DE2553764A1

DE2553764A1 - Nulldurchgangsdetektor

Info

Publication number: DE2553764A1
Application number: DE19752553764
Authority: DE
Inventors: Karl-Diether Dipl Ing Nutz
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 1975-11-29
Filing date: 1975-11-29
Publication date: 1977-06-02
Also published as: DE2553764C2; JPS5268475A; US4132909A; JPS5928266B2

Description

Licentia Patent-Verwaltungs-GrnbH ^ ^ O O I Ό Η 6 Frankfurt/Main, Theodor-Stern-Kai 1

Heilbronn, den 27.11.1975 PT-Ma/sr - HN 75/20

Nulldurchgangsdetektor

Die Erfindung betrifft einen Nulldurchgangsdetektor für bipolare Schaltungen aus zwei so mit Transistoren versehenen, parallel geschalteten Strompfaden, daß in der einen Halbwelle des Wechselstromsignals ein Gleichstrom über den einen Strompfad und in der anderen Halbwelle ein Gleichstrom über den anderen Strompfad abfließt und nur in den Nulldurchgangsphasen des Wechselstromsignals beide Strompfade gesperrt sind.

Nulldurchgangsdetektoren werden beispielsweise zur Ansteuerung von Zweiwegthyristoren (Triac) verwendet. Der Triac soll während des Nulldurchganges eines Wechselstromsignals angesteuert werden, um die durch das Schalten verursachten Störungen im Wechselstromnetz auf ein Minimum zu reduzieren. Außerdem benötigt man Nulldurchgangsdetektoren etwa auch für Phasenanschnittssteuerschaltungen zur Synchronisation von Sägezahngeneratoren.

709822/0591

.5-

Bisher wurde ein Nulldurchgangsdetektor benutzt, wie er in der Figur 1 dargestellt ist. Bei diesem Detektor ist der Transistor T₁ mit seiner Basiselektrode an den Signaleingang für das Wechselstromsignal I /ν angeschlossen. Die Emitter-Kollektorstrecke des Transistors ist zusammen mit einem Kollektorwiderstand R₁ zwischen die Pole einer Gleichspannungsquelle geschaltet.

Parallel zur Kollektor-Emitterstrecke des Transistors T. ist die Emitter-Kollektorstrecke des Transistors T„ geschaltet, für den der Widerstand R₁ den Emitterwiderstand bildet. Die Basis dieses Transistors T„ ist an den Kollektor eines Transistors T₃ angeschlossen, dessen Emitter mit dem Signaleingang verbunden ist. Die Basis des Transistors T₃ ist an Masse angeschlossen. Die Transistoren T, und T₃ sind pnp-Transistoren, während der Transistor T_ ein npn-Transistor ist.

Die beschriebene Schaltung arbeitet wie folgt:

In der negativen Halbwelle des Wechselstromsignals wird der Transistor T₁ durchgesteuert, sobald der von der Wechselstromquelle gelieferte Strom den zur Durchsteuerung des Transistors T₁ erforderlichen Basistrom liefert. Der Transistor T₁ bleibt dann bis zum Nulldurchgang des Wechselstromsignals leitend, so daß während dieser Zeit am Widerstand R₁ die Spannung U_ß abfällt.

709822/0591

In der^ positiven Halbwelle, wird der Transistor T„ durchgeschaltet, der seinerseits den als Emitterfolger geschalteten Transistor T„ mitzieht, so daß auch in der positiven Halbwelle am Widerstand R^ die Spannung U„ abfällt.

Nur in den Nulldurchgangsphasen, d. h. in der Zeit während der das Wechselstromsignal noch nicht den für die Durchsteuerung der Transistoren erforderlichen Stromwert erreicht hat, sind beide Strompfade über T. bzw. T_ und T₃ gesperrt, so daß am Kollektor des Transistors T. und am Emitter von Tp das Potential vom Massepotential auf r;U_B abfällt.

Die beschriebene Schaltung hat aber den wesentlichen Nachteil, daß die Ausgangsimpulse, in ihren auf die positive und negative Halbwelle des Wechselstromsignals entfallenden Teilen unsymmetrisch sind. Dies beruht darauf, daß der Strom, der zur Durchschaltung des einen Strompfades erforderlich ist, wesentlich kleiner als der zur Durchschaltung des anderen Strompfades notwendige Strom ist. So wird in der negativen Halbwelle der Transistor T. in Emitterschaltung betrieben, so daß die gesamte Stromverstärkung des Transistors T₁ in den DurchSteuerungsvorgang eingeht. Andererseits wird in der"positiven Halbwelle der Transistor T₃ in Basisschaltung betrieben, die keine Stromverstärkung ergibt. Hieraus ergibt sich zwangsläufig, daß die Impulsbreite auf die beiden Halbwellen des Wechselstromsignals unsymmetrisch verteilt ist.

709822/0591

Die Unsymmetrie ist in vielen Fällen unerwünscht und soll daher beseitigt werden. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine hierfür geeignete Schaltung anzugeben.

