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Monolithisch integriertes Zeitschaltglied
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Stand der Technik Monolithisch integrierte Zeitschaltglieder, die
sowohl freilaufend ausgebildet sein können und somit Impulsoszillatoren sind, als
auch derartige Zeitschaltglieder mit monostabilem Verhalten werden üblicherweise
durch Ausnutzung des Kondensatorladungsprinzips realisiert. Der erforderliche Kondensator
wird dabei im allgemeinen als diskretes Bauelement mit der integrierten Schaltung
verbunden, da bekanntlich nur Kapazitätswerte bis zu der Größenordnung von einigen
10 nF monolithisch integrierbar sind.
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Sollen derartige Zeitschaltglieder jedoch für Schaltzeiten in der
Größenordnung von Sekunden und darüber dimensioniert werden, so erfordert dies Kapazitätswerte
in der Größenordnung von Mikrofarad. Kondensatoren dieser Größe sind im allgemeinen-Elektrolytkondensat4ren,
die jedoch die bekannten Nachteile haben.
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Aufgabe Die Aufgabe der in den Ansprüchen definierten Erfindung besteht
darin, ein monolithisch integriertes Zeitschaltglied
für Schaltzeiten
anzugeben, die größer als etwa eine Sekunde sind, zu dessen Betrieb kein Kondensator
benötigt wird, d. h.
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das nach einem anderen Prinzip arbeitet.
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Darstellung der Erfindung Die Erfindung wird nun anhand der Figuren
der Zeichnung näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt in- Form eines-BlockschaltbiLds:das der Erfindung zugrundeliegende
Funktionsprinzip, Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild einer'Weiterbildung der Erfindung,
Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild einer anderen Weiterbildung der Erfindung, Fig.
4 zeigt das Prinzipschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nach
Fig. 2, und Fig. 5 zeigt das Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform nach Fig.
3.
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Im Blockschaltbild der Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 eine die'integrierte
Schaltung heizende Leistungsstufe bezeichnest", die bei geschlossenem Betriebsschalter
6 wärmeerzeugend wirkt und somit zu einem mehr oder weniger langsamen oder schnellen
Ansteigen der Kristalltemperatur und des Gehäuses der integrierten Schaltung führt.
Auf demselben Halbleiterchip ist die Halbleiterstruktur 2 mit positivem Temperaturkoeffizienten
eines Spannungsparameters angeordnet und ebenso die Halbleiterstruktur 3 mit negativem
Temperaturkoeffizienten
eines Spannungsparameters. Die von diesen
beiden Halbleiterstrukturen jeweils in Abhängigkeit von der Kristalltemperatur der
integrierten Schaltung erzeugte Spannung ist dem nichtinvertierenden bzw. invertierenden
Eingang 41, 42 des Differenzverstärkers 4 zugeführt. Der Ausgang 43 des Differenzverstärkers
4 ist mit dem Eingang der ersten Schaltstufe 5 verbunden, deren Ausgang die Leistungsstufe
1 derart steuert, daß bei Spannungsgleichheit an den beiden Eingängen 41, 42 des
Differenzverstärkers 4 der in der Leistungsstufe 1 fließende Strom stark reduziert
oder abgeschaltet wird. Der Differenzverstärker 4 ist also durch die bei Umgebungstemperatur
an seinen beiden Eingängen liegenden Spannungen nach einer Seite stark übersteuert.
Wenn durch den Temperaturanstieg des Halbleiterkristalls infolge der Heizung durch
die Leistungsstufe 1 die Spannungsdifferenz an seinen beiden Eingängen sich umpolt,
wird der Differenzverstärker 4 in seinen anderen Übersteuerungszustand gesteuert
und löst dadurch über die erste Schaltstufe 5 die Stromreduzierung oder -abschaltung
in der Leistungsstufe 1 aus.
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Im Blockschaltbild der Fig. 1 liegt der bereits erwähnte Be- ,, triebsschalter
6 zwischen der Leistungsstufe 1 und dem übrigen Teil der integrierten Schaltung.
Durch Schließen des Betriebsschalters 6 ist also der Anfangs zeitpunkt für die mit
dem Schaltglied zu realisierende Schaltzeit gegeben. Das Ende dieser Schaltzeit
ist dann gegeben, wenn der Strom in der Leistungsstufe 1 in der beschriebenen Weise
abgeschaltet wird.
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Das dabei am Ausgang 43 des Differenzverstärkers 4 auftretende Signal
kann zur Steuerung weiterer Stufen benutzt werden.
