DE2240181C2

DE2240181C2 - Steuer- oder Regeleinrichtung mit einem Schalttransistor

Info

Publication number: DE2240181C2
Application number: DE2240181A
Authority: DE
Inventors: Thomas Marinus Scottsdale Ariz. Frederiksen; Ronald Winston Mesa Ariz. Russell
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1971-08-16
Filing date: 1972-08-16
Publication date: 1983-11-17
Also published as: US3735151A; DE2240181A1; JPS4833335A

Description

a) Der Schalttransistor (35) ist an seiner Basis außer von dem Ausgangstransistor (22) des Komparators (10) noch von einer Konstantstromquelle (30) angesteuert,

b) der Konstantstrom (I\) ist derart dimensioniert, daß der Schalttransistor (35) bei gesperrtem Ausgangstransistor (22) in den Sättigungszustand geht,

c) die Konstantstromquelle (30) besteht aus einem Transistor (31) dessen Kollektor mit der Basis des Schalttransistors (35) und dessen Emitter mit der Versorgungsspannungsklemme (V+) verbunden ist,

d) die Basis-Emitter-Strecke des Transistors (31) der Konstantstromquelle (30) ist von einer Vorspannung [AV) gespeist, die um einen konstanten Betrag unter der Versorgungsspannung C'<0 ''eg* ^und durch eine Vorspannungsquelle (40) au?, der Versorgungsspannung abgeleitet ist.

2. Steuer- oder Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungsquelle (40) folgende Merkmale aufweist:

a) Abgriff eines Teils der Versorgungsspannung an einem Spannungsteiler (61,62) zur Ansteuerung des ersten Eingangs eines Differenzverstärkers (63,51),

b) Abgriff einer Bezugsspannung an einer Diodenkette (41 bis 44) zur Ansteuerung des zweiten Eingangs des Differenzverstärkers (63,51),

c) Mehrfachkollektortransistor (50), dessen Emitter an der Versorgungsspannung (V) liegt, dessen erster Kollektor die Diodenkette (41 bis 44) speist und dessen zweiter Kollektor mit der Basis eines zweiten Transistors (55) verbunden ist, der seinerseits die Basis des Mehrfachkollektortransistors (50) steuert,

d) der Ausgang des Differenzverstärkers (h) ist mit dem zweiten Kollektor des Mehrfachkollektortransistors (50) verbunden,

e) als Vorspannung (Δ V^dient die Steuerspannung an der Basis des Mehrfachkollektortransistors (50).

3. Steuer= oder Regeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Diodenkette (41 bis 44) eine Begrenzungsspannung (3 Φ bzw. 4 Φ) abgeleitet ist, die der Basis eines Strombegrenzungstransistors (71) zugeführt ist, der zwischen die Versorgungsspannung (V) und den Schalttransisior (35) geschaltet ist.

Die Erfindung betrifft eine Steuer- oder Regeleinrichtung mit einem Schalttransistor in Emitterschaltung als Stellglied, der vom Ausgangstransistor eines Komparators angesteuert ist und der dann in den Sättigungszustand geht, wenn die an einem ersten Eingang des Komparators anliegende Eingangsspannung je nach Leitfähigkeitstyp der Komparatortransistoren größer oder kleiner ist als eine am zweiten Eingang anliegende Referenzspannung.

ίο Eine derartige Steuer- oder Regeleinrichtung ist aus der DE-AS 12 52 304 bekannt In dieser Druckschrift ist eine Schaltungsanordnung mit einem Schalttransistor in Emitterschaltung als Stellglied beschrieben, bei welcher der Schalttransistor vom Ausgangstransiscor eines Komparators angesteuert ist, und zwar in der Weise, daß der Ausgangstransistor dann in den Sättigungszustand geht, wenn die an einem ersten Eingang des Komparators anliegende Eingangsspannung größer ist als eine am zweiten Eingang anliegende Bezugsspannung.

Weiterhin ist es aus der US-FS 32 50S22 bekannt, einen Schalttransistor über einen Konstantstrom zu speisen.

Weiterhin ist aus der DE-OS 15 63 633 eine Konstantstromregelung bekannt, bei welcher der Laststrom in einem Vergleichselement mit einem Strom-Sollwert verglichen wird und ein Schalttransistor als Stellglied verwendet wird. Der Schalttransistor wird vom Ausgangssignal des Vergleichselementes gesteuert, und es ist bei dieser bekannten Schaltung weiterhin vorgesehen, daß dem Schalttransistor über eine Vorspannungsschaltung eine Vorspannung zugeführt wird.

Den bekannten Schaltungen ist gemeinsam der Nachteil eigen, daß sie zur Verwendung unter solchen Einsatzbedingungen wenig geeignet sind, wie sie nachfolgend geschildert werden. Zum Verständnis der Erfindung, insbesondere im Hinblick auf die Formulierung der Erfindungsaufgabe, erscheint es zweckmäßig, folgende praktische Verhältnisse und die daraus resultierenden Betriebsbedingungen zu berücksichtigen:

Bei der Stromversorgung von Kraftfahrzeugen stellt die Veränderlichkeit der Versorgungsspannung ein

•»5 wesentliches Problem dar. Bei einem 12-Volt-System können im eingeschwungenen Zustand Änderungen bis zu 8 Volt auftreten, wobei durch stoßförmige Schaltvorgänge Spannungs^nderungen bis zu 30 Volt möglich sind. Dies wird hauptsächlich durch die ungünstigen Umgebungsbedingungen im Motorraum und durch die großen Ströme bedingt, die für das Zündsystem benötigt werden.

