DE3309212A1 - Monolithisch integrierbare steuerschaltung mit einer gegentakt-endstufe fuer induktive lasten - Google Patents

Monolithisch integrierbare steuerschaltung mit einer gegentakt-endstufe fuer induktive lasten

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DE3309212A1 DE19833309212 DE3309212A DE3309212A1 DE 3309212 A1 DE3309212 A1 DE 3309212A1 DE 19833309212 DE19833309212 DE 19833309212 DE 3309212 A DE3309212 A DE 3309212A DE 3309212 A1 DE3309212 A1 DE 3309212A1
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Carlo 20010 Cornaredo Milano Cini
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Description

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Beschreibun
Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung für induktive Belastungen, insbesondere eine monolithisch integrierbare Steuerschaltung, die eine Gegentakt-Endstufe mit Transistoren der Klasse B aufweist und zur Steuerung von Relais, Solenoiden und Gleichstrommotoren verwendet werden kann.
Die einfachste Bauart einer Gegentakt-Endstufe mit Transistoren der Klasse B besteht aus einem Paar komplementärer Transistoren, die mit den Emitteranschlüssen und den Kollektoranschlüssen in Kaskadenschaltung zwischen die beiden Pole eines Speisespannungsgenerators geschaltet sind. Die Last wird mit der Verbindung zwischen den beiden Transistoren gekoppelt, welche Verbindung auf diese Weise den Ausgangsanschluß der Stufe bildet, über ihre Basisanschlüsse werden die beiden Transistoren abwechselnd in Gegenphase leitend gesteuert, wodurch in der Last entgegengesetzte Stromflüsse bestimmt werden.
Die Umschaltung dieser Transistoren erfolgt jedoch nicht augenblicklich, sondern über eine gewisse Übergangszeit, deren Dauer nicht vernachlässigt werden kann, insbesondere dann, wenn die Transistoren im Sättigungszustand leiten; wenn sie lediglich in Gegenphase gesteuert sind, läßt es sich daher nicht vermeiden, daß sie während der Umschaltung der Endstufe gleichzeitig leiten.
Die gleichzeitige Leitung der beiden Transistoren verursacht im allgemeinen einen unerwünschten Anstieg des
Leistungsverlustes in der Endstufe.
Wenn dann die an die Endstufe angeschlossene Last induktiv ist, erhöht die gegenelektromotorische Kraft, die durch die Veränderung des die Endstufe durchfließenden Stromes induziert wird,aufgrund der Umschaltung der Endstufe schlagartig die Kollektor-Emitterspannung des Transistors in der Ausschaltphase, in der dieser jedoch noch leitet T so daß in diesem Transistor der Höchstwert des Leistungsverlustes mit bisweilen zerstörerischer Wirkung verursacht-wird.
Es muß daher verhindert werden, daß die Transistoren einer Gegentakt-Endstufe, die in einer Steuerschaltung für induktive Last vorhanden ist, während der Umschaltung gleichzeitig leiten.
Der einfachste Weg zur Lösung dieses Problems besteht in bekannter Weise aus einer Steuerschaltung mit Gegentakt-Endstufe , bei der der Befehl zum Leitendschaltendes ausgeschalteten Endtransistors bezüglich des Befehls zum Ausschalten des leitenden Transistors in geeigneter Weise verzögert ist.
Figur 1 zeigt das teilweise in Blockdarstellung gezeichnete Schaltschema einer monolithisch integrierbaren Steuerschaltung dieser bekannten Bauart.
Die Schaltung hat zwei bipolare Transistoren T1 und Tp, von denen der eine ein PNP- und der andere ein NPN-Transistor ist. Die beiden Transistoren sind in Gegentaktschaltung
ee α β β ο
ο ο β β © β ο
ο © ο β · β
ODO »Οβ β· «Ο
zwischen die beiden Pole-s-V^ und -Vcc eines Speisespannungsgenerators geschaltet, mit dem ihre Emitter verbunden sind, während ihre Kollektoren zusammengeschaltet sind, um dadurch den Ausgangsanschluß der Schaltung zu bilden.
