DE2850653C2 - Transistorschalter mit zwei Steuereingängen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Transistorschalter mit zwei Steuereingängen, zwei Transistoren sowie zwei mit unterschiedlicher Polung an jeweils einen der Transistoren anschaltbaren Versorgungsspannungsquellen, wobei die Ausgänge dieser Transistoren an die Basis-Steuereingänge zweiter Schalttransistoren geführt sind, deren Emitter auf den gemeinsamen Ausgang zusammengeschaltet sind und an deren Kollektoren je eine auf den Ausgang durchzuschaltende Spannung angelegt ist

Ein Transistorschalter dieser Art ist aus der DE-AS 06 947 bekannt. Die Transistoren stellen dabei jedoch einen zweistufigen Gegentaktverstärker mit komplementären Transistoren dar, wobei die erste Transistorstufe auf einem gemeinsamen Lastwiderstand arbeitet, über den die Basisanschlüsse der ausgangsseitigen Transistoren miteinander verbunden sind.

Aus der DE-OS 25 34 026 ist eine Einrichtung zum gesteuerten Schalten von Signalen bekannt, bei der eine Impulssteuereinrichtung rechteckförmige Steuerimpulse an zwei Steuertransformatoren abgibt. Mit der Sekundärseite dieser Steuertransformatoren ist je ein erster Transistor verbunden, welcher als Schalttransistor arbeitet. Darüber hinaus ist jedem dieser ersten Schalttransistoren ein weiterer Transistor nachgeschaltet, von denen einer mit dem Kollektor an die positive Klemme einer ersten Versorgungsspannungsquelle und der andere mit dem Emitter an die negative Klemme einer zweiten Versorgungsspannungsquelle angeschlossen ist. Der Emitter bzw. Kollektor der beiden weiteren Transistoren ist zu dem einen Eingang eines Synchronmotors geführt, dessen zweiter Eingang an den Minuspol der ersten Versorgungsspannungsquelle und an den Pluspol der zweiten Versorgungsspannungsquel-Ie angeschlossen ist Die beiden Transistorpaare bilden jeweils eine Darlingtion-Schaltung, wobei die geschalteten Transistoren mit Sicherheit in die vollständige Sättigung gesteuert werden. Die Kollektor-Emitterstrecken der beiden weiteren Transistoren sind durch je

so eine Diode überbrückt, welche die zugehörigen Transistoren vor Überlastung schützen. Die bekannte, als Faksimilesender oder Faksimileempfänger arbeitende Schaltung enthält eine drehbar gelagerte Trommel, die mittels des genannten Synchronmotors über verschiedene Winkelstellungen eine abtastende Bewegung zwischen einem um eine Trommel gelegten Dokument und einem Wandler hervorruft.

Aus der Seite 1 der DE-OS 22 14 993 ist es bekannt, daß zur Vermeidung einer hohen Sättigung eines Ausgangstransistors parallel zur Basis-Kollektorstrecke eine Schottky-Diode geschaltet werden kann. Dies setzt voraus, daß der Ausgangstransistor in Emitterschaltung betrieben wird, wobei als Nachteil dieser Methode angegeben ist, daß der Herstellungsprozeß für die Schottky-Diode relativ umständlich ist, wenn andere Metalle als Aluminium für die elektrischen Zwischenverbindungen verwendet werden. Ein weiterer Nachteil ist auch darin zu sehen, daß Störspannungsprobleme

auftreten können, da die Eigenschaften der Transistoren und der Schottky-Diode nicht in ausreichendem Maße gleichlaufend sind. Zur Behebung dieser Schwierigkeiten wird in der genannten DE-OS 22 14 993 ein besonders geschalteter Eingangs-Multiemitter-Transistör vorgesehen, an dessen Basis eine Stromquelle angeschlossen ist derart, daß bei sämtlichen in Sperrichtung betriebenen Eingangsemittern des besonderen Eingangs-Multiemitter-TransiMors der Ausgangstransistor leitet, wobei der zusätzliche Emitter in Durchlaß- to richtung gepolt ist und damit die Sättigung des Ausgangstransistors verhindert.

Der vorliegenden Erfindung, welche sich auf einen Transistorschalter der eingangs genannten Art bezieht, liegt die Aufgabe zugrunde, zwei Spannungen möglichst niederohmig und mit geringem Offset auf einen gemeinsamen Ausgang durchzuschalten. Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß den Basis-Kollektor-Strecken der beiden mit ihren Basis-Steuereingängen parallelgeschalteten SchaJttransistoren je eine Diode parallelgeschaltet ist, deren Polung derjenigen der zugehörigen Basis-Kollcktorstrecke entspricht

Die beiden Schalttransistoren wirken zusammen mit den Dioden als zwei elektronische Schalter, die es gestatten, eine der beiden Spannungen jeweils weitgehend lastunabhängig niederohmig und mit geringem Offset auf den gemeinsamen Ausgang zu durchzuschalten. Sind dagegen beide Schalter geöffnet, so ist der Ausgang hochohmig (»Three-State«).

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.

Die Erfindung sowie ihre Weiterbildungen werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 die Aufbauweise eines Transistorschalters im Blockschaltbild,

Fig.2 ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Transistorschalter nach der Erfindung,

F i g. 3 ein Kennliniendiagramm für den Leerlaufbetrieb,

F i g. 4 ein Kennliniendiagramm für den Lastbetrieb,

Fig.5 ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Transistorschalter nach der Erfindung.

Bei dem Prinzipschaltbild nach F i g. 1 sind zwei Eingänge £51 und £52 für zwei Steuerspannungen USi und US2 vorgesehen. Diese Steuerspannungen können zwei verschiedene Schaltzustände nämlich entweder L (»low«) oder H (»high«) annehmen. Die beiden Steuerspannungen USi bzw. US2 werden einem Transistorschalter FRS zugeführt, dessen Aufbau im einzelnen in F i g. 2 und 5 näher dargestellt ist. An diesem Transistorschalter werden zwei Spannungen Ui bzw. i/2 angelegt, von denen je nach dem Schaltzustand der Steuerspannungen USi bzw. US 2 jeweils eine wahlweise auf den Ausgang AG durchgeschaltet wird und dort die Ausgangsspannung UA liefert.

Die Schaltung TRS enthält einen ersten Schalter 51, welcher in Abhängigkeit von dem logischen Zustand der Steuerspannung USi betätigt wird. Dabei gilt die Festlegung, daß der Schalter 51 geschlossen (leitend) ist, wenn die Steuerspannung US 1 den Wert H aufweist, während der Schalter Sl im Schaltzustand L der Steuerspannung US 1 geöffnet (gesperrt) bleibt. Umgekehrt verhält es sich für die Öffnung bzw. Schließung des zweiten Schalters 52 in bezug auf die Steuerspannung US2. d. h. bei US2 auf L^:-der Schalter 52 geschlossen und bei US2 auf H ist 52 geöffnet Wenn der Schalter 51 geschlossen ist, so fließt über ihn ein Strom /1, während bei geschlossenem Schalter 52 ein Strom /2 über den Schalter 52 zum Ausgang AG fließt Liegt die Spannung USi auf L und gleichzeitig £/52 auf H, so sind beide Schalter 51 und 52 geöffnet, der Ausgang AG ist hochohmig (»Three-State«),

Bei der Schaltungsanordnung nach F i g. 2 werden die beiden Steuerspannungen USi bzw. US 2 zunächst einem Pegelkonverter PKVzugeführt, der jeweils eine Transistorstufe mit den Transistoren TSi bzw. TS 2 enthält Die Ansteuerung des Transistors 7"51 erfolgt über einen der Basis vorgeschalteten ohtnschen Widerstand Al durch die Steuerspannung i/51. Der Emitter Hegt auf Massepotential und der Kollektor ist mit der nachfolgenden geschalteten Konstantstromquelle GKS verbunden. Beim Transistor 752 erfolgt die Ansteuerung der Basis durch die Steuerspannung US2 über den ohmschen Widerstand R 2. An den Emitter des Transistors TS2 ist eine positive Betriebsspannung UB i angelegt, während der Kollektor zu der nachfolgenden geschalteten Kop.stantstromqudle GKS geführt ist

Die beiden Transistoren 751 und T52 dienen als Pegelkonverter dazu, für die nachfolgenden geschalteten Konstantstromquellen GKS, gebildet durch die Transistoren 753 und 754 und die zugehörigen Widerstände geeignete Ansteuerspannungen zu schaffen. Dabei ist zu beachten, daß der Transistor T53 an einer Versorgungsspannung + UB und der Transistor 754 an einer Versorgungsspannung — UB liegt

Im oberen Teil der geschalteten Konstantstromquellen GKS ist eine Versorgungsspannung + UB über einen ohmschen Widerstand R 3 an den Emitter eines schaltbaren Transistors 753 gelegt Vor dem ohmschen Widerstand Λ 3 ist ein weiterer ohmscher Widerstand R 4 abgezweigt und mit der Basis des Transistors 753 verbunden. Zwischen dem Kollektor des Transistors T51 des Pegelkonverters PKV und der Basis des Transistors 753 ist ein ohmscher Widerstand R 5 eingeschaltet Je nach der Schaltstellung des Transistors 751 und damit je nach der Stellung L oder H der Sf.euerspannung USi wird die Basis des schaltbaren Transistors 753 mit einem solchen Potential belegt, daß dieser entweder leitend (Stellung H der Steuerspannung USi mit konstantem Ausgangsstrom JKi) oder gesperrt (Stellung L der Steuerspannung US 1) wird.

Die Basis des zweiten schaltbaren Transistors 754 wird über einen ohmschen Widerstand RS vom Kollektor des Transistors 752 angesteuert und ist mit seinem Emitter über einen ohmschen Widerstand R 6 mit — UB der Versorgungsspannungsquelle verbunden. Zwischen dem Widerstand R 6 und der Basis des Transistors 7*54 liegt ein weiterer ohmscher Widerstand R 7. Die so geschalteten Konstantstromquellen in Form der Transistoren 753 und 754 liefern Ströme JK 1 bzw. JK 2, die ihrem Betrag nach gleich groß sind, jedoch in entgegengesetzter Richtung fließen.

Der eigentliche Transistorschalter TRS enthält die beiden Schalttransrtoren TSS und 756, an deren Kollektor jeweils die durchzuschaltende Spannung t/l bzw. i/2 angelegt wird. Die Emitter der Schalttransistoren 755 und 756 sind miteinander verbunden und zu einer die Ausgangsspannung UA abgebenden Ausgangsklemme AG geführt. Die Kollektoren der beiden Transistoren 753 unc¹ 754 sind miteinander verbunden, und außerdem an die Basis jeweils der beiden Schalttransistoren 7S5 und 756 geführt. Die Emitter

der Schalttransistoren Γ55 und T56 sind über einen einstellbaren ohmschen Widerstand R9 mit der Basis verbunden.

Zwischen dem Kollektor der Schalttransistoren 755 und T56 und der zugehörigen Basis ist jeweils eine ί Diode D3 bzw. DA eingeschaltet, wobei die Diode D3 bezogen auf den Konstantstrom JK 1 in Durchlaßrichtung gepolt ist, während die Diode D 4 in bezug auf den Konstantstrom JK 2 in Durchlaßrichtung gepolt ist. Für die Dioden D3 bzw. D4 wird zweckmäßig ein Typ in niedriger Schwellenspannung (z. B. 0,4 Volt bei I Milliampere) verwendet. Hierdurch ergibt sich ein Regelmechanismus, der den Basistrom des Schalttransistors TS5 bzw. TS6 automatisch dem Lastfall anpaßt. Bei Leerlauf am Ausgang AG fließt wenig Basisstrom π über den Schalttransistor TS5 bzw. TS6, bei Vollast fließt dagegen ein starker Basisstrom JBE. Hierdurch ist es möglich, die Speicherzeit beim Abschalten des Schalttransistors TS5 bzw. Γ56 stark zu verkürzen ohne die Niederohinigkeii bei Lasi cin^uuuGcii. Damit :■" ist gewährleistet, daß die Schaltung an der Autgangskletnme AG stets eine niederohmige Spannungsquelle darstellt.

Zur Erläuterung des Regelvorgangs wird auf Fig. 3 Bezug genommen, wo auf der Abszisse die Spannung r> UD+ Ul für die Diode £>3 bzw. UBE+ U\ dargestellt ist, wobei UBEdie Basis-Emitter-Spannung des Schalttransistors TS 5 darstellt. Auf der Ordinate ist der Strom JD für die Diode D3 bzw. der Basis-Emitter-Strom JBEdes Schalttransistors TS5 eingetragen. Der Kennlinienverlauf für die Diode D3 ist mit KD3, der Kennlinienverlauf für den Schalttransistor TS5 mit KTS5 bezeichnet. Der Arbeitspunkt für die Diode D3 und den Schalttransistor TS5 ist bei dem Spannungswert U1 + 0,62 Volt angenommer.. Für den Schalttran- sistor TS5 ergibt sich bei diesem Arbeitspunkt ein Strom von JBE = 3mA. Durch die Diode D 3 fließt für den angenommenen Arbeitspunkt ein Strom JD = 7mA. Es gilt die Beziehung

JD + JBE= JK 1 = 7mA + 3mA = 1OmA.

Dabei ist der Widerstand R 9 sehr groß vorausgesetzt und die Diudenspannung UD ungefähr gleich der Spannung UDEdes Transistors TS5 angenommen.

Der Strom JK 1 von der Konstantstromquelle GKS ist so hoch gewählt, daß er allein die Diode D3 bis zu einer Vorwärtsspannung UD von etwa 0,8 Volt aussteuern würde. Beim Einschalten des Stromes JKi, d. h. beim Einschalten des schaltbaren Transistors TS3 folgt der Emitter des Schalttransistors TS5 der Basisspannung so lange, bis der Emitter beinahe das Kollektorpotentiai U\ erreicht hat. Erst dann ist UBE ungefähr gleich UD und es fließt ein höherer Basisstrom, da auch die Basis-Kollektor-Diode des Schalttransistors TS5 öffnet Dieser ist damit in Sät'igung betrieben. Hierbei ist die Basis-Emitterspannung UBE < UD, da das Emitterpotential sogar etwas höher als die Spannung U1 werden kann.

Bei dem in F i g. 4 dargestellten Lastfall ist der Kennlinienverlauf für die Kennlinie KD3 der Diode D3 f>o unverändert. Dagegen hat sich die Kennlinie KTS5 für den Schalttransistor TS5 nach links verschoben, und zwar um einen Wert von etwa 50 mV. Dies ist dadurch hervorgerufen, daß durch den größeren Laststrom Ji, welcher die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors "5 TS 5 durchfließt, an dem Innenwiderstand dieser Kollektor-Emitterstrecke auch ein größerer Spannungsabfall auftritt, welcher den Wert von etwa 50 mV aufweist. Dies hat zur Folge, daß die Kennlinie KTS5 um den genannten Wert von 50 mV nach links verschoben wird. Dadurch tritt aber für den neuen Arbeitspunkt von U I + 0,58 V ein Diodenstrom auf, der nur noch den Wert JD = 5,5mA hat, so daß eine Abnahme von 1.5mA gegenüber dem in Fig. 4 beschriebenen Betriebsfall eingetreten ist. Dagegen ist der Basisstrom /ö£durch den Schalttransistor TS5 von 3 auf 4,5mA angewachsen. Insgesamt ergibt sich somit im Lastfall ein Strom von

JD + JBE - 5.5mA + 4.5mA - 1OmA - JK 1

der nicht von dem Leerlauffall nach F i g. 4 abweicht.

Durch unterschiedliche Steilheiten tier beiden Kennlinien KD3 und KTS5 sowie durch geeignete Wahl der Schwellenspannung der Diode D 3 lassen sich verschiedene Regelcharakteristiken realisieren. Durch teilweises Kurzschließen des Basisstromes mit dem einstellba-

Il f J 4 — .-J O Λ I J C" '* # · * r- r\ yJ * *

ICM TT lUClSldllU /\ IT Γ,αίΙΙΙ Ui-I uaiiiguiigJgiuu Ulm jiyiiut die Niederohmigkeit und die Abschalt-Zeitkonstante eingestellt werden.

Die beiden durchzuschaltenden Spannungen LM und t/2, welche niederohmig und mit geringem Offset auf den Ausgang/4Cgeschaltet werden, dürfen im Bereich

+ UB > U\ > Ul > - UB

liegen.

Für den unteren Teil der Schaltung nach F i g. 2, also für die Transistoren TS 4 und 7*56 sowie die zugehörigen Schaltelemente gel.en die vorstehenden Überlegungen sinngemäß.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 ist der Pegelkonverter PKV ebenso aufgebaut wie bei der Anordnung nach F i g. 2. Im Bereich der schaltbaren Konstantstromquellen GKS' ist zusätzlich zum schaltbaren Transistor TS3 ein weiterer Transistor TS7 und zusätzlich zum schaltbaren Transistor TS4 ein zweiter Transistor TSS vorgesehen. Die Basis des Transistors TS7 wird vom Kollektor des Transistors TS 1 aus über einen ohmschen Widerstand R 12 angesteuert, während der Anschluß des Emitters über den ohmschen Widerstand R 10 an die Spannungsquelle + UB erfolgt. Zwischen dem äußeren Anschluß des ohmschen Widerstandes R 10 und der Basis des Transistors TS 7 ist ein ohmscher Widerstand R 11 vorgesehen. Weiterhin ist vor dem Eingang des zur Basis des Transistors TS 3 geführten ohmschen Widerstandes R 5 eine Diode D 7 eingeschaltet.

Der untere Teil der Schaltung ist analog aufgebaut und enthält die Diode DB sowie die ohmschen Widerstände R 15, R 16 und R 17. Der kollektorseiiige Ausgang des zusätzlichen Transistors TS 7 ist über einen ohmschen Widerstand R 13 an die Basis des auf der anderen Seite liegenden Transistors TS4 geführt Hier fließt der Strom /7. Weiterhin besteht eine Verbindung von der Basis des Transistors TS3 über einen ohmschen Widerstand R 14 zum Kollektor des Transistors 7"S8. Der dort fließende Strom ist mit /8 bezeichnet.

Der Aufbau des die Schalttransistoren TS5 und TS6 enthaltenden Transistorschalters TRS' ist gegenüber F i g. 2 lediglich insofern abgewandelt, als zwischen dem Basisanschluß des Schalttransistors TS 5 und dem nachfolgenden Anschluß an den einstellbaren Widerstand R 9 eine Diode D 5 und weiterhin zwischen dem Widerstand R 9 und der Basis des Schalttransistors TS 6

eine weitere Diode D 6 eingeschaltet ist.

Auch hier sind drei Schaltzustände möglich, nämlich einerseits die Durchschaltung der Spannung U1 auf den Ausgang AG, weiterhin die Durchschaltung der Spannung (72 auf den Ausgang AG und schließlich die gleichzeitige Abtrennung der beiden Spannungen (71 und (72 vom Ausgang AG. Soll z. B. die Spannung U1 auf den Ausgang AG geschaltet werden, so erfolgt diese Durch..rhaltung so, wie bei Fig. 2 beschrieben und es tritt die in Fig. 3 bzw. Fig. 4 dargestellte Kennlinien-Konfiguration auf. Der Transistor TSS befindet sich somit in lastabhängiger Sättigung und es fließt der Konstantstrom JK 1.

Zusätzlich wird aber in F i g. 5 gleichzeitig mit dem Transistor TS3 auch der zusätzliche Transistor TS 7 leitend und dessen Strom /7 aktiviert die Basis des schaltbaren Transistors T54 schwach, so daß ein bestimmter kleiner Strom JK 20 über die Dioden DS und P 6 fließt. Der Wert des Stroms JK 20 ist so Aai\ crilf

JK 20 = JK 10

JKiO <JK\ JK20 <JK2
Dabei gilt folgende Beziehung:

JK 1 = JD3 + JBE (TS5) + JR9 + JK 20
« JDZ + JBE(TSS) + JR9.

Der Strom JK 20 schaltet die Dioden D 5 und D 6 in Durchlaßrichtung. Da diese Dioden so gewählt sind, daß die Schwellspannung UDS und UD6 gleich den Basis-Emitterschwellspannungen der Transistoren TSS und 756 sind, öffnet der Transistor TS6 etwas und es fließt ein kleiner Querstrom /0. Dadurch wird die Schaltstufe bestehend aus den Transistoren TS und Tb niederohmig in allen vier i7//-Quadranten.

Die Dioden D 7 und DS dienen der Entkopplung der Stromquellen, welche durch die Transistoren TS3 und TS 7 bzw. TS4 und TSi geschaltet werden. Sind beide Schalteingänge durch geeignete Steuerspannungen (71 und (72 gesperrt, so sind auch alle Stromquellen gesperrt und die Schaltstufe geht in den hochohmigen Zustand über (»^Tree State«).

Hierzu 4 Blatl Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Transistorschalter mit zwei Steuereingängen, zwei Transistoren sowie zwei mit unterschiedlicher Polung an jeweils einen der Transistoren anschaltbaren Versorgungsspannungsquellen, wobei die Ausgänge dieser Transistoren an die Basis-Steuereingänge zweier Schalttransistoren geführt sind, deren Emitter auf den gemeinsamen Ausgang zusammen-10 geschaltet sind und an deren Kollektoren je eine auf den Ausgang durchzuschaltende Spannung angelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß den Basis-Kollektor-Strecken der beiden mit ihren Basis-Steuereingängen parallelgeschalteten Schalttransistoren (TSS, T56) je eine Diode (D3, D4) parallelgeschaltet ist, deren Polung derjenigen der zugehörigen Basis-Kollektorstrecke entspricht

2. Transistorschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Versorgungsspannungsquelte liegenden Transistoren (TS3, TS4) jeweils eine Konstantstromquelle bilden, wobei an den Emitteranschluß jeweils die Versorgungsspannungsquelle (+ UB, - UB) angelegt ist und über die Basis jeweils die Ansteuerung aufgrund der Steuerspannungen (US 1, US2) erfolgt.

3. Transistorschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils bei jedem der als Konstantstromquelle arbeitenden Transistoren (TS3, TS4) ein bezüglich der Basis- und der Emitteranschlüsse diesem parallelgeschalteter zusätzlicher Transistor (TS 7, TSS in F i g. 5) vorgesehen ist, dessen Kollektor jeweils mit der Basis des als Konstantstromquelle wbeiter-.Jen gegenüberliegen

den Transistors (TS3, TSA) verbunden ist,

4. Transistorschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Basisanschlüssen der zusätzlichen Transistoren (TS7, TSS) und den Basisanschlüssen der als Konstantstromquelle arbeitenden Transistoren (TS3, TS4) jeweils eine Diode (D 7, D 8) eingeschaltet ist, die bezogen auf die Polung der zugehörigen Versorgungsspannungsquelle (+ UB, — UB) in Durchlaßrichtung betrieben wird.

5. Transistorschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Emitteranschlüssen der beiden Schalttransistoren (TSS, TSS) und dem Basisanschluß ein vorzugsweise einstellbarer, ohmscher Widerstand (R 9) vorgesehen ist

6. Transistorschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Basisanschluß der Schalttransistoren (TS5, TS6) und dem ohmschen Widerstand (R 9) jeweils eine für den Strom (JK 1) der Konstantstromquelle in Durchlaßrichtung gepolte Diode (D 5, D 6 in F i g. 5) eingeschaltet ist

7.Transistorschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Eingang der beiden Transistoren (TS3, TS4) ein Pegelkonverter (PKV) eingeschaltet ist, dem die beiden Steuerspannungen (USi, US2) zugeführt werden.

8. Transistorschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die den Kollektor-Emitterstrecken der Schalttransistoren (TSS, TS6) jeweils parallelgeschaltete Diode (D 3, D 4) eine niedrige Schwellenspannung aufweist