NL8601537A

NL8601537A - Schakeling met hoog rendement, die monolithisch kan worden geintegreerd.

Info

Publication number: NL8601537A
Application number: NL8601537A
Authority: NL
Original assignee: Sgs Microelettronica Spa
Priority date: 1985-06-19
Filing date: 1986-06-13
Publication date: 1987-01-16
Also published as: GB2176961B; GB8614927D0; US4739190A; IT1214616B; FR2583940B1; FR2583940A1; DE3620352A1; GB2176961A; JPS61294924A; IT8521216A0

Description

E 3099-34 Ned hm/hv P & C * *4. *

SGS Microelettronica SpA

Korte aanduiding: Schakeling met hoog rendement, die monolithisch kan worden geïntegreerd.

De uitvinding heeft betrekking op stuurcircuits voor het schakelen 5 vein inductieve belastingen en transistoren, en in het bijzonder op een schakeling met hoog rendement, die monolithisch kan worden geïntegreerd, en kan worden gebruikt voor het aandrijven van inductieve belastingen in met hoge snelheid werkende druk-apparaten en bij het schakelen van aanvoer-inrich-tingen (ook genaamd "signaalhakker aanvoer-inrichtingen").

10 Schakelingen van deze soort bevatten in het algemeen een eindtrap transistor, die in serie geschakeld is met de inductieve belasting tussen de twee polen van een voedingsspanningsgenerator en afwisselend aangedreven wordt vanuit een hoge spanning- en lage stroomtoestand naar een lage spanning- en hoge stroomtoestand.

15 In de eerste toestand is de transistor praktisch een open circuit tussen de emitter- en collector-aansluitingen (stopgezet of "uit”-toestand), en in de tweede toestand is hij een kortgesloten circuit (geleidend of “in"-toestand), waarbij het vloeien van de stroom door de inductieve belasting voorkomen resp. mogelijk gemaakt wordt.

20 De wijze van werking van de transistor die het dichtst komt bij de werking van èen ideale schakelaar, is deze, waarbij de transistor bij verzadiging werkzaam is in de gesloten stand en stopt in de open stand.

De maximaal mogelijke schakelfrequentie van de uitgangstransistor is in dit geval essentieel beperkt door de effecten, tijdens de overgang 25 van verzadiging naar uitschakeling, van basisladingopslag, die plaatsvond tijdens de geleidingsfase.

Een stopzettings overgangsverschijnsel is samengesteld uit een eerste fase, waarin de transistor in de verzadiging blijft, een tweede fase van "quasi-verzadiging", waarin de collector-emitterspanning begint te stijgen, 30 ofschoon de collectorstroom constant blijft; en een eindfase, waarin de collector-emitterspanning snel stijgt en de collectorstroom daalt tot nul.

De "quasi-verzadigings"-fase is in feite de fase, waarin de transistor de meeste energie dissipeert.

Een reductie van de stopzettijd zou daarom voordelig zijn zowel om 35 de maximaal mogelijke schakelfrequentie te vergroten als het rendement van de schakeling te verbeteren vanuit een oogpunt van energie door de tijdsperioden te reduceren tijdens welke de werking van de eindtrap transistor afwijkt van die van een ideale schakelaar.

Wanneer het schakelen van de eindtrap-versterker wordt gestuurd door 40 middel van een daarmede gekoppelde tweede transistor, hangt de snelheid van 8601537

V

-2- werken van het circuit eveneens af van de maximale schakelsnelheid van deze tweede transistor, die op zijn beurt afhangt van de hierboven beschreven effecten van de basis-ladingopslag, in het bijzonder indien deze werkt-bij 5 verzadiging, wanneer hij geleidend is.

In dit geval kunnen de resulterende beperkingen in snelheid aanzienlijk zijn, in het bijzonder in het geval van schakelingen, die monolithisch geïntegreerd kunnen worden, die een transistor van het p-n-p type bevatten voor het aandrijven van de eindtrap-transistor (die in het algemeen van het 10 n-p-n type is om redenen van integratie, zoals bekend aan deskundigen op dit vakgebied) , zelfs wanneer deze transistor werkzaam is in de actieve zone van zijn werkbereik in de geleidende toestand, aangezien p-n-p tran-sistoren een stopzet-fase hebben, die langer is dan die van n-p-n transistor en.

