DD141744A5 - Schaltungsanordnung fuer ein integrierbares elektronisches relais - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Elektrotechnik. Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein elektronisches Relais zu schaffen, dessen Eingang und Ausgang unter geringem Kostenaufwand galvanisch entkoppelt sind. Die Erfindung gibt eine
Description
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Titel der Erfindung
Schaltungsanordnung für ein integrierbares elektronisches Relais
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für ein integrierbares elektronisches Relais, dessen Eingang und Ausgang galvanisch entkoppelt sind.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
Bekannte3 für hohe zu schaltende Spannungen ausgelegte elektronische Relais, bei denen der die'hohe Spannung schaltende Teil auf einer integrierten Schaltung hergestellt werden muß, muß zwischen den elektronischen Schaltstrecken und dem Steuereingang des Relais eine galvanische Entkoppelung aufweisen. Bekanntlich wird diese galvanische Entkoppelung mittels optoelektronischer Koppler oder Transformatoren erreicht. Weder opto-elektronische Koppler noch Transformatoren aber können zusammen mit dem. die hohe Spannung schaltenden Teil des Relais auf einem einzigen Chip integriert angeordnet werden, wie zwischen dem die hohe Spannung schaltenden Teil und dem Steuereingang des elektronischen Relais ist sehr wichtig bei integrierter Bauweise, weil die hohe Spannung-am. Relaisausgang·den Eingangsteil des Relais zerstören kann oder auch ein unbeabsichtigtes Schalten des Relais bewirken kann. Diese galvanische Entkoppelung ist..auch in manchen.Anwendungsfällen erwünscht, beispielsweise in Teilnehmerleitungsanschlußschaltungen, bei denen ein erdfreier Bezugspunkt im Relais erforderlich ist.
Wie bereits erwähnt wurde , müss.en optt elektronische Koppler separat hergestellt werden; sie müssen mit den übrigen Teilen
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des elektonischen Relais zusammengesetzt werden. Solche optoelektronische Koppler weisen beispielsweise eine lichtemittierende Diode und Fototransistoren auf. An die lichtemittierende Diode wird eine Eingangsspannung angelegt. Das dadurch bewirkte Licht der Diode schaltet den Fototransistor ein, wobei eine galvanische Entkoppelung erreicht wird.
Ziel der Erfindung . '
Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine Schaltungsanordnung für ein elektronisches Relais zu schaffen, dessen Eingang und Ausgang unter geringem Kostenaufwand galvanisch entkoppelt sind.
Darlegung des Wesens der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der die Eingangsschaltung und der die hohe Spannung schaltende Teil des elekronischen Relais auf einem einzigen Chip integrierbar sind, ohne daß die hohe zu schaltende Spannung das Relais zerstören oder ein Fehlschalten des Relais bewirken kann. ·
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine logische Eingangsschaltung zur steuerbaren Anschaltung einer Eingangswechselspannung mit vorbestimmter Frequenz an ihren Ausgang vorgesehen ist, daß eine zweite Schaltung vorgesehen ist, die die am Ausgang der Eingangsschaltung auftretende Wechsel spanning mit zwei Eingängen einer dritten Schaltung kapazitiv derart koppelt, daß die Wechselspannungen an diesen Eingängen entgegengesetzte Phasenlage aufweisen, daß ferner die dritte Schaltung, derart ausgebildet ist, daß an ihrem Ausgang nur dann ein Signal auftritt, wenn ihren beiden Eingängen gegenphasige Wechselspannungen zugeführt werden, und daß ein elektronischer Schalter vorgesehen ist, dessen Steuerkreis mit dem ^sgang der dritten Schaltung verbunden ist und dessen Schaltstrecke hohe Durch-
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bruchsspannungswerte und niedrige Durchlaßwider:standswerte aufweist.
Die Erfindung kann vorzugsweise bei der MOS-Technik angewendet werden, die mit den bekannten dielektrischen Isolationsprozessen arbeitet. Besonders vorteilhaft ist die Herstellung des Relais in VMOS-Technik, die an sich bekannt ist. Das Relais kann jedoch auch als großintegrierte Schaltung hergestellt werden. Mit Vorteil läßt sich das elektronische Relais gemäß der Erfindung auch in Fernsprechteilnehmeranschlußleitungen anwenden.
Gemäß einer einfachen Weiterbildung der Erfindung ist die logische Eingangsschaltung durch eine NAND-Schaltung mit zwei Eingängen gebildet, von denen dem einen Eingang die Eingangswechselspannung zugeführt ist und dem anderen Eingang ein Steuerpotential zuführbar ist.
