen Monolith oder eine Unterlage aus Halbleitermaterial in einer Folge von Diffusionsstufen, durch welche die Konfiguration von aktiven und passiven Elementen erzeugt wird, die in den Monolith eingebettet sind. Eine besondere Technik dieser Art des Einschließens dieser Elemente wird oft als "Planartechnik" bezeichnet, weil sie zur Erzeugung der Vorrichtungsverbindungsstellen an einer Oberflächenebene des Monolithen führt."

Der Anschluß A ist mit irgendeiner Signalquelle zum Zuführen eines Eingangsignals, beispielsweise des in der Zeichnung dargestellten Impulses verbunden. An den Anschluß B ist ein Bezugspotential angelegt, das in diesem Fall Erde ist. Der Anschluß C ist mit einer induktiven Belastung L verbunden, an die eine positive Speisespannung +V" angelegt ist. Bei der oben genannten typischen Ausführung, d.h. beim Antrieb eines Hammermechanismus für eine Druckvorrichtung, würde die Spannung +V einen Wert von etwa 48 Volt haben. Der durch gestrichelte Linien umrahmte und mit den vorgenannten Anschlüssen A, B, C versehene integrierte Energieantriebsstromkreis 1 enthält zwei Transistoren 10 und 12, die in diesem Beispiel solche von der npn-Polarität sind, wobei jedoch zu bemerken ist, daß die Transistoren auch solche mit entgegengesetzter Polarität sein könnten.

Die Kollektoren der Transistoren 10 und 12 sind gemeinsam an den Stöpselzugang oder Anschluß C und damit an die ge-

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meinsame Belastung L angeschaltet. Der Emitter des Transistors 12 ist direkt an Erde gelegt, während der Emitter des Transistors 10 sowohl an die Basis des Transistors 12 als auch an das eine Ende eines stabilisierenden Widerstandes 14 angeschlossen ist. Das andere Ende des Widerstandes 14 liegt an Erde und ist somit dem Basis-Emitter-Eingangskreis des Transistors 12 parallelgeschaltet. Die Zenerdiode 16 ist gemäß der Darstellung zwischen die Ausgangsanschlüsse B und C des Stromkreises geschaltet, was selbstverständlich einem Anschluß zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors 12 entspricht .

Die Zenerdiode 16 ist als Teil des integrierten Stromkreises 1 in der Struktur gemäß der oben erwähnten bekannten mikroelektronischen Planarbindetechnik eingelagert. In gleicher Weise ist auch der Widerstand 14 als Teil des Aufbaues eingelagert. Es sei bemerkt, daß der Widerstand 14 beim Arbeiten des Stromkreises die Funktionen der Schaffung thermischer Stabilität und der Erholungsbeschleunigung ausübt.

In dem Stromkreis 1 ist der Basisstrom des Transistors ein Teil des Belastungsstromes des Transistors 10. Demgemäß entspricht die Gesamtstromverstärkung des Stromkreises 1 nahe-

en zu dem Produkt der Emitterstromverstärkung der Transistoren 10 und 12. Die hohe Stromverstärkung ermöglicht, daß der Stromkreis 1 beim Antreiben einer hohen Belastung, beispielsweise der Belastung L eine höhere Eingangsimpedanz hat, als es bei Verwendung lediglich eines einzigen Transistors möglich wäre.

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Im Normal- oder Ruhezustand des Stromkreises 1 ist das Potential am Anschluß A derart, daß beide Transistoren 10 und 12 abgeschaltet sind. Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß, wenn die Basis des Transistors 10 sich auf einem Potential unterhalb Erdpotential befindet, die Verbindungsstelle zwischen Emitter und Basis des Transistors 10 umgekehrt vorgespannt wird. Ebenso wird unter dieser Bedingung die Verbindungsstelle zwischen Emitter und Basis des Transistors 12 umgekehrt vorgespannt.

Wenn jedoch an den Anschluß A ein Eingangssignal wie das dargestellte, angelegt wird, steigt das Potential an diesem Anschluß auf einen genügend oberhalb Erdpotential liegenden Wert an, und die Verbindungsstelle zwischen Emitter und Basis des Transistors 10 wird vorwärts vorgespannt. Wenn der Transistor 10 nunmehr leitet, beginnt das Potential seines Emitters über Erdpotential zu steigen, so daß die Verbindungsstelle zwischen Emitter und Basis des Transistors 12 vorwärts vorgespannt wird und der Transistor 12 zu leiten beginnt. Der Transistor 10 bleibt bis zu einem Sättigungswert des Kollektorstroms leitend.

Der Kollektorstrom für den Transistor 10 ist in der Zeichnung mit I , und der Kollektorstrom für den Transistor mit I _o bezeichnet, wobei der Gesamtstrom I die Summe der vorgenannten beiden Ströme ist. Der Emitterstrom für den Transistor 10 ist selbstverständlich gleich dem Basisstrom des Transistors 12, mit der Ausnahme, daß der Strom durch den

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Widerstand 14 fließt.

