DE1588989A1 - Energieantriebsstromkreis - Google Patents

Description

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DR. L WIEGAND DIPL-ING. W. NIiMANN DR. M. KÖHLER DIPL-ING. C GERNHARDT MOHCHfN HAMIURO

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Anelex Corporation Boston, Massachusetts, (V.St.A.)

EnergieantriebsStromkreis

Die Erfindung bezieht sich auf HalbleiterStromkreise und insbesondere auf einen Energieantriebsstromkreis, der zum Einführen starker Ströme in induktive Belastungen verwendbar ist.

Großes Interesse hat in den letzten Jahren die Entwicklung integrierter Stromkreise auf dem Gebiet der Halbleitertechnik erfahren. Die Hauptanstrengungen sind auf diesem Gebiet, insbesondere zur Anwendung bei Rechnern, auf elektronische Schaltkreise konzentriert worden, die als logische Komponenten für die Verarbeitung digitaler Informationen arbeiten. Solche logische Komponenten werden gewöhnlich bei sehr niedrigen Energiepegeln betätigt. Da ihre Gestaltung auf der Voraussetzung beruht, daß sie bei diesen sehr niedrigen Energiepegeln arbeiten, sind sie nicht in der Lage, Ausgangs vorrichtungen direkt anzutreiben. Wenn es erforderlich ist, eine hohe Belastung, beispielsweise einen Hammerantriebs-

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mechanlsmus für ein· Mit hoher Geschwindigkeit arbeitende Druckvorrichtung anautreiben bxw. su steuern, dann kommen sehr hohe Energiepegel in trag·« und es mul nin· Inerg$estufe für die Ausübung einer aolchen Auegangsfunkti«* vefwendet werden. ''■-

Es 1st außerordentlich erwünscht, daß sowohl öle tinergie· stufe, die dazu vorgesehen 1st, solch· hohen Belastungen anzutreiben, als auch die vorgenannten logischen Komponenten möglichst klein gehalten werden. Bei der sehr kleinen Dirnen-" sionierung oder der Ausbildung als Integrierter Stromkreis kann eine Energieantriebsvorrichtung, wie der bekannte Darlington-Stromkreis, für diesen Zweck verwendet werden·

Jedoch ist bei Verwendung eines Energieantriebsstromkreises zum Antreiben einer hohen Belastung, wie z.B. eines Hammerantriebsmechanismus, gefunden worden, daß unter typischen Schaltbedingungen die Transistoren In dem Stromkreis gegen die Rückspannungen geschützt werden müssen, die erzeugt

werden, wenn der Energieantriebsstromkreis in den Aus-Zustand schaltet. Es sind bereits verschiedene Schutzvorrichtungen in verschiedenen Ausführungen geschaffen worden, jedoch haben sie sich als nicht brauchbar für Probleme erwiesen, die jei integrierten Energieantriebsvorrichtungen angetroffen werden, die in der Lage sein sollen, hohe Ströme in der Grössenordnung von5 Ampere zu führen.

Demgemäß besteht ein Hauptzweck der Erfindung darin, eine Schutzvorrichtung für einen Halbleiter-Energleantrlebs-

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Stromkreis zu schaffen, der dazu verwendet wird, induktive Koaponentenbelastungen anzutreiben.

Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, eine Schutsvorrichtung zu schaffen, die leicht in einen monolithischen Halbleiter- Energieantriebsstromkreis eingeschlossen werden kann.

Bin besonderer Zweck der Erfindung besteht darin, das Ansprechen eines Energleantriebsstronkrelses bei seinem Absehalten zu verstärken und zu stabilisieren.

Das Proble» des Antreibens hoher Induktiver Belastungen t wird nachstehend anhand eines besonderen EnergieantriebsStromkreises erklärt, jedoch 1st die Erfindung nicht auf das beschriebene Ausführungebeispiel beschränkt.

Zum Erfüllen der oben genannten Zwecke sieht die Erf ladung den Anschluß eines Lawinenreglers z.B. in Form einer Zenerdlode als Schutzeinrichtung vor, um den Energieantriebsstroakreis gegen die schädigenden Wirkungen völlig zu schützen, die durch induktive Komponentenbelastungen erzeugt werden. Es 1st bekannt, daß eine Zenerdiode eine derartige Charakteristik hat, daß sie vor Erreichen der Durchbruchspannung eine ausserordentlichtohe Impedanz schafft. Eine Zenerdiode ergibt weiterhin einen außerordentlich scharfen Durchbruch, womit genelnt ist, daß die Vorrichtung einen Bereich konstanter Spannung in ihrer rückwärts vorgespanrPcharakteristik hat.

Oenäß der Erfindung ist die Zenerdiode direkt Über den Kollektor und die Basis des Antriebstransistors geschaltet.

