DE2513481A1 - Schwellenschalter - Google Patents

Description

77*5 - 75 Kb/Sö

ROA 67, 966 Dr.-fng. Ernst Sommerfeld

U.S. Serial No: 4-59,954- br. rhisr ν. L--".o!d

Filed: April 11, 197* _O^-C y^Sg wÜSer

8 München So, Postfach 860Ö68

RCA Corporation New York,' N. Y., V. St· v. A.

Schwellenschalter

Zu den Anforderungen, die an einen Festkörperschalter zu stellen sind, kann es gehören, daß der Schalter im ausgeschalteten Zustand vorzugsweise keinen Strom zieht, daß er umschaltet, wenn der Schaltbefehl einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht, daß der Übergang vom ausgeschalteten in den eingeschalteten Zustand relativ abrupt erfolgt, und schließlich, daß der Ausgangsstrom verhältnismässig konstant und unabhängig von Versorgungsschwankungen ist. Bisher war eine relativ komplizierte Schaltungsanordnung notwendig, um alle diese Forderungen zu erfüllen.

Die Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines leicht herstellbaren Schwellenschalters, der in seinem Warte- oder Bereitschaftszustand keine Leistung verbraucht, und der einen geregelten Ausgangsstrom liefert. Ein solcher Schwellenschalter läßt sich realisieren durch einen ersten und einen zweiten Transistor, ein zwischen dem Emitter des ersten und dem Kollektor des zweiten Transistors liegendes ohmsches Element und durch eine Anordnung, die als Antwort auf eine Beaufschlagung der Basis des ersten Transistors mit einem über einer gegebenen Amplitude liegenden Eingangssignal eine im wesentlichen feste

509844/0725

Offsetspannung zwischen den Basen der beiden Transistoren erzeugt.

Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen erläutert.

Figur 1 ist ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Figur 2 zeigt die S_chaltkennlinie der Schaltung nach Fig. 1;

Figur 3 ist ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

In der Schaltung nach Fig. 1 ist eine Eingangsklemme 10 über einen Widerstand 12 mit der Basis eines Transistors 14 verbunden. Der Basisanschluß ist außerdem über eine Diode 16 nit der Basis eines weiteren Transistors 18 verbunden. Der Emitter des Transistors 18 ist an eine Klemme 20 angeschlossen, die dem Eingangs- und Ausgangskreis gemeinsam ist. Der Kollektor des Transistors 18 ist über einen Widerstand 22 mit dem Emitter des Transistors 14 verbunden, uid der Kollektor des Transistors 14 ist über eine beliebige Last 24 mit einem positiven Potential Vqq verbunden.

Wenn zwischen den Eingangsklemmen 10-20 eine Spannung von Null liegt, dann hat der Last strom I_Q den Wert Null. Wenn die Eingangsspannung V₁ von 0 Volt aus ansteigt, dann bleibt der Ausgangsstrom solange auf 0, bis die Schwellenspannung des Schalters " erreicht ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist diese Schwellenspannung gleich der Schwellenspannung der Diode 16 plus der Schwellenspannung des Transistors 18. Die Diode 16 und der Transistor 18 (und auch der Transistor 14) seipn Silizium-Bauelemente. Die Schwellenspannungen aller dieser Elemente sind im wesentlichen untereinander gleich und gleich dem Spannungs-

509844/0725

abfall V-, an einer ±1 Durchlaßrichtung gespannten Siliziumdiode, wenn diese gerade zu leiten beginnt (etwa 500 Millivolt). Wenn die Eingangsspannung größer wird als 2 V₅₁, dann beginnen die Transistoren 14 und 18 zu leiten. Die Schwellenspannung ist "bei 25 ±1 Pig. 2 dargestellt. Wenn die Eingangsspannung durch den Bereich 25-26 ansteigt, dann steigt auch der Ausgangsstrom an. Wenn die Eingangsspannung den Punkt 26 erreicht, dann ist der Ausgangsstrom auf seinem Maximalwert. Bei weiterem Ansteigen der Spannung V₃- bleibt der Strom im wesentlichen konstant auf diesem Maximalwert.

