DE4308677A1 - Elektronische Schaltkreise - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf elektronische Schaltkreise, die insbesondere zum Schutz elektronischer Komponenten gegen schädliche Wirkungen ionisierender Strahlung geeig­ net sind.

Es ist bekannt, daß eine explodierende Kernwaffe Impulse ionisierender Strahlung erzeugt (X und γ Strahlen). Dieser Strahlung ausgesetzte elektronische Komponenten können dadurch beschädigt werden. Eine solche Strahlung bewirkt überschüssige Elektronenlochpaare innerhalb der Halbleiter P/N-Verbindungen. Diese Elektronenlochpaare führen zu Photoströmen, die über die Verbindungen fließen. Wenn der Photostrom groß genug ist, kann er eine "Ver­ klinkung" der Logikelemente bewirken, d. h. die Ausgänge der integrierten Schaltungen fixieren sich selbst bei einem gewissen Spannungspegel, wodurch die Schaltung nicht mehr den beabsichtigten Zweck erfüllen kann. Unter gewissen Umständen können die Photoströme groß genug sein, um ein Ausbrennen der Schaltungselemente zu bewirken.

Bekannte Maßnahmen zur Verminderung der Wirkungen dieser schädlichen Strahlung umfassen zum Beispiel die Benutzung von Kernereignisdetektoren, die mit verschiedenen Arten von Schutzschaltungen gekoppelt sind.

Einige dieser Ver­ fahren sind in EDN vom 22. Aug. 1985, S. 133-140 beschrie­ ben.

In gewissen Fällen können die Schaltungselemente gegen Ausbrennen durch hohe Photoströme durch Strombegrenzungs­ widerstände geschützt werden, die die Leistungsverteilung in den Schaltungselementen steuern. Dieses Verfahren ist jedoch nicht immer zweckmäßig, insbesondere nicht für jene Schaltungselemente, die einen Verriegelungshalte­ strom führen, der kleiner ist als ihr normaler Arbeits­ strom.

Bekannte Detektoren für nukleare Ereignisse (NED) er­ fassen einen Impuls ionisierender Strahlung und erzeugen selbst einen Impuls vorbestimmter Dauer, der beispiels­ weise einen Leistung zuführenden "Brecheisenkreis" akti­ viert. (Natürlich müssen NED und Brechstangenkreis bis zu einem gewissen Grad strahlungssicher sein.) Die vor­ erwähnte Literaturstelle veranschaulicht auf S. 137 eine "Brecheisen"-Schaltung. Schaltungen dieser Art können bei Gefahr innerhalb von 10 bis 100 Millisekunden die Leistung der elektronischen Schaltungselemente abschalten.

Wenn sich die Schaltungselemente erholt haben, kann die Leistung wieder eingeschaltet werden. Die Erholungszeit hängt von der Intensität des Strahlungsimpulses und der Art der jeweiligen Schaltungselemente ab. Nachdem der "Brecheisenkreis" das Wiederanlegen der Leistung erlaubt, kann eine beträchtliche Zeit verstreichen, bevor die elektronischen Schaltungselemente wieder ordnungsgemäß arbeiten. Diese Zeitverzögerung ist hauptsächlich eine Folge der Zeit, die die Entkopplungskondensatoren benöti­ gen, um sich wieder zu laden. (Diese Kondensatoren benö­ tigen natürlich auch eine endliche Zeit zur Entladung nachdem die Leistung abgeschaltet ist.)
Jede integrierte Schaltung, die ein elektronisches System umfaßt, besitzt normalerweise einen Entkopplungskondensa­ tor (im typischen Fall von 0,1 µF), der an den Spannungs­ schienen liegt, wobei ein Zweck dieser Kondensatoren darin besteht, zu verhindern daß Spannungsspitzen, die auf den Leitungen vorhanden sein können, die normale Arbeitsweise der integrierten Schaltungen stören.