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In Fig. 2 ist das Blockschaltbild einer Weiterbildung der Anordnung
nach Fig. 1 gezeigt. Dabei liegt der Betriebsschalter 6' so, daß die gesamte integrierte
Schaltung über ihn eingeschaltet werden kann. Ferner ist die zweite Schaltstufe
7 vorgesehen,
deren Eingang ebenfalls am Ausgang 43 des Differenzverstärkers
liegt und deren Ausgang mit dem nichtinvertierenden Eingang 42 verbunden- ist. Die
übrigen Schaltelemente im Blockschaltbild der Fig. 2 entsprechen denen der Fig.
1.
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Durch die zweite Schaltstufe 7 wird erreicht, daß das Potential am
nichtinvertierenden Eingang 42 des Dif-ferenzverstärkers 4 auf einen Wert nahe dem
Bezugspotential geklemmt wird.
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Dadurch wird verhindert, daß, selbst wenn sich der Halbleiterkristall
wieder abkühlt, die Leistungsstufe nochmals eingeschaltet wird. Durch einen anderenbWert
des Klemmpotentials läßt sich das eingangs erwähnte Oszillåctorverhalten realisie-
L ren.
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In Fig. 3 ist das Blockschaltbild einer anderen Weiterbildung gezeigt,
bei der die Zusatzleistungsstufe 8 vorgesehen ist, mit der bei extrem niedrigen
Kristalltemperaturen zusätzlich zu der von der-Leistungsstufe 1 erzeugten Heizenergie
Wärme erzeugt werden kann. Der Ausgang der zweiten Schaltstufe 7 ist in Fig. 3 mit
dem invertierenden Eingang 41 des Differenzverstärkers 4 verbunden und klemmt diesen
Eingang auf ein Potential in der Nähe der Betriebsspannung, so daß dadurch -ebenfalls
wieder der bei Fig. 2 erwähnte Effekt erzielt werden kann.
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In Fig. 4 ist das Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform -der
Erfindung gezeigt. Die Leistungsstufe 1 besteht hier aus der an sich bekannten Stromübersetzerschaltung
mit den beiden Transistoren 11, 12, wovon der Transistor 11 deren Ausgangstransistor
ist, der die die integrierte Schaltung erwärmende Heizleistung als Produkt von Kollektorstrom
mal Betriebsspannung UB erzeugt. Die Emitter- Basis-pn-Ubergangsfläche des Ausgängstransistors
11 ist dabei mindestens um eine Größenordnung größer als die des anderen Transistors
12. Basis und Kollektor dieses Transistors sind in bei Stromübersetzerschaltungen
bekannter
Weise miteinander verbunden und liegen an der Basis des Ausgangstransistors 11.
Über den Widerstand 13 ist der im Transistor 12 fließende Strom eingestellt. Der
Kollektorstrom des Ausgangstransistors 11 ist entsprechend dem Emitter-Basis-pn-Übergangsflächenverhältnis
größer als dieser Strom.
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Als Halbleiterstruktur 2 mit positivem' Temperaturkoeffizienten eines
Spannungsparameters dient im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 der der Einfachheit
halber mit dem Z-Dioden-Symbol bezeichnet, im Sperrgebiet--urchbruch betr-zèbene
pn-Ubergang 21@@tri@@@@ der einerseits am Schaltungsnullpunkt und über den Vorwiderstand
22 an der Betriebsspannung UB liegt. - s Als Halbleiterstruktur 3 mit negativem
Temperaturkoeffizienten eines Spannungsparameters dient in-Fia'.--4de''r Transistor
31, dessen Emitter am Schaltungsnullpunkt und dessen Kollektor über den Widerstand
32 an der Betriebsspannung UB liegt. Die Basis-Kollektor-Strecke des Transistors
31 ri-st mit -dem Widerstand 33 und die Basis-Emitter-Strecke mit dem Widerstand
34 überbrückt. Der Transistor 31 mit den beiden Widerständen 33, 3t . " ! stellt
eine an sich bekannte Schaltungsstruktur zur Multiplizierung der Basis-Emitter-Spannung
eines Transistors im Verhältnis der beiden Widerstandswerte dar. Der Temperaturkoeffizient
der am Kollektor des Transistors'31 abzunehmenden Spannung ist, mit dem genannten
Verhältnis multipliziert, gleich dem Temperaturkoeffizienten der Basis-Emitter-Spannung.