Der Konstantstrombetrieb wird dadurch erreicht, daß am Widerstand 22 eine konstante Spannung aufrechterhalten wird. Das am Emitter des Transistors 14 liegende Ende des Widerstands 22 wird durch eine mit dem Widerstand 12, der Diode 16 und der Basis-Emitter-Diode des Transistors 18 gebildete Klemmschaltung auf konstantem Potential gehalten. Die Klemmschaltung begrenzt den Maximalausschlag der an die Basis des Transistors 14 gelegten Eingangsspannung Vj auf den Wert der Klemmspannung. Diese im wesentlichen konstante Basisspannung ist gleich (V^c+V·. 18), wobei V^jg die Spannung an der Diode 16 und V_te18 die Spannung am Basis-Emitter-Ubergang des Transistors 18 ist. Die Spannung am Emitter des Transistors 14 beträgt (V/ig+V^ 18-V, 14), wobei Vk_e14 die Spannung am Basis-Emitter-Übergang des Transistors 14 ist. Das andere Ende des Widerstands 22 wird auf der Kollektor-Emitter-Spannung V_CQ18 des Transistors 18 gehalten. Dieser Transistor wird in die Sättigung getrieben, wenn V₁ den dem Punkt 26 in Pig. 2 entsprechenden Spannungswert erreicht, was dazu führt, daß V_ce18 über einen weiten Bereich von Kollektorströmen im wesentlichen konstant wird.

Die Spannung am Widerstand 22 ist gleich der Emitterspannung des Transistors 14 minus der Kollektorspannung des Transistors 18, beide gemessentezüglich der'gemeinsamen Klemme". Einen bestimmten Wert des konstanten AusgangsStroms (28 in Pig.2) kann man dadurch erreichen, daß man den Wert des Widerstands 22 nach

5Q9844/0725 _ 4. _

- ZJ. -

dem Quotienten der Spannung an diesem Widerstand geteilt durch den gewünschten Wert des Ausgangsstroms bemißt.

Es sei an dieser Stelle erwähnt, daß die Schaltung nach Fig. 1 einen Ausgangsstrom liefert, dermr annähernd konstant ist. Bei einer praktischen Realisierung der Schaltung hat der Kurvenabschnitt 28 in Fig. 2 nicht den gezeigten horizontalen Verlauf sondern eine positive Steigung. Obwohl diese Steigung gegegenüber der Steigung des Kurvenabschnitts 25-26 gering ist, ergibt sich mit wachsender Eingangsspannung ein leichtes Ansteigen des Ausgangsstroms. Dieser Stromanstieg hat zwei Hauptursachen, deren erste die nicht-ideale Kennlinie der pn-Halbleiterübergänge ist. Im Idealfall hätte die Spannung an einem solchen Übergang den Wert 0, bis die Schwellenspannung Vj, erreicht wäre und das Element beginnen würde, Strom zu leiten. Im Idealfall würde die Spannung am Halbleiterübergang für alle Werte des durch die Diode fließenden Stroms konstant bleiben. Tatsächlich beginnen Dioden bei einer Spannung V™ Strom zu leiten, jedoch wächst die Spannung am Halbleiterübergang nLt wachsendem Stromfluß. Wenn der Diodenstrom ansteigt, dann bewirkt Jedoch ein bestimmter Zuwachs . des Stroms einen kleineren Zuwachs der Spannung.

Da bei der vorliegenden Schaltung die zur Erzeugung eines konstanten Ausgangsstroms benötigte, Spannung teilweise von der Spannung an der Diode 16 und an den Basis-Emitter-Übergängen der Transistoren 14 lud 18 abgeleitet wird, bewirkt, natürlich eine Erhöhung der Eingangs spannung Vj ein Ansteigen des durch diese Elemente fließenden Stroms. Hiermit werden die Spannungsabfälle an den Halbleiterübergängen und auch die Spannung am Widerstand 22 größer, so daß der Ausgangsstrom ansteigt.

