DE3632119A1 - Monolithisch integrierbare steuerschaltung mit einer gegentakt-endstufe zum umschalten induktiver lasten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine monolithisch integrierbare Steuerschaltung zum Umschalten induktiver Lasten. Insbesondere betrifft die Erfindung eine solche Steuerschaltung, die mit einer Gegentakt-Endstufe ausgestattet ist und zum Ansteuern von Relais, Solenoiden und Gleichstrommotoren eingesetzt werden kann.

Die einfachste Ausführungsform der Endstufe mit zu einer Gegentaktschaltung geschalteten Transistoren besteht in einem Paar komplementärer, in B-Betrieb arbeitender Transistoren. Diese Transistoren liegen in Reihe mit ihren Emitter- und Kollektor-Anschlüssen zwischen den beiden Polen einer Versorgungsspannungsquelle, und sie werden abwechselnd und gegenphasig durch entsprechende Ansteuerung ihrer Basiselektroden leitend gemacht.

In einer solchen Schaltung ergeben sich entgegengesetzte Stromflüsse in der Last, die an einen Ausgangsanschluß angeschlossen ist, der durch den Verbindungsknoten zwischen den beiden Transistoren gebildet wird.

Da das Umschalten jedes der Transistoren der Endstufe nicht unmittelbar, sondern vielmehr mit einer Übergangszeit erfolgt, die nicht unbeträchtlich ist, wenn die Transistoren in die Sättigung gehen, läßt es sich nicht vermeiden, daß die beiden Transistoren während des Umschaltvorgangs der Endstufe gleichzeitig leiten, wenn die Transistoren in einfacher Weise gegenphasig angesteuert werden.

Das gleichzeitige Leiten der beiden Transistoren ruft im allgemeinen eine unerwünschte Erhöhung der Verlustleistung in der Endstufe hervor.

Wenn dann noch an die Endstufe als Last eine induktive Last angeschlossen ist, erhöht die Gegen-EMK, die während des Umschaltens der Endstufe von dem sie durchfließenden Strom induziert wird, plötzlich die Kollektor-Emitter- Spannung des gerade in der Ausschaltphase befindlichen Transistors, der aber noch leitet, so daß in diesem Transistor die größte Verlustleistung entsteht, die unter Umständen zerstörende Wirkung haben kann.

Aus diesem Grund muß vermieden werden, daß die Transistoren einer Gegentakt-Endstufe in einer Steuerschaltung zum Umschalten induktiver Lasten während des Umschaltvorgangs gleichzeitig leitend sind. Die einfachste Lösung dieses Prolems besteht darin, in der an die Gegentakt-Endstufe angeschlosenen Steuerschaltungseinrichtung in geeigneter Weise das Einschaltsignal für den noch ausgeschalteten Endtransistor gegenüber dem Ausschaltsignal des leitenden Transistors zu verzögern.

In der Praxis benötigt eine Steuerschaltung, die eine solche Lösung vorsieht, ziemlich komplexe Schaltungsmittel, die im Hinblick auf die von der integrierten Schaltung belegte Fläche kostspielig sind.

In der DE-OS 33 09 212 ist von der Anmelderin eine Steuerschaltung zum Umschalten induktiver Lasten beschrieben worden die auf einem anderen Funktionsprinzip beruht, und die eine wirtschaftliche industrielle Anwendbarkeit ermöglicht.

Eine solche Steuerschaltung ist in Fig. 1 skizziert. Die Steuerschaltung enthält eine Endstufe mit zwei Bipolar- Transistoren T 1 und T 2, von denen der eine ein PNP- und der andere ein NPN-Transistor ist. Die zusammengeschalteten Kollektoranschlüsse der beiden Transistoren bilden den Ausgangsanschluß der Steuerschaltung.

Die Emitter-Anschlüsse der Transistoren T 1 und T 2 sind an den positiven Anschluß +V _CC bzw. an den negativen Anschluß -V _CC einer Versorgungsspannungsquelle angeschlossen. An die Basis des Transistors T 1 ist der Kollektor eines PNP- Bipolar-Transistors T 3 angeschlossen. An die Basis des Transistors T 2 ist der Kollektor eines NPN-Bipolar-Transistors T 4 angeschlossen.