Es soll der Fall betrachtet werden, wo das betreffende elektronische System einen Teil eines Leitsteuerkreises für einen Flugkörper bildet, der mit großer Geschwindig­ keit fliegt. Während der Zeit zwischen dem Einsatz der Verklinkung infolge der Strahlung und der Wiederherstellung der vollen Spannung an den integrierten Schaltungen, gerät der Flugkörper außer Kontrolle. Wenn dieses Zeit­ intervall zu lang ist, kann diese Situation nicht ge­ heilt werden, selbst wenn alle integrierten Schaltungen nach der Wiedereinschaltung ordnungsgemäß funktionieren.

Es besteht daher ein Bedarf die Zeit zwischen Ausklinkung und Wiederherstellung der Spannungszufuhr zu verkürzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strahlungs­ schutzschaltung zu schaffen, die die Wiederherstellung normaler Arbeitsbedingungen innerhalb einer sehr kurzen Zeit gewährleistet. Im Fall eines Flugkörpers wird damit das Zeitintervall während der Flugkörper außer Kontrolle ist beträchtlich vermindert.

Die Erfindung besteht aus einem Schaltkreis zur Ver­ bindung zwischen einem elektronischen Schaltungselement und einer Spannungsquelle, wobei die Schaltung einen Entkoppelkondensator zur Verbindung über den Eingängen der Spannungsquelle nach dem elektronischen Schaltungs­ element und erste und zweite Schalter aufweist, um das elektronische Schaltungselement und den Entkopplungs­ kondensator von der Spannungsquelle zu trennen.

Unter normalen Betriebsbedingungen sind beide Schalter geschlossen, so daß das elektronische Schaltungselement an der Spannungsquelle liegt und der Entkopplungskondensa­ tor die Zuführungsleitungen überbrückt und demgemäß seine übliche Funktion durchführt.

Die Öffnung der Schalter kann durch einen Ausgang der NED-Schaltung eingeleitet werden, die mit der Schutzschal­ tung verbunden ist. Durch den zweiten Schalter wird be­ wirkt, daß der Entkopplungskondensator seine Ladung be­ hält, während die Spannungsquelle von dem elektronischen Schaltungselement abgeschaltet ist. Wenn demgemäß die NED-Signale die Schalter wieder schließen, damit der nor­ male Betrieb fortgesetzt werden kann, besteht keine Zeit­ verzögerung während der der Entkoppelkondensator sich wieder aufladen muß. So wird die Zeit zwischen dem Abschal­ ten und dem Wiedereinschalten verringert.

Vorzugsweise bestehen erster und zweiter Schalter aus ersten und zweiten NPN-Transistoren. Ihre Schaltung kann durch einen dritten NPN-Transistor gesteuert werden. Dieser kann seinerseits durch einen Impuls von einer NED-Schaltung eingeschaltet werden.

Der Wahl eines NPN-Transistors anstelle eines PNP-Tran­ sistors hat den Vorteil einer einfacheren Ausgestaltung der Schaltung. Aus der Betrachtung der nachstehend be­ schriebenen Schaltung wird klar, daß die Photoströme die in dem dritten Transistor nach einem nuklearen Er­ eignis induziert werden, die gewünschte Wirkung der Anschaltung unterstützen. Photoströme, die in dem ersten Transistor induziert werden, strömen gefahrlos nach Erde durch die Wirkung des dritten Transistors. Die Photoströme, die in dem zweiten Transistor induziert werden, reduzieren nur mit einer geringen Wahrschein­ lichkeit die Arbeitsweise der Schaltung in der das betreffende elektronische Schaltungselement einen außer­ ordentlich niedrigen Verriegelungsstrom führt, d. h. einen Strom, der geringer ist als der normale Betriebs­ strom. In solchen Fällen liefert die Erfindung eine Lösung für dieses Problem, wie dies weiter unten be­ schrieben wird.

Demgemäß kann die Schaltung selbst strahlungssicher aus­ gelegt werden.

Die Schutzschaltung, die die erwähnten ersten, zweiten und dritten Transistoren besitzt, kann zufriedenstellend arbeiten, ohne von einem NED-Kreis getriggert zu werden, und sie kann den Normalbetrieb wieder aufnehmen, nachdem die Strahlung auf einen unwirksam niedrigen Pegel gesun­ ken ist. Es ist jedoch zweckmäßig, eine NED-Schaltung einzuführen, da dies den Vorteil einer variablen Aus­ gangs-Impulslänge hat, d. h. die Zeit während der die Leistung abgeschaltet bleibt, kann eingestellt werden.