Die Basen von T. und T„ sind über geeignete Vorspannungsschaltmittel, die in Figur 1 durch die Blöcke P- und P„ wiedergegeben sind, mit den Ausgängen von Komparatoren A- und Ap verbunden. Der invertierende Eingang von A2 und der nicht-invertierende Eingang von A. sind zusammengeschaltet und bilden den Eingang der Schaltung, mit dem eine in der Figur durch den Block SW dargestellte Umschaltsignalquelle verbunden ist. Der invertierende Eingang von A- ist mit dem nicht-invertierenden Eingang von A« über eine erste Konstantspannungsquelle VT„ verbunden, die bezüglich des Potentials des nicht-invertierenden Eingangs von A„ positiv ist; der nicht-invertierende Eingang von Ap ist mit -VpC über eine zweite Konstantspannungsquelle VREp verbunden, die bezüglich des Potentials von -VCp positiv ist.
Das Signal am Eingang hat hinsichtlich der Spannung bezüglich -Vqq einen Mindestwert, der kleiner als VREp ist, und einen Höchstwert, der größer als Vpgp + V,™ ist; der Übergang der Spannung am Eingang von einem Wert kleiner als VREp zu einem Wert größer als VREp + VTH oder umgekehrt bestimmt die Umschaltung der Endstufe.
Wenn der Signalwert kleiner als VRFp ist, ist T- ausgeschaltet und Tp leitend; wenn der Signalwert größer
-4-
als VREp + Vmrj ist, leitet T., während Tp ausgeschaltet ist.
Für Signalwerte zwischen V01717 und Vn^117 + V^1, sind beide
nur nur in
Transistoren der Endstufe ausgeschaltet, so daß durch geeignete Wahl des Wertes für VT„ in Abhängigkeit von der zeitlichen Änderung des Umschaltsignales ein gleichzeitiges Leiten von T. und T„ verhindert werden kann oder, falls das vorteilhafter ist, dessen Dauer so begrenzt werden kann, daß alle zerstörenden Wirkungen vermieden werden,
Eine monolithisch integrierbare Steuerschaltung dieser Bauart löst in wirksamer Weise das Problem des möglichen gleichzeitigen Leitens der Endtransistoren einer Steuerschaltung mit Gegentakt-Tansistorendstufe, verwendet allerdings zu diesem Zweck verhältnismäßig kompli«% zierte Schaltungsmittel wie die beiden Komparatoren, die wegen der Integrationsfläche auch teuer sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine monolithisch integrierbare Steuerschatlung für induktive Lasten mit einer Gegentakt-Endstufe mit Transistoren der Klasse B zu schaffen, die bezüglich bekannten Schaltungen wesentlich wirtschaftlicher hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Steuerschaltung durch das Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
\J \J vj Δ. ΙΔ.
-6-
Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. In den Figuren zeigen:
Figur 1 das teilweise als Blockschaltbild dargestellte Schaltschema der bereits beschriebenen Steuerschaltung des Standes der Technik und
Figur 2 das Schaltsehema einer Steuerschaltung für induktive Lasten mit Gegentakt-Endstufe gemäß der Erfindung.
In den beiden Figuren sind für entsprechende Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet.
Die Steuerschaltung gemäß der Erfindung hat, wie Figur zeigt, eine Endstufe mit zwei bipolaren Transistoren T- und Tp, von denen der eine ein PNP- und der andere ein NPN-Transistor ist. Die Kollektoren dieser beiden Transistoren sind zusammengeschaltet und bilden den Ausgangsanschluß der Schaltung. Der Emitter von T, und der Emitter von Tp sind mit dem ersten Pol +Vrc bzw. dem zweiten Pol -Vpp eines Speisespannungsgenerators verbunden.
