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Bistabiler Komparator mit Hysteresisverhalten Gegenstand der Erfindung
ist ein bistabiler Komparator mit Hysteresisverhalten zwischen Ansprech- und Abfallpegel
aus miteinander verknüpften Referenzelementen sowie steuerbaren Halbleiterbauelementen.
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In elektronischen Schaltungen und Geräten werden häufig Komparatoren
benötigt, die nicht nur bei ober- bzw. Unterschreiten einer bestimmten Ansprechschwelle
ein Signal abgeben, sondern erst nach bzw. vor einem frei wählbaren Abstand von
der Ansprechschwelle. Diese sich daraus ergebende Hysteresis zwischen Ansprech-
und Abfallpegel kann aus verschiedenen Gründen erforderlich sein. Zum einen sollen
Schwingungen in Regel- und Uberwachungsschaltungen vermieden
werden,
zum anderen ist für eventuell auftretende Störungen ein ausreichender Sicherheitsabstand
bis zum Ansprechpegel erforderlich, um ein Fehlansprechen infolge eines solchen
Störsignals zu verhindern.
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Eine bekannte Anordnung dieser Art, nämlich ein Schmitt-Trigger mit
einstellbaren Schwellenwerten (siehe VALVO Transistor-Kompendium Teil IV, Seite
3X) weist zur Hysteresisbildung hauptsächlich Widerstandsbewertungen in Verbindung
mit steuerbaren Halbielterbauelementen auf. Infolge dieser Anordnung muß zur Erhaltung
der Funktionsfähigkeit sowie ausreichenden Genauigkeit ständig eine stabilisierte
Spannung zur versorgung des Komparat;ors vorhanden sein. Die Bereitstellung dieser
stabllisierten Versorgungsspannung kann unter Umständen einer. nicht unerheblichen
zusätzlichen Schaltungsaufwand verursachen 5 beispielsweise im Falle einer direkten
potentialfreien Slgnalübertragung mit geringer Steuerleistung.
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Diese bekannte Anordnung weist neben dem erheblichen Bauteilaufwand
auch noch eine nur in engen Grenzen (E bis nahezu O V) einstellbare Hysterese auf.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen bistabilen Komparator
mit Hysteresisverhalten zu schaffen, der einen geringen Bauteilaufwand und eine
in weiten Grenzen einstellbare Hysterese aufweist und der keine stabilisierte Versorgungsspannung
benötigt.
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Diese Aufgabe wird bei einem Komparator der eingangs genannten Art
dadurch gelöst, daß die steuerbaren Halbleiterbauelemente derart in Kaskade geschaltet
sind, daß ein Teil der Referenzelemente kurzgeschlossen wird, wenn die Kaskadenschaltung
der steuerbaren Halbleiterbauelemente leitend wird.
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Anhand einer schematischen Zeichnung sei der der Erfindung zugrunde
liegende Gedanke näher erläutert.
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Fig. 1 stellt die Abhängigkeit des Ausgangswertes des bistabilen Komparators
mit Hysteresisverhalten vom Betrage des Eingangswertes dar. In Fig. 2 und 3 sind
zwei Ausführtmgsbeispiele eines bistabilen Komparators mit Hysteresisverhalten dargestellt.
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Fig. 1 zeigt die Abhängigkeit der jeweiligen Schaltpunkte des Komparators
von den wirksamen Referenzwerten U1 und U2, die durch die Referenzelemente festgelegt
werden. Die Grenzlagen der steuerbaren Halbleiterbinhalten vorzugsweise binäre Signale
wie beispielsweise 1 bzw. "O" entsprechend leitend bzw. nichtleitend, während die
in Reihe oder parallel geschalteten Referenzelemente einen bestimmten Sollwert abgeben.
Die Differenz zwischen dem am Eingang des Komparators anstehenden Istwert sowie
den Referenzwerten der Referenzelemente wird auf die miteinander in Kaskade geschalteten
steuerbaren Halbleiter gegeben. Beim Überschreiten eines bestimmten Differenzwertes
werden die steuerbaren Halbleiter von der einen Grenzlage in die andere gesteuert.
Beim
Unterschreiten eines bestimmten Differenzwertes werden die
steuerbaren Halbleiter wieder in ihre ursprüngliche Grenzlage gesteuert. Infolge
dieses Prozesses wird mit Hilfe des im Rückkopplungszweig liegenden steuerbaren
Halbleiterbauelementes eine durch die binären Grenzlagen charakterisierte Potentialverschiebung
herbeigeführt.