Die zweite Ursache für das Ansteigen des Ausgangsstroms liegt darin, daß die Spannung zwischen Basis und Emitter des Transistors 18 größer wird, wenn der Transistor in die Sättigung getrieben wird. Für diesen Spannungsanstieg ist neben der Erhö-

S09844/0725

- 5 - ■

hung der Spannung am Halbleiterübergang noch der Spannungsabfall verantwortlich, der durch den spezifischen Widerstand des Basismaterial des Transistors hervorgerufen wird. Auf diese Spannung sei nachstehend ausführlicher in Verbindung mit der Schaltung nach Fig. 3 eingegangen.

Die Schaltung nach Fig. 3 ist eine"Abwandlung der Schaltung nach Fig. 1. Bauelemente, die den beiden Schaltungen nach den Figuren 1 und 3 gemeinsam sind, sind mit jeweils den selben Bezugszahlen bezeichnet. Im Falle der Fig· 3 ist die Basis des Transistors 18 zusätzlich über einen Widerstand 32 mit der gemeinsamen Klemme verbunden. Ein Widerstand 34- verbindet die Eingangsklemme 10 mitdem Widerstand 12. Zwischen dem gemeinsamen Anschluß der Widerstände 34- und 12 lud der gemeinsamen Klemme 20 liegen zwei Dioden, die praktisch eine Serienschaltung bilden. Der Diode ist ein Widerstand 40 parallel geschaltet.

Durch die Einfügung des Widerstands 32 wird die Breite des Bereichs 25-26 in Fig. 2 vermindert, so daß der Schalter seinen Maximalstrom schon bei einer geringeren Änderung der Eingangsspannung erreicht, als der Schalter nach Fig. 1. Im Falle der Fig. 1 beginnen die Diode 16 und der Transistor 18 zu leiten, wenn Vj den Wert 2 V^₁, d.h. die Schwellenspannung des Schalters erreicht. Ein Anstieg der Eingangsspannung Vj um Δ V₁ führt zu einer Erhöhung des Spannungsabfalls an jedem pn-übergang um anen Betrag Δ Vg₁, was zur Folge hat, das ein größerer ,Strom in die Basis des Transistors 18 fließt. Da die beiden pn-Ubergänge hintereinander geschaltet sind, ist der Einfluß einer Änderung einer Eingangsspannung Δ Vj auf dem Betrieb des Transistors 18 geringer, als wenn Δ Vj direkt an die Basis-Emitter-Anschlüsse des Transistors 18 gelegt würde.

Anders ausgedrückt muß wegen des Vorhandenseins der Diode 16 eine größere Änderung der Eingangsspannung am S_chaltere±gang stattfinden, um den Basisstrom des Transistors 18 auf den zur Sättigung dieses Transistors erforderlichen Wert zu erhöhen.

509844/0725

Das heißt, die Wirkung der in Serie mit dem Basis-Emitter-Übergang des Transistors 18 geschalteten Diode besteht darin, daß die Gesamtverstarkung des Schalters im Bereich 25-26 vermindert wird.

Durch Einfügung des Widerstands 32 wird dieser verstärkungsvermindernde Einfluß der Diode 16 abgeschwächt. Der Wert des Widerstands 32 ist so gewählt, daß dar Strom, der zur Erzeugung dar Spannung Vj₁ am Basis-Emitter-Übergang des Transistors 18 durch diesen Widerstand fließen muß, viel größer ist (z.B. um einen Faktor 10) als der für die Sättigung des Transistors 18 erforderlche Basisstrom.