Bei zunehmendem Interesse, sehr empfindlich elektronische Schaltungseinrichtungen innerhalb des Motorraumes unterzubringen, um verschiedene Parameter abzutasten und Steuersignale, z. B. zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung, vorzusehen, bereitet die Stromversorgung für diese elektronischen Einrichtungen Schwierigkeiten, wenn möglichst konstante Versorgungsspannungen notwendig sind= Außer den elektronischen Einrichtungen im Motorraum sind weitere elektronische Geräte vorgesehen, die z. B. zum Messen der Bremsdruckflüssigkeit, zum Abtasten der Gleittreibung beim Bremsen und zum Auslösen von Warnlampen erforderlich sind, wenn die vielseitigen Systeme nicht normal arbeiten. Für diese empfindlichen Geräte ist eine Stromversorgung aus der Kraftfahrzeugbatterie schwierig, da diese zu große Spannungsschwankungen

hat Es ist auch schwierig, eine Schaltung vorzusehen, von welcher ein verhältnismäßig großer Strom abgeleitet werden kann, da die Fähigkeit einer Schaltung, Strom abzuleiten, in der Regel von der Versorgungsspannung abhängt Ferner ist es notwendig, daß bei der Anzeige bestimmter Bedingungen, z.B. durch einen

§ Meßkomparator, der für sehr empfindliche Messungen f Verwendung finden kann, ein ausreichender Steaer-

strom vorhanden sein muß, um ausgangsseitige Schaltkreise auszusteuern, z. B. einen Ausgangstransistör in den Sättigungszustand zu treiben, der seinerseits

; einen Schaltkreis öffnet oder schließt

Die Fähigkeit einen ausreichenden Strom abzuleiten, ist besonders wichtig, wenn ein Schaltkreis eine Schaltfunktion ausführen soll, um einen Stromkreis über einen Verbraucher an Masse zu schließen. In diesem Fall muß der Schaltkreis auch in der Lage sein, einen Teil des Verbraucherstromes aufzunehmen und abzuleiten. Um sicherzustellen, daß ein bestimmter Schaltkreis einen bestimmten Strom führen kann, muß der Betrag dieses Stromes bekannt sein. Selbst wenn dieser Betrag des Stromes bekannt ist, müssen Strombegrenzungseirrichtungen vorgesehen werden für den Fall, daß außergewohnlich hohe Ströme zufällig durch ungewöhnliche Lastbedingungen auftreten. Strombegrenzungsschaltungen sind als solche bekannt, jedoch hängt der Betrag des Stromes, den sie ableiten oder verarbeiten können, sehr stark von der Amplitude der Versorgungsspannung ab. Änderungen der Spannung von 30VoIt und mehr bewirken, wenn sie an herkömmliche Strombegrenzungsschaltungen angelegt werden, daß der Schutz durch eine wirksame Strombegrenzung in einem weiten Bereich verschieden ist. Somit können ohne andere Vorkehrungen Strombegrenzungsschaltungen in Festkörperausführung nicht zuverlässig in der ungünstigen Umgebung des Motorraumes eines Kraftfahrzeuges verwendet werden, da sie nicht in der Lage sind, sowohl die Spannungsschwankungen im eingeschv/ungenen Zustand als auch Spannungsstöße zu verarbeiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuer- oder Regeleinrichtung der eingangs näher genannten Art zu schaffen, mit welcher der zur Ansteuerung des Schalttransistors verwendete Strom unabhängig von Änderungen der Versorgungsspannung konstant gehalten wird, sodaß der Schalttransistor stets mit Sicherheit in die Sättigung gesteuert wird, wenn der Ausgangstransistor abgeschaltet wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung folgende Merkmale vor:

a) Der Schalttransistor ist an seiner Basis außer von dem Ausgangstransistor des !Comparators noch von einer Konstaatstromquelle angesteuert,

b) der Konstantstrom ist derart dimensioniert, daß der Schalttransistor bei gesperrtem Ausgangstransistör in den Sättigungszustand geht,

c) die Konstantstromquelle besteht aus einem Transistor, dessen Kollektor mit der Basis des Schalttransistors und dessen Emitter mit der Yersorgungsspannungsklemme verbunden ist,

d) die Basis-Emitter-Strecke des Transistors der Konstantstromquelle ist von einer Vorspannung gespeist, die um einen konstanten Betrag unter der Versorgungsspannung liegt und durch eine Vorspannungsquelle aus der Versorgungsspannung abgeleitet ist.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schaltung läßt sich Ha«: Problem der veränderlichen Stromableitfähigkeit lösen, indem ein Strom über eine Stromquelle geführt wird, die von einer von der Versorgungsspannung unabhängigen Steuerspannung steuerbar ist die durch einen konstanten, über eine Anzahl von Dioden geführten Strom geschaffen wird. Offensichtlich ändert sich die von den Dioden abgegriffene Spannung nicht wenn die Versorgungsspannung V+ Änderungen unterworfen ist, da der Spannungsabfall an jeder Diode durch den konstanten Strom konstant gehalten werden

i" kann. Damit ändert sich auch nicht der Strom in dem Ausgangsschaltkreis, wenn Änderungen der Versorgungsspannung auftreten. Dies führt zu einer sehr exakten Stromableitfähigkeit einer bestimmten Schaltung und ermöglicht den Aufbau von Ausgangsschaltkreisen, die verschiedene Lastbedingungen zu verarbeiten in der Lage sind. So ist es möglich, Schaltkreise zu schaffen, die z. B. die Stromableitfunktion für Ströme zwischen 1 bis 2 Milliampere, für 25 Milliampere und 300 Milliampere übernehmen können.

