DE3037319A1

DE3037319A1 - Steuerschaltung fuer einen bewegungslosen transistorschalter fuer gleichstromlasten mit hohem einschaltstrom

Info

Publication number: DE3037319A1
Application number: DE19803037319
Authority: DE
Inventors: Maurizio Dr. Milano Felici; Pietro Badolato Catanzaro Menniti
Original assignee: ATES Componenti Elettronici SpA; SGS ATES Componenti Elettronici SpA
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1979-10-03
Filing date: 1980-10-02
Publication date: 1981-04-16
Also published as: FR2466907A1; DE3037319C2; SE447436B; IT1166910B; IT7926205A0; GB2071444A; US4369380A; JPS5698028A; GB2071444B; FR2466907B1; SE8006897L

Description

Steuerschaltung für einen bewegungslosen Transistorschalter für Gleichstromlasten mit hohem Einschaltstrom

Die Erfindung betrifft statische bzw. bewegungslose Transistorschalter für Gleichstromlasten mit hohem Einschaltstrom und insbesondere eine Steuerschaltung für einen derartigen Schalter.

Es ist bekannt, daß einige elektrische und elektromechanisehe Vorrichtungen, beispielsweise Glühlampen oder Induktionsmotoren, einen hohen Einschalt- bzw. Anlauf strom brauchen, der wesentlich größer ist als der Betriebsstrom. Wenn eine derartige Vorrichtung mittels eines Steuersignals von einem Signalgenerator geringerer Leistung mit einer Gleichstrom-Versorgungsquelle verbunden werden soll, wird normalerweise ein Schalttransistor verwendet, der in Reihe mit der Vorrichtung geschaltet ist und an der Basis: direkt oder indirekt von dem Steuersignal gesteuert wird. Wenn die Leistung des Steuersignals nicht ausreicht, um die Basis des Transistors direkt so zu steuern, daß die Umschaltung vom Sperrzustand in den je-i¹- Sattigungszustand hervorgerufen wird, ist es üblich, einen oder mehrere in Emitterschaltung befindliche Transistoren in Signalflußrichtung vor dem Schalttransistor in Kaskadenschaltung anzuordnen, um die Leistung des Steuersignals zu verstärken. Die Steuerschaltung muß natürlich für die Anlaufbedingungen ausgelegt sein, obwohl die Anforderungen an die Stromverstärkung für die Anlaufbedingungen und die Betriebsbedingungen unterschiedlich sind. Das führt zu einem unnützen Energieverbrauch während des Betriebs. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird in vie-

13-0016/0900

ORIGINAL INSPECTED

len Fällen anstelle des Schalttransistors ein Paar von Transistoren verwendet, die in Dar!ington-Schaltung miteinander verbunden sind. Obwohl bei dieser Lösung aufgrund der höheren Stromverstärkung des Darlington-Paares ganz oder teilweise auf die in Kaskadenschaltung miteinander verbundenen Verstärkungstransistoren verzichtet und dadurch der Verbrauch der Steuerschaltung verringert werden kann, führt sie zu einer Nutzspannung an der Last, die kleiner ist als diejenige, die bei gleicher Versorgungsspannung mit einem einzigen Schalttransistor erhalten werden kann.. Bekanntlich weist .. ein Darlington-Paar eine Sättigungsspannung auf, die wesentlich größer ist als diejenige eines einzelnen Transistors.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde;, eine Steuerschaltung für einen elektronischen Transistorschalter für Gl eichspannungslasten mit hohem Anlaufstrom zu schaffen, die zwei in Darlington-Schaltung miteinander verbundene Transistoren aufweist, einen Spannungsabfall hat, der nicht größer ist als die Sättigungsspannung eines einzelnen Transistors, und wirtschaftlich hergestellt werden kann.

Eine Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch ί angegeben und kann entsprechend den Unteransprüchen vorteilhaft weitergebildet werden.