Im Ruhezustand, d.h. wenn Vj = 0 ist, dann verbraucht die Schaltung nach Fig. 3 ebenso wie die Schaltung nach Fig. 1 keine Leistung. Wenn die Eingangs spannung von 0 aus ansteigt, dann beginnt die Diode 16 Strom durch den Widerstand 32 zu leiten, und zwar bevor der Transistor 18 leitend wird. So betrachtet wird also hier (im Gegensatz zur Schaltung nach Fig. 1) vor dem Zeitpunkt des Beginns der Leitfähigkeit der Transistonen 18 und 19 etwas Leistung verbraucht, d.h. es fließt Strom über die Strecke 10, 12, 16, 32.

Wenn die Eingangs spannung so weit angestiegen ist, daß der Spannungsabfall am Widerstand 32 gleich V™ ist, dann beginnt der Transistor 18 Basisstrom zu ziehen. In diesem Augenblick des Betriebs leitet die Diode 16 einen Strom, der weit über dem Basisstrom des Transistors 18 liegt. Wenn die Eingangsspannung weiter ansteigt, dann wird der Strom durch die Diode 16 größer. Dieser Anstieg entspricht Jedoch nur einem kleinen Prozentsatz des bereits in der Diode 16 fließenden Stroms. Der Basisstrom des Transistors 18 steigt merklich an, womit der Transistor in Richtung auf die Sättigung getrieben wird. Die Ursache für diesen abrupten Anstieg ist folgende: Wenn sich der Arbeitspunkt des Basis-Emitter-Übergangs vom Bereich praktisch konstanten Stroms seiner Kennlinie zum Kennlinienknick

5 09844/072 5 - 7 -

und zum Bereich konstanter Spannung der Kennlinie bewegt, ändert sich der dynamische Widerstand des Halbleiterübergangs schnell von einem Wert, der viel höher als derjenige des Widerstands 32 ist, auf einen Wert, der viel niedriger als derjenige des Widerstands 32 ist. Der Strom, der zu Beginn in seiner Gesamtheit in diesen Widerstand geflossen ist, wird nun nahezu vollständig in die Basis des Transistors 18 umgelenkt und treibt den Transistor schnell in die Sättigung, so daß die Breite des Bereichs zwischen den Punkten 25 und 26 der Fig. 2 wesentlich vermindert wird. Nachdem der Punkt 25 erreicht ist, 33t; also bei der Schaltung nach Fig. 3 eine viel kleinere Änderung der Eingangsspannung V-j. als bei der Schaltung nach Fig. erforderlich, um eine gegebene Änderung des Ausgangsstroms zu bewirken. In dieser Hinsicht ist also der Verstärkungsfaktor wesentlich vergrößert worden (unter Inkaufnahme eines kleinen zusätzlichen Betrags an Leistung). Da diese zusätzliche Leistung aus der Eingangssignalquelle und nicht aus der Quelle für die Versorgungsspannung Vqq entnommen wird, tritt nur dann eine Verlustleistung auf, wenn die Eingangssignalquelle in Betrieb ist· Der Schalter nach Fig. 3 verbraucht jedoch' keine Leistung,wenn die Eingangsspannung unterhalb der Spannung V™ liegt.

Es ist auch noch ein weiterer Gesichtspunkt zu erwähnen. Bei dem relativ hohen Stromfluß durch die Diode 16 kurz vor dem Einschalten des Transistors 18 arbeitet diese Diode in einem Bereich praktisch konstanter Spannung, d.h. ihre Durchlaßspannung bleibt im wesentlichen konstant, wenn der Transistor 18 aus dem Sperrzustand in den Sättigungszustand getri&en wird. Die oben beschriebene Spannungsteilerwirkung der beiden pn-Übergänge wird dadurch vermieden, der Verstärkungsfaktor der ScIaLtung wird erhöht, und die Breite des Bereichs 25-26 in Fig. 2 wird schmäler. Die Schwellenspannung der Schaltung (25 in F^Lg. 2) wird durch Einfügung des Widerstands 32 etwas höher. Dies liegt daran, daß beim Vorhandensein des Widerstands 32 der Durchlaßspannungsabfall an der Diode 16 größer ist, weil mehr Strom durch die Diode fließt.