Mit der Basis von T.. ist der Kollektor eines bipolaren PNP-Transistors T^ verbunden, während mit der Basis von Tp der Kollektor eines bipolaren NPN-Transistors T2, verbunden ist.
Der Emitter von T^ ist an +Vcc und derjenige von T^ an -VpC angeschlossen.
ι,· all ·· te ·<·
-rf-
Die Basis von T1 und die Basis von T1, sind mit dem Kollektor bzw. dem Emitter eines bipolaren NPN-Transistors T1 ^, verbunden. Die Basis von T~ und die Basis von T? sind mit dem Kollektor bzw. dem Emitter eines bipolaren NPN-Transistors Tp- verbunden* Die Steuerschaltung hat außerdem eine Differenzverstärker-Struktur, die durch zwei PNP-Transistoren T». und T12 gebildet wird, deren Emitter über eine Konstantstromquelle A an +Vc_ ange«= schlossen wird.
Die Kollektoren von T11 und T12 sind hingegen über einen Widerstand R11 bzw. R12 mit -Vcc verbunden.
Die Basis von T1J. und die Basis von T„- sind mit dem Kollektor von T11 bzw. dem Kollektor von T1? verbunden=
Die Basis von T12 ist über einen Widerstand R1 mit +Vpp und über einen Widerstand Rp mit -Vpp verbunden.
Die Basis von T11 ist an eine Umschaltsignalquelle angeschlossen, die in der Zeichnung durch den Block SW dargestellt ist.
Nachstehend soll die Funktionsweise der in Figur 2 gezeigten Schaltung untersucht werden.
Die Parameter der Differenzverstärker-Struktur, die die beiden Transistoren T11 und T12 aufweist, sind so berechnet, daß die von SW erzeugten und zur Basis von T11 geleiteten Umschaltsignale abwechselnd das Leiten von
T11 und von T12 bestimmen.
JOUiJZ IZ
Damit sind abwechselnd auch T-. η und Tp-. im leitenden Zustand, welche auf diese Weise in Abhängigkeit der Signale am Eingang die Transistoren T' und T? der Endstufe und die damit verbundenen Transitoren T_ und T2. bei der Umschaltung steuern.
Die Transistoren T-. und T1. leiten im Sättigungszustand. Die Transistoren T^ und T2-. leiten jedoch in der aktiven Zone ihres Funktionsbereiches oder im Sättigungszustand, jedoch an der Grenze zur aktiven Zone, so daß die Dauer ihrer Umschaltübergänge vernachlässigt werden kann.
Wenn man annimmt, daß T11. leitet und Tp-, gesperrt ist, leiten T- und Tj. im Sättigungszustand, während Tp und T-. gesperrt sind.
Wenn das von SW erzeugte Umschaltsignal die Umschaltung von T11. und Tp-, verursacht, werden auch T-., Tp, T-, und "Tj, zur Umschaltung gesteuert.
Der Transistor T-, beginnt mit einer vernachlässigbaren Verzögerung,im Sättigungszustand zu leiten: er zieht von der Basis von T1 Ladungen ab und verringert dadurch die Dauer des Umschaltübergangs von der Sättigung zum Sperrzustand.'
Der Transistor T^ leitet jedoch weiter, zunächst im Sättigungszustand und dann im quasi gesättigten Zustand, bis seine Basis keine darin gespeicherten Ladungen mehr hat. Während dieses Übergangs nimmt T1, weiterhin Emitterstrom von Tp-, auf, wodurch das Leiten von Tp verhindert
wird. Daher schaltet der Transistor T2 mit einer Verzögerung um, die durch den Sättigungszustand von T2, bestimmt ist.
Die Transistoren T- und T2^ gestatten durch eine Beschleunigung des Ausschaltens von T1 und eine Verzögerung des Einschaltens von T- die Vermeidung eines gleichzeitigen Leitens von T1 und T2 oder dessen zeitliche Begrenzung, so daß diesesfür die Unversehrtheit der Vorrichtung nicht gefährlich wird.