-" Bezüglich der Unabhängigkeit des Steuerstromes ist vorgesehen, daß dieser von einer Stromquelle ableitbar ist, die einen Transistor umfaßt der mit einer Spannung vorgespannt wird, welche immer um einen konstanten Betrag unterhalb der Versorgungsspannung liegt

Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Vorspannung an der Basis eines Transistors, dessen Emitter mit der Versorgungsspannung V+ verbunden ist Wenn diese Vorspannung der Versorgungsspannung V+ mit einem bestimmten Δ V unter-

JO halb des Wertes der Versorgungsspannung folgt, dann ist der von dieser Stromquelle erzeugte Strom konstant unabhängig von der Versorgungsspannung. Aufgrund dieser Unabhängigkeit kann der Ansteuerstrom dazu benutzt werden, zuverlässig einen ausgangsseitigen Transistor wahlweise in die Sättigung zu steuern. Ein solcher wahlweise in die Sättigung steuerbarer Transistor stellt einen Schaltkreis dar, mit dem eine Umschaltfunktion ausführbar ist
Die einzelnen Schaltungen als Ausführungsformen der Erfindung, die nachfolgend beschrieben werden, haben eine Stufe mit verhältnismäßig hoher Verstärkung, die ebenfalls den Ausgangsschaltkreis veranlassen, als Schalter wirksam zu sein. Diese Schalterwirkung ergibt sich aufgrund der Tatsache, daß der ausgangsseitige Transistor unter bestimmten Ansteuerbedingungen in den Sättigungszustand steuerbar ist und bei allen anderen Ansteuerungsbedingungen keinen Strom führt. Die Schaltungen stellen keine Schalter in dem Sinne dar, daß sie keine Rückkopplungen oder Kippschaltungen aufweisen. Jedoch läßt sich eine wirkliche Umschaltfunktion durch den konstanten Steuerstrom und die große "erstärkung der Verstärkerstufen dadurch erzielen, daß der ausgangsseitige Transistor entweder im Sättigungszustand oder im nicht leitenden Zustand betrieben wird. Vorzugsweise findet als ausgangsseitiger Transistor ein NPN-Transistor mit einem geerdeten Emitter Verwendung, wobei der Kollektor als Anschlußklemme ausgebildet ist und wobei Verbraucher zwischen dieser Anschlußklemme und der Versorgungsspannung eingeschaltet werden, wenn der Transistor einen Sättigungsstrom führt. Es ist jedoch auch möglich, den Transistor an einer anderen Stelle des Lastkreises anzuordnen.

Die Einrichtung gemäß der Erfindung bietet den

Vorteil, daß ihr Ausgangssignal sich nicht mit Änderungen der Versorgungsspannung verändert, so daß sie insbesondere für tragbare Netzteile besonders vorteilhaft anwendbar ist

Der erfindungsgemäße Schaltkreis kann wegen seiner hohen Verstärkung eine Umschaltfunktion ausführen.

Ein weiterer Vorteil dieses Ausgangsschaltkreises besteht darin, daß er in einer Weise arbeitet, daß der Steuerstrom für die ausgangsseitige Stufe und der Betrag des Laststromes, der über diese Stufe abgeleitet werden kann, unabhängig von Änderungen der Versorgungsspannung sind. Damit ist der Schaltkreis sehr unempfindlich und kann z. B. in Verbindung mit ι ο tragbaren Energieversorgungen aus Batterien vorteilhaft eingesetzt werden. Wenn ein am Komparator wirksames Eingangssignal unter einen bestimmten Wert absinkt, wird der Ausgangstransistor in die Sättigung gesteuert. Wenn der Komparator seinen Schaltzustand ändert, wird dieser Steuerstrom über einen Transistor des Komparators an Masse abgeleitet. Damit kann der ausgangsseitige Transistor eine Schaltfunktion ausführen und einen bestimmten Strom im geschlossenen Zustand des Schaltkreises ableiten.

Bei elektronischen Schaltkreisen gibt es auch Schwierigkeiten bei der Ableitung von Verlustwärme, die häufig durch verhältnismäßig große Ströme erzeugt wird. Dies gilt z. B. für die elektrische bzw. elektronische Ausrüstung von Kraftfahrzeugen. Die Entwicklung eines Ausgangsschaltkreises gemäß der Erfindung in integrierter Schaltkreistechnik läßt es aus Rationalitätsgründen wünschenswert erscheinen, mehrere solcher Schaltkreise in einem Gehäuse auf einem oder mehreren Halbleiterplättchen unterzubringen. Solange nur ein einziger Ausgangsschaltkreis innerhalb eines Gehäuses vorgesehen ist. bereitet die Wärmeableitung in der Regel keine allzu großen Schwierigkeiten. Wenn jedoch mehrere Schaltkreise dieser Art in einem Gehäuse zusammengefaßt werden sollen, ist es zweckmäßig, wenn der gesamte durch diese Schaltkreise abzuleitende Strom unabhängig von der Versorgungsspannung ist und im voraus genau festgelegt werden kann. Damit läßt sich eine Auswahl von Ausgangsschaltkreisen mit bestimmten Betriebsdaten für bestimmte -»o Anwendungen treffen, die in einem Gehäuse zusammen untergebracht werden können, da der abzuleitende Strom genau festlegbar ist. Wenn Schaltkreise mit sehr hoher Stromableitung Verwendung finden sollen, ist es möglich, einen Leistungstransistor außerhalb des integrierten Halbleiterplättchens anzuordnen, um das Halbleiterplättchen vor Wärmeableitproblemen zu schützen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild eines Ausgangsschaitkreises gemäß der Erfindung, in Verbindung mit einem Komparator, der in der Lage ist, 1 bis 2 Milliampere Strom abzuleiten;