509844/0725

Falls gewünscht, kann man die Schaltung nach Fig. 3 gegenüber den Eingangssignalen empfindlicher machen, indem man sie auf eine Ruhespannung bei irgendeinem Spannungswert V.J.¹ vorspannt, so daß beträchtlicher Strom über die Diode 16 und den Widerstand 32 fließt, ohne daß jedoch der Transistor 18 schon irgendwelchen Basisstrom leitet, d.h. während der Transistcr noch gesperrt ist. Mit dieser Maßnahme muß man jedoch einen höheren Leistungsverbrauch in Kauf nehmen, was in manchen Fällen nicht erwünscht ist. Die Schaltung kann auch dadurch empfindlicher gemacht werden, daß man sie auf einen niedrigeren etwas unterhalb V™ liegenden Ruhe spannungswert vorspannt, so daß die Diode 16 noch nicht zu leiten beginnt. In ähnlicher Weise kann die Schaltung nach Eig· 1 näher an den Punkt 25 der Fig. 2 ruhe-vorgespannt werden, um sie gegenüber dem Eingangssignal empfindlicher zu machen. Dies laßt sich hier ohne Erhöhung der Ruheleistung erreichen.

Die zusätzlichen Widerstände 34- und 40 md Dioden 36 und 38 vermindern die Auswirkungen des weiter oben erwähnten Spannungsanstiegs an der Basis des Transistors 18, wenn der Transistor bei Erhöhung des Basisstroms in die Sättigung getrieben wird. Die genannten zusätslichen Bauelemente sind für die Schalt funktion nicht notwendig und können gewünschtenfalls auch fortgelassen werden. Wenn sie rieht vorhanden sind, dann entspricht die Schaltung nach Fig. 3 niit Ausnahme des zusätzlichen Widerstandes32 der Schaltung nach Fig. 1.

Wenn ein Transistor in die Sättigung getrieben wird, dann ist ein beträchtlicher Anstieg seines Basisstroms erforderlich, um einen bestimmten Wert des Kollektorstroms aufrecht zu erhalten. Dies ist deswegen so, weil die Stromverstärkung eines Transistors beträchtlich abnimmt, wenn der Transistor gesättigt wird. Da dieser erhöhte Strom durch die Basiszone fließt, tritt an dieser' Basiszone infolge des spezifischen Widerstands des die Basis bildenden Materials ein merklicher Spannungsabfall auf· ·

5098U/0725

_ 9 —

Dieser Spannungsabfall ist nicht mit der Spannung am Basis-Emitter-Ubergang zu verwechseln· Dieser Anstieg der Basisspannung bewirkt einen Potentialanstieg an dem mit dem Emitter des Transistors 14 verbundenen Ende des Widerstands 22, was wiederum zu einer E_rhöhung des Ausgangsstroms führt· Das aus den Widerständen 34, 40 und den Dioden 36, 38 bestehende Netzwerk kann dazu dienen, diesen Effekt zu verhindern· Dieses Netzwerk klemmt den Eingangsspannungswert, begrenzt dadurch den Stromfluß in die Basis des Transistors 18 und verhindert den vorstehend beschriebenen Effekt·

Der Widerstand 40 ist so bemessen, daß der durch die Diode 36 fließende Strom hoch ist im Vergleich zum Strom durch die Diode 16. Dieser höhere Strom stellt sicher, daß die Spannung an den Dioden 36, 38 höher ist als die Spannung zwischen der Anode der Diode 16 und der Klemme 20. Diese Anklammerung ist somit stark genug, daß ein normaler Schaltbetrieb stattfinden kann, während gleichzeitig ein unerwünschter Spannungsabfall an den Basis-Emitter- Anschlüssen des Transistors 18 verhindert wird·