Die Steuerschaltung gemäß der Erfindung speist die Basen der beiden in Darlington-Schaltung miteinander verbundenen " Transistoren. Die in Reihe mit dem Kollektor der Darlington-Schal tung verbundene Last erhält den Anlaufstrom aufgrund der hohen Verstärkung dieser Schaltung. Eine Diode zwischen dem Kollektor und der Basis des Steuertransistors gelangt in den Durchlaßbetrieb, sobald dieser Transistor die Sättigung erreicht. Der Strom, der direkt zur Basis des

130018/0900

Endtransistors fließt, ist ausreichend, um diesen beim Betriebsstrom der Last in Sättigung zu bringen. Die Erfindung erlaubt die Verwendung einer Darlington-Schaltung als Schalter , wodurch diese Schaltung außer den typischen Vorteilen den weiteren Vorzug der niedrigen Sättigungsspannung eines einzelnen Transistors hat.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

Figur 1 zeigt ein prinzipielles Schaltungsschema, das den Erfindungsgedanken wiedergibt,

Figur 2 zeigt ein tatsächliches Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung.

Figur 1 zeigt einen npn-Transistor T1 , der als Schalter für eine Glühlampe RL dient, die zwischen den Kollektor des Transistors T1 und den positiven Pol +VS einer KonstantspannungsquelIe geschaltet ist. Der Emitter des Transistors T1 ist mit dem negativen Pol der Spannungsquelle verbunden, der mit dem Massesymbol dargestellt ist. Ein zweiter npn-Transistor T2 ist mit dem Transistor T1 in Darlington-Schaltung verbunden, das heißt, daß sein Kollektor mit dem Kollektor von T1 und sein Emitter mit der Basis von T1 verbunden ist. Eine Diode D ist zwischen die Basis und den Kollektor von T2 geschaltet, wobei die Anode an der Basis liegt. Die Basen von T1 und T2 sind je über einen Schalter S1 bzw. S2 mit einer Stromquelle G1 bzw. G2 verbunden. Die beiden Schalter S1 und S2 sind miteinander so gekoppelt, daß sie sich gleichzeitig öffnen und schließen.

130018/0900

Sobald die beiden Schalter S1 und S2 geschlossen werden, fließt in die Basis von T1 ein Strom ΙΒ=Ι1+β2·Ι2, wobei 62 die Stromverstärkung des Transistors T2 .ist und 11 und die von GI bzw. G2 erzeugten Ströme sind. Wenn mit ß1 die Stromverstärkung von TI bezeichnet wird, fließt durch die Last RL ein Strom IC=BI·IB=BI(Il+ß2·12). Wenn die Stromquellen G1 und G2 sowie die Transistoren T1 und.T2 in geeigneter Weise gewählt werden, kann■erreicht werden, daß der Strom IC verhältnismäßig nahe am "typischen Einschaltstrom der Lampe RL liegt, so daß diese in einer annehmbaren Zeit eingeschaltet werden kann.

Nachstehend wird die Funktion der Schaltung der Figur 1 ohne Diode D untersucht. Wenn T2 kein Transistor eines im obigen Sinne speziellen Typs ist, kann es dazu kommen , daß er als invertierter Transistor wirkt, d« h., daß die Anschlüsse von Kollektor und Emitter eine umgekehrte Funktion haben, wenn nach Eintritt der Sättigung sein Basis-Kollektor-übergang in Durchlaßrichtung arbeitet und sein Emitter ein höheres Potential als sein Kollektor hat. Diese letztere Situation ist dadurch möglich, daß. in die Basis von T1 der Strom 11 fließt, der dazu neigt, T1 zur Sättigung zu bringen. Die inverse Verstärkung von T2 würde,, auch wenn sie minimal ist, dazu neigen, Strom von der Basis von T1 abzuziehen, was der Tendenz von T1 entgegensteht, in Sättigung zu gehen. Dieser Nachteil könnte dadurch vermieden werden, daß für T2 ein Transistor mit vernachlässigbarer inverser Verstärkung verwendet wird. Dabei würde jedoch die Aufgabe der Erfindung nicht vollständig gelöst, weil ein Transistor mit sehr niedriger inverser Verstärkung ein verhältnismäßig teures Bauteil ist. Der Einsatz der Diode D verhindert den erläuterten Nachteil, da für T2 ein völlig normaler Transistor verwendet wird. .