Die genannte Aufgabe wird bei einem Nulldurchgangsdetektor der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Konstantstromquelle vorgesehen ist, deren Ausgangsgleichstrom I„ während der beiden Halbwellen wechselseitig über einen der beiden Strompfade abgeführt wird, und daß in jedem Strompfad ein als Stromspiegel ausgebildeter Transistor T. bzw. T_ angeordnet und so ausgebildet und geschaltet ist, daß sowohl in der positiven als auch in der negativen Halbwelle des Wechselstromsignals stets beim gleichen Stromwert der von der Konstantstromquelle gelieferte Strom über den einen bzw. den anderen Strompfad abgeleitet wird.

Da bei der genannten Schaltung der von der Konstantstromquelle gelieferte Strom sowohl in der positiven als auch in der negativen Halbwelle des Wechselstromsignals stets beim gleichen Stromwert über den einen bzw. den anderen Strompfad abgeleitet wird, ist sichergestellt, daß die Impulsbreite der Ausgangsimpulse gleichmäßig auf die positive und negative Halbwelle des Wechselstromsignals verteilt ist.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen · Schaltung sind die beiden Transistoren T und T~, die als

709822/0591

Stromspiegelschaltungen ausgeführt sind, so ausgebildet und in die Strompfade geschaltet, daß jeder der Transistoren in der ihm zugeordneten Halbwelle des Wechselstromsignals bei einem Stromwert durchschaltet, der doppelt so groß ist wie der von der Konstantstromquelle gelieferte Strom.

Die als Stromspiegelschaltung ausgeführten Transistoren sind vorzugsweise Transistoren mit mehreren Kollektoren und einem gemeinsamen Emitteranschluß. Bei diesen Transistoren muß aus Symmetriegründen über alle Kollektoren der gleiche Strom fließen.

Die Erfindung und ihre weitere vorteilhafte Ausgestaltung soll im weiteren noch anhand eines Ausführungsbeispieles gemäß der Figur 2 näher erläutert werden.

Die Schaltung enthält eine Konstantstromquelle K, deren Aufbau in einzelnen nicht dargestellt ist, da solche Schaltungen hinreichend bekannt sind. Die Konstantstromquelle liefert einen Strom T_K, der über drei verschiedene Strompfade abfließen kann« Der eine Strompfad führt über den Transistor T₁. Dieser Transistor T. besitzt drei Kollektoren, von denen der eine K.' mit der Konstantstromquelle verbunden ist. Die beiden anderen Kollektoren K.'', K'¹¹ sind mit der Basis des Transistors kurzgeschlossen und an den Signaleingang für den Wechselstrom angeschlossen. Der Emitter des Transistors- ist, -'da es sich

709822/0591

um einen pnp-Transistor handelt, mit Masse verbunden. Die Konstantstromquelle ist dagegen an den -U_R Pol der Gleichspannungsquelle angeschlossen. Der zweite Strompfad führt über den Transistor T₃. Dieser weist zwei Kollektoren auf, von denen der eine K~' an die Konstantstromquelle angeschlossen ist. Derzweite Kollektor K^'' ist mit der Basis kurzgeschlossen und mit Masse verbunden, während der Emitter E-. an den Signaleingang angeschlossen ist.

Der dritte Strompfad, der für die Auskopplung des Signals in den Nulldurchgangsphasen vorgesehen ist, führt über den Transistor Tp. Dieser Transistor Tp weist zwei Kollektoren auf, von denen der eine Kp¹¹ mit der Basis kurzgeschlossen und an die Konstantstromquelle angeschlossen ist. Der andere Kollektor K„· ist über einen Kollektorwiderstand R_? mit dem negativen Pol -U der Gleichspannungsquelle verbunden. Der Emitter Ep ist wiederum an Masse angeschlossen.

Bei allen Transistoren handelt es sich um pnp-Transistoren. Das Schaltprinzip kann jedoch in sinngemäßer Weise auch mit npn-Transistoren realisiert werden.

Die Schaltung arbeitet wie folgt:

In der negativen Halbwelle des Wechselstromsignals I ^/v/ wird

709822/0591

• 4ο·

der Strom I„ über den Kollektor K.' des Transistors T.. i\ i i

abgeführt. Es sei angenommen, daß der Strom I.. = 10 ,uA groß ist. Dann muß aus Symmetriegründen bei der Durchsteuerung des Transistors T. über alle drei Kollektoren ein Strom von 10 ,uA fließen. Der Transistor T schaltet daher dann durch, wenn I i">j den Wert 20 ,uA (zuzüglich des zunächst vernachlässigbaren Wertes für I_D) erreicht hat.

In der positiven Halbwelle muß über E₃ des Transistors T₃ gleichfalls ein Strom von 20 ,uA fließen, damit über die Kollektoren K₃ ¹ und K₃'' je 10 ,uA fließen können. Somit wird in der positiven Halbwelle der über K₃' führende Strompfad für den Strom I„ dann durchgeschaltet, wenn I S"* den Wert 20 ,uA erreicht hat.

Bei" Stromwerten, die betragsmäßig größer als 20 ,uA sind, ist daher stets einer der beiden Strompfade über Ί' bzw. T₃ durchgeschaltet, während der Transistor T„ gesperrt bleibt. Nur in den Nulldurchgangsphasen, in denen der Stromwert des Wechselstromsignals betragsmäßig unter 20 ,uA liegt, steuert der Strom I_R den Transistor T„ durch. Dann fließt über K_?' ^f und somit aus Symmetriegründen auch über K„· ein Strom von 10 ,uA und das Potential am Kollektor von K„' wird auf den Wert R₂.10 AiA angeboben. Es sei darauf hingewiesen, daß die angeführten Stromwerte von 10 bzw. 20 ,uA nur beispielhaft

709822/0591

genannt wurden und die Funktionsweise der Schaltung für jeden von der Konstantstromquelle gelieferten Strom gleich ist.

Es sei aber erwähnt, daß der an sich vernachlässigbar kleine Basisstrom der Transistoren beim Transistor T. größer ist als beim Transistor T^. Dies rührt daher, daß beim Transistor T. der Gesamtkollektorstrom 3 χ I und beim Transistor T^ nur 2 χ T„ beträgt. Will man die sich daraus ergebende, extrem kleine Unsymmetrie noch kompensieren, so kann dies durch eine entsprechende geometrische Aufteilung der Teilkollektoren von T. erfolgen. Bei einer Stromverstärkung von B = 30 ergibt sich, daß eine absolute Symmetrie dann erreicht wird, wenn die Gesamtfläche der beiden Kollektoren K₁'' und K ''· das 1,96 fache der Fläche des Kollektors K · beträgt. Auch die Kollektoren von T_ und T₃ sind mit K ' flächengleich. Dieses Flächenverhältnis ergibt sich aus der Gleichung

2B

B + 1

wobei F„ die Fläche des jeweiligen Kollektors bei Ausführung als Multikollektor pnp-Transistor bedeutet.

709822/0591

Λ.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

/ DyNulldurchgangsdetektor für integrierte bipolare Schaltungen aus zwei so mit Transistoren versehenen, parallel geschalteten Strompfaden, daß in der einen Halbwelle des Wechselstromsignals ein Gleichstrom über den einen Strompfad und in der anderen Halbwelle ein Gleichstrom über den anderen Strompfad abfließt und nur in den Nulldurchgangsphasen des Wechselstromsignals beide Strompfade gesperrt sind, dadurch gekennzeichnet, daß eim Konstantstromquelle vorgesehen ist, deren Ausgangsgleichstrom I., während der beiden Halbwellen wechselseitig über einen der beiden Strompfade abgeführt wird, und daß in jeäem Strompfad ein als Stromspiegel ausgebildeter Transistor T. bzw. T₃ angeordnet und so ausgebildet und geschaltet ist, daß sowohl in der positiven als auch in der negativen Halbwelle des Wechselstromsignals stets beim gleichen Stromwert der von der Konstantstromquelle gelieferte Strom über den einen bzw. den anderen Strompfad abgeleitet wird.
2) Nulldurchgangsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Transistoren die gleiche Zonenfolge aufweisen.

709822/0591

ORIGINAL INSPECTED

- 1*0 -
3) Nulldurchgangsdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Transistoren (T., T„) so ausgebildet und geschaltet sind, daß jeder der Transistoren in der ihm zugeordneten Halbwelle des Wechselstromsignals bei einem Stromwert durchschaltet, der doppelt so groß wie der von der Konstantstromquelle gelieferte Strom ist.
4) Nulldurchgangsdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor T. im einen Strompfad drei Kollektoren aufweist, von denen der eine (K')'-mit der Konstantstromquelle und die beiden anderen (K.·', K ' " ) mit der Basis kurzgeschlossen und mit dem Signaleingang I verbunden sind, während der Emitter (E.) mit dem einen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden ist, und daß der Transistor T~ im anderen Strompfad zwei Kollektoren aufweist, von denen der eine (K..¹) mit der Konstantstromquelle und der andere (K..'') mit der Basis kurzgeschlossen und mit dem genannten Pol der Gleichspannungsquelle verbunden ist, während der Emitter (E-) dieses Transistors an den Signaleingang angeschlossen ist.
5) Nulldurchgangsdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auskopplung des Signals ein dritter Transistor (Tp) an die Konstantstromquelle

709822/0591

angeschlossen ist, über den in den Nulldurchgangsphasen des Wechselstromsignals der von der Konstantstromquelle gelieferte Strom I„. fließt.
6) Nulldurchgangsdetektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Auskoppeltransistor (T„) zwei Kollektoren aufweist, von denen der eine (K '·) mit der Basis kurzgeschlossen und an die Konstantstromquelle angeschlossen ist, während der zweite Kollektor (K ') über einen Ausgangswiderstand (R^) an den zweiten Pol (-U_n) und der Emitter an den eien Pol der

Gleichspannungsquelle angeschlossen ist.

709822/0591