Eine andere Maßnahme, mit welcher sichergestellt werden kann, daß die Klemmspannungsamplitude für den normalen Schaltbetrieb ausreicht, besteht darin, die Diode 16 mit einer größeren Übergangsfläche als die Dioden 36 und 38 herzustellen. Hiermit wird erreicht, daß für einen gegebenen Stromwert der DurchlaßSpannungsabfall an der Diode 16 geringer ist als an den kleineren Dioden, womit der Widerstand 40 entfallen kann. Während bei der bevorzugten Ausführungsform die Schwellenspannung teilweise durch den Spgummiabfall an einer Diode 16 realisiert wurde, kann dieses Bauelement auch durch andere Schwellenelemente ersetzt werden. So erhält man beispielsweise eine höhere Schwellenspannung, wenn man die Diode 16 durch eine Serienschaltung aus mehreren in Durchlaßrichtung gespannten Dioden ersetzt. Diese Dioden können außerdem durch Transistoren realisiert werden, die jeweils als Diode geschaltet sind. Das S_chwellenelement kann auch eine in Sperr-

- 10 -

509844/0725

richtung gespannte Avalanche-Diode sein.

Eine Schaltung, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, kann folgendermaßen dimensioniert werden: Für die Widerstände J4- und 12 Knnen jeweils 1000 Ohm, für die Widerstände 22 und 40 jeweils 700 Ohm und für den Wideband 32 6000 Ohm eingesetzt werden. Die Transistoren 14-imd 18 und die Dioden 16, 36 und können in Form einer integrierten Schaltung ausgebildet sein, wobei die Dioden Transistoren mit jeweils zusammengekoppelten Basis-und Kollektorelektroden sind.

Patentansprüche 509844/0725

Claims (3)

1. Patentansprüche

   Schwellenschalter mit einer Eingnngsklemme, einer klemme und einer dem Eingangs- und Ausgangskreis gemeinsamen Klemme, ferne? Mit einem ersten Transistor, dessen Emitto" über ein Impedanzelement mit dem Kollektor eines zweiter Transistors verbunden ist, dessen Emitter mit der pemeinsamen Klemme verbunden ist, während die Ausgangskieruine ixt dem Kollektor eines der Transistoren verbunden ist, und im i: einer an die Basiselektroden der Transistoren und an die :ngangsklemme angeschlossenen Eingangsschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsklemme mit dem Kollektor des ersten Transistors (14) verbunden ist und daß die Eingangsschaltung ein Bauelement (16) enthält, welches zwischen die Basiselektroden des ersten und des zweiten Transistors (14, 18) geschaltet ist und welches solche Leiteigenschafter. hat, daß es bei einer über einem gegebenen Wert liegenden Eingangsspannung eine im wesentlichen konstante Offsetspannung zwischen diese Basiselektroden legt.
2. 2. Schwellenschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen die Basiselektroden geschaltete Bauelement eine Diode (16) ist.
3. 3. Schwellenschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch p;. -kennzeichnet, daß die Eingangsschaltung ferner ein ohmsches Element (12; 12,34) enthält, welches zwischen die Basiselektrode <fes ersten Transistors (14) und die Eingangsklerome (10) geschaltet ist.

   - 2 -509844/0725

   4-. Schwellenschalter nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das ohmsche Element zwei hintereinander geschaltete Teile mit einem dazwischen liegenden Verbindungsptinkt aufweist und daß die Eingangsschaltung ferner eine Klemmeinrichtung (36, 38j 4-0) enthält, die zwischen diesem Verbindungspunkt und die gemeinsame Klemme (20) geschaltet ist, um den Maximalwert der zwischen diesen Punkten erscheinenden Spannung zu begrenzen·

   5· Schwellenschalter'nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmeinrichtung mehrere hintereinander geschaltete Dioden (36, 38) enthält. '

   5098AA/0725