Die Emitter-Anschlüsse der Transistoren T 3 und T 4 sind an den positiven Anschluß +V _CC bzw. an den negativen Anschluß -V _CC angeschlossen.

Die Basisanschlüsse der Transistoren T 1 und T 4 sind an den Kollektor bzw. an den Emitter eines NPN-Bipolar-Transistors T 14 angeschlossen. Die Basisanschlüsse der Transistoren T 3 und T 2 sind an den Kollektoranschluß bzw. an den Emitteranschluß eines NPN-Bipolar-Transistors T 23 angeschlossen. Die Basisanschlüsse der Transistoren T 14 und T 23 sind an eine Steuerschaltungseinrichtung angeschlossen, die in der Figur als rechteckiger Block C dargestellt ist. Die Steuerschaltungseinrichtung umfaßt beispielsweise eine Differenzverstärkeranordnung, die in der oben erwähnten Patentanmeldung näher beschrieben ist.

Die Steuerschaltungseinrichtung C ist an eine Umschaltsignalquelle angeschlossen, welche in der Figur durch einen Block SW dargestellt ist. In Abhängigkeit von Umschaltsignalen, die von der Quelle abgegeben werden, steuert die Steuerschaltungseinrichtung das abwechselnde Leiten der Transistoren T 14 und T 23. Wenn daher die Transistoren T 1 und T 4 leiten, sind die Transistoren T 2 und T 3gesperrt, und umgekehrt. Die Transistoren T 1 und T 2 der Endstufe leiten, indem sie in Sättigung gehen.

Entsprechend der oben erwähnten DE-OS 33 09 212 leiten auch die Transistoren T 3 und T 4, indem sie in Sättigung gehen.

Zur Erläutertung der Funktionsweise der Schaltung sei angenommen, daß ein Umschaltsignal das Sperren des Transistors T 14 und das Leiten des Transistors T 23 veranlaßt.

Der Transistor T 3 geht mit einer beträchtlichen Verzögerung in die Sättigung; dieser Transistor leitet Ladungen von der Basis des Transistors T 1 ab und verringert dadurch die Umschaltübergangszeit zwischen Sättigung und Sperrzustand dieses Transistors. Der Transistor T 4 hingegen bleibt leitend, und zwar zunächst in Sättigung, solange, wie seine Basis nicht von den Ladungen befreit ist, die in ihr gespeichert sind. Während dieser Übergangsphase nimmt der Transistor T 4 laufend den Emitterstrom des Transistors T 23 auf, wodurch ein Leitendwerden des Transistors T 2 verhindert wird, der deshalb mit einer Verzögerung umschaltet, die bestimmt wird durch die Sättigungsbedingungen des Transistors T 4.

Die Transistoren T 3 und T 4, die das Sperren des Transistors T 1 beschleunigen und Einschalten des Transistors T 2 verzögern, ermöglichen es, das gleichzeitige Leiten der Transistoren T 1 und T 2 zu vermeiden oder doch zumindest die Dauer eines gleichzeitigen Leitens in geeigneter Weise zu begrenzen, derart, daß eine solche Situation nicht für die Unversehrtheit der Anordnung gefährlich wird.

Der in die andere Richtung erfolgende Umschaltvorgang läuft analog und symmetrisch zu dem oben beschriebenen Vorgang ab: Der Transistor T 4 beschleunigt das Sperren des Transistors T 2, während der Transistor T 3 das Einschalten des Transistors T 1 verzögert, wodurch auch in diesem Fall abträgliche Einflüsse durch gleichzeitiges Leiten der Transistoren vermieden werden.

Die Wirtschaftlichkeit der beschriebenen Lösung wird deutlich, wenn man die Tatsache berücksichtigt, daß zwischen unvorteilhaftes gleichzeitiges Leitendwerden vermieden werden kann, indem man als zusätzliche Elemente lediglich zwei normale Bipolar-Transistoren, nämlich die Transistoren T 3 und T 4, verwendet.

