DE3312045C2 - - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Schaltungsanordnungen, die beim Absinken der Be­ triebsspannungen Signale abgeben, sind seit langem bekannt. So werden z. B. in der DE 25 58 805 A1 Schaltungen beschrieben, die zur Auslö­ sung eines optischen Warnsignals, mit Hilfe einer Leuchtdiode, dienen, wenn die Batteriespannung eines Kraftfahrzeugs unter einen bestimmten Schwellwert sinkt. Bei diesen Schaltungen ist ein Schalttransistor vorgesehen, dessen Basis mit der Versorgungsspannung über eine Zenerdiode verbunden ist. Sinkt die Batteriespannung so weit ab, daß die Durchbruchspannung der Zenerdiode unterschritten wird, so sinkt die Basisspannung ebenfalls so weit ab, daß der Transistor sperrt. Dadurch wird ein Schaltvorgang ausgelöst, so daß die Leuchtdiode je nach Auslegung der Schaltung, ein- oder ausgeschaltet wird. Die DE 32 14 006 C2 zeigt eine Schaltung zur Überwachung der Versorgungs­ spannung eines Mikrocomputers. Die Schaltung erfüllt ebenfalls die Funktion eines Power-On-Resets. Bei diesen bekannten Schaltungsan­ ordnungen verschiebt sich aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Halbleiterbauelemente die Schaltschwelle in Abhängigkeit von der Temperatur. Dadurch muß entweder die Schaltschwelle so hoch gelegt werden, daß auch unter ungünstigen Umständen sicher ein Schaltvorgang beim Unterschreiten einer bestimmten Spannungsschwelle ausgelöst wird oder es ist zu befürchten, daß der Schaltvorgang nicht ausgelöst wird, auch wenn die vorgeschriebene Spannungsschwelle schon unterschritten ist.

Eine Schaltung zur Kompensation des Temperatureffektes bei Verstärkern ist aus dem DE-Buch: Richard F. Shea "Transistortechnik", Verlag: Berliner Union Stuttgart, 1960, Seiten 137-142 bekannt. Dort wird auf Seite 140 eine Schaltung beschrieben, in der ein Hilfstransistor als temperaturabhängige Stromquelle zur Temperaturkompensation ein­ gesetzt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verschiebung der Schalt­ schwelle aufgrund von Temperaturänderungen zu verhindern. Diese Auf­ gabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Schaltschwelle unabhängig von der Umgebungstemperatur immer gleich ist. Dadurch wird er­ reicht, daß ein Schaltvorgang beim Unterschreiten einer Spannungsschwelle auch bei extremen Temperaturverhält­ nissen sicher ausgelöst wird. Als weiterer Vorteil der Schaltung ist anzusehen, daß sie einfach und kosten­ günstig mit wenigen handelsüblichen Bauelementen auf­ zubauen ist.