DE2059787A1 - Schwellwertdetektorschaltung fuer niedrige Spannungen - Google Patents

Description

7085-70/Kö/s

RCA 62,454
Convention Date:
December l8, 1969

RCA Corporation, New York, N.Y., V.St.A.

Schwellwertdetektorschaltung für niedrige Spannungen

Die Erfindung betrifft eine Schwellwertdetektorschaltung für niedrige Spannungen, die ein Ausgangssignal erzeugt, wenn ein in seiner Spannung schwankendes Eingangssignal einen vorbestimmten Schwellwert erreicht, mit einer Differenzstufe mit zwei Eingängen und einem Ausgang, die das Ausgangssignal liefert, wenn die Spannung an einem ihrer Eingänge eine vorbestimmte Beziehung zur Spannung am anderen Eingang erreicht; sowie mit zwei Bezugsspannungsgebern, deren Spannungsdifferenz einen vorbestimmten, auf die wahl* zunehmende Spannung bezogenen Wert hat.

Spannungsdetektorschaltungen, die ein Ausgangssignal liefern, sobald ein schwankendes Eingangssignal einen vorbestimmten Schwellwert erreicht, sind, z.B. in Form von Schmitt-Triggerschaltungen, allgemein bekannt« Bei diesen Schaltungen werden im allgemeinen Bauelemente wie Zenerdioden als Bezugsspannungsgeber verwendet. Mitunter kommt es jedoch vor, daß die maximale verfügbare Speisespannung so niedrig ist, daß derartige Bauelemente nicht verwendet werden können« Beispielsweise kann es erwünscht sein, daß man eine Spannungsschwellenschaltung für eine elektronische Zündeinrichtung zur Verfügung hat, die unter Erzeugung eines Ausgangssignals auf ein Wechselspannungseingangssignal anspricht, dessen Spitzenamplitude zwischen 70 und 140 Millivolt (mV) schwankt. Ein solches

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Signal kann z.B. von einem magnetischen Impulsverteiler stammen. Da jedoch die verfügbare Speisespannung im allgemeinen von einer Batterie, einem Generator oder einem Synchrongenerator geliefert wird und in Abhängigkeit von der Motordrehzahl, der Betriebsspannung, dem Zustand der Batterie usw. beträchtlich schwanken kann (z.B. zwischen 3,5 und 18 Volt), ist nicht gewährleistet, daß ständig eine Speisespannung vorhanden ist, die ausreicht, um eine Zenerdiode oder ein ähnliches Bauelement durchlaßzuspannen (d.h. eine Spannung von mehr als 5 Volt).

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schwellwertdetektorschaltung zu schaffen, die niedrige Spannungen zu er- ^ fassen in der Lage ist. Die Schaltung soll in integrierter Form herstellbar sein und sich besonders, obwohl nicht ausschließlich, für eine elektronische Zündeinrichtung eignen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Schwellwertdetektorschaltung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine Anordnung, welche das Eingangssignal zwischen einen der Bezugsspannungsgeber und den ersten Eingang der Differenzstufe koppelt, und eine Anordnung, welche den anderen Bezugsspannungsgeber mit dem zweiten Eingang der Differenzstufe verbindet, wobei die Bereitstellung des Ausgangssignals am Ausgang der Differenzstufe bewirkt, daß die Spannung an ihrem ersten Eingang die vorbestimmte Beziehung zur Spannung am zweiten Eingang annimmt.

* Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung, deren einzige Figur

eine Schwellwertdetektorschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt, im einzelnen erläutert.

Während zum Durchlaßspanneh einer Zenerdiode eine Spannung in der Größenordnung von 5» 6 Volt erforderlich ist, beträgt die erforderliche Spannung an einer durchlaßgespannten Siliciumdiode (V, ) nur in der Größenordnung von 0,7 Volt. Ferner sind, wenn die Schaltung als Teil einer integrierten Schaltungsanordnung ausgeführt werden soll, durchlaßgespannte Dioden am besten als Bezugsspannungsgeber geeignet.