Die Funktionsweise der Schaltung ist bei der entgegengesetzten Umschaltung analog und symmetrisch: T2, beschleunigt das Löschen von T-, während T- das Einschalten von T2. verzögert, wodurch die schädlichen Wirkungen eines gleichzeitigen Leitens verhindert werden.
Die Transistoren T3 und T. bringen keinen Anstieg der Stromaufnahme der Schaltung mit sich, denn der vom Endtransistor abfließende Basistrom wird als der über den Transistor T1. in die Basis von T4 fließender Basistrom wiederverwendet (vermindert um den vernachlässigbaren Basisstrom von T1 .) ,und ,für den indie Basis von T_ fliessenden Basisstrom wird der über den Transistor (T23) von der Basis von T., abfließende Basistrom wiederverwendet (vermindert um den vernachlässigbaren Basistrom von T-.,). Darüber hinaus ist der Kollektorstrom von T-. und T. während des Abschaltüberganges auf den Strom zum Abziehen von Ladungen von den Basen von T1 und T- begrenzt- Eine Steuerschaltung für induktive Lasten gemäß der Erfindung ist insbesondere geeignet, mit bekannten Integriertechniken in einen monolithischen Halb-
leiterblock integriert zu werden. Die Transistoren T- und T2I, die die charakteristischen Schaltelemente der Erfindung darstellen, sind normale, bipolare Transistoren, deren Integration sowohl hinsichtlich der Herstellungsschwierigkeiten als auch des Raumbedarfes industriell mit niedrigen Kosten verbunden ist.
Der wirtschaftliche Vorteil der Steuerschaltung gemäß der Erfindung ist im Vergleich mit der bekannten Schaltung evident. Obwohl nur ein Ausführungsbeispiel dargestellt und beschrieben wurde, sind zahlreiche Abänderungen möglich, ohne den Rahmen des Erfindungsgedankens zu verlassen.
So können beispielsweise die Transistoren der Endstufe durch äquivalente Schaltungselemente ersetzt werden, die mehrere Transistoren aufweisen, wie das dem Fachmann bekannt ist.
Auch kann die Differenzverstärker-Struktur mit T11 und T1P durch kompliziertere Umschaltstrukturen ersetzt werden.
Die Endstufe kann anstatt durch die einzelnen Transistoren T12, und Tp^ durch Stromspiegelschaltungen in die Umschaltung gesteuert werden.
Leerseite

Claims (1)

  1. KAIX)KKUJNKERSCHMnT-MLSONiHiKSCB-**-' ·· ·· mTHNTANWALT
    ElWX1KAN IOTKNT ATIT« NHT
    SGS-ATES Component! Elettronici S.p.A.
    Via C. Olivetti 2
    20041 Agrate Brianza (Milano)
    u.Z.: K 20 130SM/6gu/eb 15, März 1983
    Priorität: 17.3.1982 - Italien - Nr. 20213 A/82
    Monolithisch integrierbare Steuerschaltung mit einer Gegentakt-Endstufe für induktive Lasten
    Patentansprüche
    \\J Monolithisch integrierbare Steuerschaltung mit einer Gegentakt-Endstufe für induktive Lasten enthaltend ein erstes (T1) und ein zweites (Tp) Halbleiter-Bauelement mit einem ersten Anschluß, einem zweiten Anschluß und einem Steueranschluß, die jeweils mit dem ersten Anschluß und dem zweiten Anschluß in Kaskadenschaltung zwischen die beiden Pole (+V , -V) eines Speisespannungsgenerators geschaltet sind, wobei die Steueranschlüsse der Bauelemente über eine Steuerschaltungseinrichtung (T11, Ti2' T14' T23^' d^e m^ e^ner Umschaltsignalquelle (SW) verbunden ist, an eine Versorgungsquelle (A) angeschlossen sind, wobei die Steuerschaltungseinrichtung in Abhängigkeit von den Umschaltsignalen das