Außerdem verursachen die Transistoren T 3 und T 4 keine Erhöhung der Versorgungsstromaufnahme, da der abfließende Basisstrom des Endtransistors T 1 im Transistor T 4 als über dem Transistor T 14 einfließender Basisstrom wieder verwendet wird (zumindest als nennenswerter Basisstrom des Transistors T 14), und der einfließende Basisstrom des Transistors T 2 als über den Transistor T 23 abfließender Basisstrom des Transistors T 3 wieder verwendet wird (zumindest als beträchtlicher Basisstrom des Transistors T 23).

Allerdings kann auch diese oben beschriebene Umschalt- Steuerschaltung für induktive Lasten in der praktischen Ausführung als monolithisch integrierte Schaltung einen Nachteil haben, der eng verbunden ist mit den technologischen Problemen einer solchen Schaltungsrealisierung.

Wie dem Fachmann bekannt ist, gibt es tatsächlich Leckströme bei Transistoren einer integrierten Schaltung, auch wenn diese Transistoren sperren. In dem betrachteten Fall können die Leckströme der Transistoren T 233 und T 14 ein unbeabsichtigt und unerwünschtes erneutes Einschalten der Transistoren T 3 und T 4 hervorrufen, einhergehend mit negativen Auswirkungen auf die Genauigkeit der Steuerung der Endtransistoren T 1 und T 2.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine monolithisch integrierbare Steuerschaltung zum Umschalten induktiver Lasten zu schaffen, die bei etwa gleich hohen Herstellungskosten im Vergleich zu den bekannten Schaltungen eine höhere Funktionssicherheit und -genauigkeit besitzt.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise als Blockdiagramm dargestellte Skizze einer bekannten Steuerschaltung zum Umschalten induktiver Lasten, wie sie oben beschrieben wurde, und

Fig. 2 eine teilweise als Blockdiagramm dargestellte Skizze einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung zum Umschalten induktiver Lasten.

In der Skizze nach Fig. 2 sind für gleiche und vergleichbare Bauteile ähnliche (gestrichene) Bezugszeichen verwendet.

Die in Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße Steuerschaltung besitzt eine Endstufe mit zwei Bipolar-Transistoren T 1′ und T 2′, die als PNP- bzw. NPN-Transistor ausgebildet sind, und die mit ihren Kollektoranschlüssen gekoppelt sind, um dadurch den Ausgangsanschluß der Steuerschaltung zu bilden.

Die Emitter der Transistoren T 1′ und T 2′ sind an den positiven Anschluß +V _CC bzw. an den negativen Anschluß -V _CC einer Versorgungsspannungsquelle angeschlossen. Die Basen der beiden Transistoren sind an eine Steuerschaltungseinrichtung angeschlossen, die in der Zeichnung als rechteckiger Block C′ dargestellt ist.

Die Steuerschaltungseinrichtung C′ ist an eine Umschaltsignalquelle angeschlossen, die in der Figur durch einen Block SW′ dargestellt ist. Entsprechend den in der Umschaltsignalquelle erzeugten Umschaltsignalen steuert die Steuerschaltungseinrichtung abwechselnd das Leitendwerden der Transistoren T 1′ und T 2′.

Bei der Schaltungseinrichtung C′ kann es sich um eine Schaltung handeln, die genauso ausgebildet ist wie die Schaltungseinrichtung C in Verbindung mit den Transistoren T 14 und T 23, die in Fig. 1 dargestellt sind.

An die Basis des Transistors T 1′ ist der Kollektor eines PNP-Bipolar-Transistors T 3′ angeschlossen. An die Basis des Transistors T 2′ ist der Kollektor eines NPN-Bipolar- Transistors T 4′ angeschlossen.

Die Ermitter der Transistoren T 3′ und T 4′ sind an den positiven Anschluß +V _CC bzw. an den negtiven Anschluß -V _CC der Versorgungsspannungsquelle angeschlossen.

Die Basen der Transistoren T 3′ und T 4′ sind an die Anode einer ersten Diode D 3′ bzw. an die Kathode einer zweiten Diode D 4′ angeschlossen.

Die Kathode der Diode D 3′ ist einerseits an die Steuerschaltungseinrichtung C′, und andererseits über einen ersten Widerstand R 3′ an den positiven Versorgungsspannungs- Anschluß +V _CC angeschlossen.

Die Anode der Diode D 4′ ist einerseits an die Steuerschaltungseinrichtung C′, andererseits über einen zweiten Widerstand R 4′ an den negativen Versorgungsspannungs-Anschluß -V _CC angeschlossen.