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Bei Schaltungen gemäß dem Stand der Technik wird gewöhnlich der Absolutwert des Spannungsabfalls an einer oder mehreren durchlaßgespannten Dioden als Spannungsbezugspegel verwendet. Leider weist die Spannung V, an einer einzelnen durcKLaßgespannten Diode infolge von Verfahrensschwanküngen eine Toleranz in der Größenordnung von + 35 mV auf. Normalerweise ist diese Toleranz nicht erheblich. Wenn jedoch die Spannung des zu erfassenden Signals nur in der Größenordnung von 100 mV beträgt, ist der Absolutwert von V^_e an einer durchlaßgespannten Diode praktisch nicht mehr brauchbar.

Obwohl der Absolutwert des Spannungsabfalls (V. ) an einer durchlaßgespannten Diode um + 35 mV schwanken kann, ist die ^v^_e~ Anpassung zwischen Dioden sehr genau. Das heißt, für zwei Dioden auf dem selben integrierten Schaltungsplättchen ist V. annähernd, d.h. innerhalb + 2 mV gleich. Ferner läßt sich zeigen, daß die Spannungsdifferenz zwischen zwei angepaßten Dioden vom Verhältnis des Stromes in den Dioden abhängt, und da das Verhältnis zwischen Bauelementen, das seinerseits das Stromverhältnis bestimmt, sehr genau kontrolliert werden kann, kann diese Spannungsdifferenz (Δ V) aufgrund der folgenden Gleichung genau vorausgesagt werden:

worin: K= Boltzmannsche Konstante,
T = Temperatur in K und
q — Ladung eines Elektrons.

Man kann daher, indem man das Verhältnis der Ströme in angepaßten durchlaßgespannten Dioden kontrolliert, die Spannungsdifferenz an den Dioden mit so großer Genauigkeit voraussagen, daß sie als Bezugswert herangezogen werden kann. Indem man angepaßte Pakete oder Ketten aus N Ketten in Reihe vorsieht, kann man die Spannungsdifferenz innerhalb eines vorbestimmten Bereichs festlegen:

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Die in der Zeichnung dargestellte Schaltung enthält zwei in Emitterfolgerschaltung ausgelegte Transistoren Q₁₀ und Q₁₂* wobei der Emitter des Transistors Q₁₀ mit der Basis des Transistors Q₁₂ verbunden ist. Der Emitter des Transistors Q _ ist mit dem Kollektor eines Transistors Q₁- verbunden, der mit seinem Emitter an Masse liegt. An die Basis des Transistors Q- ist die Reihenschaltung eines Widerstands R₁₇ und einer Diode D_1Q mit ihrem Verbindung^ punkt angeschlossen, wobei"die Diode D mit ihrer Kathode an Masse liegt. Der Transistor Q₁C* ^der Widerstand R _ und die Diode D₁₉ arbeiten als Konstantstromquelle. Ein Transistor JL . und ein Transistor Q₁, sind in gleicher Weise verschaltet, indem der Emitter des Transistors Q₁- mit der Basis des Transistors Q.., und der ^ Emitter des Transistors Q₁, mit dem Kollektor des Transistors JK _ verbunden sind. Der Transistor Q₁, ist ferner mit seiner Basis an den Emitter eines Transistors Q₁Q angeschaltet. Die Transistoren ⁰IO* ^Ö12, ^Ö14 ^{Und ö}l6 ^sowie Öio' ^Ö12> ^Öl6 ^{Und Q}l8 ^{bilden ein Paar} von Differenzverstärkern mit Darlington-Eingang und sich gegenseitig ausschließender Betriebsweise.

Zwei Transistoren Q__ und Q₂₂ sind in Emitterfolgerschaltung ausgelegt, indem der Emitter des Transistors Q₂₀ mit der Basis des Transistors Q_„ verbunden ist. Der Emitter des Transistors Q„„ ist an eine Konstantstromquelle mit einem Transistor Q₀ _,, einem Widerstand R__ und einer Diode D„_Q angeschlossen. Der Transistor Q_2f) liegt ferner mit seinem Emitter über einen Widerstand R₂₁ an Masse t und ist mit seiner Basis an den Kollektor des Transistors Q₁₂ angeschlossen. Zwei weitere Transistoren Q₂ . und Q_?, sind ebenfalls in Emitterfolgerschaltung ausgelegt, indem der Emitter des Transistors Q₂. mit der Basis des Transistors Q₂, und der Emitter des Transistors Q₂, mit dem Kollektor des Transistors Q₂- verbunden sind.

Der Transistor Q-. liegip ferner mit seinem Emitter über einen Wider

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stand R₂, an Masse und ist mit seiner Basis an den Kollektor des Transistors Q₁, angeschlossen. Die Transistoren Q₂₀, ^22* ^24 ^unc* Q₂^ bilden einen weiteren Differenzverstärker, demüber die Basen der Transistoren Q₂ und Q₂- ein gemeinsamer Ausgang der Differenzverstärker mit den Transistoren Q_1Q, Q₁₂, Q₁ , Q_j6 und Q₁Q zugeschaltet ist.

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Die Basis des Transistors Q_1n ist über einen Widerstand R~_ mit der einen (A) von zwei Eingangskiemmen verbunden, deren zweite (B) an die Basis des Transistors Q₁^ angeschlossen ist.

Das Eingangssignal kann z.B. von einem magnetischen Impulsverteiler der Zündschaltung eines Kraftfahrzeugs geliefert werden, wobei die Aufnahmespule (39) des Verteilers zwischen die Klemmen A und B der gezeigten Schaltung geschaltet ist.

Eine erste Diodenkette mit den Dioden D., D^ und D_ ist zwischen die Basis des Transistors Q₁. und Masse geschaltet, wobei die Dioden so gepolt sind, daß sie Strom im konventionellen Sinne in Richtung nach Masse leiten. Eine zweite Diodenkette mit den Dioden D_, D. uad D/ ist in entsprechender Weise zwischen die Basis des Transistors Q₁J, und Masse geschaltet. Wenn die Schaltung in integrierter Form ausgeführt ist, so sind die Diodenketten in ihren V, -Eigenschaften von selbst einander angepaßt oder gleich, wie oben erwähnt. Bei Verwendung von diskreten Bauelementen müssen diese so gewählt werden, daß die Ketten angepaßt sind.

Ein Transistor Q" liegt mit seiner Emitter-Kollektorstrecke parallel zur ersten Diodenkette und ist mit seinem Kollektor an die Basis des Transistors Q₁. und mit seinem Emitter an Masse angeschlossen. Die Basis des Transistors Q-_o liegt über einen Widerstand R₁₁ an Masse und ist außerdem über einen Widerstand R₁„ mit dem Kollektor eines weiteren Transistors Q-„ verbunden. Die Basis des Transistors Q^₉ ist mit dem Kollektor des Transistors Q₂A verbunden, wo das Ausgangssignal des Differenzverstärkers mit den Transistoren Q₂Q > ^22» ^2A ^un(* ^26 abgenommen wird. Der Transistor Q-. ist mit seinem Kollektor an den Kollektor des Transistors Q„^ und an die Basis des Transistors Q-_o angeschlossen. Basis und KoI- lektor des Transistors Q-. sind miteinander verbunden. Bei dieser Schaltungsauslegung arbeitet der Transistor Q~. im wesentlichen als Diode, und er kann tatsächlich auch durch eine Diode ersetzt sein· Im Hinblick auf die Eigenechafteanpassung hat es sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, bei Ausführung der Schaltung in inte grierter Form säntliche Dioden in der für den Transistor Q-. gezeigten Schaltungeweise auszubilden.

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Die Kollektoren der Transistoren Q₁₀, Q₁ .y Q₁O, QoCt' ^22 Q-. sind an einen eine Spannung V führenden Punkt angeschlossen,

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der mit der Betriebsspannung gespeist ist. Ferner sind die Kollektoren der Transistoren Q.„ und JL, über Widerstände R_Q bzw. R_n an

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V angeschlossen. Außerdem sind die Basen der Transistoren Q ,

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Öor> Q-i λ ^und OiQ über Widerstände R₁-, R₀-, R bzw. R' an V ange-

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schlossen. Die, Transistoren Q_„ und Q₀. sind mit ihren Emittern an

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V angeschlossen. Sämtliche Transistoren sind vom npn-Typ, mit

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Ausnahme der Transistoren Q-₂ und Q-., die vom pnp-Typ sind.