F i g. 2 das Schaltbild einer Ausgangsschaltung, die in der Lage ist. 20 Milliampere Strom abzuleiten, und eine Strombegrenzungsschaltung umfaßt, die mit einer von der Spannungsversorgung unabhängigen Spannung vorgespannt ist;

F i g. 3 das Schaltbild eines Ausgangsschaltkreises, der in der Lage ist 300 Milliampere abzuleiten, wobei eine Darlington-Stufe Verwendung findet, von der der eine Transistor auf einem Halbleiterplättchen und der andere Transistor außerhalb des Halbleiterplättchens angeordnet sind, damit das HarDieiterpiättchen keine Aufwärmung durch den zu übertragenden Strom erfährt;

F i g. 4 das Schaltbild einer Stromquelle, die einen von der Versorgungsspannung unabhängigen Strom sowohl für den Komparator gemäß F i g. I als auch für die verschiedenen Ausführungsformen des Ausgangsschaltkreises liefern kann.

Der im Zusammenhang mit der Beschreibung benutzte Begriff »Konstantstromquelle« bedeutet, daß eine Stromquelle einen von der Versorgungsspannung unabhängigen Strom liefern kann, wobei dieser Strom auch unabhängig von der Spannung an dem Verbindungspunkt ist, in welchen der Strom eingespeist wird.

Gemäß Fig. 1 wird ein Komparator 10 von einer Stromquelle 15 aus angesteuert und besteht aus Darlington-gekoppelten PNP-Transistoren 11 bis 14, die als Differenzverstärker zusammengeschaltet sind. Am Ausgang des Differenzverstärkers ist ein Wandler aus einer Diode 18 und einem NPN-Transistor 19 geschaltet, der aus dem Differenzsignal — bzw. symmetrischen Ausgang — einen unsymmetrischen Ausgang derart macht, daß die Spannungsdifferenz zwischen einer Bezugsspannung V_B und einer Eingangsspannung V_1n an den Eingangsklemmen 20 und 21 als Kollektorstrom des Transistors 19 in Erscheinung tritt. Dieser Strom steuert einen Emitterfolger in Form eines emittergeerdeten NPN-Transistors 22 an. Dieser Transistor ist derart vorgespannt, daß er bei einem Eingangssignal V_m > V_B in den Sättigungszustand gesteuert wird. Für den Fall V_1n < V₈ wird der Transistor 22 nicht leitend gemacht. Somit arbeitet die Schaltung als Komparator, um das Eingangssignal V_1n mit der Bezügsspannung Vn zu vergleichen und je nach dem Verhältnis V,>,zu Veden Transistor entweder in den Sättigungszustand oder in den nicht leitenden Zustand zu steuern.

Dieser Komparator ist jedoch nicht in der Lage, sehr viel Strom abzuleiten oder aufzunehmen, wie er sich ergeben würde, wenn ein Verbraucher mit niedriger Impedanz zwischen den Kollektor des Transistors 22 und die positive Versorgungsspannung V+ geschaltet würde. Dieses Ableiten bezieht sich auf den Strom, der durch den Differenzverstärker und den Wandler gezogen würde, um den Transistor 22 im Sättigungszustand zu halten.

Der Zweck der Schaltung besteht darin, den sättigbaren Ausgangstransistor unabhängig von der Versorgungsspannung anzusteuern. Dabei soll auch der Betrag des Stromes, den der Ausgangstransistor ableiten kann, unabhängig von der Versorgungsspannung sein.

Die von der Versorgungsspannung unabhängige Ansteuerung des sättigbaren Transistors läßt "ich mit Hilfe des Ausgangsschaltkreises 25 gemäß Fig. 1 erzielen. In diesem Schaltkreis ist eine Konstantstromquelle innerhalb des gestrichelten Kreises 30 dargestellt. Im vorliegenden Fall handelt es sich um einen PNP-Transistor 31, dessen Basis auf einer Spannung festgehalten wird, die um den Wert Δ V unterhalb der Versorgungsspannung V+ liegt Nachfolgend wird gezeigt, daß die Basis dieses Transistors auf einem Wert 4Vunterhalbderam Emitter wirksamen Spannung V+ derart gehalten werden kann, daß der in dem Transistor erzeugte Strom konstant ist Dieser Strom ist mit Z₁ bezeichnet

Dieser konstante Strom I\ wird der Basis eines NPN-Schalttransistors 35 zugeführt wenn der Ausgangstransistor 22 des Komparators abgeschaltet ist Das Anlegen des von der konstanten Stromquelle 30 erzeugten Stromes an die Basis des Transistors 35 sättigt diesen mit einem konstanten Strom derart, daß.

wenn das Eingangssignal V_1n < Vb ist, der Transistor 35 einen Sättigungsstrem führt. Wenn dagegen das Eingangssignal V,„ > Vb ist, wird der Transistor in den nicht leitenden Zustand gesteuert. Damit ist die Ansteuerung für den Schalttransistor 35 konstant 'nsofern, ?*3 sie unabhängig von der Versorgungsspannung ist.