Die Steuerschaltungseinrichtung C′ steuert gleichzeitig das Leitendwerden der Transistoren T 1′ und T 4′ und das Sperren der Transistoren T 2′ und T 3′, und umgekehrt, abhängig von den Umschaltsignalen, die in der Quelle SW′ erzeugt werden.

Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Steuerschaltung ist identisch mit der bereits anhand der Fig. 1 beschriebenen Funktionsweise: Die Transistoren T 3′ und T 4′ funktionieren exakt äquivalent wie die Transistoren T 3 bzw. T 4. Die Widerstände R 3′ und R 4′ gestatten jedoch die exakte Festlegung eines Schwellenwertes für den Basisstrom zum Einschalten der Transistoren T 3′ bzw. T 4′.

In diesem Fall ergeben sich die minimalen Basisstromstärken, die notwendig sind, um die Transistoren einzuschalten, zu
↖≱⊰≉≴ ≡ ∲‴ ℩′₃ und VD′ ₄ die Durchlaßspannungen der Dioden D 3′ und D 4′, und VBE′ ₃ und VBE′ ₄ die Basis-Emitter-Durchlaßspannungen der Transistoren T 3′ bzw. T 4′ sind. Wenn man die Widerstandswerte der Widerstände R 3′ und R 4′ in geeigneter Weise wählt, kann man die Strom-Schwellenwerte derart stabilisieren, daß mit absoluter Sicherheit ein unerwünschtes Einschalten der Transistoren T 3′ und T 4′ vermieden wird, das allein Anlaß ist für Verlustströme seitens der Schaltungseinrichtung C′.

Ferner verhindern die Dioden D 3′ und D 4′ einen Ladungsabfluß aus den Basen der Transistoren T 3′ und T 4′ über die Widerstände R 3′ bzw. R 4′, wenn diese Transistoren, die im Sättigungszustand leiten, bei dem Umschaltvorgang in der Phase des Sperrens sind. In diesem Betriebszustand besteht keine Gefahr von Schwankungen der Dauer des Sperrens der Transistoren T 3′ und T 4′; und somit können nicht derartige Schwankungen zu dem gefährlichen gleichzeitigen Leitendwerden der Endtransistoren T 1′ und T 2′ führen.

Man erhält also mit einfachsten und billigen Schaltungsmitteln, nämlich mit zwei Widerständen und zwei Dioden, die Gewähr für ein präzises Funktionieren der Schaltung.

In Abwandlung der oben beschriebenen Ausführungsform könnten die Dioden auch durch andere Schaltungselemente realisiert werden, mit denen ein Leiten in nur einer Richtung ("Einbahnschaltungselement") bewirkt werden kann. Auch die Transistoren der Endstufe könnten durch äquivalente Schaltungselemente ersetzt werden, welche mehr Transistoren umfassen wie dies dem Fachmann bekannt ist.

Die Steuerschaltungseinrichtung C′ kann in der dem Fachmann geläufigen Weise ausgebildet sein.

Claims (6)