    erste Bauelement (T..) und das zweite Bauelement (T3) abwechselnd in den leitenden Zustand versetzt, gekennzeichnet durch
    eine erste Schaltungseinrichtung . (T-.) und eine zweite Schaltungseinrichtung (T.) zum Abziehen von Ladungsträgern, wobei die Schaltungseinrichtungen mit den Steueranschlüssen des ersten Bauelements (T.) bzw. des zweiten Bauelements (T?) verbunden und mit der Steuerschaltungseinrichtung (T11, Ti2' T14, T„_) gekoppelt sind, die die Aktivierung der ersten Schaltungseinrichtung (T.,) und die Aktivierung der zweiten Schaltungseinrichtung (T.) zum Abziehen von Ladungsträgern entsprechend der Überführung in den leitenden Zustand des zweiten Bauelements (T,,) bzw. des ersten Bauelements (T1) steuert, und gekennzeichnet dadurch, daß die erste Schaltungseinrichtung (T3) zum Abziehen von Ladungsträgern für eine bestimmte Zeitdauer aktiv ist, die nicht kleiner ist als diejenige, während der das zweite Bauelement (T„) für den leitenden Zustand befähigt bleibt, und daß die zweite Schaltungseinrichtung (T.) zum Abziehen von Ladungsträgern für eine bestimmte Zeitdauer aktiv bleibt, die nicht kleiner ist als diejenige, während der das erste Bauelement (T1) zur Leitung befähigt bleibt.
    2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schaltungseinrichtung (T3) zum Abziehen von Ladungsträgern für eine bestimmte Zeitdauer aktiv bleibt, die nicht kleiner ist als diejenige, während der das zweite Bauelement (T„) im leitenden Zustand ist, und daß die zweite Schaltungseinrichtung (T.) zum Abziehen von Ladungsträgern für eine bestimmte Zeitdauer aktiv ist, die nicht kleiner ist als diejenige, während der das erste Bauelement.(T1) im leitenden Zustand ist.
    3303212
    -3-
    3- Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Leitfähigkeitsart des ersten Bauelementes (T1) entgegengesetzt zur Leitfähigkeitsart zweiten Bauelementes (Tp) ist, wobei der erste Anschluß des ersten Bauelementes (T.) mit einem ersten Pol C+V„«) der Versorgungsspannungsquelle, der erste Anschluß des zweiten Bauelementes (Tp) mit dem zweiten Pol (-Vp„) dieser Versorgungsspannungsquelle und die zweiten Anschlüsse der beiden Bauelemente zur Bildung eines Ausgangsanschlusses der Schaltung mi.teinander verbunden sind, c3aß die erste Schaltungseinrichtung (T3) und die zweite Schaltungseinrichtung (T4) zum Abziehen von Ladungsträgern erster bzw. ein zweiter Transistor sind, deren Leitfähigkeitsart gleich derjenigen des ersten Bauelementes (T1) bzw. des zweiten Bauelementes (Tp) ist und von denen jeder einen ersten Anschluß, einen zweiten Anschluß und einen Steueranschluß hat, wobei der erste Anschluß und der zweite Anschluß des ersten Transistors (TO mit dem ersten Pol (+Vp-,) des Speisespannungsgenerators bzw. dem Steueranschluß des ersten Bauelementes (T1) verbunden sind, wobei ferner der erste Anschluß und der zweite Anschluß des zweiten Transistors (T2,) mit dem zweiten Pol (-Vcc) des Speisespannungsgenerators bzw. dem Steueranschluß des zweiten Bauelementes (T„) verbunden sind und die Steueranschlüsse des ersten Transistors (T-) und des zweiten Transistors (Tu) an eine Steuerschaltung
    (T11, T12, T- μ » ^o^ angeschlossen sind, und daß der erste Transistor (T,) und der zweite Transistor (T2.) im Sättigungszustand leiten.
    H. Steuerschaltung nach Anspruch 3, dadurch · gekennzeichnet , daß die Steuerschaltung
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    einen dritten, bipolaren PNP-Transistor (T1-) und einen vierten, bipolaren PNP-Transistor (T1-) aufweist, deren Kollektoren über geeignete Widerstände (R1-, Rp) mit dem zweiten Pol (-Vcc) des Speisespannungsgenerators verbunden sind, wobei die Basis des dritten Transistors (T11) mit der Umschaltsignalquelle (SW) und die Basis des vierten Transistors (T12) über geeignete Widerstände mit den beiden Polen des Speisespannungsgenerators verbunden sind, daß die Steuerschaltung ferner einen fünften, bipolaren NPN-Transistor (T1J.) und einen sechsten, bipolaren NPN-Transistor (Tpo) aufweist, deren Basen mit dem Kollektor des dritten Transistors (T11) bzw. dem Kollektor des vierten Transistors (T12) verbunden sind wobei der Kollektor und der Emitter des fünften Transistors (T11,) mit dem ■ Steueranschluß des ersten Bauelementes (T1) der Endstufe bzw. dem Steueranschluß des zweiten Transistors (T1.) verbunden sind und ferner der Emitter und der Kollektor des sechsten Transistors (Tp-.) mit dem Steueranschluß des zweiten Bauelementes (Tp) der Endstufe bzw. dem Steueranschluß des ersten Transistors (T_) verbunden sind, und daß die Versorgungsquelle (A) ein Konstantstromgenerator ist, über den die Emitter des dritten, bipolaren Transistors (T11) und des vierten, bipolaren Transistors (T12) an den positiven Pol (+Vqq) des Speisespannungsgenerators angeschlossen sind.
    5. Steuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das erste Halbleiter-Bauelement (T1) und das zweite
    -5-
    Halbleiter-Bauelement (T„) Transistoren sind.
    6. Steuerschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das erste Bauelement (T1) und das zweite Bauelement (T„) sowie der erste Transistor (T,,) und der zweite Transistor (T1,) bipolare Transistoren sind, deren erster Anschluß, deren Steueranschluß und deren zweiter Anschluß der Emitter bzw. die Basis bzw. der Kollektor sind.
    7- Steuerschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das erste Bauelement (T.) und das zweite Bauelement (T„) sowie der erste Transistor (T^) und der zweite Transistor (T2.) Feldeffekttransistoren sind, deren erster Anschluß, deren Steueranschluß und deren zweiter Anschluß Source bzw. Gate bzw. Drain sind.
    8. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß das erste Bauelement der Endstufe einen bipolaren PNP-Transistor hat, dessen Basis der Steueranschluß des Bauelementes ist und dessen Emitter und dessen Kollektor an den Kollektor bzw. die Basis eines anderen bipolaren NPN-Transistors angeschlossen sind, der ebenfalls in dem ersten Bauelement enthalten ist und dessen Kollektor und dessen Emitter mit dem ersten Anschluß bzw. dem zweiten Anschluß des Bauelementes verbunden sind, und daß das zweite Bauelement der Endstufe einen bipolaren NPN-Transistor aufweist, dessen Basis der Steueranschluß dieses Bauelementes ist und dessen Emitter und dessen Kollektor mit der Basis bzw. dem Kollektor eines anderen bipolaren
    NPN-Transistors verbunden sind, der ebenfalls in dem zweiten Bauelement enthalten ist, dessen Emitter und dessen Kollektor mit dem ersten Anschluß bzw. mit dem zweiten Anschluß dieses Bauelementes verbunden sind.
    9. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Zeitdauer des Abschaltüberganges des ersten Transistors (T-) und des zweiten Transistors (T^.) größer oder gleich der Dauer des Abschaltübergangs des ersten Bauelementes (T1) und des zweiten Bauelementes (Tp) der Endstufe ist.
    10. Steuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , daß diese in einen monolithischen Halbleiterblock integriert ist.
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