Es wird jedoch nicht nur eine Unabhängigkeit von der Versorgungsspannung, sondern auch eine zusätzliche Verstärkung durch den Transistor 35 erzielt, der als Verstärkerstufe mit extrem hoher Verstärkung wirksam ist. Damit wird die Umschaltcharakteristik des Schaltkreises verbessert, so daß dieser ohne Rückkopplung ein sehr gutes Umschaltverhalten zeigt. Die Spannung an der Basis des Transistors 31 der konstanten Stromquelle 30 wird mit Hilfe einer Vorspannungsschaltung 40 auf eine gegenüber der Versorgungsspannung festliegende Spannung fixiert.

Der Zweck der Vorspannungsversorgung ist ein zweifacher. Im ersten Fall soll eine von der Versorgungsspannung V+ unabhängige Vorspannung geschaffen werden. Diese Spannung findet in Verbindung mit der Schaltung gemäß Fig.2 Verwendung. Im zweiten Fall soll eine Spannung erzeugt werden, die um einen konstanten Betrag AV unterhalb der Versorgungsspannung V+ liegt, wie dies durch den Doppelpfeil 36 in F i g. 1 angedeutet ist. Wenn Δ V konstant gehalten wird, ist der Strom I_x der konstanten Stromquelle 30 unabhängig von der Versorgungsspannung, da der durch den Transistor 31 erzeugte Strom direkt proportional dem Spannungsabfall Vbe an der Basis-Emitterstrecke ist. Wenn diese Spannung Δν beträgt, muß der Strom A konstant und unabhängig von der Versorgungsspannung V+ sein.

Wenn man annimmt, daß der Transistor 50 leitend ist, dann fließt ein Strom /2 von einem der Kollektoren dieses Transistors über die Dioden 41, 42, 43 und 44 nach Masse. Jede dieser Dioden hat einen Spannungsabfall von Φ. Somit liegt die Spannung am Verbindungspunkt 45 um 2 Φ über dem Massepotential. Diese Spannung wird der einen Seite eines Differenzverstärkers zugeführt, d.h. an die Basis des Transistors 51 angelegt. Damit wird der Transistor 51 leitend, so daß ein Emitterstrom l_e fließt, der gleich Φ/Rc ist, wobei R_e der Wert des Widerstandes 52 ist, der zwischen dem Emitter des Transistors 51 und Masse liegt Φ ist der Spannungsabfall V_BE an der Basis-Emitterstrecke des Transistors 51. Wenn der Transistor 51 einen hohen Verstärkungsgrad aufweist, nimmt der Kollektorstrom I₃ in etwa den Wert /, an. Somit wird der Kollektorstrom /3 von dem Widerstandswert R_e bestimmt. Wenn der Transistor 50 leitend ist, fließt über den zweiten Kollektor ein Strom /4. Normalerweise ist die Basis des Transistors 50 mit dem unteren Kollektor des Transistors 50 verbunden. Dies würde jedoch einen Basisstromanteil im Kollektorstrom auslösen. Um diesen Basisstromanteil zu verringern, ist ein Transistor 55 zwischen die Basis und den unteren Kollektor des Transistors 50 geschaltet Die Verringerung des Basisstromanteils ergibt sich aufgrund der hohen Verstärkung dieses Transistors. Wenn man dem Transistor 55 einen Basisstrom I₅ zuordnet, ergibt sich als Kollektorstrom I₃ der Strom I₃ = I₄ + I₅. Wenn jedoch nicht zu viele Transistoren an dem Vorspannungsversorgungspunkt 60, d. h. der Basis des Transistors 50 angeschlossen sind, ist der Basisstrom I₅ klein im Vergleich zu U, da /5 gleich dem Basisstrom des Transistors 50 geteilt durch die verhältnismäßig große jJ-Verstärkung des Transistors 55 ist. Damit wird U = /3 = Φ/Re, was bedeutet, daß der Strom h unabhängig von der Versorgungsspannung V+ ist. Wenn dies der Fall ist, ist auch h unabhängig von der Versorgungsspannung V+ aufgrund der Symmetrie des PNP-Transistors. Da die Emitterinjektion des Transistors 50 durch U in einem symmetrisch angeordneten Transistor festgelegt wird, ist auch die Emitterinjektion des Transistors 50 unabhängig von der Versorgungs spannung V+. Durch die von der Versorgungsspannung unabhängig gemachte Emitterinjektion wird auch der Strom in dem anderen Kollektor unabhängig von der Versorgungsspannung, d. h. der gesamte Strom U + h ist unabhängig von der Versorgungsspannung. Da nun sowohl der gesamte Strom U + h als auch ein Teil des Stromes U unabhängig von der Versorgungsspannung sind, ergibt sich auch eine Unabhängigkeit für den Stromanteil h. Dies würde selbst dann der Fall sein, wenn h und /4 nicht gleich wären, was bei verschiedenen

Kollektorgeometrien der Fall sein würde.

Die Unabhängigkeit von h bedeutet, daß der Strom durch die Dioden 41,42,43 und 44 konstant ist und somit an diesen Dioden ein konstanter Spannungsabfall entsteht. Für eine konstante Spannung 3 Φ wird diese Spannung an der Anode der Diode 41 abgegriffen. Für eine konstante Spannung 4 Φ wird diese Spannung an der Anode der Diode 44 abgegriffen.