Um das elektronische Relais· unempfindlich gegen gleichphasige Eingangsstörspannungen zu machen, ist eine Weiterbildung der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schaltung einen ersten, zwischen dem Ausgang der Eingangsschaltung und dem einen Eingang der dritten Schaltung angeordneten Kondendensator, einen mit seinem Eingang an den Ausgang der Eingangsschaltung angeschlossenen Inverter und einen zweiten, zwischen dem Ausgang des Inverters und dem anderen Eingang der dritten Schaltung angeordneten Kondensator aufweist.
Um den Anschluß einer besonderen Speisequelle für die dritte Schaltung zu vermeiden, weist die zweite Schaltung gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung ferner eine Dioden-Brückenschaltung auf, die eingangsseitig mit den zwei Eingängen und ausgarignsseitig mit den Speiseeingängen der dritten Schaltung verbunden ist.
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Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist die dritte Schaltung durch eine exclusive ODER-Schaltung gebildet, wodurch die Treiberschaltung besonders einfach wird. ,
Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist der steuerbare elektronische Schalter durch zwei in Reihe liegende Schalttransistoren gebildet, die parallel gesteuert werden. Vorzugsweise können die Schalttransistoren MOS-Transistoren oder VMOS-Transistoren sein.
Um bei hohen Stückzahlen geringe Kasten zu erreichen, werden die Eingangsschaltung, die zweite Schaltung, die dritte Bchaltung und der elektronische Schalter auf einem einzelnen Silizium-Chip integriert.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist durch die Anwendung der Schaltungsanordnung in Fernsprechteilnehmerleitungsanschlußschaltungen in der Weise'gekennzeichnet, daß mittels mehrerer solcher elektronischer Relais der Ausgang eines Signalgenerators mit der Teilnehmerleitung verbindbar ist.
Ausführungsbeispiel .
Die Erfindung wird nun an Hand eines Ausführungsbeispiels und eines Anwendungsbeispieles näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung für ein hohe Spannungen schaltendes elektronisches Relais gemäß der Erfindung, während Fig. 2 eine vereinfachte Schaltungsanordnung für einefl Signalgenerator vom Typ einer erdfreien, galvanisch entkoppelten Brückenschaltung, der in einer Teilnehmerleitungsanschlußschaltung verwendet wird, darstellt.
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In Fig. 1 ist die Gesamtheit der gestrichelt umrandeten Teile mit 10 bezeichnet. In einer logischen Eingangsschaltung 12 ist eine NANB-Schaltung 20 enthalten, derem einen Eingang eine rechteckförmige Wechselspannung mit der Frequenz von beispielsweise 5 MHz zugeführt wird. Die verstärkte Wechselspannung
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gelangt in einer Treiberschaltung gegenphasig über zwei Kondensatoren 28, 30 auf eine exclusive ODER-Schaltung 36, die einen die hohe Spannung schaltenden Teil 16 des elektronischen Relais steuert. Die Koppelkondensatoren 28, 30 können beispielsweise eine Kapazität von 10 pF und eine Zeitkonstante von
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10 see haben. Die Eingangsschaltung 12 , die Treiberschaltung 14 und der Teil 16. können auf einem einzigen Silizium-Chip angeordnet werden, dem eingangsseitig ein Steuerpotential mittels eines Schalters 18 zuführbar ist. Zu diesem Zweck ist der eine Eingang 24 der NAND-Schaltung 20 mit'dem Schalter 18 verbunden. In der Aus-Stellung wird Erdpotential an den Eingang 24 gelegt. In der Einteilung gelangt ein Potential von +15 V an den Eingang 24, welches bewirkt, daß die Wechselspannung mit der Frequenz von 5MHz verstärkt am Ausgang der NAND-Schaltung 20 erscheint. In der Stellung fs des Schalters 18 wird ein Fremdpotential an den Eingang 24 angelegt. Dieses Fremdpotential kann ein Wechselpotential mit einer Frequenz von 100 Hz sein. Im Aus--Zustand des Schalters 18 wird die NAND-Schaltung 20 gesperrt, so daß an ihrem Ausgang nicht die Wechselspannung mit der Frequenz von 5 MHz auftritt.'