130018/0900

Die Diode D1 ist so geschaltet, daß sie gesperrt ist, wenn der Transistor T2 im aktiven Bereich seiner Kennlinie arbeitet. Sobald jedoch T2 die Sättigung erreicht, gelangt die Diode D in den Durchlaßbetrieb und überbrückt daher den Basis - Kollektor - übergang von T2, wobei T2 der Steuerstrom an der Basis entzogen

und damit eine invertierte Funktion verhindert wird. Es ist wesentlich, darauf hinzuweisen, daß diese Wirkung umso empfindlicher ist» je geringer die Spannung an der in Durchlaßrichtung betriebenen Diode D bezüglich des Spannungsabfalles an dem ebenfalls in Durchlaßrichtung betriebenen Basis-Kollektor-Übergang

des Transistors T2 ist. Die Auswahl der Diode D ist daher entscheidend hinsichtlich der korrekten Funktion der Schaltung.

Wenn der Transistor T2 ausgeschaltet, d'.h. von der Diode D durch Nebenschluß überbrückt ist, ist der durch die Basis von T1 fließende Strom IB = 11. Die Stromquelle G1 und der Transistor T1 sind so gewählt, daß dieser Strom 11 ausreicht, um T1 bei einem Strom IC in Sättigung zu bringen, der gleich oder wenig größer als der Strom der Last RL im eingelaufenen Zustand ist.

Die Schaltung gemäß der Erfindung verbraucht keine nutzlose Energie, weil sie hur dann mit der maximalen Stromstärke arbeitet, wenn dies notwendig ist, d.h. beim Start. Sie erlaubt außerdem einen minimalen Spannungsabfall an der Last, weil dieser gleich dem Abfall zwischen dem Kollektor und dem Emitter von T1 im Sättigungszustand ist. Schließlich benötigt sie keine teuren Bauteile.

In dem in Figur 2 gezeigten Schaltbild, in dem mit Fig. 1 übereinstimmende Bauteile dieselben Bezugszeichen tragen, besteht die Stromquelle G1 aus'einer Schaltung mit einem

130016/0900

pnp-Transistor T3 , dessen Kollektor mit Masse und dessen Emitter über einen Widerstand R1 mit dem positiven Versorgungspol +VS verbunden ist, und mit zwei npn-Transistoren T4 und T5, die wie Stromverstärker in Kaskadenschaltung angeordnet sind, wobei der Emitter von T5 an der Basis von T1 und die Basis von T4 an den Emitter von T3 angeschlossen ist. Die von T4 und T5 gelieferten Ströme sind durch die Widerstände R3 und R4 bestimmt, die in Reihe mit den Kollektoren von T4 bzw. T5 geschaltet sind. Pie Stromquelle G2 besteht aus einer Schaltung, die sich von derjenigen der . Stromquelle G1 nur dadurch unterscheidet, daß sie anstatt zwei Verstärkungstransistoren nur einen Verstärkungstransistor T6 hat, dessen Stromstärke durch den Kollektorwiderstand R5 bestimmt ist. Die Zahl der Stromverstärkungstransistoren kann natürlich eine andere sein als in der gezeigten Schaltung, wenn nur die T1 und. T2 zugefiihrten ströme den oben bezüglich Figur 1 genannten Bedingungen genügen« Der pnp-Transistor der Stromquelle G2 ist mit T7 bezeichnet» und der zugehörige Emitterwiderstand ist mit R2 bezeichnet«

Die Diode der Figur 1 ist im Schaltungskreis der Figur 2 durch zwei Dioden D1 und D2 ersetzt, die in Reihe geschaltet . und in derselben Richtung angeordnet sind, wobei die Anode von D1 mit der Basis von T6 verbunden ist. In dieser Schaltung sind zwei Dioden vorgesehen, um dem Spannungsabfall an dem Basis-Emitter-Übergang von 16 Rechnung zu tragen. Sie müssen keine besonderen Bedingungen wie im Fall der Schaltung der Figur 1 erfüllen, weil, sobald die Sättigungsschwelle erreicht wird, das Ausschalten von T2 .durch das Ausschalten von T6 gesichert ist.