Durch Verändern des Verhältnisses zwischen R und R^! wird der Stromfluß in den Diodenketten verändert. Auf diese Weise kann die Spannungsdifferenz an den beiden Diodenketten genau bemessen und P vorausgesagt werden. Beträgt das Verhältnis R:R' beispielsweise 1:4, so ist die Spannungsdifferenz bei Zimmertemperatur (25 C.) 108 mV, wobei die Diodenkette mit den Dioden D , D- und D_ als Bezugsgeber für "hohe" Spannung und die Diodenkette mit den Dioden D„, D. und D, als Bezugsgeber für "niedrige" Spannung arbeiten. Durch entsprechen de Wahl der Anzahl von Dioden pro Kette und durch geeignetes Verändern des Verhältnisses R:R* kann man daher die Schaltung so bemessen, daß Schwellenspannungen innerhalb eines vorgeschriebenen Bereiches erfaßt und wahrgenommen werden. Während es bei einer integrierten Schaltung schwierig ist, die Absolutwerte von R und R' zu kontrollieren,läßt sich das Verhältnis zwischen ihnen recht genau kontrollieren.

* In der Praxis bemißt man die Schaltung so, daß sie beispielsweise in einer Umgebung arbeitet, wo die Temperatur zwischen -40 C. und +120 C. und die Schwellenspannung zwischen 70 mV und 140 mV schwanken können. Zu Erläuterungszwecken sei hier jedoch vorausgesetzt, daß ein Ausgangssignal am Punkt C dann erzeugt werden soll, wenn das an den Klemmen A und B liegende Eingangssignal 108 mV übersteigt, d.h. bei Zimmertemperatur und einest Verhältnis R:R' von 1:4.

Anfänglich, wenn zwischen den Klemmen A uxidB ein Eingangssignal von 0 Volt liegt, ist die an der Basis des Transistors Q₁- wegen der Spannungsdifferenz an den Siodenketten um 108mV größer als die

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Spannung an der Basis des Transistors Q₁₀· Dadurch werden die Transistoren Q₁ . und Q , in einen stark leitenden Zustand gespannt, so daß den Stromerfordernissen der Konstantstromquelle mit dem Transistor Q₁-, dem Widerstand R₁₇ und der Diode D₁₉ genügt wird. Die Transistoren Q_1n und Q₁„ sind somit nichtleitend. Bei nichtleitendem Transistor Q₁₂ sind die Transistoren Q₂₀ und Q₂₂ über den Widerstand Rq in einen stark leitenden Zustand gespannt, so daß den Stromerfordernissen der Konstant st ramquelle mit dem Transistor Q₂ -, dem Widerstand R₂₇ und der Diode D₂_ genügt ist. Die Transistoren Q₂ . und Q₂,- sind somit nichtleitend. Bei nichtleitendem Transistor Q₂z wird verhindert, daß der Transistor Q.. leitet, so daß zur Basis des Transistors Q„_o keine Vorspannung gelangt. Bei nichtleiten dem Transistor Q_₂ kann der Transistor Q__Q nichtlLeiten und erscheint am Ausgang C kein Ausgangssignal.

Wenn die Eingangsspannung bis in die Nähe des Schwellwertes, d.h. IO8 mV ansteigt, nähert sich die Spannung an der Basis des Transistors Q₁₀ der Spannung an der Basis des Transistors Q.-, λ» und die Transistoren Q₁₀ und Q₁₂ beginnen zu leiten, so daß den Konstantstromerfordernissen des Transistors Q₁_ teilweise genügt wird. Dies hat zur Folge, daß die Transistoren Q₁- und Q₁, um einen Betrag weniger stark leiten, der gleich dem von den Transistoren Q_1Q und Q₁₂ an den Transistor Q₁_ gelieferten Strom ist. Wenn der Transistor Q₁- zu leiten anfängt, beginnt die Vorspannung an der Basis des Transistors Q₉₀ abzusinken, so daß die Transistoren Q₂₀ und Q₂₂ weniger stark leiten. Zugleich werden die Transistoren Q₂/- und Q₂. durch die ansteigende Spannung an der Basis des Transistors Q-. in den leitenden Zustand gespannt. Da der Transistor Q„- einen konstanten Strom entnimmt, wird das Absinken des Stromes von den Transistoren Q₂₀ und Q₂₂ durch die Transistoren Q₂. und Q₂, aufgenommen. Ferner beginnt, wenn die Transistoren Q_· und Q„^ zu Leiten anfangen, der Transistor Q« ,zu leiten, so daß auch die Transistoren Q._ und Q._n zu leiten beginnen.

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Wenn der Transistor Q₃₀ in den leitenden Zustand gerät, beginnt die Spannung an der Anode der Diode D₁ abzufallen, was zur Folge.hat, daß der hohe Spannungsbezugspegel absinkt. Das heißt, die Differenzschaltung erhält vom Ausgang über den Transistor Q__Q

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eine positive oder regenerative Rückkopplung (Mitkopplung). In kurzer Folge bewirkt dieser Vorgang, der regenerativ ist, daß die Schaltung nach Art eines Schmitt-Triggers in denjenigen Zustand "kippt", in welchem die Transistoren Q-_ und Q.» stark leiten und ein Ausgangssignal am Ausgang C erscheint.

Wenn die Schaltung kippt, wird die Basis des Transistors Q₁-über den stark leitenden Transistor Q-- an Masse angeklammert. Die Bezugsspannung, d.h. die Spannung an der Anode der Diode D„, gelangt jetzt zum Eingang des Darlington-Differenzverstärkers mit den Transistoren Q_1n, Q_{1 9} , Q₁^ und Q₁O. Selbst wenn die Transistoren Q_1ft und Q₁₂ stark leiten, verhindert die der Basis des Transistors Q₁Z über den Transistor Q^g zugeführte Vorspannung, daß der Transistor Q₁• vollständig gesperrt oder abgeschaltet wird.

Wenn das Eingangssignal zwischen den Klemmen A und B auf null absinkt, nähern die Verhältnisse sich dem Ausgleichszustand, und die Schaltung kippt in ihren ursprünglichen Zustand zurück.

Während die Arbeitsweise der vorstehend beschriebenen Ausführungsform auf der Differenz des Stromes in durchlaßgespannten Dioden, die durch Widerstände in einem bekannten Verhältnis eingestellt ist, beruht, kann der entsprechende Spannungsabfall auch auf andere Weise herbeigeführt werden, beispielsweise indem man die pn-Übergänge der Dioden D₂, D., D^ so groß macht, daß der von den k Dioden entnommene Strom ausreicht, um die gewünschte Spannungsdifferenz zwischen den Diodenketten herzustellen.

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Claims (4)

1. - 9 Patentansprüche

   ί 1,iSchwellwertdetektorschaltung für niedrige Spannungen, die ein Ausgangssignal erzeugt, wenn ein in seiner Spannung schwankendes Eingangssignal einen vorbestimmten Schwellwert erreicht, mit einer Differenzstufe mit zwei Eingängen und einem Ausgang, die das Ausgangssignal liefert, wenn die Spannung an einem ihrer Eingänge eine vorbestimmte Beziehung zur Spannung am anderen Eingang erreicht J sowie mit zwei Bezugsspannungsgebern, deren Spannungsdifferenz einen vorbestimmten, auf die wahrzunehmende Spannung bezogenen Wert hat, gekennzeichnet durch eine Anordnung, welche das Eingangssignal zwischen einen (D₂* ®λ > ^6^ **^er* Bezugsspannungsgeber und den ersten Eingang der Differenzstufe koppelt, und eine Anordnung, welche den anderen Bezugsspannungsgeber (D₁, D-, D_) mit dem zweiten Eingang der Differenzstufe verbindet, wobei die Bereitstellung des Ausgangssignals am Ausgang der Differenzstufe bewirkt, daß die Spännung an ihrem ersten Eingang die vorbestimmte Beziehung zur Spannung am zweiten Eingang annimmt.
2. 2. Schwellwertdetektorschaltung nach Anspruch 1, d a d u r ch gekennzeichnet , daß die beiden Bezugsspannungsgeber je eine oder mehrere, in Reihe geschaltete durchiaßgespannte Dioden enthalten.
3. 3. Schwellwertdetektorschaltung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Anordnung, welche den Bezugspegel des zweiten Bezugsspannungsgebers in Abhängigkeit vom Zustand am Ausgang der Differenzstufe in einem solchen Sinne verändert, daß in die Differenzstufe eine positive Rückkopplung eingeführt wird.
4. 4. Schwellwertdetektorschaltung nach Anspruch 2 oder Z₃ dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannungs geber je eine gleiche Anzahl von gleichartigen Dioden enthalten und daß eine Anordnung vorgesehen ist, welche durch die Dioden des

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   ersten Bezugsspannungsgebers einen Strom schickt, der in einem 'vorbestimmten Verhältnis zum Strom durch die Dioden des zweiten Bezugsspannungsgebers steht.

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