Da der Kollektorstrom vom Transistor 50 konstant ist (U + h\ ist der über den Transistor 50 fließende Strom und auch der Spannungsabfall an der Basis-Emitterstrecke des Transistors 50 konstant und gleich V_Be, so daß die Basisspannung um einen konstanten Betrag Δ V unter der Versorgungsspannung V+ liegt. Diese Basisspannung liegt am Transistor 31. Wenn somit die Vorspannung am Verbindungspunkt 60 an die Basis des Transistors 31 angeiegi wird, ist der Ström ή konstant und unabhängig von der Versorgungsspannung V+. Dies ist der Fall aufgrund des über den Transistor 50 fließenden konstanten Stromes aufgrund der konstan ten Basisspannung Δ V.

Die beschriebene Vorspannungsschaltung hat jedoch einen Nachteil, da sie nicht von selbst zu wirken anfängt. Dies ist bedingt durch die völlige Unabhängigkeit von der Versorgungsspannung, welche verhindert daß der

Transistor 50 anfänglich eingeschaltet wird.

Als Startschaltung finden ein verhältnismäßig hochohmiger Widerstand 61, eine Diode 62 und ein Transistor 63 Verwendung, wobei letzterer der eine Transistor des Differenzverstärkers ist

so Nach dem Anlegen der Versorgungsspannung fließt ein Strom über den Widerstand 61 und die Diode 62. An der Basis des Transistors 63 wirkt aufgrund dieses Stromes eine Spannung in der Größe von 1 Φ. was dem Spannungsabfall an der Diode 62 entspricht Damit wird der Transistor 63 schwach leitend. Da die Kollektoren der Transistoren 63 und 51 aufgrund der Differenzverstärkeranordnung miteinander verbunden sind, beginnt der Strom /3 zu fließen und schaltet sowohl den Transistor 50 als auch den Transistor 55 in den leitenden Zustand. Die Spannung ain Verbindungspunkt 45 steigt damit rasch auf den Wert 2 Φ zn. Sobald sich dies einstellt, wird an der Basis des Transistors 51 eine Spannung vom Wert 2 Φ und an der Basis des Transistors 73 eine Spannung vom Wert 1 Φ wirksam.

Dieses bewirkt, daß der Transistor 63 aufgrund der Differenzverstärkerwirkung abgeschaltet wird, sobald der Transistor 50 zu leiten anfängt Es sei hervorgehoben, daß Änderungen der Versor-

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gungsspannung, die sich am Widerstand 61 auswirken, nicht auf die Vorspannung übertragen werden, da der Transistor 63 nicht leitet. Damit wird aufgrund der Umschaltung durch den Differenzverstärker die Startschaltung abgeschaltet, sobald der Transistor 50 leitend gemacht ist.

In Fig.2 wird eine Schaltung dargestellt, bei der zusätzlich fine unabhängige Stromableitung bewirkt wird. Der Ausgangsschaltkreis 25 hat kein Strombegrenzungsnetzwerk und sollte daher auch nur für Anwendungsfälle benutzt werden, bei welchen nur etwa 1 bis 2 Milliampere Laststrom geschaltet wird.

Der Ausgangsschaltkreis 25' gemäß Fig.2 ist mit einer einfachen, jedoch sehr wirksamen Strombegrenzungsschaltung versehen, die innerhalb der gestrichelten Umgrenzung 70 angeordnet ist und eine aus einem N PN-Transistor aufgebaute Stromquelle 71 in Serie mit einem Widerstand 72 aufweist. Obwohl der Strom über den Widerstand 72 und den Transistor 7i durch die Größe des Widerstandswertes begrenzt ist, wird die primäre Kontrolle über den Anteil des Stromes, der am Emitter des Transistors 71 erzeugt werden kann, durch die an die Basis dieses Transistors angelegte Spannung bewirkt. Wenn diese Spannung unabhängig von der Versorgungsspannung ist, ergibt sich auch für den erzeugten Strom eine Unabhängigkeit von der Versorgungsspannung. Wenn der Strom andererseits unabhängig von der Versorgungsspannung ist, kann die Strombegrenzung sehr genau eingestellt werden, unabhängig von der Versorgungsspannung. Damit wird die Fähigkeit, Strom abzuleiten, eindeutig definiert.

Die an die Basis des Transistors 71 angelegte Spannung ist in der Tat unabhängig von der Versorgungsspannung, wenn sie von der Anode einer der Dioden 41, 42, 43 und 44 der Vorspannungsschaltung 40 gemäß F i g. 1 abgegriffen wird. Die im vorliegenden Fall vorgesehene Spannung ist an der Anode der Diode 41 abgegriffen und hat einen Wert von 3 Φ gegenüber Masse.

Der Transistor 35 ist bei der Ausführungsform gemäß *o F i g. 2 in Abweichung von der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 1 mit seinem Emitter an die Basis eines weiteren Ausgangstransistors 45 angeschlossen, der immer dann im Sattigungszustand betrieben wird, wenn der Transistor 35 in den Sattigungszustand gesteuert ist. Dieser Ausgangstransistor 75 ist mit dem Emitter an Masse angeschlossen und liegt kollektorseitig an der Ausgangsklemme 76.