Der Ausgang der NAND-Schaltung 20 ist einerseits über den Koppelkondensator 28 mit dem einen Eingang 40 der ODER-Schaltung 36 und andererseits mit dem Eingang eines Inverters 32 verbunden. Der. Ausgang des Inverters 32 ist über den Kondensator 30 mit dem anderen Eingang 42 der ODER-Schaltung 36 gekoppelt. Die NAND'-Schaltung 20 und der Inverter 32 erhalten ein Speisepotential von +15 V von einer Gleichspannungsquelle 22. Aufgrund des Zwischenschaltens des Inverters 32 sind die Wechselspan- ό. nungen an den Eingängen 40 und 42 gegenphasig.* Die Kondensa-
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toren 28, 30 dienen zur galvanischen Entkoppelung. Mit den Eingängen 40, 42 ist der Eingang einer Dioden-Brückenschaltung 34 verbunden, die aus vier Dioden besteht und die ausgangsseitig mit dem Speiseeingang der ODER-Schaltung 36 verbunden ist. Dem Speiseeingang der ODER-Schaltung 36 ist ein Kondensator 38 zur Glättung parallelgeschaltet. Die ODER-Schaltung 36 erhält ihre Speisung also von der Batterie 22 über die Koppelkondensatoren 28, 30 und die Dioden-Brückenschaltung 34. Zwischen dem Fußpunkt des Speiseeingangs der ODER-Schaltung 36 und den Eingängen 40, 42 liegt jeweils ein Widerstand 56 bzw. 58. Der Ausgang der ODER-Schaltung 36 ist über eine Diode 44 mit den Gate-Elektroden zweier MOS-Transistoren 48, 50 verbunden, während der Pußpunkt des Speiseeingangs der ODER-Schaltung 36 mit den Source-Elektroden S dieser Transistoren verbunden ist. Den Steuerstrekken dieser Transistoren liegen ein Kondensator 46' und ein Widerstand 60 parallel . Die Schaltstrecken der Transistoren 48, 50 liegen in Reihe an Ausgangsanschlüssen 52 und 54.
Eine Gleichspannung wird an den Gate-Elektroden der Transistoren 48, 50 auf folgende Weise erzeugt: Der Ausgang der ODER-Schaltung 36 führt nur dann hohes Potential, wenn die zwei Eingänge 40 und 42 gegenphasige Spannungen erhalten, d.h. wenn der eine Eingang ein hohes und der andere Eingang ein niedriges Potential aufweist. Wenn der Ausgang der ODER-Schaltung 36 ein hohes Potential aufweist, dann gelangt dieses hohe Potential über die Diode 44 zum Kondensator 46, der geladen wird. Aufgrund der Spannung des Kondensators 46 werden die Transistoren 48, 50 eingeschaltet. Dadurch wird ein niederohmiger Weg zwischen den Ausg;a.ngsanschlüssen 52 und 54 hergestellt- Die Transistoren 48, 50 können als VMOS-Transistoren ausgebildet sein und beispielsweise eine Durchbruchsspannung von 90 V aufweiden. Durch Änderung der Transistorparameter kann die Durchbruehsspannung aber auf 400 bis 500 V erhöht werden.
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Die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 wird nun im folgenden erläutert. Vorausgesetzt sei zunächst, daß der Schalter 18 in der gezeigten Stellung ist. Für diesen Fall tritt am Ausgang der NAND-Sehaltung 20 eine dauernde Gleichspannung von 15 V auf, die durch die Koppelkondensatoren 28, 30 von der übrigen Schaltung ferngehalten wird. Die Restladung der Kondensatoren 28, 30 fließt als Leckstrom über die Widerstände 56 und 58 ab. Der Kondensator 46 wird über den Widerstand 60 entladen, wonach sich an den Gate-Source-Strecken der Transistoren 48, 50 eine Spannung von 0 Volt einstellt, die diese Transistoren sperrt, so daß zwischen den Ausgangsanschlüssen 52, 54 ein hoher Widerstand liegt.
Irgendwelche Fehlströme, die von den Ausgangsanschlüssen 52, zu den Kondensatoren 28, 30 gelangen, ergeben diegleichen Spannungsverschiebungen an diesen Kondensatoren , d.h. es treten dadurch gleichphasige Signale an den Eingängen 4o , 42 auf. Wie bereits erwähnt worden ist, tritt am Ausgang der exclusiven ODER-Schaltung 36 nur dann ein Signal auf, wenn zwei gegenphasige Spannungen an den Eingängen 4o, 42 anstehen; diese ODER-Schaltung ist unempfindlich gegen gleichphasige Eingangsspannungen . Somit ist ersichtlich, daß die an den Ausgangsanschlüssen 52, 54 auftretende hohe Spannung keinen Einfluß auf die Arbeitsweise des elektronischen Relais hat, das nur dann eingeschaltet wird, wenn die Spannungen an den Eingängen 40, gegenphasig sind, Die richtige Arbeitsweise des elektronischen Relais wird solange gewährleistet, wie die hohe Spannung an den Ausgangsanschlüssen 52, 54 nicht die Durchbruchsspannungswerte für die Transistoren 48, 50 und der Kondensatoren 28, 30 übersteigt. Diese: Durchbruchsspannung kann bei 400 bis 500 V liegen. Da 'alle aktiven Elemente durch MOS-Transistoren gebildet werden können, die in bekannter Herstellungstechnik gefertigtvrerden können, beispielsweise durch die üblichen dielektrischen Isolationsprozesse, kann die ganze Schaltungsanordnung auf einem einzigen Chip hergestellt werden. Auf diese Weise kann an den
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Ausgangsanschlüssen52, 5*ί eine erdfrei geschaltete Gleichspannung erreicht werden. ·
Das Anwendungsbeispiel in Fig. 2 zeigt eine erdfreie , galvanisch entkoppelte Brückenschaltung 100, die zur Anschaltung eines Signalgenerators an eine Fernsprechteilnehmerleitungsanschlußschaltung an eine Teilnehmerleitung 102, 104 dient. Es liegt hier ein sogenannter programmierbarer Signalgenerator vor. In der weiter nicht dargestellten Teilnehmer'ans chlußs chal tung erscheinen ankommende analoge Singale auf den Sprechadern 102, . 104; diese werden erkannt, digitalisiert und von einem Mikroprozessor verarbeitet, der aus der digitalisierten Spannung ein moduliertes Steuersignal ableite^ das dann zum programmierbaren Signalgenerator zurückgekoppelt wird. Das rückgekoppelte Signal führt zur Erzeugung verschiedener Signale, beispielsweise zur Erzeugung der Rufspannung. Zu diesem Zweck muß der Signalgenerator von der übrigen Teilnehmeranschlußschaltung galvanisch entkoppelt werden, und zwar mit Hilfe eines Transformators 106, der einen Ferritkern aufweist. Da die Größe des von dem programmierbaren Signalgenerator erzeugten Signals von Eingangssteuersignalen abhängig ist, die vom Mikroprozessor P stammen, wird der Signalgenerator als programmierbar bezeichnet.
Die Primärwicklung 108 des Transformators 106 liegt mit der ' Arbeitsstrecke eines Transistors 110 in Reihe an einer Gleichspannungsquelle Vcc. Die Sekunkärwicklung 118 dieses Transformators ist über eine Diode 114 mit einem Kondensator 116 verbunden, der an den Eingang der aus vier elektronischen Relais S3 und S5 gebildeten Brückenschaltung angeschlossen ist. Der Steuerelektrode s des Transistors 110 wird, vom Mikroprozsessor P eine Wechselspannung mit veränderlicher Impulslänge in der Grö-" ßenordnung von 50 bis 100 kHz zugeführt; die verstärkte Wechselspannung dient zur Erzeugung einer festen Gleichspannung an den Sprechadern 102, 104. Die Impulslänge der an die Steuerelektrode
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des Transistors 110 angelegten Wechselspannung wird durch den Mikroprozessor P gemäß den an den Sprechadern 102, 104 erkannten Laständerungen verändert; auf diese Weise wird beispielsweise dem Abheben des Handapparats Rechnung getragen.
Außer der Brückenschaltung S3 bis S6 sind noch zwei elektronische Relais Sl, S2 vorhanden. Jedes Relais Sl bis S6 wird durch ein Relais gemäß der Fig. 1 gebildet, wobei die vom Mikroprozessor herkommende Steuerleitung (Fig. 2) mit den Fremdsteueranschlüssen fs (Fig. 1) dieser Relais verbunden is.t.. . Die Relais Sl , S2 werden zur Erdung der Leitungsadern 102,104 benutzt, wie es für Prüfzwecke erforderlich ist; die zwischen der Brückenschaltung S3 bis So und der Leitungsader 104 liegende Induktivität 112 vermeidet einen wechselstrommäßigen Kurzschluß der Leitungsadern 102, 104 über den relaiv niederohmigen Ausgangswiderstand des Signalgenerators.