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Anstelle des Transistors 31 und der beiden Widerstände 33, 34 können
auch eine oder mehrere seriengeschaltete Dioden dienen.
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Der Kollektor des Transistors 31 liegt am invertierenden Eingang 42
des Differenzverstärkers 4, während am nichtinvertierenden Eingang 41 der Verbindungspunkt
von Widerstand 22 und von im Sperrbereich-Durchbruch betriebenem pn-Ubergang 21
liegt.
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Die Schaltschwelle des Differenzverstärkers 4 ist so eingestellt,
daß bei einer bestimmten Kristalltemperatur die Spannungsdifferenz an seinen beiden
Eingängen durch Null geht.
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Bei nichterwärmtem Halbleiterkristall ist aufgrund des positiven Temperaturkoeffizienten
die Spannung am nichtinvertierenden Eingang"41 niedriger als. bei erwärmtem Kristall.
Umgekehrt ist bei nichterwärmtem Kristall die Spannung am invertierenden Eingang
42 aufgrund des negativen-- -Temperaturkoeffizienten der Schaltungsstruktur 31,
33, 34 höher als bei erwärmtem Kristall. Die Spannungsdifferenz an den beiden Eingängen
41, 42 geht also bei einer ganz estimmtenTemperatur, die durch Wahl der entsprechenden
Schaltungsparameter vorgegeben werden kann, durch Null. Zu diesem Zeitpunkt wird
über das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 4 der in Emitterschaltung betriebene
Transistor 51 der-ersten Schaltstufe 5 leitend gesteuert und sperrt somit den Ausgangstransistor
11 der Leistungsstufe 1. Sein Kollektor ist-ämlich direkt mit der Basis des Ausgangstransistors
11 verbunden. Gleichzeitig wird auch-der Transistor 71 der zweiten Schaltstufe 7
leitend gesteuert und klemmt somit den invertierenden Eingang 42 praktisch auf Bezugspotential,
da dessen Kollektor direkt damit verbunden ist. Die dem Transistor 51 zugeordneten
Widerstände 52,, 53 und die dem Transistor 71 zugeordneten Widerstände 72, 73 sind
Vorspannungs- bzw. Schutzwiderstände.
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Fig. 5 zeigt schließlich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel entsprechend
Fig. 3. Die Zusatzleistungsstufe 8 wird vom Transistor 81 gebildet, dessen B-asis
am Abgriff des von den Widerständen 82, 83 gebildeten und über der Betriebsspannung
UB liegenden Spannungsteilers liegt. Der Kollektor liegt am Abgriff des als Spannungsteiler
ausgebildeten Widerstands 13' der Stromübersetzerschaltung 11, 12. Bei sehr niedrigen
Temperaturen des Halbleiterkristalls, wie sie beispielsweise bei Verwendung eines
derartigen Zeitschaltgliedes in Kraftfahrzeugen
vorkommen können,
fließt somit auch über den Transistor 81 ein wärmeerzeugender Strom.
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Das erfindungsgemäße Zeitschaltglied läßt sich besonders vorteilhaft
bei monolithisch integrierten Spannungsreglern für Kraftfahrzeug-Anzeigeinstrumente
verwenden, um damit zu erreichen, daß die Regelschaltung zunächst nach dem Einschalten
der Zündung die volle Batteriespannung an das Anzeigeinstrument gelangen läßt und
erst nach der durch das Zeitschaltglied vorgegebenen Verzögerung wirksam wird und
somit auf den zu regelnden Spannungswert regelt. Für eine derartige Anwendung sind
diejenigen Ausführungsformen geeignet, bei denen sowohl die Leistungsstufe 1 als
auch die übrigen Schaltungsteile gemeinsam über den Betriebsschalter 6' mit der
Betriebsspannung UB verbunden werden, wie z. B. die Ausführungsbeispiele nach den
Fig. 2, 4 und 5 zeigen. Durch die-zweite Schaltstufe ist sicher gewährleistet, daß
der durch'die' Erwärmung ausgelöste Schaltzustand so lange erhalten bleibt, bis
der Betriebs-.
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schalter 6', z. B. durch Ausschalten der Zündung, wieder-geöffnet
wird.
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Durch die Erfindung ist es somit möglich, ohne kapazitive oder induktive
Bauelemente allein durch geschickte Ausnutzung von temperaturabhängigen Halbleiterbauelement-Eigenschaften
Zeitschaltglieder mit reproduzierbaren' Schaltzeiten zu realisieren.
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2 Blatt Zeichnung mit 5 Figuren
L e e r s e i t e