Wenn der Transistor 75 Sättigungsstrom führt, liegt an der dem Kollektor des Transistors 35 zugewendeten so Seite des Widerstandes 72 eine Spannung Φ, die dem Basis-Emitterspannungsabfall des Transistors 75 entspricht Die Spannung am Emitter des Transistors 71 beträgt 2 Φ, nachdem an der Basis-Emitterstrecke des Transistors 71 eine weitere Spannung von 1 Φ abfällt, & h. am Widerstand 72 wirkt eine Spannung von der Größe Φ, so daß der maximale Strom, der der Basis des Transistors 75 zugeführt werden kann, Φ/R ist Damit wird auch die Basisansteuerung dieses Transistors unabhängig von der Versorgungsspannung. Wenn jedoch die Basisansteuerung unabhängig von der Versorgungsspannutg ist dann beträgt der maximale Strom, den der Transistor 75, ohne aus der Sättigung zu kommen, ableiten kann, Φ/R - j?75, wobei β die Stromverstärkung des Ausgangstransistors 75 ist Damit kann durch die Einstellung des Wertes R die Ableitfähigkeit des Ausgangsschaltkreises für eine verhältnismäßig große Variationsbreite des Stromes

35 eingestellt wurden, wobei diese Stromableitfähigkeit unabhängig von der Versorgungsspannung ist. Wenn ein Verbraucher mehr Strom ziehen möchte als durch die Schaltung vorgesehen ist, wird der Ausgangstransistor aus dem Sattigungszustand gesteuert, womit eine automatische Strombegrenzung sich ergibt und der Verbraucher vor einer Überbelastung geschützt wird.

Wenn es wünschenswert ist, mehr Strom ableiten zu können, dann kann ein Ausgangsschaltkreis 25" gemäß Fig.3 Verwendung finden. Bei dieser Schaltung sind zwei Transistoren 80 und 81 in Darlington-Schaltung betrieben, wobei der Emitter des Transistors 35 an die Basis des Transistors 80 angeschlossen ist. Der Transistor 81 stellt einen Leistungstransistor dar und kann entweder auf dem Halbleiterplättchen oder auch außerhalb des Halbleiterplättchens angeordnet werden. Durch diesen Transistor 81 fließt der größte Anteil des Laststromes. Der Anteil des Laststromes über den Transistor 80 isi /i/pei, "wobei //.der Laststrorn durcu uCfi Transistor 80 ist. Dieser Strom kommt direkt von dem Verbraucher und muß nicht von dem integrierten Schaltkreis geliefert werden.

In der Darlington-Anordnung ist der Transistor 81 niemals voll gesättigt, jedoch führt er trotzdem eine Schaltfunktion aus. Wenn der Kollektor des Transistors

80 direkt mit der Versorgungsspannung und nicht mit dem Laststrom gekoppelt wäre, würde der Transistor 80 im eingeschalteten Zustand aufgrund eines großen unkontrollierten Stromes und einer verhältnismäßig großen Kollektor-Emitterspannung überhitzt werden. Für den Fall, daß der Transistor 81 außerhalb des Halbleiterplättchens angeordnet ist, kann ein externer Widerstand, der nicht dargestellt ist, von der Versorgungsspannung V+ zum Kollektor des Transistors 80 führen und dazu benutzt werden, um den Strom auf einen bestimmten Betrag zu begrenzen. In diesem Fall ist der Kollektor des Transistors 80 über den externen Widerstand direkt mit der Versorgungsspannung und nicht mit dem Kollektor des Transistors 81 verbunden. In der dargestellten Ausführungsform dient der Widerstand 83 dazu, das Einschalten des Transistors 81 aufgrund eines Leckstromes zu verhindern und das Durchbruchverhältnis des Leistungstransistors zu verbessern. Wegen des zusätzlichen Ausgangstransistors

81 wird an die Basis des Transistors 71 eine Spannung in der Größe von 4 Φ angelegt, die von der Diode 44 gemäß F i g. 1 abgegriffen wird.

Bei dieser Ausführungsform läßt sich durch die Verwendung eines Hochleistungstransistors der Hauptanteil des Laststromes über diesen Transistor ableiten. Wie erwähnt, kann dieser Transistor auf dem Halbleiterplättchen angeordnet sein, jedoch ist es zweckmäßig, wenn höhere Ströme abgeleitet werden müssen, diesen außerhalb des Halbleiterplättchens vorzusehen, um die Wärmeableitung zu vereinfachen. Ebenso wie bei der Ausführungsform gemäß Fig.2 kann der gesamte, über den Ausgangsschaltkreis abzuleitende Strom unabhängig von der Versorgungsspannung abgeleitet werden, da dasselbe Strombegrenzungsnetzwerk mit dem Widerstand 72 und dem Transistor 71 Verwendung findet und da lediglich der Transistor 35 eine Umschaltfunktion im gesättigten Zustand ausführt.

In F i g. 4 ist eine kombinierte Stromquelle dargestellt, die anstelle der Stromquelle 30 und der Stromquelle 15 des Komparator 10 treten kann. Auch bei der Verwendung dieser kombinierten Stromquelle arbeitet auch der Komparator unabhängig von der Versorgungsspannung V+. Damit läßt sich der Vergleich

zwischen dem Eingangssignal V_1n und der Bezugsspaniung Vb viel genauer vornehmen, als dies bei einer nerkömmlichen Stromquelle der Fall ist, für welche nur bezüglich einer sich ändernden Versorgungsspannung ^ine Unabhängigkeit besteht. Die kombinierte Stromuuelle innerhalb des gestrichelten Kreises 90 gemäß F i g. 4 besteht aus einem PNP-Transistor 95 mit einem Dreifachkollektor. Der Kollektor 96 ist mit den Emittern der Transistoren 12 und 13 des Komparator verbunden. Die Kollektoren 97 und 98 sind zusammengefaßt und führen den Ansteuerungsstrom für die Basis des Transistors 35, der für alle drei Ausfuhrungsformen gemäß den F i g. 1 bis 3 als sättigbarer Umschalter dient. Die Kollektorbereiche dieses PNP-Transistors sind in der Regel gleich ausgebildet, so daß dem am Kollektor 97 und 98 abgreifbare Strom ein Vielfaches des am Kollektor 96 zur Verfügung stehenden Stromes ist. Damit kann doppelt soviel Strom für die Ansteuerung des Ausgangstransistors im Vergleich zu dem für einen sicheren Betrieb des Komparators nötigen Strom verwendet werden.

