DE4334186C2 - Integrierter Zeitschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen integrierten Zeitschalter, der eine externe Last nach einer voreinstellbaren Zeit umschaltet.

Aus der US 4,956,570 ist ein integrierter Zeitschalter bekannt, um eine Last nach einer vorgewählten Zeit über einen feldeffektgesteuerten Leistungs­ schalter umzuschalten. Der bekannte Zeitschalter weist drei externe Anschlüsse auf, wobei am ersten Anschluß das Versorgungsspannungspo­ tential, am zweiten Anschluß das Massepotential zugeführt wird und der dritte Anschluß sowohl mit der Gateelektrode des Leistungsschalters als auch mit einer Widerstandseinrichtung zur Zeitvorwahl verbunden ist. Über die Widerstandseinrichtung wird ein ebenfalls externer Kondensator aufge­ laden. Erreicht die Spannung am Kondensator einen Schwellwert, so wird über den integrierten Zeitschalter der Leistungsschalter umgeschaltet. Nachteilig bei dem bekannten Zeitschalter ist, daß die Zeitvorwahl über ein externes RC-Clied erfolgt und damit die Genauigkeit der Zeitvorwahl aufgrund der Vielzahl von externen Komponenten Schwankungen unter­ liegt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen integrierten Zeitschalter der eingangs erwähnten Art anzugeben, der mit einem Minimum an externen Kompo­ nenten zur Zeitvorwahl auskommt.

Feldeffektgesteuerte Leistungsschalter erlauben es, den Laststrom unab­ hängig vom Steuerstrom ausschließlich über die Gatespannung zu manipu­ lieren.

Integrierte Schaltungsanordnungen, die auf diese Art arbeiten sind bekannt und weisen im allgemeinen mindestens vier externe Anschlüsse auf. Zwei davon dienen der Spannungsversorgung, ein weiterer Eingang dient zur Einstellung der Schaltzeit und ein Ausgang dient zur Ansteuerung der Gateelektrode des Leistungsschalters.

In der Halbleitertechnik sind jedoch Gehäuse mit vier Anschlußbeinchen eher selten. Besonders weit verbreitet sind dagegen Gehäuseformen mit drei Anschlußbeinchen, z. B. sämtliche Transistorgehäuse weisen drei Anschlüsse auf, oder dann wieder in Form von DUAL-IN-LINE Gehäusen mit sechs oder mehr Beinchen.

Da es wegen der damit verbundenen Kosten vorteilhaft ist, für eine inte­ grierte Schaltung ein Gehäuse vorzusehen, das weit verbreitet ist, ist es Aufgabe der Erfindung, einen integrierten Zeitschalter der oben aufgeführ­ ten Art anzugeben, der mit drei externen Anschlußbeinchen auskommt.

Diese Aufgabe wird durch einen integrierten Zeitschal­ ter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die vor­ teilhaften Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.

Bei einem integrierten Zeitschalter, der eine Last R_L nach einer vorwählbaren Zeit über einen feldeffektge­ steuerten Leistungsschalter 4 umschaltet, wird an einem ersten Anschluß 1 das Versorgungsspannungspotential und an einem zweiten Anschluß 2 das Massepotential zugeführt. Der integrierte Zeitschalter weist insgesamt drei Anschlüsse 1, 2, 3 auf. Der dritte Anschluß 3 ist mit der Gateelektrode des feldeffektgesteuerten Leistungsschalters 4 und mit einer Widerstandseinrich­ tung R_T zur Zeitvorwahl verbunden.

Eine erste Spannungsbegrenzung 5 begrenzt die Versor­ gungsspannung am ersten Anschluß 1 auf einen ersten Wert. Eine zweite Spannungsbegrenzung 6 begrenzt die Spannung am dritten Anschluß 3 auf einen zweiten Wert. Der zweite Begrenzungswert ist kleiner als der erste Begrenzungswert.

Die Widerstandseinrichtung R_T zur Zeitvorwahl verbindet den dritten Anschluß 3 mit dem ersten Anschluß 1, so daß ein Strom I_RT fließt, dessen Größe die Zeitspanne bestimmt, nach der der integrierte Zeitschalter um­ schaltet.

Kurze Beschreibung der Figuren

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Zeitschalters nach der Erfindung,

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren erläutert. Die Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Zeitschalters mit drei externen Anschlüssen. Die strichpunktierte Linie grenzt die in­ tegrierte Schaltung von der externen Beschaltung ab. Die Anschlußpunkte 1-3, die auf der strichpunktierten Linie liegen, sind die externen Anschlüsse der inte­ grierten Schaltung. Über den ersten und zweiten An­ schluß 1, 2 erfolgt die Spannungsversorgung. Dazu kann die Schaltung direkt über einen Widerstand R_V und eine Diode D an die Netzspannung angeschlossen werden. Ein Kondensator C_GL zwischen dem ersten und zweiten An­ schluß 1, 2 sorgt für die entsprechende Glättung der Spannung.

Der dritte Anschluß 3 ist zum einen mit dem Steuergate des Leistungsschalters 4 und zum anderen mit einer Widerstandseinrichtung R_T verbunden, die zur Zeitvor­ wahl dient. In Reihe zu der Schaltstrecke des feldef­ fektgesteuerten Leistungsschalters 4, der im vorliegen­ den Ausführungsbeispiel ein IGBT (Insulated Gate Bipo­ lar Transistor) ist, liegt die zu schaltende Last, die in der Figur durch den Lastwiderstand R_L dargestellt ist.

Die integrierte Schaltung weist folgende Funktions­ blöcke auf. Zwischen dem ersten und zweiten Anschluß 1, 2, denen die Versorgungsspannung zugeführt wird, ist eine erste Spannungsbegrenzung 5 vorgesehen, die die interne Versorgungsspannung U_S auf einen ersten Begren­ zungswert von z. B. 21 V begrenzt.

Einer zweiten Spannungsbegrenzung 6 wird die am dritten Anschluß 3 anliegende Spannung zugeführt. Diese wird auf einen zweiten Begrenzungswert von z. B. 14 V be­ grenzt. Der zweite Begrenzungswert muß kleiner sein als der erste Begrenzungswert. Die zweite Spannungsbegren­ zung ist mit einer Stromerfassung 7 derart verbunden, daß ein spannungsbegrenzender Strom durch die zweite Spannungsbegrenzung 6 einen dazu proportionalen Strom in der Stromerfassung 7 auslöst. Dieser Strom wird ei­ nem gesteuerten Oszillator 8 als Steuerstrom zugeführt.

Das Ausgangssignal des Oszillators 8 dient als Taktsi­ gnal für einen Frequenzteiler 9. Der Ausgang des Fre­ quenzteilers 9 steuert einen ersten Transistor T1 an, dessen Emitter-Kollektor-Strecke mit dem dritten An­ schluß 3 der integrierten Schaltung verbunden ist und damit die Gateelektrode des Leistungsschalters mit dem Massepotential verbindet. Beim Überlauf des Frequenz­ teilers 9 steuert dessen Ausgang Q_n den ersten Transi­ stor T1 auf, womit die Gateelektrode des Leistungs­ schalters 4 mit dem Massepotential verbunden wird und schließlich der Leistungsschalter 4 in den sperrenden Zustand übergeht.

Eine POWER-ON Reset-Schaltung 10 ist mit dem Reset Ein­ gang R des Frequenzteilers 9 verbunden und setzt den Frequenzteiler 9 zurück, wenn die Spannungszufuhr der integrierten Schaltung einsetzt.

Der Zeitschalter arbeitet wie folgt. Beim Anlegen der Netzspannung von z. B. 220 V wird der Kondensator C_GL über die Diode D und den Vorwiderstand R_V aufgeladen. Die POWER-ON Reset Schaltung setzt den Frequenzteiler 9 zurück, solange die Spannung am ersten Anschluß 1 einen vorgegebenen Schwellwert von z. B. 5 V nicht überschritten hat. Dadurch geht der Ausgang Q_n des Frequenzteilers 9 auf 0 V. Der erste Transistor T1 wird gesperrt und die Gateelektrode des Leistungsschalters wird über die Widerstandseinrichtung R_T bis zum Begren­ zungswert der zweiten Spannungsbegrenzung angehoben. Der Leistungsschalter 4 schaltet somit die Last R_L über die Diode D an die Netzspannung. Da der Leistungsschal­ ter 4 nahezu keinen Steuerstrom aufnimmt, fließt der gesamte Strom über die zweite Spannungsbegrenzung nach Masse ab.

I_RT = (U₁ - U₃)/R_T
U₁: Spannung am ersten Anschluß 1
U₃: Spannung am dritten Anschluß 3

Die Stromerfassungsschaltung 7 mißt diesen Strom und steuert mit einer dazu proportionalen Größe den steuer­ baren Oszillator 8 an, der den Zähltakt für den Fre­ quenzteiler 9 liefert.

Durch Variation von R_T kann somit die Frequenz des Os­ zillators und damit auch die Zeitspanne bis zum Über­ lauf des Frequenzteilers 9, der die Zeitdauer bis zum Umschalten des Zeitschalters bestimmt, gesteuert wer­ den.

Sobald der Frequenzteiler vollgezählt ist, wird die Ga­ teelektrode des Leistungsschalters 4 über den ersten Transistor T1 gegen Masse geschaltet. Dadurch wird die Last R_L vom Netz getrennt und der Oszillator 8 ge­ stoppt. Der Vorgang beginnt von Neuem, wenn die Span­ nungsversorgung des integrierten Zeitschalters kurzzei­ tig unterbrochen wird.

Die Fig. 2 zeigt den integrierten Zeitschalter, wobei einige der oben beschriebenen Schaltungsblöcke zur Er­ läuterung im Detail dargestellt sind.

Die erste Spannungsbegrenzung 5 besteht in diesem Aus­ führungsbeispiel aus drei in Reihe geschalteten Z-Di­ oden, von denen jede etwa 7 V Durchbruchspannung auf­ weist. Die Z-Dioden sind zwischen dem ersten und zwei­ ten Anschluß der integrierten Schaltung angeordnet und sorgen dafür, daß die interne Versorgungsspannung auf den Durchbruchswert der Z-Dioden begrenzt bleibt. Übersteigt die Spannung zwischen dem ersten und zweiten An­ schluß 1, 2 den Begrenzungswert, so bewirkt ein Durch­ bruchstrom eine Spannungsbegrenzung.

Die zweite Spannungsbegrenzung 6 besteht in diesem Aus­ führungsbeispiel aus zwei in Reihe geschalteten Z-Di­ oden, von denen jede etwa 7 V Durchbruchspannung auf­ weist. Die Z-Dioden sind zwischen dem dritten und zwei­ ten Anschluß 3, 2 der integrierten Schaltung angeord­ net und bewirken einen Stromfluß, wenn die Spannung am dritten Anschluß den Begrenzungswert übersteigt. Da der dritte Anschluß 3 mittels der Widerstandseinrich­ tung R_T mit dem ersten Anschluß 1 der integrierten Schaltung verbunden ist und dieser Schaltungspunkt auf einem höheren Potential, nämlich dem Wert der ersten Spannungsbegrenzung, liegt, fließt ein Strom I_RT durch die zweite Spannungsbegrenzung 6 und die Stromerfassung 7.

Die Stromerfassung 7 besteht im vorliegenden Ausfüh­ rungsbeispiel auf einem aus zwei Transistoren T2, T3 bestehenden Stromspiegel. Diese weisen mehrere Kollektoren auf, von denen einer den Steuerstrom für den steuerbaren Oszillator 8 liefert.

Der steuerbare Oszillator 8 des Ausführungsbeispiels besteht aus einem Schmitt-Trigger, dem am Eingang die Spannung am Kondensator C_T zugeführt wird. Der Konden­ sator C_T wird vom Steuerstrom aufgeladen. Wird eine bestimmte Spannung erreicht, so schaltet der Schmitt- Trigger seinen Ausgang durch. Das Ausgangssignal steuert den Takt- oder Zähleingang T des Frequenz­ teilers 9 und gleichzeitig die Basis eines vierten Transistor T₄ an. Der vierte Transistor T₄ entlädt den Kondensator C_T über seine Emitter-Kollektor-Strecke, die parallel zum Kondensator C_T liegt. Somit liefert der Schmitt-Trigger Ausgangsimpulse, deren Frequenz vom Ladestrom des Kondensators C_T und damit auch vom Wert der Widerstandseinrichtung R_T abhängig ist.

Da der integrierte Zeitschalter nur drei externe An­ schlüsse aufweist, läßt er sich in besonders kostengün­ stige Gehäuse mit drei Anschlußbeinchen montieren.

Claims (3)

1. Integrierter Zeitschalter, um eine Last (R_L) nach einer vorwählbaren Zeit über einen feldeffektgesteuerten Leistungsschalter (4) umzuschalten, wobei der integrierte Zeitschalter insgesamt drei Anschlüsse (1, 2, 3) aufweist und am ersten Anschluß (1) das Versorgungsspannungspotential, am zweiten Anschluß (2) das Massepotential zugeführt wird und der dritte Anschluß (3) mit der Gateelektrode des feldeffektgesteuerten Leistungsschalters (4) und mit einer Widerstandseinrichtung (R_T) zur Zeitvorwahl verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Spannungsbegrenzung (5) die Versorgungsspannung am ersten Anschluß (1) auf einen ersten Wert begrenzt, daß eine zweite Spannungsbegrenzung (6) die Spannung am dritten Anschluß (3) auf einen zweiten Wert begrenzt, wobei der zweite Begrenzungswert kleiner ist als der erste Begrenzungswert, daß die Wider­ standseinrichtung (R_T) zur Zeitvorwahl den dritten Anschluß (3) mit dem ersten Anschluß (1) verbindet, so daß ein Strom (I_RT) fließt, dessen Größe die Zeitspanne bestimmt, nach der der integrierte Zeitschalter umschaltet.

2. Integrierter Zeitschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom (I_RT) einen steuerbaren Oszillator (8) ansteuert, der seinerseits einen Frequenzteiler (9) ansteuert, der beim Überlauf die Gatespannung des feldeffektgesteuerten Leistungsschalters über einen ersten Transistor (T₁ gegen Masse kurzschließt und die Last (R_L) abschaltet.

3. Integrierter Zeitschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Frequenzteiler (9) beim Anlegen der Versorgungsspannung zurückgesetzt wird.