Weil der Entkopplungskondensator seine Ladung während der Abschaltung nicht verliert, hat sein Wert keinen Einfluß auf die Zeit, die erforderlich ist, um den Normal­ betrieb nach einer Abschaltung wieder herzustellen. Daher könnte der Entkopplungskondensator jeden realistischen Wert von zum Beispiel 0,01 µF bis zu wenigen Hundert µF haben.

Fakultativ kann ein vierter Transistor parallel zu dem zweiten in der Schutzschaltung angeordnet werden, damit ein (Wechsel-)Strom auf jedem Weg durch den Entkopplungs- Kondensator fließen kann. Dies hat den Vorteil, daß der Kondensator unerwünschte Signale wirksamer auskoppelt.

Fakultativ können weitere Kondensatoren in die Schutz­ schaltung eingeschaltet werden, um unerwünschte Strom­ flüsse über den zweiten und vierten Transistor beim Ab­ schalten zu senken. Diese unerwünschten Ströme würden sonst danach trachten den Entkopplungskondensator zu entladen und den elektronischen Schaltungselementen Strom zuführen. Statt dessen oder zusätzlich können diese un­ erwünschten Ströme durch einen Pfad mit geringer Impedanz parallel zu dem Entkopplungs-Kondensator und über den Zuführungsleitungen abgeleitet werden. Vorzugsweise wird der Pfad mit geringer Impedanz durch einen Widerstand und einen damit in Reihe liegenden NPN-Transistor reali­ siert. Dieser Transistor kann so geschaltet werden, daß er selbst strahlungssicher ist und anschaltet, wenn ein nukleares Ereignis auftritt.

Diese Schaltungen (die weitere Kondensatoren und/oder einen Pfad mit geringer Impedanz aufweisen) sind insbe­ sondere zur Benutzung in Verbindung mit elektronischen Schaltungselementen geeignet, die außerordentlich niedrige Verklinkungshalteströme aufweisen, die kleiner sind als die normalen Betriebsströme.

Die Anordnung eines Pfades mit geringer Impedanz ist insbesondere vorteilhaft, wenn dieser Pfad in die Schal­ tung eingebracht wird, die den vierten Transistor enthält.

Im folgenden werden einige Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben; in der Zeichnung zeigen

Fig. 1 ist ein Schaltbild, welches das Prinzip der Erfindung veranschaulicht,
die Fig. 2 bis 5 sind Schaltungen in abgewandelter Ausführungsform der Erfindung,

Gemäß Fig. 1 ist eine Spannungsquelle 1 an ein elektro­ nisches Schaltungselement 2 über einen Schalter S1 ange­ schlossen. Parallel zu Schaltungselement 2 und zwischen den Stromzuleitungen (V_s und Erde) ist ein Entkopplungs­ kondensator 3 mit einem Schalter S2 angeordnet.

Während normaler Betriebsbedingungen sind beide Schalter geschlossen. Demgemäß wird dem Schaltungselement Strom zugeführt und der Entkopplungskondensator verhindert wirksam, daß irgendwelche Störungen die auf einer der Zuführungsleitungen (V_s oder Erde) vorhanden sind, das Schaltungselement 2 erreichen. Es soll bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel angenommen werden, daß die Speisespannung 5V beträgt, d. h. daß eine 5V Potentialdifferenz über dem Kondensator 3 vorhanden ist.

Wenn ein nukleares Ereignis auftritt, dann werden die Schalter S1 und S2 durch eine später zu beschreibende äußere Schaltung geöffnet. So wird die Spannung von dem Schaltungselement 2 abgeschaltet, aber es besteht immer noch eine 5V Potentialdifferenz, die über dem Kondensa­ tor 3 aufrechterhalten wird, wobei sein Verbindungspunkt mit der Zuführungsleitung V_s auf 0V (Punkt A in Fig. 1) und sein Verbindungspunkt mit dem offenen Schalter S2 (Punkt B in Fig. 1) auf -5V liegt. Da kein Strompfad besteht, über den sich der Kondensator entladen kann, bleibt er während der gesamten Abschaltdauer aufgeladen. Wenn die Schalter S1 und S2 wieder schließen, kann das Schaltungselement 2 augenblicklich wieder in den Normal­ betrieb übergehen und zwar ohne Zeitverzögerung während der der Entkopplungskondensator aufgeladen wird.

In Fig. 2 werden die Schalter S1 und S2 gemäß Fig. 1 durch NPN-Transistoren TR1 bzw. TR2 gebildet. Jeder Tran­ sistor hat einen zugeordneten Vorspannwiderstand R1 bzw. R2. Der Transistor TR1 muß ein Hochleistungstransistor sein, da er den Arbeitsstrom nach dem elektronischen Schaltungselement bzw. der elektronischen Schaltung (die zu schützen ist) leiten muß.

Der dritte Transistor TR3 und seine zugeordneten Vorspann­ widerstände R3 und R4 dienen zur Steuerung der Schaltung der Transistoren TR1 und TR2. Der Transistor TR3 wird seinerseits durch einen Ausgangsimpuls eines nicht darge­ stellten NED gesteuert. Der NED kann irgendeine Schaltung sein, die ein nukleares Ereignis feststellt. Derartige Schaltungen sind bekannt und werden daher hier nicht be­ schrieben.

Der Entkopplungskondensator 3 kann einen Wert von 0,1 µF haben und typische Widerstandswerte sind aus Fig. 2 zu entnehmen.

Die Schutzschaltung gemäß Fig. 2 ist so ausgebildet, daß die Leistung von der Schaltung 2 abgeschaltet wird, wenn ein positiver Impuls von einem NED herrührt. Dieser Impuls wird der Basis des Transistors TR3 zugeführt.

Im Betrieb und unter normalen Betriebsbedingungen befinden sich die Transistoren TR1 und TR2 in ihrem Leitfähigkeits­ zustand und der Transistor TR3 ist abgeschaltet. Nach einem nuklearen Ereignis wird der Basis des Transistors TR3 ein positiver Impuls zugeführt. Dieser Impuls bewirkt, daß der Transistor TR3 eingeschaltet wird. Infolge der Anschaltung des Transistors TR3 und des Stromabzugs von der Spannungsquelle 1, schalten die Transistoren TR1 und TR2 ab. Demgemäß wird die Stromzufuhr nach der Schaltung 2 unterbrochen, aber es kann immer noch Strom durch den Transistor TR3 über den Widerstand R1 abgezogen werden. Wie unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben, bleibt der Entkopplungskondensator aufgeladen, wobei der Kollektor des Transistors TR2 auf -5V gehalten wird.

Irgendwelche im Transistor TR3 induzierten Photoströme unterstützen die Anschaltung des Transistors TR3. Photo­ ströme, die in TR1 induziert werden, fließen harmlos nach Erde ab. Photoströme die in TR2 induziert werden, fließen in den Kondensator 3 und durch die elektronische Schaltung 2. Diese letzteren Photoströme stellen aber nur für Schaltungselemente ein Problem dar, die sehr niedrige Verklinkungshalteströme führen. In solchen Fällen, kann das Problem in Verbindung mit den Schaltungen nach Fig. 3 und 5 gelöst werden.

Wenn der Impuls von dem NED auf Null fällt, dann schaltet der Transistor TR3 wieder ab, so daß die Transistoren TR1 und TR2 in den Leitfähigkeitszustand zurückgeschaltet werden, so daß an die Schaltung 2 wieder eine Spannung angelegt wird.

Während der Leitungsabschaltung gibt es zwei Mechanismen durch die ein Rückstrom über den Transistor TR2 fließen kann. Der erste Mechanismus ist eine Folge induzierter Photoströme (wie bereits erwähnt). Ein zweiter Mechanismus ist ein Ergebnis der Potentialdifferenz über dem Wider­ stand R2, wodurch der Basis des Transistors TR2 Strom zu­ geführt wird, der eine Vorspannung darüber hat (von -5V am Kollektor und 0V am Emitter). Wenn diese Ströme nicht durch irgendwelche Maßnahmen abgesaugt werden, dann sucht ihre Wirkung die Spannung zu vermindern, die von dem Entkoppelkondensator 3 gehalten wird, um die Spannung an der Schaltung 2 aufrechtzuerhalten. Dies ist unerwünscht, da es für den Kondensator zweckmäßig ist, seine volle Ladung zu behalten, so daß keine Zeit bei der Wiederaufladung ver­ lustig geht, nachdem die Schaltung 2 wieder an Spannung gelegt ist. Auch könnte der der Schaltung zugeführte Strom die Ausklinkung aufrechterhalten.

In Fig. 3 sind Vorkehrungen dargestellt, um diesen Rück­ strom abzusenken. Fig. 3 zeigt im wesentlichen die gleiche Schaltung wie in Fig. 2, wobei zusätzlich ein Kondensator 4 parallel zu dem Widerstand R2 geschaltet ist. Dieser Kondensator 4 sammelt während der Abschaltung Ladung, d. h. er saugt Photoströme ab, die vom Emitter nach der Basis des Transistors TR2 fließen. Ein typischer Wert für den Kondensator 4 könnten 100 nF sein.

Der Kondensator 4 absorbiert auch Ströme die infolge der Potentialdifferenz über dem Widerstand R2 durch diesen fließen, so daß die Spannung an der Basis von TR2 während der Abschaltung gehalten wird.

Aus der Betrachtung von Fig. 2 und 3 ist ersichtlich, daß das Vorhandensein des Transistors TR2 die Wirksamkeit vermindern könnte, mit der der Entkopplungskondensator 3 in der Lage ist, unerwünschte Spannungsspitzen, beispiels­ weise daran zu hindern, daß sie die Schaltung 2 erreichen.

Der Grund dafür besteht darin, daß der Transistor TR2 im Leitfähigkeitszustand einen Stromfluß von Erde nach dem Kondensator 3 zu verhindern sucht. Fig. 4 zeigt eine ab­ gewandelte Schaltung bei der dieses Problem gelöst ist.

In Fig. 4 ist ein vierter NPN Transistor TR4 vorgesehen, der durch einen Widerstand R5 vorgespannt ist, und der mit seinem Kollektor an Erde gelegt ist, während sein Emitter am Kondensator 3 liegt, so daß unter normalen Be­ dingungen der Transistor TR4 einen Strompfad von Erde nach dem Entkopplungskondensator 3 bildet, d. h. während des Normalbetriebes ist der Transistor TR4 angeschaltet. Wenn ein NED-Impuls an der Basis des Transistors TR3 auf­ tritt, dann schaltet der Transistor TR4 unter der Wirkung des Transistors TR3 ab.

Das Problem der Vorwärtsströme, die während der Leistungs­ abschaltung über den Transistor TR4 fließen wollen und dadurch die Spannung über dem Kondensator 3 zu vermindern suchen, können auf gleiche Weise wie unter Bezugnahme auf Fig. 3 gelöst werden. Im einzelnen kann dies geschehen, indem ein Kondensator 5 parallel zu dem Widerstand R5 ge­ legt wird. Demgemäß suchen die Kondensatoren 4 und 5 un­ erwünschte Ströme abzusaugen, die über die Transistoren TR2 bzw. TR4 fließen wollen, während die Leistung abge­ schaltet ist.

Eine andere Lösung, die sich mit unerwünschten Strömen befaßt zeigt das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5. Diese Lösung ist insbesondere geeignet für niedrige Ver­ klinkungshalteströme und auch dort, wo ein vierter Transistor, wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4, eingeschaltet ist. Hierbei wird ein Pfad niedriger Impedanz an den Kondensator 3 zwischen Zuleitung Vs und Erde gelegt. Dieser Pfad hat die Form eines Wider­ stands R6 in Reihe mit einem NPN Transistor TR5. In Verbindung mit den Fig. 2,3 und 4 wurde erläutert, daß unerwünschte Ströme über die Transistoren TR2 und TR4 fließen können. Im Fall des Transistors TR4 sind diese Ströme ausgeprägter, weil sie in Vorwärts­ richtung fließen und so der vollen Vorwärtsverstärkung des Transistors ausgesetzt sind. Diese Ströme sind zusammengesetzt aus induzierten Photoströmen und Strömen, die durch den Widerstand R5 infolge der Potentialdiffe­ renz darüber fließen. Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 3 und 4 werden die Ströme durch die Konden­ satoren 4 und 5 absorbiert. In Fig. 5 ist eine abgewan­ delte oder zusätzliche Lösung vorgesehen. Normalerweise ist der Transistor TR5 abgeschaltet, aber er schaltet an, wenn durch den NED ein Impuls erzeugt wird. Dies wird erreicht, indem die Basis des Transistors TR5 an den Aus­ gang von NED über einen Spannungsteiler R7 und R8 angelegt wird. Dieser Strom kann von der Zuleitung V_s nach Erde (während der Abschaltung) durch den Widerstand R6 und den Transistor TR5 fließen. Auf diese Weise wird jeder Leckstrom, der sonst über die Schaltung fließen würde (und möglicherweise eine Entklinkung verursachen könnte) durch den Pfad mit niedriger Impedanz, der den Wider­ stand R6 und den Transistor TR5 enthält, abgeleitet. Der Transistor TR5 schaltet den Widerstand R6 in zweck­ mäßiger Weise ein und aus.

Obgleich die vorstehenden Ausführungsbeispiele als Strahlungsschutzkreise entworfen wurden, ist die Erfin­ dung nicht auf diese Anwendung allein beschränkt. Die Erfindung kann in allen System Anwendung finden, wo ein schnelles Schalten erforderlich ist.

Claims (8)

1. Schaltkreis zur Verbindung zwischen einer elektroni­ schen Schaltung (2) und einer Spannungsquelle (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung einen Entkopplungskondensator (3) aufweist, der an die Spannungseingänge der elektro­ nischen Schaltung (2) angeschlossen ist und daß ein erster und ein zweiter Schalter (S1, S2) vorgesehen sind, um die elektronische Schaltung (2) und den Entkopplungskondensator (3) von der Spannungsquelle (1) abzuschalten.

2. Schaltkreis nach Anspruch 1, bei dem der erste (S1) und zweite (S2) Schalter aus einem ersten (TR1) und einem zweiten (TR2) NPN Transistor besteht.

3. Schaltkreis nach Anspruch 2, bei welchem ein dritter NPN Transistor (TR3) mit dem ersten und zweiten Tran­ sistor (TR1, TR2) so verbunden ist, daß die Schaltung von ersten und zweiten Transistor (TR1, TR2) ge­ steuert wird.

4. Schaltkreis nach Anspruch 3, mit einem vierten NPN- Transistor (TR4), der parallel zu dem zweiten Tran­ sistor (TR2) liegt.

5. Schaltkreis nach den Ansprüchen 3 oder 4, welcher einen ersten Kondensator (4) aufweist, der dem zweiten Transistor (TR2) zugeordnet ist, um uner­ wünschte Rückströme abzuziehen, die in dem zweiten Transistor (TR2) fließen.

6. Schaltkreis nach Anspruch 4 oder 5, soweit abhängig von Anspruch 4, welcher einen zweiten Kondensator (5) aufweist, der dem vierten Transistor (TR4) zuge­ ordnet ist, um unerwünschte Ströme abzuziehen, die in dem vierten Transistor (TR4) fließen.

7. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 3 bis 6, welcher einen Pfad mit niedriger Impedanz aufweist, der parallel zu dem Entkoppelkondensator (3) liegt.

8. Schaltkreis nach Anspruch 7, bei welchem der Pfad mit niedriger Impedanz einen Widerstand (R6) aufweist, der in Reihe mit einem fünften NPN-Transistor (TR5) ge­ schaltet ist.