Wenn die Emittergeometrie der Transistoren 50, 31 und 95 identisch gleich vorgesehen wird, was möglich ist, da der Transistor 31 bzw. 95 dieselbe Basis-Emittervorspannung wie der Transistor 50 hat, kann der Kollektorstrom sowohl des Transistors 31 als auch des Transistors 95 einfach unter Bezugnahme auf den Strom /4 gemäß Fig. 1 berechnet werd-vn. Der Strom /1 wird jeJoch immer konstant sein, unabhängig davon, ob das charakteristische Verhalten der Transistoren 50 und 95 aneinander angepaßt ist oder nicht, da die Spannung am Anschlußpunkt 60 der Versorgungsspannung V+ mit einer Verschiebung um den Spannungsabfall Vbe an der Basis der Emitterstrecke des Transistors 30 folgt.

Die beschriebenen Ausgangsschaltkreise gemäß der Erfindung bieten den großen Vorteil, daß ihr ausgangsseitiges Verhalten sich nicht mit Änderungen der Versorgungsspannung verändert, so daß diese Schaltkreise sehr wertvoll für viele Anwendungsfälle Verwendung finden können und insbesondere für tragbare Netzteile besonders vorteilhaft sind.

Vorausstehend wurde ein mit einem Komparator versehener Schaltkreis beschrieben, der wegen seiner hohen Verstärkung eine Umschaltfunktion ausführen kann. Ein wesentliches Merkmal dieses Ausgangsschaltkreises besteht darin, daß er in einer Weise arbeitet, daß der Steuerstrom für die ausgangsseitige Stufe und der Betrag des Laststromes, der über diese abgeleitet werden kann, unabhängig von Änderungen der Versorgungsspannung sind. Damit ist der Schaltkreis sehr unempfindlich und kann z. B. in Verbindung mit tragbaren Energieversorgungen aus Batterien od. dgl. sehr nützlich und vorteilhaft eingesetzt werden. Wenn immer ein am Komparator wirksames Eingangssignal unter einen bestimmten Niveauwert absinkt, wird der Steuerstrom an einen Ausgangstransistor angelegt, um diesen in die Sättigung zu steuern. Wenn der Komparator seinen Schaltzustand ändert, wird dieser S*euerstrom über einen Transistor des Komparators nech Masse abgeleitet. Damit kann der ausgangsseitige Transistor eine Schalterfunktion ausführen und einer bestimmten Strombetrag im geschlossenen Zustand des Schaltkreises ableiten.

Bei elektronischen Schaltkreisen gibt es jedoch weiterhin auch noch Schwierigkeiten bei der Ableitung von Verlustwärme, die häufig durch verhältnismäßig große Ströme erzeugt wird, welche gehandhabt werden müssen. Dies gilt z. B. für die elektrische bzw. elektronische Ausrüstung von Kraftfahrzeugen. Die Entwicklung eines Ausgangsschaltkreises gemäß der Erfindung in integrierter Schaltkreistechnik läßt es aus Rationalitätsgründen wünschenswert erscheinen, wenn mehrere solcher Schaltkreise in einem Gehäuse auf einem oder mehreren Halbleiterplättchen untergebracht werden können. Solange nur ein einziger Ausgangsschaltkreis innerhalb eines Gehäuses vorgesehen ist, bereitet die Wärmeableitung in der Regel keine allzu großen Schwierigkeiten. Wenn jedoch mehrere Schaltkreise dieser Art in einem Gehäuse zusammengefaßt werden sollen, ist es zweckmäßig, wenn der gesamte durch diese Schaltkreise abzuleitende Strom unabhängig von der Versorgungsspannung ist und im voraus genau festgelegt werden kann. Damit läßt sich eine Auswahl von Ausgangs'chaltkreisen mit bestimmten Betriebsdaten für bestimmte Anwendungen treffen, die in einem Gehäuse zusammen untergebracht werden können, da der abzuleitende Strom genau festlegbar ist. Wenn Schaltkreise mit sehr hoher Stromab'situng Verwendung finden sollen, ist es möglich, einen Leistungstransistor außerhalb des integrierten HaIbleiterplättchens anzuordnen, um das Halbleiterplättchen vor Wärmeableitproblemen zu schützen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Steuer- oder Regeleinrichtung mit einem Schalttransistor in Emitterschaltung als Stellglied, der vom Ausgangstransistor eines (Comparators angesteuert ist und der dann in den Sättigungszustand geht, wenn die an einem ersten Eingang des !Comparators anliegende Eingangsspannung je nach Leitfähigkeitstyp der Komparatortransistoren größer oder kleiner ist als eine am zweiten Eingang anliegende Referenzspannung, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: