-
Transistorschalter zur wahlweisen Verbindung einer Ausgangsklemme
mit einem von zwei Potentialen mit zwei in Reihe liegenden komplementären Transistoren
Die Erfindung betrifft einen elektronischen Schalter zur wahlweisen Verbindung einer
Ausgangsklemme mit einem von zwei Potentialen in Abhängigkeit vom Wert eines dem
Schaltereingang zugeführten Steuersignals. Derartige elektronische Schalter werden
bekanntlich unter anderem in der digitalen Schaltkreistechnik benötigt.
-
Die Erfindung verfolgt im besonderen das Ziel, einen elektronischen
Schalter mit zwei in Reihe hegenden komplementären Transistoren zu schaffen, welcher
einerseits in jedem der beiden Schaltzustände eine möglichst niederohmige Verbindung
zwischen der Ausgangsklemme und dem betreffenden Potential herstellt und anderseits
so ausgebildet ist, daß niemals beide Transistoren zu gleicher Zeit leitend sein
können.
-
Diese Eigenschaften werden im Sinne der Erfindung dadurch erreicht,
daß die Kollektorelektroden mit der Ausgangsklemme und die Emitterelektroden niederohmig
mit je einem der beiden Potentiale Ui bzw. UZ verbunden sind und daß zur Verbindung
der Steuerklemme mit den Basiselektroden in zumindest einem der Verbindungszweige
eine Zenerdiode angeordnet ist, deren Zenerspannung Uz bzw. Zenerspannungen Uz,
und Uze im wesentlichen der Bedingung I U71 > U, - UZ beziehungsweise
IUziI+IUz2I>Ui-U2 genügen (U, > UZ). An Hand der Zeichnung seien die Wirkungsweise
dieses Transistorschalters sowie weitere Ausbildungsmöglichkeiten näher erläutert.
-
Fig. 1 a zeigt die Grundschaltung des erfindungsgemäßen Transistorschalters;
Fig. 2a ist eine weitere Ausbildung dieser Schaltung; in Fig. 3 a ist eine Variante
der Grundschaltung unter Verwendung nur einer Zenerdiode gezeigt, von der eine weitere
Ausbildung in Fig. 4a dargestellt ist.
-
Die Fig. 1 b bis 4b sind unmaßstäbliche Diagramme, welche jeweils
zur Erläuterung des Steuerverhaltens der mit gleicher Ziffer versehenen Schaltung
dienen.
-
Die Grundschaltung nach Fig. 1 a enthält eine Steuerklemme
10, zwei Klemmen 11 und 12, die an einem Potential U, bzw.
UZ liegen, und eine Ausgangsklemme 13. Letztere ist an die Kollektorelektrode je
eines pnp-Transistors T1 und eines npn-Transistors T2 angeschlossen. Die Emitterelektroden
dieser Transistoren sind niederohmig - hier unmittelbar galvanisch - mit den genannten
Potentialen U, bzw. UZ verbunden. Das Potential Ui ist positiver als das Potential
U2, also U, > U2. Es sei beispielsweise U, = 0 V und UZ = -12 V. Zur Verbindung
der Basiselektroden mit der Steuerklemme 10 ist in jedem Verbindungszweig, außer
einem unter Umständen entbehrlichen Begrenzungswiderstand 14 bzw. 15, eine Zenerdiode
Z1 bzw. Z2 angeordnet. Im Sinne der Erfindung sind deren Zenerspannungen Uz, und
Uze so gewählt, daß sie der Bedingung I Uz1I + I U-21 > U1 - UZ genügen.
Sie seien beispielsweise beide gleich 10 V. In Fig. 1 b sind auf der Abszisse die
in Fig. 1 a auftretenden Potentiale und Spannungen aufgetragen. Die Ordinate gibt
unmaßstäblich die Abhängigkeit der Diodenströme von der jeweiligen Steuerspannung
U, an der Steuerklemme 10 der Schaltung an. Hierbei ist der Spannungspunkt
der zur Zenerdiode Z1 gehörenden Kurve mit dem Potential U, und jener der Zenerdiode
Z2 mit dem Potential UZ zusammengelegt. Die geringen Spannungsdifferenzen zwischen
den Emitter- und den Basiselektroden der Transistoren sind also der Übersichtlichkeit
halber nicht berücksichtigt. Entsprechend der aus Fig. 1 a ersichtlichen verschiedenen
Polung der Zenerdioden verlaufen ihre Durchlaßkurven in Fig. 1 b etwa spiegelbildlich
zueinander.
-
Für die Schaltung nach Fig. 1 a hat das Steuersignal Ue wahlweise
die Werte Ue, < UZ oder Ue2> Ui, wobei der Wert U" bewirkt, daß die Ausgangsklemme
13
über den Transistor T1 mit dem Potential U1, der Wert Ue2, daß die Klemme 13 über
den Transistor T2
mit dem Potential U2 verbunden wird. Mit den angenommenen
Potentialwerten von 0 und -12 V möge das Steuersignal die Werte U" = -13
V und U62 _ +1 V haben.
-
Wie aus Fig. 1 b zu erkennen ist, befindet sich bei einem Steuersignal
an Klemme 10 von Ue, = -13 V die Zenerdiode Z2 im -normalen Durchlaßbereich,
so daß der npn-Transistor T2 im Hinblick auf sein Emitterpotential von U2 = -12
V mit U", - U2
= -1 V Basisspannung gesperrt ist. Der Steuerwert U" ist jedoch
negativer als die Lage der Durchbruchsspannung U,- j Uz, 1 der Zenerdiode
Z1, so daß diese Diode im Zenerbereich arbeitet und der pnp-Transistor T1 mit einer
Basisspannung von Ue,-Ul-1 Uz,I -3 V leitend ist und die Ausgangsklemme 13 niederohmig
mit dem Potential U, verbindet. Bei einem Steuersignal von Ue2 = -f-1 V hingegen
befindet sich die Zenerdiode Z1 im normalen Durchlaß-Bereich, so daß der pnp-Transistor
T1 wegen seines Emitterpotentials von U, = 0 V mit einer Basisspannung von U"2
- U, = +1 V gesperrt ist. Der Steuerwert Ue2 liegt jedoch.jenseits
der auf das Potential U2 bezogenen Durchbruchspannung U2+ 1 Uze 1 der Zenerdiode
Z2, so daß nun diese Zenerdiode im Zenerbereich arbeitet und der npn-Transistor
T2 mit einer Basisspannung von U"2 - U2 - 1 U;121 = -I-3 V leitend ist. Dadurch
ist die Ausgangsklemme 13 niederohmig mit dem Potential U2 verbunden.
-
Aus Fig. 1 b ist ferner zu ersehen, daß auch während des Überganges
des Steuersignals Ue vom Wert Uel auf den Wert U82 niemals beide Transistoren T1
und T2 zur gleichen Zeit leitend sein können, so daß die Schaltung bei jeder Betriebsweise
überlastungssicher und störungsfrei arbeitet.
-
Bei der in Fig. 2a dargestellten erweiterten Schaltung sind zwischen
der Basis und der Emitterelektrode der Transistoren T1 und T2 Schaltungsmittel zur
Erzeugung einer Vorspannung vorgesehen, die den betreffenden Transistor beim Fehlen
eines Eingangssignals sperren. Hierzu könnten besondere Spannungsquellen verwendet
werden. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel werden aber diese Vorspannungen ohne
zusätzliche Spannungsquellen von den bereits vorhandenen Potentialen U, und U2 abgeleitet,
und zwar mit Hilfe je eines an diese Potentiale angeschlossenen Spannungsteilers,
bestehend aus einem Widerstand 16 bzw. 17 und einer gewöhnlichen Diode D1 bzw. D2.
Die Emitterelektroden der beiden Transistoren T1 und T2 sind mit den Abgriffen dieser
Spannungsteiler verbunden, während die Basiselektroden über je einen relativ hochohmigen
Widerstand 18 bzw: 19 an die betreffenden Durchschaltpotentiale U1 bzw. U2 angeschlossen
sind. Diese Potentiale mögen beispielsweise -12 bzw. -I-6 V, die. Zenerspannungen
der Zenerdioden Z1 und Z2 wieder je 10 V betragen. Infolge des durch den Querstrom
bedingten Spannungsabfalles der Dioden Dl und D2 ist beim Fehlen eines wirksamen
Eingangssignals die Basis des Transistors T1 stets positiver und die Basis des Transistors
T2 stets negativer als der betreffende Emitter, so daß die Transistoren gesperrt
sind.
-
An Hand des Diagramms der Fig. 2b ist der Vorteil zu erkennen, den
diese Schaltung gegenüber der Schaltung in Fig. 1 a bietet. Infolge der Emittervorspannung
ist es nämlich möglich, die Schaltung mit Steuerspannungen U81 und U"
zu betreiben, welche innerhalb der Potentiale U, und U2 liegen, also beispielsweise
durch Spannungsteilung aus diesen Potentialen gewonnen werden könnten. Es ist lediglich
nötig, daß die Werte des Steuersignals U, den Bedingungen Ni < U1 - I
Uzl l und U62 > U2 'i' 1 U-11 genügen. Hierbei ist der Übersicht
halber die geringe Emittervorspannung vernachlässigt. Durch entsprechende Wahl der
Zenerspannungen und der Werte des Steuersignals kann hinsichtlich der erzielten
Schalteigenschaften der gegebenen Flankensteilheit des Steuersignals Rechnung getragen
werden. Es mögen beispielsweise die Steuerwerte U" = -6 V und Ue2 = 0 V verwendet
werden.
-
Der Steuerwert U,, = -6 V ist zwar positiver als das Bezugspotential
U2 der Zenerdiode Z2 und negativer als die Lage der Durchbruchsspannung U2 + j U02,1,
so daß er auf den Betriebszustand des Transistors T2 keinen Einfluß hat. Unter dieser
Voraussetzung ist aber; wie oben erläutert, der Transistor T2 infolge seiner durch
die Schaltmittel D2, 17 und 19 bewirkten Emittervorspannung gesperrt. Anderseits
liegt der Steuerwert Uel jenseits der Lage der Durchbruchsspannung U, -
1 Uz, 1 der Zenerdiode Z1, so daß an der Basis des Transistors T1
gegenüber dem Potential U, die Spannung U,1 - J U" 1 wirksam ist. Diese ist
negativer als die geringe obenerwähnte, vom Abgriff' der Diode Dl abgenommene Vorspannung
des Emitters, so daß der Transistor T1 leitend ist und die Ausgangsklemme 13 über
die Diode D1 mit dem Potential U, verbindet. Der in Durchlaßrichtung geringe Spannungsabfall
an der Diode D1 hat keine nachteilige Auswirkung.
-
In ähnlicher Weise kann man an Hand der Fig: 2b die Arbeitsweise der
Schaltung beim Auftreten des Steuerwertes Ues = 0 V erkennen, wobei infolge der
Emittervorspannung durch die Schaltmittel D 1, 16 und 18 der Transistor T1 gesperrt
und durch das Überschreiten der Lage der Durchbruchsspannung U2 1 Uze 1 der Transistor
T2 leitend ist.
-
Die Schaltung in Fig. 3 a ist insofern gegenüber der Schaltung der
Fig. 1 a vereinfacht, als nur indem Verbindungszweig zwischen der Basiselektrode
des Transistors T2 und der Steuerklemme 10 eine in Reihe mit dem Begrenzungswiderstand
15 liegende Zenerdiode Z verwendet ist, während die Basiselektrode des Transistors
T1 lediglich über den Begrenzungswiderstand 14 an die Steuerklemme angeschlossen
ist. Hier lautet die Bedingung für die beiden Werte des Steuersignals Uel
< U2
und U82 > U2 -i- 1 Uz J wobei die Zenerspannung der Diode Z
im Sinne der Erfindung nach der Bedingung 1Uz1>U,-U2 gewählt ist.
-
Mit den der Erläuterung dienenden Werten U, _ +6 V, U2 = -6 V, Uz
= 14 V, Uel = -7 V und U82 = -I-9 V ergibt sich gemäß Fig. 3b folgende Arbeitsweise
Bei einem Steuerwert von U,, = -7 V befindet sich die Zenerdiode Z im normalen
Durchlaßbereich, so daß die Spannung an der Basis des npn-Transistors T2 gegenüber
seinem Emitter - wie bisher
unter Vernachlässigung des Dioden-Anlaufwertes
-etwa Uel - U2 = -1 V beträgt. Transistor T2 ist dadurch gesperrt.
Die Basis des pnp-Transistors T1 hingegen ist um den Wert Uel - U1
= -13 V negativer als sein Emitter, so daß dieser Transistor über den Begrenzungswiderstand
14 im leitenden Zustand gehalten wird und die Ausgangsklemme 13 mit dem Potential
U1 verbindet.
-
Der andere Steuerwert U,12 = +9 V macht die Basis des pnp-Transistors
T1 um den Wert Ue2 - U1 = +3 V positiver als den Emitter, so daß dieser Transistor
gesperrt ist. Dieser Steuerwert ist anderseits positiver als die Lage der Durchbruchsspannung
U2 + 1 Uz 1 = +8 V. Der npn-Transistor T2 ist dadurch leitend
und verbindet Klemme 13 mit dem Potential U2.
-
In der Schaltung nach Fig. 4a, die gleichfalls nur in der Basisleitung
des Transistors T2 eine Zenerdiode Z aufweist, sind ähnlich wie in Fig.2a zwischen
der Basis- und der Emitterelektrode dieses Transistors Schaltungsmittel D, 17 und
19 zur Erzeugung einer Vorspannung vorgesehen, die diesen Transistor beim Fehlen
eines wirksamen Eingangssignals sperrt. Dadurch werden ähnlich wie bei der Schaltung
Fig. 2b günstigere Bedingungen für die beiden Werte des Steuersignals erreicht,
die hier lauten: Ue, < U1 und U62 > U2 + 1 Uze 1 . Mit den Werten
U1 = +6 V, U2 = -6 V und UZ = 14 V der Fig. 3 a und 3 b können also beispielsweise
Werte des Steuersignals von Uel = +5 V und Ue2 = +9 V verwendet werden. Die
Wirkungsweise dieser Schaltung dürfte nach dem bisher Gesagten aus der Fig. 4b ohne
weitere Erläuterung verständlich sein.
-
Es zeigt sich somit, daß bei den abgewandelten Schaltungen mit nur
einer Zenerdiode stets zumindest einer der Werte des Steuersignals - in den Fig.
4a und 4b der Wert Ue2 - außerhalb des Bereiches der beiden Potentiale U1 und U2
liegen muß.