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Schaltungsanordnung möglich. Vorteilhaft ist es, als temperaturempfindliches Element eine Diode, insbesondere eine Zenerdiode vorzusehen, deren Zenerspannung kleiner ist als die Zenerspannung der Zener­ diode an der Basis des Schalttransistors. Durch diese Maß­ nahme wird erreicht, daß die Stromquelle bis zum Erreichen des Auslösepunktes sicher arbeitet und es wird weiterhin der Vorteil ausgenutzt, daß Zenerdioden auch bei unter­ schiedlichen Durchbruchspannungen nahezu den gleichen Temperaturkoeffizienten aufweisen, so daß eine einfache Kompensation des Temperaturganges möglich ist. Als Strom­ quelle ist vorteilhafterweise ein Transistor zu verwenden, dessen Basis über einen Spannungsteiler mit der Zenerdiode verbunden ist. Dadurch ergibt sich ein einfacher Aufbau der Stromquelle und es läßt sich durch die Dimensionie­ rung des Spannungsteilers die Temperaturabhängigkeit des Stromes beeinflussen. Eine vollständige Temperaturkompen­ sation erhält man, wenn man die Emitterwiderstände der Transistoren in einem bestimmten Verhältnis wählt, das im wesentlichen durch die Schaltspannung, die Basis- Emitter-Spannung der Transistoren, den Temperaturkoeffi­ zient der Basis-Emitter-Spannung der Transistoren und den Temperaturkoeffizienten der Zenerdiode der Stromquelle bestimmt ist. Die Schaltspannung kann in weiten Bereichen frei gewählt werden, wenn das Verhältnis der Widerstände des Spannungsteilers parallel zur Zenerdiode der Strom­ quelle nach den in den Ansprüchen aufgeführten Verhältnis bestimmt ist.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die in der Figur gezeigte Schaltungsanordnung ist einer­ seits an die Versorgungsspannung U angeschlossen und steht andererseits mit der gemeinsamen Masseleitung des elektrischen Gerätes in Verbindung. Die Versorgungs­ spannungsleitung dient zur Versorgung weiterer elek­ trischer Bausteine, insbesondere zur Spannungsver­ sorgung von Mikroprozessoren. An die Versorgungs­ spannungsleitung ist eine Zenerdiode ZD₁ angeschlossen, die über einen Widerstand R₅ mit der Masseleitung in Verbindung steht. Parallel zur Zenerdiode ZD₁ ist ein Spannungsteiler mit den Widerständen R₃ und R₄ ge­ schaltet. Der Mittenabgriff des Spannungsteilers mit den Widerständen R₃ und R₄ führt zur Basis eines Transistors T₁. Der Emitter des Transistors T₁ steht über einen Widerstand R₂ mit der Versorgungsspannungsleitung in Ver­ bindung, während der Kollektor über einen Widerstand R₁ zur gemeinsamen Masseleitung geführt ist. An den Kollek­ tor des Transistors T₁ ist desweiteren der Emitter eines Transistors T₂ angeschlossen. An die Versorgungsspannungs­ leitung ist eine Zenerdiode ZD₂ angeschlossen, die über einen Widerstand R₆ mit der Masseleitung verbunden ist. Zwischen der Zenerdiode ZD₂ und dem Widerstand R₆ ist die Basis des Transistors T₂ angeschlossen. Der Kollektor des Transistors T₂ führt zu einem Ausgang, wobei zwi­ schen der Versorgungsspannungsleitung und dem Ausgang ein Widerstand R₇ geschaltet ist. Am Ausgang der Schal­ tungsanordnung ist die Ausgangsspannung U_A abgreifbar.