Die Primärwicklung 108 speichert 'Energie gemäß der Beziehung
E= 1/2 L i . Wenn der Transistor 110 sich im leitenden Zustand befindet, dann befindet sich die Diode 114 im Sperrzustand. Befindet sich der Transistor 110 im Sperr zustand, so befindet sich die Diode 114 i-m leitenden Zustand, wobei der Kondensator 116 durch die in der Primärwicklung gespeicherte und zur Sekundärwicklung übertragene Energie geladen wird. Diese Energieübertragung wird durch den Transistor 110 gesteuert, und zwar aufgrund des an seiner Steuerelektrode s wirksamen, lmpulslängenmodulierten Signals. '
Die elektronischen Relais S3 bis S6, die VMOS-Transistoren aufweisen können, werden von Trenntransformatoren des Mikroprozessors gesteuert, denen Schaltimpulse zugeführt werden. Mit Hilfe dieser Schaltsignale wird mittels des durch die Diode 114 gleichgerichteten Signals und der Relais S3 bis S6 ein Wechselstro-msignal erzeugt. Wenn die Relais S3 und S4 eingeschaltet /sind, · sind die Relais S5 und S6 ausgeschaltet und um-
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gekehrt. Wenn die Relais S3 und S4 eingeschaltet sind, gelangt negatives Potential vom Kondensator 116 zur Leitungsader 102 und positives Potential zur Leitungsader 104. Es ist wichtig, die Erdfreiheit und die galvanische Entkopplung, dieser Relais aufrecht zu erhalten."
Claims (10)
1. Schaltungsanordnung für ein integrierbares elektronisches Relais, dessen Eingang und Ausgang galvanisch entkoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine logische Eingangsschaltung (20) zur steuerbaren Anschaltung einer Eingangswechselspannung mit vorbestimmter Frequenz (5 MHz) an ihren Ausgang vorgesehen ist, daß eine zweite Schaltung (28,30,32) vorgesehen ist, die die am Ausgang der Eingangsschaltung (20) auftretende Wechselspannung mit zwei Eingängen einer dritten Schaltung (36) kapazitiv derart koppelt, daß die Wechselspannungen an diesen Eingängen entgegengesetzte Phasenlage aufweisen, daß ferner die dritte Schaltung (36) derart ausgebildet ist, daß an ihrem Ausgang nur dann ein Signal auftritt, wenn ihren beiden Eingängen gegenphasige Wechselspannungen zugeführt werden, und daß ein elektronischer Schalter (48, 50) vorgesehen ist, dessen Steuerkreis mit dem Ausgang der dritten Schaltung (36) verbunden ist und dessen Schaltstrecke hohe Durchbruchsspannungswerte und niedrige Durchlaßwiderstandswerte aufweist.
2. Schaltungsanordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die logische Eingangsschaltung (20) durch eine NAND-Schaltung mit zwei Eingängen (5 MHz, 24) gebildet ist, von. denen dem einen Eingang die Eingangswechselspannung zugeführt ist und dem anderen Eingang ein Steuerpotential · (Erde, +15 V, fs) zuführbar ist.
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3. Schaltungsanordnung nach Punkt 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schaltung (28, 30, 32) einen ersten zwischen dem Ausgang der Eingangsschaltung und dem einen Eingang (40) der dritten Schaltung (36) angeordneten Kondensator (28) , einen mit seinem Eingang an den Ausgang
: der Eingangsschaltung (20) angeschlossenen Inverter (32) und einen zweiten , zwischen dem Ausgang des Inverters und dem anderen Eingang (42) der dritten Schaltung (36) angeordneten Kondensator (30) aufweist.
4. Schaltungsanordnung nach Punkt 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schaltung ferner eine Dioden- Brückenschaltung (34) aufweist, die eingangsseitig mit den zwei Eingängen und ausgangsseitig mit den Speiseeingängen der dritten Schaltung (36) verbunden sind.
5. Schaltungsanordnung nach Punkt 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Schaltung'(36) durch eine exclusive ODER-Schaltung gebildet ist. .· /'
6. Schaltungsanordnung nach einem der Punkte 1 bis 53 dadurch gekennzeichnet , daß der steuerbare elektronische Schalter (48, 50) durch zwei in Reihe liegende Schalttransistoren gebildet ist, die parallel gesteuert werden.
7· Schaltungsanordnung nach Punkt 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalttransistoren (48, 50) MOS-Transistoren sind.
8. Schaltungsanordnung nach Punkt 7, dadurch gekennzeichnet, daß die MOS-Transistoren VMOS-Transistoren sind.
9. Schaltungsanordnung nach einem der Punkte 1 bis 8, dadurch gekennzeichent, daß die Eingangsschaltung (20), die zweite Schaltung (28, 30, 32) , die dritte Schaltung (36) und der
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elektronische Schalter (48, 50) auf einem einzelnen Silizium-Chip integriert sind.
10. Schaltungsanordnung nach einem der Punkte 1 bis 9,
gekennzeichnet durch ihre Anwendung in Fernsprechteilnehmer- ; leitungsanschlußschaltungen in der Weise, daß mittels mehrerer solcher elekronischer'Relais (S3 bis S6) der Ausgang eines Signalgenerators (100) mit der Teilnehmerleitung (102, 104) verbindbar ist.
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