Der Transistor 12, welcher den Hauptteil des Ausgangsstroms I zuführt, wird nicht bis zur tiefen Sättigung ge-

trieben. Dies ergibt sich aus der Kopplung zwischen den Transistoren 10 und 12. Der Transistor 12 kann den tiefen Sättigungszustand nicht erreichen, weil seine Basis-zu-Kollektor-Spannung niemals kleiner als die Kollektor-zu-Emitter-Spannung des ihn antreibenden Transistors 10 werden kann.

Die Transistoren 10 und 12 stellen, wenn sie beide leiten, den Ein-Zustand des Stromkreises 1 dar, und in diesem Zustand ist die Zenerdiode 16, welche direkt an den Kollektor und den Emitter des Transistors 12 angeschlossen ist, unwirksam, um ihre aktive Funktion auszuüben. In anderen Worten ausgedrückt, bildet sie einfach eine parallel zu diesen Elektroden des Transistors 12 liegende hohe Impedanz, da die Speisespannung +V nicht so groß wie die Durchbruchsspannung der Zenerdiode 16 ist.

Wenn jedoch der Eingaigsimpuls endigt, so daß die Spannung am Anschluß A sinkt und dadurch der Stromkreis 1 abgeschaltet wird, wird die Zenerdiode 16 wirksam, um ihre beabsichtigte aktive Funktion auszuüben. Daher tritt, wenn der Stromkreis sich abzuschalten sucht, an der induktiven Komponentenbelastung L eine Induzierte EMK mit der angedeuteten Polarität, d.h. eine Gegen-EMK auf, die versucht, den Strom I_n, der geflossen ist, aufrechtzuerhalten. Diese Gegen-EMK wirkt in Reihe mit der Speisespannung, und die Durchbruchspannung der Zenerdiode

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16 wird überschritten. Daraufhin absorbiert die Zenerdiode 16 die von der induktiven Belastung L gespeicherte Energie. In anderen Worten ausgedrückt, wirkt sie als eine Senke für den Beiastungsstrom, der aufrechterhalten werden soll. Sie tut dies, und zufolge ihres bekannten scharfen Durchbruchs hält sie eine konstante Spannung an den Ausgangsanschlüssen C, B des Stromkreises 1 aufrecht.

Nachstehend werden für die Verwirklichungen der Erfindung beispielsweise Werte für typische Teile angegeben: Transistor 10 - RCA-40349 I_n = 4,7A Transistor 12 - 2N 4^48 I_q2= 4,5A Widerstand 14 - 100 Ohm I₀₃= 0,2A Zenerdiode 16 - IN 3808 I_b = 0,015A Belastung L - 2 mH mit R_de- 10 0hm Zufuhrspannung +V=+ 48v Gleichspannung ·

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Claims

Pat entansprüche.

1. Energieantriebsstromkreis zum Einführen eines hohen Stroms in eine Belastung, mit wenigstens einem Transistor, gekennzeichnet durch eine Belastung, die-eine induktive Komponente und eine an die Ausgangsanschlüsse des Stromkreises angelegte Speisespannung umfaßt, und eine den Transistor beim Abschalten des Stromkreises schützende Vorrichtung, die einen Lawinendurchbruchregler aufweist, welcher derart an den Transistor oder an die Transistoren und an die Speisespannung geschaltet ist, daß der Regler bei eingeschaltetem Stromkreis eine hohe Impedanz schafft und daß beim Abschalten des Stromkreises die Durchbruchspannung des Reglers übersehritten und von ihm die gespeicherte Energie der induktiven Belastungskomponente absorbiert wird.

2. Stromkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lawinendurchbruchregler eine Zenerdiode ist.

5. Stromkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lawinendurchbruchregler direkt zwischen die Ausgangsanschlüsse des Stromkreises geschaltet ist.

4. Stromkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit zwei Transistoren, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des ersten Transistors mit der Basis des zweiten Transistors verbunden ist und daß ein Widerstand parallel zu der Emitter-Basis-Verbindungsstelle des zweiten Transistors geschaltet ist,

5. Stromkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch

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gekennzeichnet, daß die Ein- und Aus-Zustände des Stromkreises übereinstimmenden leitenden bzw. nicht-leitenden Zuständen der Transistoren entsprechen und daß fürdie Transistoren eine gemeinsame induktive Belastung und eine Speisespannung vorgesehen sind, die an die Ausgangsanschlüsse des Stromkreises angelegt ist.

6. Stromkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 5j dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektoren der beiden Transistoren miteinander und mit der induktiven Belastungskomponente und der Speisespannung verbunden sind und daß im wesentlichen der gesamte Belastungsstrom des ersten Transistors durch die Emitter-Basis-Verbindungsstelle des zweiten Transistors hindurchfließt, wenn sich der Stromkreis im Ein-Zustand befindet.

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