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In dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die zu überwachende
Wechselspannung UO mit dem Innenwiderstand 1 mittels einer Brückenschaltung 2 gleichgerichtet.
Ubersteigt der Augenblickswert der gleichgerichteten Spannung UE die Summe der in
Reihe geschalteten Referenzspannungen Z1 + Z2 der Referenzelemente 3 und 4 um die
Basis-Emitter-Spannung des Transistors 5, so wird der Transistor 5 sowie der in
Kaskade geschaltete komplementäre Transistor 6 leitend. Der Komplementärtransistor
6 entkoppelt durch Kurzschließen die Referenz spannung Z2 vom Eingang.
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Während dieses Prozesses bricht die Spannung UA der mit dem Ausgang
des Komparators verbundenen Versorgungsquelle, vorzugsweise einer Stromquelle 8
mit dem Innenleitwert 7, zusammen und es fließt der Kurzschlußstrom Ik über die
beiden Transistoren 5 und 6. Unterschreitet nun der Augenblickswert der Eingangsspannung
UE den noch anstehenden Referenzwert Z1 des Referenzelementes 3, so kippt der Transistor
5 und damit auch der Transistor 6 wieder in den ursprünglichen gesperrten Zustand
zurück.
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Die Stromquelle 8 kann in bekannter Weise auch als Indikator
zur
potentialfreien Signalübertragung ausgenutzt werden.
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Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
ist in Fig. 3 mit einer Parallelanordnung der Referenzelemente dargestellt. Die
Funktionsweise dieser Anordnung ist ähnlich der oben beschriebenen Anordnung nach
Fig. 2. Das Referenzelement 3 gibt einen höheren Sollwert (Referenzwert Z1) ab als
das Referenzelement 4 (Referenzwert Z2). Die Differenz zwischen dem Eingangs-Istwert
UE und dem Referenzwert Z1 steuert die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 5.
Überschreitet der Augenblickswert der gleichgerichteten Spannung UE einen bestimmten
durch die Referenzspannung Z2 und die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 5 vorgegebenen
Betrag, so wird der Transistor 5 sowie der in Kaskade geschaltete komplementäre
Transistor 6 leitend. Durch diesen Vorgang wird durch Kurzschließen die Referenz
spannung Z1 vom Eingang entkoppelt und gleichzeitig das Referenzelement 4 aufgeschaltet,
so daß nur noch der kleinere Referenzwert Z2 des Referenzelementes 4 am Eingang
ansteht. Während dieses Prozesses bricht die Spannung UA der mit dem Ausgang des
Komparators verbundenen Versorgungsquelle, vorzugsweise einer Stromquelle 8 mit
dem Innenleitwert 7, zusammen und es fließt der Kurzschlußstrom i über die beiden
Transistoren 5 und 6.
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Verringert sich nun wiederum der Augenblickswert der Eingangsspannung
UE, so verringert sich ebenfalls der Basisstrom
des Transistors
5 und dadurch bedingt auch dessen Kollektor-Emitter-Strom und der Basisstrom des
Transistors 6.
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Unterschreitet der Augenblickswert der Eingangsspannung UE den noch
anstehenden Referenzwert Z2 des Referenzelementes 4, so nimmt der Transistor 6 an
seiner Kollektor-Emitter-Strecke Spannung auf, wodurch der Transistor 5 weniger
ausgesteuert wird und an seiner Kollektor-Emitter-Strecke ebenfalls Spannung aufnimmt.
Beide Transistoren sind somit gesperrt.
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Das Hysteresisverhalten des bistabilen Komparators wird also dadurch
erreicht, daß entweder wechselweise ein Referenzelement vom Eingang abgetrennt und
im gleichen Prozeß das andere Referenzelement aufgeschaltet wird und am Eingang
mit seinem Referenzwert ansteht oder daß aus der Reihenschaltung der Referenzelemente
ein Teil vom Eingang abgetrennt wird und nur noch der verbleibende andere Teil der
Referenzelemente mit seinem Referenzwert am Eingang ansteht.
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6 Seiten Beschreibung 3 Patentansprüche 1 Blatt Zeichnungen mit 3
Figuren