130016/0900

Die Funktion der beiden synchron gesteuerten Schalter S1 und S2 wird in der Schaltung der Figur 1 von einem pnp-Transistor T8 übernommen, dessen Kollektor mit Masse, dessen Emitter direkt mit den Basen von T3 und T7 und dessen Basis mit einer nicht dargestellten Schaltung, beispielsweise einer Logik-Schaltung, verbunden ist, die eine Stufenspannung VG erzeugen kann, deren Amplitude ausreicht, um T8 in den Sperrzustand zu bringen. Der '"hohe" und "tiefe" Pegel der Spannung VG entspricht den Zuständen "geschlossen" bzw. "geöffnet" der Schalter S1 und S2.

Die Vorrichtung der Figur 2 eignet sich sehr gut für eine monolithische integrierte Schaltung, sowohl dann, wenn sie die Transistoren T1 und T2 enthält, als auch dann, wenn sie lediglich aus der eigentlichen Steuerschaltung besteht. Im letzteren Fall kann für das Paar T1 und T2 vorteilhafterweise ein übliches Bauelement bekannter Bauart wie beispielsweise eine·monolithische Darlington-Schaltung verwendet werden.

130018/0900

.-At-

Leerseite

Claims

Steuerschaltung für einen bewegungslosen Transistorschalter
für GleichstroKilasten mit hohem Einschaltstrom

Priorität: Italien Nr. 26 205-A/79

Anmeldetag: 3. Oktober 1979

Patentansprüche

r .

M/. Steuerschaltung für einen Transistorschalter für eine Gleichstromlast derjenigen Art, die einen hohen Einschaltstrom und einen niedrigeren Strom im eingelaufenen Betriebszustand verlangt, wobei „der Schalter einen ersten Transistor in Emitterschaltung aufweist, der über eine Last mit den Anschlüssen einer Versorgungsspannungsquelle verbunden ist, sowie einen zweiten Transistor, der vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie der erste Transistor ist und in Darlington-Schaltung mit .

130010/0900

dem ersten Transistor verbunden ist,
gekennzeichnet durch

eine erste Stromquelle (G1), die mit der Basis des ersten Transistors (T1) verbunden ist, eine zweite Stromquelle (G2), die mit der Basis des zweiten Transistors (T2) verbunden ist, eine Einrichtung (S1, S2) zum gleichzeitigen Unterbrechen des Stromflusses von den beiden Stromquellen (G1, G2) zur Basis des ersten bzw. zur Basis des zweiten Transistors (T1 bzw. T2), und durch eine in einer Richtung leitende Halbleiter-Schaltungseinrichtung (D), die zwischen dem Kollektor des zweiten Transistors (T2) und die zweite Stromquelle (G2) geschaltet ist, wobei je nachdem, ob es sich bei dem Transistor-Leitfähigkeitstyp um npn oder pnp handelt, die Kathode bzw. die Anode mit dem Kollektor verbunden ist.
2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stromquelle (G2) einen Stromverstärkungstransistor (T6) aufweist, dessen Leitfähigkeitstyp mit dem des ersten und des zweiten Transistors (T1, T2) übereinstimmt und dessen Emitter mit der Basis des zweiten Transistors (T2) verbunden ist, und daß die in einer Richtung leitende Halbleiter-Schaltungseinrichtung eine Serienschaltung mit zwei in gleicher Leitungsrichtung angeordneten Dioden {D1, D2) aufweist, deren nicht mit dem Kollektor des zweiten Transistors (T2) verbundener Anschluß mit der Basis des Stromverstärkungstransistors (T6) verbunden ist.
130016/0900