15 Circuit-oplossingen om, wanneer een transistor wordt stopgezet, een snelle ontlading mogelijk te maken van de daarin opgeslagen ladingen, zijn bijvoorbeeld geopenbaard in de Britse octrooischriften 2.053.606 en 1.560.354.

In het bijzonder openbaart de Italiaanse octrooiaanvrage 25054 A/81 een circuitoplossing beoogd om de stopzettijd van een eindtrap-transistor 20 aangedreven om te schakelen door middel van een met zijn stuuraansluiting gekoppelde verdere transistor te reduceren.

Teneinde de maximaal mogelijke schakelfrequentie te vergroten en het totale rendement van het circuit te verbeteren, wordt een circuit-component voor ladingsonttrekking (extractie) verbonden met de stuuraansluitingen 25 van beide transistoren, welke component in staat is om ladingen te onttrekken gedurende slechts een vooraf bepaalde tijdsperiode vanaf het begin van het stopzetten van de transistoren om vertragingen te vermijden in de daaropvolgende her-ontsteking van deze transistoren. Dit voorkomt eveneens een zinloze absorptie van voedingsstroom om de ladingsextractie circuit-30 component actief te houden, wanneer de uitgangstransistor reeds volledig stopgezet is.

De duur van de "enabling" periode, die naar willekeur vooraf bepaald kan worden, wordt daardoor bepaald onafhankelijk van de toestand van de twee schakeltransistoren.

35 Het oogmerk van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van een schakelcircuit, dat monolithisch kan worden geïntegreerd, waarvan het totale rendement hoger is dan dat van bekende schakelcircuits.

Dit oogmerk wordt bereikt door het schakelcircuit beschreven en tot uiting gebracht in de aan deze beschrijving gehechte conclusies.

40 De uitvinding zal hieronder uitvoerig beschreven worden, zuiver bij 8601537 ♦· ί· -3- wijze van niet-beperkend voorbeeld, onder verwijzing naar de bijgaande tekeningen, waarin de enige figuur een diagram is van een schakelcircuit volgens de uitvinding.

5 Het diagram van een schakelcircuit volgens de uitvinding, weergege ven in de figuur, bevat een eerste bipolaire transistor Tl van het n-p-n type, die de uitgangstransistor is van hét circuit en door middel waarvan het schakelen van een belasting, bijvoorbeeld gevormd door een spoel of door een andere transistor, kan worden gestuurd.

10 De collector-aansluiting van de transistor Tl is verbonden met de positieve pool +Vcc van een voedingsspanningsgenerator en zijn emitter-aansluiting vormt de uitgangsaansluiting UIT, waarmede een (niet-weergegeven) belasting verbonden is.

Een weerstand R1 wordt ingevoegd tussen de basis- en emitter-aanslui-15 tingen van de transistor Tl.

Een tweede bipolaire transistor T2 van het p-n-p type is met zijn emitter- en collector-aansluitingen verbonden met de positieve pool +Vcc resp. met de basis-aansluiting van de transistor Tl.

De basis-aansluiting van de transistor T2 is verbonden met circuit-20 componenten, weergegeven in de figuur door een blok C, bestemd om de geleidende toestand en de stopgezette toestand van deze transistor te bepalen, en gevormd op een wijze bekend aan een deskundige op dit vakgebied.

Het circuitdiagram weergegeven in de figuur bevat vervolgens derde en vierde bipolaire transistoren T3 en T4 van het p-n-p type en vijfde en 25 zesde bipolaire transistoren T5 en T6 van het n-p-n type.

De emitter-aansluiting en de basis-aansluiting van de transistor T3 zijn verbonden met de emitter-aansluiting en resp. met de basis-aansluiting van de transistor T2.

De collector-aansluiting van de transistor T3 is verbonden met de 30 emitter-aansluiting van de transistor T4 en met de anode van een diode D4, waarvan de kathode verbonden is zowel met de basis-aansluiting van de vierde transistor T4 als de emitter-aansluiting van de eerste transistor Tl.

De basis-aansluiting van de transistor T5, weergegeven door symbool EN, is verbonden in de figuur met het blok C door een stippellijn. De tran-35 sistor T5 wordt in het algemeen geactiveerd door de circuitcomponenten C, wanneer deze het stopzetten veroorzaken van de transistoren T2 en Tl, ofschoon dit volledig onafhankelijk kan zijn van deze circuitcomponenten.

De aansluiting EN kan zelfs gekoppeld worden met de circuitcomponenten C, zodanig dat de stuursignalen toegevoerd aan deze aansluiting eveneens de 40 circuitcomponenten zelf inactief maken.

860 1 53 7 -4-

De emitter- en collector-aansluitingen van de transistor T5 worden verbonden met de negatieve pool -Vcc van de voedingsspanningsgenerator resp. met de emitter-aansluiting van de transistor T6.

5 De collector-aansluiting van de transistor T4 is verbonden zowel met de basis-aansluiting van de transistor T6 als, via een weerstand R6, met de collector-aansluiting van de transistor T5.

Een schakelcircuit van de uitvinding bevat eveneens een zevende en een achtste bipolaire transistors T7 en T8 van het p-n-p type en een negende 10 bipolaire transistor T9 van het n-p-n type.

De basis-aansluitingen van de transistoren T7 en T8 zijn beide verbonden met de collector-aansluiting van de transistor T6 en, via een weerstand R7, met de positieve pool +Vcc.

De emitter-aansluitingen van de transistoren T7 en T8 zijn beide 15 verbonden met de positieve pool +Vcc.

De collector-aansluiting van de transistor T7 is verbonden met de basis-aansluitingen van de transistor T2 en de transistor T3.

De collector-aansluiting van de transistor T8 is verbonden met de basis-aansluiting van de transistor T9 en met de anode van een diode D9, 20 waarvan de kathode verbonden is met de negatieve pool -Vcc.

De emitter-aansluiting van de transistor T9 is eveneens verbonden met de negatieve pool -Vcc.

De collector-aansluiting van de transistor T9 is verbonden met de kathode van een diode D10 waarvan de anode verbonden is met de collector-25 aansluiting van de transistor T2 en met de basis-aansluiting van de transistor Tl.

De werking van een schakelcircuit volgens de uitvinding, waarvan het diagram is weergegeven in de figuur, zal nu onderzocht worden.

Het bevat circuitcomponenten voor ladingsonttrekking gevormd door 30 de transistor T7, waarvan de collector-aansluiting verbonden is met de basis-aansluitingen van de transistoren T2 en T3 en door de stroomspiegel-circuit-structuur gevormd door de transistor T8, de diode D9 en de transistor D9, waarvan de collector is verbonden via de diode DlO met de basis-aansluiting van de transistor Tl en met de collector-aansluiting van de transistor T2.

35 Wanneer deze circuitcomponenten worden geactiveerd, maken zij een snelle ontlading mogelijk van de in de transistoren Tl en T2 opgeslagen ladingen, terwijl zij ook alle collectorstroom van de transistor T2 absorberen.

Op deze wijze kan het stopzetten van de uitgangstransistor Tl zeer 40 snel plaatsvinden.

8601537 -5-

De diode DlO is ontworpen om elke terugkoppeling van stroom door de collector van de transistor T9 te voorkomen, wanneer in een inductieve belasting er op het tijdstip van het stopzetten van de transistor Tl een E.M.K.

5 wordt opgewekt teneinde de emitter- en basispotentialen van de transistor Tl te verlagen beneden de potentiaal van de negatieve pool -Vcc. De cir-cuitcomponenten voor ladingsextractie worden geactiveerd, via de basisaansluitingen van de transistoren T7 en T8, door een deblokkeringscircuit gevormd door de transistoren T4-T6, de diode d4 en hun verbindingen. Dit 10 circuit werkt als een EN logisch circuit. De emitter-aansluiting van de transistor T4 waarmede de anode van de diode D4 is verbonden, vormt een ingangs-aansluiting van dit deblokkeringscircuit, terwijl de basis-aansluiting van de transistor T5 een stuuraansluiting EN vormt en de collector-aansluiting van de transistor T6 een uitgangsaansluiting vormt voor het activeren van 15 de ladingsextractie circuitcomponenten.

Het deblokkeringscircuit is zodanig ontworpen dat deze circuitcom-ponenten alleen dan worden geactiveerd, wanneer de transistor T3 geleidend is en, te zelfder tijd, de geleiding van de transistor T5 gedeblokkeerd wordt via de stuur-aansluiting EN. Wanneer de geleiding van de transistor 20 T5 in feite niet gedeblokkeerd is, wordt de transistor T6 eveneens stopgezet, aangezien onder normale polarisatie-condities, de stroom in elk geval er niet door zou kunnen vloeien, aangezien zijn eventuele ontlading via de transistor T5 wordt voorkomen. De transistor T4 werkt in tegenstelling daarmede als een diode tussen de basis- en emitter-aansluiting.

25 Dientengevolge, zelfs indien de transistor T3 geleidend is, is er geen risico, dat de ladingextractie circuitcomponenten worden geactiveerd tijdens de geleidende fase van de transistoren Tl en T2, aangezien de geleiding van de transistor T5 slechts gedeblokkeerd wordt door de circuit-middelen C, wanneer deze middelen het stopzetten van de transistoren Tl en 30 T2 sturen.

De collectorstroom van de transistor T3 wordt eveneens opnieuw gebruikt, via de diode D4 en de emitter-basisovergang van de transistor T4, teneinde de belasting verbonden met de uitgangsaansluiting van het circuit te sturen, met als resultaat dat geen voedingsstroom wordt verspild.

35 Bovendien wanneer de transistoren Tl en T2 zich bevinden in de stop gezette toestand, en daardoor de transistor T3 eveneens stopgezet gehouden wordt door de circuitmiddelen C, worden de transistoren T4 en T6 stopgezet omdat hun bases niet worden gevoed. Dientengevolge, zelfs indien de geleiding van de transistor T5 zou worden gedeblokkeerd, zou stroom niet erdoor 40 kunnen vloeien, aangezien de transistor T6 zich bevindt in de stopgezette 8601537 -6- toestand en de ladingsextractie circuitmiddelen zullen eveneens op betrouwbare wijze inactief blijven in dit geval en daarenboven zal er geen voe-dingsstroom 'absorptie zijn.

5 Wanneer echter de circuitmiddelen C het schakelen van de transis- toren T2 en Tl sturen vanuit een geleidende toestand naar een stopgezette toestand en de transistor T5 gelijktijdig gedeblokkeerd wordt teneinde te geleiden door de stuuraansluiting EN, verschaft dit de voorwaarden, die de activering veroorzaken van de ladingsextractie circuitmiddelen tijdens 10 het stopzettings-overgangsverschijnsel van de transistor T3, die identiek is met die van de transistor T2.

De transistoren T5 en T6 en daardoor T4 kunnen een ononderbroken vloeien van de stroom toestaan als gevolg waarvan de collectorstroom van de transistor T3 kan vloeien, zolang als deze geleidend is, via de transistor 15 T4, gedeeltelijk tot in de basis van de transistor T6 en gedeeltelijk tot in de transistor T5 via de weerstand R6. Deze transistoren T5 en T6 zijn daardoor effectief geleidend, waardoor alle daarmede verbonden ladingsextractie circuitmiddelen geactiveerd worden. Echter wanneer eenmaal het stopzettings-overgangsverschijnsel beëindigd is en zodra de transistor T2, 20 en daardoor ook de transistor T3 volledig stopgezet zijn, omdat hun bases niet langer gevoed worden, houden de transistoren T4 en T6 op met geleidend te zijn, ongeacht of de transistor T5 gedeblokkeerd is om te geleiden of niet via de stuur-aansluiting EN.

Alle ladingsextractie circuitmiddelen worden dientengevolge inactief 25 gemaakt, zodat een nieuw stopzettings-overgangsverschijnsel van de transis- 6nk6l6 toren T2 en Tl begint. Geen/actieve component blijft daardoor geactiveerd en blijft voedingsstroom absorberen.

Aangezien de transistor T2 van het p-n-p type is en een stopzettings-tijd heeft, die intrinsiek hoger is dan die van de transistor Tl, die van 50 het n-p-n type is, is de activeringsduur van de ladingsextractie circuitmiddelen, die exact gebaseerd is op het stopzettings-overgangsverschijnsel van de transistor T2, geoptimaliseerd. Bovendien zijn de transistoren T2 en Tl, aangezien de werking van het ladingsextractie-circuit-orgaan wordt stopgezet wanneer eenmaal deze transistoren volledig stopgezet zijn, in een 55 optimale conditie voor uiterst snelle her-ontsteking, verkregen bijvoorbeeld door gebruikmaking van circuit-oplossingen van het type geopenbaard in de Italiaanse octrooiaanvrage 23464 A/84 ten name van Aanvraagster, welke inrichting in het schakelcircuit zelf ingebouwd kan zijn..

Het is duidelijk uit het bovenstaande dat een schakelcircuit volgens 40 de uitvinding, die het bereiken mogelijk maakt van de maximale schakelsnel- 8601537 s * -7- heden met geen zinloze verspilling van voedingsstroom, een totaal rendement bezit, dat groter is dan dat, wat bereikt kan worden met andere bekende circuits.

5 Het zal eveneens mogelijk zijn voor speciale toepassingen de gelei ding van de transistor T5 onafhankelijk te maken van de circuitmiddelen C, met het voordeel dat de uitgangstransistor Tl zou kunnen worden geplaatst in een voorkeurs-stopgezette toestand door middel van de stuuraansluiting EN ongeacht de circuitmiddelen C.

10 Ofschoon een enkele uitvoeringsvorm van de uitvinding beschreven is en geïllustreerd, is het duidelijk dat een aantal varianten mogelijk zijn zonder buiten de beschermingsomvang van de uitvinding te geraken.

Bijvoorbeeld zouden de basis-aansluiting van de transistor T4 en de kathode van de diode D4 verbonden kunnen worden met de negatieve pool 15 -Vcc via een zenerdiode en niet met de emitter-aansluiting van de transistor Tl. De weerstand R6 zou ook kunnen worden ingebracht tussen de basis-aansluiting van de transistor T6 en de negatieve pool -Vcc in plaats dat hij wordt ingébracht tussen de basis- en emitter-aansluitingen van de transistor T6.

Hij zou eveneens vervangen kunnen worden door een diode.

20 25 30 35 40 5501537

Claims

2. Schakelcircuit volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het de-blokkeringscircuit een vierde, vijfde en zesde transistor (T4-T6) bevat, die elk een eerste en een tweede aansluiting en een stuuraansluiting bezit-5 ten, waarbij de vierde transistor (T4) van het eerste geleidingstype is en de vijfde en zesde transistor (T5, T6) van het tweede geleidingstype zijn, tegengesteld aan het eerste, waarbij de eerste aansluiting van de vierde transistor (T4), de stuuraansluiting van de vijfde transistor (T5) en de tweede aansluiting van de zesde transistor (T6) de ingangsaansluiting, de 10 stuuraansluiting (EN) en de uitgangsaansluiting zijn van het deblokkerings-circuit, terwijl de eerste aansluiting van de vijfde transistor (T5) verbonden is met een tweede aansluiting (-Vcc) van de voedingsspanningsgenerator, waarbij een eerste diode (D4) ingebracht is tussen de eerste aansluiting en de stuuraansluiting van de vierde transistor (T4), terwijl de stuur-15 aansluiting van deze vierde transistor (T4) gekoppeld is met de uitgangsaansluiting van het schakelcircuit (UIT), waarbij de tweede aansluiting van de vierde transistor (T4) verbonden is met de stuuraansluiting van de zesde transistor (T6) en welke, via een circuitcomponent van het resistieve type, verbonden zijn zowel met de tweede aansluiting van de vijfde tran-20 sistor (T5) als de eerste aansluiting van de zesde transistor (T6).
3. Schakelcircuit volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het de-blokkeringscircuit een vierde, vijfde en zesde transistor (T4-T6) bevat, die elk een eerste en een tweede aansluiting en een stuuraansluiting bezitten, waarbij de vierde transistor (T4) van het eerste geleidingstype is en 25 de vijfde en zesde transistor (T5, T6) van het tweede geleidingstype zijn, tegengesteld aan het eerste, waarbij de eerste aansluiting van de vierde transistor (T4), de stuuraansluiting van de vijfde transistor (T5) en de tweede aansluiting van de zesde transistor (Τβ) de ingangsaansluiting, de stuuraansluiting (EN) en de uitgangsaansluiting zijn van het deblokkerings-30 circuit, terwijl de eerste aansluiting van de vijfde transistor (T5) verbonden is met een tweede aansluiting (-Vcc) van de voedingsspanningsgenerator, waarbij een eerste diode (D4) ingebracht is tussen de eerste aansluiting en de stuuraansluiting van de vierde transistor (T4), terwijl de stuuraansluiting van deze vierde transistor (T4) gekoppeld is met de tweede aan-35 sluiting (-Vcc) van de voedingsspanningsgenerator via een Zener diode, waarbij de tweede aansluiting van de vierde transistor (T4) verbonden is met de stuuraansluiting van de zesde transistor (T6) en welke, via een circuitcomponent van het resistieve type, verbonden zijn zowel met de tweede aansluiting van de vijfde transistor (T5) als de eerste aansluiting van de 40 zesde transistor (Τβ). 3601537 -10-
4. Schakelcircuit volgens conclusie 2 en 3, met het kenmerk, dat de circuitcomponent van het resistieve type een weerstand (R6) is.
5. Schakelcircuit volgens conclusie 2 en 3, met het kenmerk, dat de 5 circuitcomponent van het resistieve type een diode is.
6. Schakelcircuit volgens conclusie 2 of 3, met het kenmerk, dat de ladingsextractie circuitcomponenten een zevende, een achtste en een negende transistor (T7-T)) bevatten, die elk een eerste en een tweede aansluiting en een stuuraansluiting bezitten, waarbij de zevende en achtste transistor 10 (T7, T8) van het eerste geleidingstype zijn, de negende transistor (T9) van het tweede geleidingstype is, waarbij de stuuraansluitingen van de zevende en achtste transistor (T7, T8) met elkaar verbonden zijn om de vorming van de activeringsaansluiting van de ladingsextractie circuit-middelen, waarbij de eerste aansluitingen van de zevende en achtste tran- 15 sistor (T7, T8) verbonden zijn met de eerste aansluiting (+Vcc) van de voedingsspanningsgenerator, terwijl de eerste aansluiting van de negende transistor (T9) verbonden is met de tweede aansluiting (-Vcc) van de voedingsspanningsgenerator, waarbij de tweede aansluiting van de zevende transistor (T7) verbonden is met de stuuraansluitingen van de tweede en 20 derde transistor (T2, T3), terwijl de tweede aansluiting van de achtste transistor (T8) verbonden is met de stuuraansluiting van de negende transistor (T9) en, via een tweede diode (D9) , met de tweede aansluiting (-Vcc) van de voedingsspanningsgenerator, waarbij de tweede aansluiting van de negende transistor (T9) verbonden is met de stuuraansluiting van de eerste 25 transistor (Tl) via een derde diode (D10).
7. Schakelcircuit volgens één der voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de transistors, die het bevat, bipolaire transistoren zijn, waarbij de eerste, stuur- en tweede aansluiting van elk ervan de emitter, basis en collector zijn.
8. Schakelcircuit volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de transistoren, die het bevat, bipolaire transistoren zijn, waarbij de eerste, vijfde, zesde en negende transistor (Tl, T5, T6 en T9) van het n-p-n type zijn, terwijl de tweede, derde, vierde, zevende en achtste transistor (T2-T4 en T7, T8) van het p-n-p type zijn. 35 40 5601537