DE2722248C3 - Elektronischer Schalter für induktive Last - Google Patents

Description

Mit Hilfe der Erfindung ergibt sich demgegenüber eine Schaltungsanordnung, die in der Lage ist, Steuertransistoren einer induktiven Last selbst bei hohen Schaltgeschwindigkeiten und hohem Induktivitätswert und bei Ausführung in monolithisch integrierter Schaltungsbauweise hinreichend zu schützen, so daß hiermit eine zuverlässige Betriebsweise, die höchsten Anforderungen gerecht wird, zu erzielen ist

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es ι υ zeigt

F i g. 1 das Schaltbild eines elektrischen Schalters gemäß der Erfindung;

Fig.2 den Querschnitt durch eine monolithisch integrierte Halbleiterschaltung zur Realisierung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Es ist allgemein bekannt, daß Einschwingvorgänge auftreten, wenn eine induktive Last unter Strom gesetzt oder abgeschaltet wird. Dabei besteht die Gefahr, daß die Schaltelemente zerstört werden. Die am meisten gefährdeten Bauelemente sind dabei die Transistoren, die entweder durch direkten Durchschlag innige der Überspannung zerstört werden können oder indirekt durch die Ladungsanhäufung zerstört werden. Stromdichteerhöhungen in einer begrenzten Zone der Basis des Transistors, dessen Leitfähigkeit unterbrochen werden soll, bedingt eine örtlich begrenzte Temperaturerhöhung, die eine weitere Stromdichteerhöhung nach sich zieht und dabei durch noch stärkere Erwärmung den Emitter-Übergang des Transistors Jo schließlich zerstört

Diese Erscheinungen sollen dank der Erfindung vermieden werden, einerseits durch Ableitung der gefährlichen elektrischen Ladungen und andererseits durch günstige Aufteilung der entstehenden Überspannungen auf verschiedene Transistoren. Schaltungen zur Verwirklichung dieses Prinzips stützen sich vorteilhafterweise auf die Erkenntnis, daß planare Transistoren mit oben liegendem Emitter eine höhere Durchschlagsspannung aufweisen, als solche mit oben liegender Basis, -to

Die F i g. 1 zeigt eine nach diesem Prinzip aufgebaute Schaltung. Die induktive Belastung ist hier in Form der Relaisspule K dargestellt Sie wird durch eine Schaltung gespeist, die die beiden NPN-Transistoren 77Vl und TN 2 umfaßt Die Spule K liegt zwischen dem positiven Pol V + eiiur Stromversorgung und dem Kollektor von TTVl. Der Emitter von TJVl ist mit dem Kollektor von TN 2 verbunden, dessen Emitter seinerseits an der Masse liegt Die Basis von 77Vl ist mit einer Stromquelle verbunden, ate aus dem PNP-Transistor TP so und dem Spannungsteiler RX-R2 besteht, der die Basis von TP mit konstanter Spannung versorgt Ein Belastungswiderstand A3 liegt zwischen dem positiven Pol V + der Stromversorgung und dem Emitter von TP, um den Stromfluß durch TP auf einen vorbestimmten Wert zu begrenzen. Der Kollektor von TP ist mit der Basis von 77Vl verbunden, sowie mit einer Quelle konstanter Spannung, die durch die Zener-Diode Z gebildet wird. Der andere Pol der Diode Z liegt an Masse. Das Eingangssignal, das bestimmt, ob die <>o Wicklung K unter Strom steht d. h. ob die Transistoren 77Vl und TN 2 leiten, wird an die Basis von 77V 2 angelegt Es kann dort direkt anliegen oder, wie gezeigt über den Verstärker 77V3, A4. Schließlich sind noch zwei Dioden vorgesehen, DX und D 2, deren eine < >*> zwischen Emitter und Basis von TN X und deren andere über die Anschlüsse ύ<ν Spule K gelegt ist. Diese Dioden sind nicht unbedingt notwendig, verbessern aber, wie noch gezeigt wird, die Eigenschaften der Schaltung und erhöhen die Funktionssicherheit.

Wenn an der Basis des Transistors 77V3 eine positive Spannung anliegt, leitet dieser Transistor und die Spannung an der Basis von 77V2 liegt in der Nähe des Erdpotentials. Dadurch ist der Transistor 77V2 gesperrt und es fließt kein Strom durch die Spule K. Wenn der Transistor 77V 3 gesperrt wird, indem an seine Basis ein Sperrpotential angelegt wird, steigt sein Kollektor-Potential und damit dasjenige an der Basis von TN Z TN 2 wird dadurch leitend, und da in die Basis von 77V1 aus der Stromquelle TP ein Strom fließt wird auch 77Vl leitend, so daß ein Strom durch die Spule K fließt Soll der Strom wieder abgeschaltet werden, so wird 77V3 durch ein positives Signal an seiner Basis veranlaßt zu leiten. Dadurch wird 77V2 gesperrt und das Potential am Punkt A steigt bis es größer ist als die Spannung VZ, bei welcher die Zener-Diode Z leitend wird. In der Praxis können zur richtigen Einstellung von VZmehrere Zener-Dioden in Serie geschaltet sein. Wenn die Diode leitet, übernimmt sie den Strom der Stromquelle TP und stellt damit eine Quelle niedriger Spannung bereit Daneben übernimmt die Diode aber auch den Basisstrom des Transistors 77V1, während dieser seinen Emitterstrom unterbricht Auf diese Weise wird verhindert, daß in der Basis von 77Vl die schon erwähnte thermo-elektrische Verdichtung stattfinden kann, die zur Zerstörung des Transistors führt Die Abschaltspannung der induktiven Last K wird, wie dargelegt auf mehrere Transistoren aufgeteilt Zusätzlich werden die Transistoren jedoch vor Beschädigung dadurch geschützt daß ihre Basen beim Abschalten an eine Spannungsquelle niederer Impedanz angeschlossen werden, so daß die von der abschaltenden Induktivität hervorgerufene Überspannung nicht am Transistor wirksam werden kann.

Die Schaltung der F i g. 1 enthält einige zusätzliche Elemente, die ihre Eigenschaften noch verbessern. Die Diode D1 begrenzt den inversen Spannungsimpuis am Basis-Emitterübergang von TNX, der dort durch kap?zitive Übertragung auftreten kann. Diese Diode ist nur erforderlich, wenn der inverse Basisstrom von 77V1 sowie der Nebenschluß-Widerstand der Basis so groß sind, daß die Durchschlagsspannung des Basis-Emitterübergangs im Betrieb erreicht wird. Ist dies nicht der Fall, dann sollte die Diode nicht verwendet werden, da sie einerseits die Schaltgeschwindigkeit herabsetzt und andererseits die Verlustleistung von 77V1 erhöht.

Die Diode DI dient dazu, eine Überspannung am Kollektor von 77V1 beim Abschalten zu vermeiden. Sie liegt zwischen Kollektor von TN1 und Leitung V + der Stromversorgung. Praktisch wird diese Spannung bereits durch eine parasitäre Zener-Diode ZX begrenzt, die irr. integrierten Kreis des Transistors 77V1 entsteht. Das soll anhand der F i g. 2 dargelegt werden.

F i g. 2 zeigt den bekannten Querschnitt durch einen planaren NPN-Transistor, der in einem Substrat SUBS angeordnet ist. Das Substrat enthält mehrere Bauelemente in »Taschen«, die durch Isolationswände ISO voneinander getrennt in einer epitaktischen Schicht angeordnet sind.

Bei der Fabrikation wird das geringfügig .^-leitende Substrat (P-) durch eine Gleitende Epitaxie-Schicht bedeckt. In der Zeichnung ist innerhalb der isolierten Zone ein N + leiten ie. Subkollektorschicht dargestellt, um den Kollektorwiderstand des Transistors 77V1 zu vermindern. Die Herstellung solcher Schichten ist bekannt. Diese Epitaxie-Schicht wird durch Diffusion

von stark /'-dotierten Isolationswänden in einzelne Taschen unterteilt, deren eine den Transistor TN1 enthält. Innerhalb dieser Tasche wird auf bekannte Weise die schwach P-dotierte Basiszone B eingebracht, die hierin eingeschlossen die N + dotierte Emitterzone E des Transistors enthält. Der PN-Übergang, der zwischen Epitaxie-Schicht sowie Subkollektor und Substrat sowie Isolationszone ISO an entsteht, bildet eine parasitäre Diode Z Zeichnung angedeutet. Da die Diode in Rück tung polarisiert ist, übernimmt sie in der in Schaltung die Funktion einer Zener-Diode.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

bekanntlich bei Stromabschaltung Einschwingvorgänge auf, durch welche die den Strom zur Ansteuerung der

1. Elektronische Schalter in Form einer monoli- induktiven Last durchschaltenden Transistoren Schaden thisch integrierten Halbleiterschaltung zum Betrieb leiden können. Die hierbei auftretende Spannung kann induktiver Last, bestehend aus mit ihren Emitter- 5 sogar zum Durchschlag der beteiligten Transistoren Kollektor-Strecken hintereinandergeschalteten, in führen. Diese Einflüsse wirken sich noch schwerwiegen-Serie mit der induktiven Last liegenden Transisto- der aus, wenn die Schaltkreise durch integrierte ren, wobei der die induktive Last ansteuernde Schaltungen dargestellt werden. Die Aufgabe besteht Transistor Ober die Basis des hiermit in Serie deshalb dahin, Schaltungsanordnungen bereitzustellen, liegenden Transistors ansteuerbar ist, dadurch io die eine zu hohe Spannungsbelastung der Schalttransigekennzeichnet, daß die Basis des die stören vermeiden.

induktive Last (K) ansteuernden ersten Transistors Zahlreiche Lösungen des Problems sind bereits

(TN \) an einer Urstromquelle (TP, Z) liegt, derart, vorgeschlagen worden, die aber mehr oder weniger

daß hiervon bei gesperrtem, hiermit in Serie brauchbar sind. Zufriedenstellende Lösungen sind dabei

liegendem zweiten Transistor (TN2) der Basisstrom 15 in den Fällen nicht ohne weiteres zu erreichen, wenn

des ersten Transistors (TNi) unter Konstanthaltung relativ geringe Speisespannungen, wie z.B. 12 V,

seiner Basisspannung im wesentlichen übernommen Anwendung finden sollen,

wird. So ist in der Deutschen Auslegeschrift Nr. 11 28 465

2. Leistungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch eine Schaltungsanordnung zum Schalten von Indukgekennzeichftät, daß die Urstromquelle (TP, Z) aus 20 tionsspannungen, die höher sind als die zulässige der Hintereinanderschaltung der Emitter-Kollektor- Sperrspannung eines Transistors, beschrieben, welche Strecke eines dritten, mit konstanter Basisspannung ein Relais mit den zugehörigen Steuertransistoren betriebenen Transistors (TP) mit einem Strombe- enthält Dabei liegen die beiden Steuertransistoren mit grenzungswiderstand (R 3) und mindestens einer ihren Emitter-Kollektor-Strecken und der Relaiswickdirekt an den dritten Transistor (TP) angeschlosse- 25 lung als induktive Last in Serie. Der die induktive Last nen, rückwärtsgepolten Zehnerdiode (Z) besteht, ansteuernde Transistor wird über die Basis des an wobei der Verbindungspunkt der Zehnerdiode (Z) seinem Emitter liegenden Eingangstransistors angemit dem dritten Transistor (TP) mit der Basis des steuert Hierbei hat der unmittelbar die induktive Last ersten Transistors (TNi) verbunden ist ansteuernde Transistor eine gleitende Basisvorspan-

3. Anordnung nach Anspruch 1 und/oder 2, 30 nung. Nachteilig hierbei ist es jedoch, daß die dadurch gekennzeichnet, daß der Emitterübergang Ladungsträger beim Sperren des die induktive Last

·- des ersten Transistors (TN i) durch eine rückwärts- ansteuernden Transistors nicht schnell genug aus der

gepolte erste Diode (Di) überbrückt ist Basiszone abgeleitet werden können, wenn eine gewisse

4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2 Schaltgeschwindigkeit überschritten wird, so daß und/oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der ³⁵ dadurch trotzdem noch die Gefahr eines Durchschlags Verbindungspunkt des ersten Transistors (TN I) mit vorliegen kann, insbesondere wenn die zu schaltende der induktiven Last (K) an einer zweiten rückwärts- induktive La¹Jt einen bestimmten Induktivitätswert gepolten Diode (D 2) liegt. überschreitet Insoweit ist der die induktive Last

5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, ansteuernde Transistor ungeschützt Desweiteren ist dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der zweite *o aber auch der Kollektorübergang des Eingangstransi- (TN 2) und der unmittelbar hiermit verbundene erste stors ungeschützt wenn unmittelbar bei seiner Sperrung Transistor (TN i) als auch der dritte Transistor (TP) die volle Spannung hieran liegt Hohe Schaltgeschwinje durch einen NPN-Transistor dargestellt sind, digkeiten bei hoher induktiver Last von z. B. einigen indem der Emitter des zweiten Transistors (TN2) an Henry und Ausführung der Steuerschaltung in monoli-Masse und sowohl der Emitter des dritten ⁴⁵ thisch integrierter Schaltungsbauweise lassen demnach Transistors (TP) über den Strombegrenzungswider- unter diesen Voraussetzungen keine zufriedenstellende stand (R 3) als auch der Kollektor des ersten Betriebsweise zu.

Transistors (TNi) über die induktive Last (K) an Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin,

positivem Betriebspotential (V +) liegt. eine Speiseschaltung für induktive Last zu schaffen, die

6. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, so bei einfachem Aufbau betriebssicher arbeitet, sich zur dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des dritten Ausführung als monolithisch integrierte Halbleiter-Transistors (TP) am Mittelabgriff eines Spannungs- schaltung eignet und eine relativ hohe induktive Last tellers (Ri, R 2) zwischen positivem Betriebspoten- (einige Hy) bei großer Schaltgeschwindigkeit mit relativ tial (V +) und Masse liegt hoher Spannung,beispielsweise 24 V, versorgen kann.

7. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6, 55 Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst wie es gekennzeichnet durch eine parasitäre Zenerdiode dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 zu entnehmen (Z i) zwischen Kollektorzone des ersten NPN-Tran- ist.

sistors (TN 1) und einer Isolationszone (ISO, F i g. 2) Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den

einer monolithisch integrierten Halbleiterschaltung. Unteransprüchen zu entnehmen.

60 In der Deutschen Auslegeschrift Nr. 10 51 326 ist bei

einer Schaltungsanordnung zur Transisiorsteuerung

einer induktiven Last zur Vermeidung einer für den ansteuernden Transistor schädlichen Spannungsspitze

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, wie die induktive Last über eine in Sperrichtung gepolte

sie dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu ⁶³ Diode überbrückt. Jedoch ist diese Maßnahme allein

entnehmen ist nicht ausreichend, um den ansteuernden Transistor bei

Wird ein elektrischer Strom durch eine induktive hohen Schaltgeschwindigkeiten und hohem Induktivi-

Last, wie z. B. eine Relaiswicklung, geleitet, dann treten tätswert der induktiven Last hinreichend zu schützen.