Die Schaltungsanordnung dient insbesondere zur Auslösung eines Schaltvorganges beim Unterschreiten einer Versorgungs­ spannungsschwelle. Ein Unterschreiten der Versorgungs­ spannung ist insbesondere bei Mikroprozessoren gefährlich. Durch den Spannungszusammenbruch kann der Mikroprozessor in unkontrollierte Zustände gelangen, was zur Folge hat, daß das Rechner gesteuerte Gerät nicht einwandfrei ar­ beitet. In einem solchen Falle ist der Mikrocomputer mittels eines Reset-Signales wieder in einen definierten Ausgangszustand zu bringen. Aus den Datenblättern von Mikrocomputern ist bekannt, ab welchen Versorgungs­ spannungspegel ein einwandfreies Arbeiten des Mikro­ computers nicht mehr gegeben ist. Bei einer solchen Spannung muß nunmehr die gezeigte Schaltungsanordnung ansprechen. Soll die Schaltungsanordnung in Geräten be­ trieben werden, bei denen mit großen Temperaturschwankungen zu rechnen ist, so darf sich auch bei unterschiedlichen Temperaturen der Schaltpunkt nicht ändern. Temperaturein­ flüsse müssen daher vollständig kompensiert sein.

Die hier gezeigte Schaltung ermöglicht es, die Tempera­ turabhängigkeit insbesondere der Zenerdioden und der Transistoren sowie Parameterstreuungen dieser Bauelemente durch geeignete Wahl der Widerstände R₁ bis R₄ vollständig zu kompensieren. Durch die Einstellung des vorgegebenen unteren Pegels mittels des Widerstandes R₄ wird gleich­ zeitig der Temperaturgang der Gesamtschaltung kompen­ siert. Der Arbeitsstrom der Zenerdioden sowie auch der untere Pegel des Schwellwertschalters kann in einem weiten Bereich frei gewählt werden. Wird die Zenerspannung ZD₂ größer als die Zenerspannung ZD₁ gewählt, so wird beim Absinken der Versorgungsspannung unter den Schalt­ punkt des Schwellwertschalters sichergestellt, daß der Schaltzustand bis zum völligen Zusammenbruch der Ver­ sorgungsspannung erhalten bleibt. Auf diese Weise bleibt beim Einschalten der Versorgungsspannung auch Transistor T₂ sicher gesperrt, bis die Versorgungsspannung den Schaltpunkt wieder überschritten hat. Mit dieser Schal­ tung ist es daher auch möglich, einen sogenannten "Power on"-Reset zu realisieren.

Der Transistor T₁ ist als Stromquelle geschaltet, von dessen Kollektor ein konstanter Strom I abgegeben wird. Der erzeugte Strom ist dabei vom Widerstand R₂, dem Wert der Zenerdiode ZD₁ und dem Verhältnis des Spannungs­ teilers mit den Widerständen R₃ und R₄ abhängig. Am Widerstand R₁ fällt eine dem Strom proportionale Referenz­ spannung ab, die die Emitterspannung des Transistors T₁ definiert. Am Widerstand R₆ stellt sich nach dem Über­ schreiten der Zenerspannung der Diode ZD₂ ein versor­ gungsspannungsabhängiges Potential ein. Ist dieser Spannungswert größer als die Referenzspannung am Wider­ stand R₁ zuzüglich der Basis-Emitter-Spannung des Transistors T₂, so ist der Transistor T₂ leitend ge­ schaltet. Die Ausgangsspannung U_A ist dann im wesent­ lichen durch das Teilerverhältnis der Widerstände R₇ und R₁ bestimmt. Sinkt die Versorgungsspannung ab, so ist ab einem gewissen Zeitpunkt der Wert erreicht, an dem die Basis-Spannung des Transistors T₂ gleich ist der Referenzspannung am Widerstand R₁ zuzüglich der Basis-Emitter-Spannung des Transistors T₂. Der Transistor T₂ sperrt nunmehr, so daß am Ausgang der Schaltungsanord­ nung die Versorgungsspannung anliegt, die über den Wider­ stand R₇ an den Ausgang gelangen kann. Mit weiter sinken­ der Versorgungsspannung bleibt dieser Zustand erhalten, da der Strom des Transistors T₁ erst dann reduziert wird, wenn die Versorgungsspannung nahe dem Wert der Zenerdiode ZD₁ ist. Da diese Zenerdiode jedoch eine geringere Zener­ spannung aufweist als die Zenerdiode ZD₂, ist die Basis­ spannung am Transistor T₂ bereits so niedrig, daß eine Reduzierung des Stromes und damit eine Reduzierung der Referenzspannung am Widerstand R₁ keine Rolle spielt.

Insbesondere die Sperrschichten der Zenerdioden und Transistoren sind jedoch temperaturabhängig, so daß sich die Schaltspannung in Abhängigkeit von der Temperatur verändern kann. Um eine solche temperaturabhängige Schalt­ spannungsänderung zu verhindern, ist es notwendig, das Temperaturverhalten der Stromquelle umgekehrt dem Tempera­ turverhalten der Zenerdiode ZD₂ und des Transistors T₂ zu wählen. Dies wird dadurch erreicht, daß das Verhältnis der Widerstände R₁ zu R₂ nach der Gleichung

und das Verhältnis der Spannungsteilerwiderstände R₃ und R₄ nach der Gleichung

bestimmt ist. In diesen Gleichungen sind alle Werte be­ kannt.

Mit α ist der Temperaturkoeffizient der Zenerdioden ZD₁ und ZD₂ bezeichnet. Zenerdioden mit einer Zener­ spannung von 2,7 V bis 3,9 V haben allgemein beispiels­ weise einen Temperaturkoeffizienten, der größenordnungs­ mäßig den Betrag von -0,6 10^-3/K hat, wenn die Zener­ diode in ihrem Arbeitsbereich betrieben wird. Mit U_min ist die Versorgungsspannung gekennzeichnet, bei der ein Schalten des Transistors 2 stattfinden soll. Mit U_BE1 und U_BE2 ist die Basis-Emitter-Spannung der Transistoren T₁ und T₂ gekennzeichnet. Die Basis- Emitter-Spannung von Silizium-Transistoren ist konstant und beträgt etwa 0,6 bis 0,7 Volt. Die Ableitung der Basis-Emitter-Spannung nach der Temperatur ergibt den Temperaturkoeffizienten der Basis-Emitter-Spannung der Transistoren T₁ und T₂. Auch dieser Temperaturkoeffizient ist bekannt und beträgt beispielsweise bei Silizium- Transistoren etwa -2 mV/K. Mit U_Z1 und U_Z2 sind die Durchbruchspannungen der Zenerdioden ZD₁ und ZD₂ be­ zeichnet, die ebenfalls durch die Daten der Zenerdiode gegeben sind. Werden die Widerstandsverhältnisse nach diesen Formeln festgelegt, so ist eine Temperaturab­ hängigkeit des Schaltpunktes nicht mehr festzustellen.

Soll beispielsweise die minimale Versorgungsspannung, bei der ein Schaltvorgang erfolgt, 4,7 Volt betragen, so ist folgende Dimensionierung der Schaltungsanordnung, die sich bewährt hat, möglich. Der Widerstand R₁ hat einen Wert von 3 kΩ, der Widerstand R₂ einen Wert von 1,1 kΩ, der Widerstand R₃ einen Wert von 1 kΩ. Mit dem Widerstand R₄ ist ein Abgleich auf die Spannung von 4,7 Volt möglich. Er hat größenordnungsmäßig den Wert von 3 kΩ. Der Widerstand R₅ hat einen Wert von 390 Ω der Widerstand R₆ einen Wert von 270 Ω und der Widerstand R₇ von 200 kΩ. Für die Zenerdiode ZD₁ wurde eine Diode mit einer Zenerspannung von 2,7 Volt, für die Zenerdiode ZD₂ eine Diode mit einer Zenerspannung von 3,3 Volt gewählt. Die Transistoren T₁ und T₂ sind Silizium-Transistoren.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zur Auslösung eines Schaltvorgangs beim Unter­ schreiten eines vorgegebenen Spannungspegels mit einem Schalttransi­ stor, dessen Basis-Spannung durch eine Zenerdiode und einen Basis-Wi­ derstand festgelegt ist und an den ein Emitterwiderstand angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine von der Temperatur gesteuerte Stromquelle vorgesehen ist, mittels der der Strom durch den Emitterwi­ derstand (R₁) verändert wird.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als temperaturempfindliches Element zum Steuern der Stromquelle im wesentlichen eine Zenerdiode (ZD₁) vorgesehen ist, deren Zenerspannung kleiner ist als die Zenerspannung der Zenerdiode (ZD₂) an der Basis des Schalttransistors (T₂).
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromquelle ein Transistor (T₁) dient, dessen Basis über einen Spannungsteiler (R₃, R₄) mit der Zenerdiode (ZD₁) verbunden ist und daß zwischen dem Emitter des Transistors (T₁) und der Versorgungs­ spannungsleitung ein Widerstand (R₂) geschaltet ist.
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Verhältnis des Emitter-Widerstandes (R₁) des Schalttransistors (T₂) zum Emitterwiderstand (R₂) des Stromquellentransistors (T₁) nach der Gleichung bestimmt ist, wobei α der Temperaturkoeffizient der Zenerdioden (ZD₁, ZD₂), U_min der vorgegebene minimale Spannungspegel, U_BE1, U_BE2 die Basis-Emitter-Spannung der Transistoren (T₁, T₂) und , der Temperaturkoeffizient der Basis-Emitter-Spannung der Tran­ sistoren (T₁, T₂) ist.
5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verhältnis der Spannungsteilerwider­ stände (R₃, R₄) nach der Gleichung bestimmt ist, wobei U_Z1 die Durchbruchsspannung der Zenerdiode ZD₁ und U_Z2 die Durchbruchsspannung der Zener­ diode ZD₂ ist.