1. Monolithisch integrierbare Steuerschaltung zum Umschalten induktiver Lasten, mit einer Gegentakt-Endstufe, die aus einem ersten (T 1′) und einem zweiten (T 2′) Schaltungselement besteht, von denen jedes einen ersten und einen zweiten Anschluß sowie einen Steueranschluß aufweist, die jeweils mit dem ersten und dem zweiten Anschluß zwischen dem ersten (+V _CC ) und einem zweiten Anschluß (-V _CC ) einer Versorgungsspannungsquelle in Reihe geschaltet sind, und deren Steueranschlüsse beide an eine mit einer Umschaltsignalquelle (SW′) gekoppelte Steuerschaltungseinrichtung (C′) angeschlossen sind, welche in Abhängigkeit von dem Umschaltsignalen abwechselnd das erste (T 1′) und das zweite Schaltungselement (T 2′) leitend macht, und mit einem ersten (T 3′) und einem zweiten Ladungsableit- Transistor (T 4′), von denen jeder einen ersten, einen zweiten und einen Steueranschluß besitzt, wobei der erste Ladungsableit-Transistor (T 3′) mit seinem ersten und seinem zweiten Anschluß zwischen denjenigen Anschluß (+V _CC ) der Versorgungsspannungsquelle, an den das erste Schaltungselement (T 1′) angeschlossen ist, und den Steueranschluß des ersten Schaltungselements eingefügt ist, der zweite Ladungsableit-Transistor (T 4′) mit seinem ersten und seinem zweiten Anschluß zwischen denjenigen Anschluß (-V _CC ) der Versorgungsspannungsquelle, an den das zweite Schaltungselement (T 2′) angeschlossen ist, und den Steueranschluß des zweiten Schaltungselements eingefügt ist, die Steueranschlüsse des ersten und des zweiten Ladungsableit- Transistors (T 3′, T 4′) an die Steuerschaltungseirichtung (C′) gekoppelt sind, welche das Aktivieren des ersten und des zweiten Ladungsableit-Transistors (T 3′, T 4′) entsprechend der Leitendsteuerung des zweiten T 2′) bzw. des ersten Schaltungselements (T 1′9 veranlaßt, und wobei der erste (T 3′) und der zweite Ladungsableit- Transistor (T 4′) jeweils für eine bestimmte Zeitspanne leitend gemacht werden, deren Dauer nicht geringer ist als die Dauer der Zeitspanne, in der das zweite Schaltungselement (T 2′) bzw. das erste Schaltungselement (T 1′) leitend gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Steueranschluß des ersten Ladungsableit-Transistors (T 3′) über ein erstes Einbahn-Schaltungselement (D 3′) an die Steuerschaltungseinrichtung (C′) gekoppelt ist, das mit einem ersten Anschluß an den Steueranschluß und mit einem zweiten Anschluß einerseits an die Steuerschaltungseinrichtung (C′) und andererseits über einen ersten Widerstand (R 3′) an denjenigen Anschluß der Speisespannungsquelle angeschlossen ist, an den der erste Ladungsableit- Transistor (T 3′) angeschlossen ist, und daß der Steueranschluß des zweiten Ladungsableit-Transistors (T 4′) über ein zweites Einbahn-Schaltungselement (D 4′) an die Steuerschaltungseinrichtung (C′) angeschlossen ist, welches mit seinem ersten Anschluß einerseits an die Steuerschaltungseinrichtung (C′) und andererseits über einen zweiten Widerstand (R 4′) an denjenigen Anschluß der Versorgungsspannungsquelle angeschlossen ist, an den auch der zweite Ladungsableit-Transistor (T 4′) angeschlossen ist, und welches mit seinem zweiten Anschluß an den Steueranschluß des zweiten Ladungsableit-Transistors (T 4′) angeschlossen ist.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste (T 1′) und das zweite Schaltungselement (T 2′) von entgegengesetztem Leistungstyp sind, daß der erste Anschluß des ersten Schaltungselements (T 1′) und der erste Anschluß des zweiten Schaltungselements (T 2′) an den ersten (+V _CC ) bzw. an den zweiten Anschluß (-V _CC ) der Versorgungsspannungsquelle angeschlossen sind, daß die zweiten Anschlüsse des ersten und des zweiten Schaltungselements (T 1′, T 2′) zusammengeschaltet sind und einen Ausgangsanschluß der Steuerschaltung bilden, und daß der erste (T 3′) und der zweite Ladungsableit-Transistor (T 4′) vom gleichen Leitungstyp sind wie das erste Schaltungselement (T 1′) bzw. das zweite Schaltungselement (T 2′).

3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste (T 1′) und das zweite Schaltungselement (T 2′) Transistoren sind.

4. Steuerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste (T 1′) und das zweite Schaltungselement (T 2′) sowie der erste (T 3′) und der zweite Ladungsableit- Transistor (T 4′) Bipolar-Transistoren sind, und daß der erste Anschluß, der Steueranschluß und der zweite Anschluß der Emitter, die Basis bzw. der Kollektor sind.

5. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (T 3′) und der zweite Ladungsableit-Transistor (T 4′) im Sättigungsbereich leiten.

6. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste (D 3′) und das zweite Einbahn-Schaltungselement (D 4′) Dioden sind, wobei der erste Anschluß die Anode und der zweite Anschluß die Kathode des jeweiligen Schaltungselements sind.