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Bei der Ausführung nach Darlington 1st die Zenerdiode an den Kollektor und die Basis des Endtran*ietora angeschlossen_f Zufolge dieses Anschlusses ist die Zenerdlode wahrend dee Spei* cherkreislaufes , d.h. wenn der Belastungevorrichtung Strom zugeführt wird, nicht aktiv. Dies ist deswegen so, well die Durchbruchspannung der Zenerdiode höher als die Spannung der Speisequelle gewählt ist, an welche die Diode außerdem angeschaltet ist. Jedoch 1st zufolge des neuartigen Anschlusses der Zenerdiode das Ansprechen des Stromkreises beim Abschalten insofern besser, als zu diesem Zeitpunkt die VerstKrkungscharakteristik des zweiten Antriebstransistors wirksam 1st* In anderen Worten ausgedrückt, wird die "Senke", welche beim Abschalten Strom absorbiert, nicht einfach von der Zenerdiode,, allein, sondern von der Zenerdiode in Reihe mit dem Eingang eines Verstärkungselementes, d.h. dem Endtransistor des Energieantriebsstromkreises gebildet. Effektiv wird dann Energie durch den Antriebsstromkreiskreis zugeführt, jedoch wird sie durch die Zenerdiode gesteuert und stabilisiert.

Die oben genannten und weitere Zwecke und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in welcher die Erfindung anhand 'der Zeichnung beispielsweise erläutert wird.

Die Zeichnung 1st ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform des Stromkreises gemäß der Erfindung.

In der Zeichnung ist der Stromkreis gemäß der Erfindung

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Un integrierter Form dargestellt. Die äußeren Anschlüsse A, B* C sind diejenigen, die gewöhnlich als StöpselZugänge zu einem monolithischen integrierten Stromkreis vorgesehen sind. Der Ausdruck "monolithisch¹¹ bedeutet die bekannte Technik des Einschließens von Festkörperstromkreisen in einen Monolith oder eine Unterlage aus·Halbleitermaterial in einer Folge von Diffusionsstufen, durch welche die Konfiguration von aktiven und passiven Elementen erzeugt wird« die in den Monolith eingebettet sind. Eine besondere Technik dieser Art des Einschließens dieser Elemente wird of als "Planartechnik" bezeichnet, weil sie zur Erzeugung der Vorrichtungsverbindungsstellen an einer Oberflächenebene des Monolithen führt.

Der Anschluß A ist mit irgendeiner Signalquelle zum Zuführen eines Eingangssignals, beispielsweise des in der Zeichnung dargestellten Impulses verbunden. An den Anschluß B ist ein Bezugspotential angelegt, das in diesem Fall Erde ist. Der Anschluß C ist mit einer induktiven Belastung L verbunden, an die eine positive Speisespannung +V angelegt ist. Bei der oben genannten typischen Ausführung, d.h. beim Antrieb eines ( Hammermechanismus für eine Druckvorrichtung , würde die Spannung +V einen Wert von etwa 48 Volt haben, Der durch gestrichelte Linien umrahmte und mit den vorgenannten Anschlüssen A,B,C /ersehene integrierte Energieantriebsstromkreis 1 enthält zwei Transistoren 10 und 12, die in diesem Beispiel solche von der npn-Polarität sind, wobei jedoch zu bemerken ist, daß die Transistoren auch solche mit entgegengesetzter Polarität sein

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könnten.

Die Kollektoren der Transistoren 10 und 12 sind ge»elnsam an den Stöpselzugang oder Anschluß C und daeit an die gemelnsaae Belastung L angeschaltet. Der Eeitter des Translators 12 ist direkt an Erde gelegt, während der Eeitter des Transistors 10 sowohl an die Basis des Transistors 12 als auch an das eine Ende eines Widerstandes 14 angeschlossen ist« Das andere Ende des Widerstandes 14 liegt an Erde und 1st somit dem Basis-Emitter-Eingangskreis des Transistors 12 parallelgeschaltet. Die Zenerdiode 16 ist gemäß der Darstellung zwischen den Kollektor und die Basis des Transistors 12 geschaltet.

Die Zenerdiode 16 ist als Teil des Integrierten Stromkreises 1 in der Halbleiterstruktur gemäß der oben erwähnten bekannten mikroelektronischen Planartechnik eingelagert. In gleicher Welse ist auch der Widerstand 14 als Teil des integrierten Stromkreises 1 eingelagert. Es sei bemerkt, daß der Widerstand 14 beim Arbeiten des Stromkreises die Funktionen der Schaffung thermischer Stabilität und der Erholungsbeschleunigung ausübt.

In dem Stromkreis 1 ist der Baelsstrom des Transistors 12 ein Teil des Belastungsstroms des Transistors 10. Demgemäß entspricht die GesamtStromverstärkung des Stromkreises 1 nahe-_y zu den Produkt der Emitterstromverstärkungen der Transistoren 10 und 12. Die hohe StronyerStärkung ermöglicht, daß der Stromkreis 1 beim Antreiben einer hohen Belastung, beispielsweise der Belastung L eine höhere Eingangsimpedanz hat, als es bei

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Verwendung lediglich «in·· einsigen Transistors Möglich wKre. Xa !formal» oder ltufcesustand das Stromkreises 1 ist; das

AnsohluB A derart, dal beide Transistoren 10 und ab«e#«haXtet sind. DU· ergibt «ich au« der Tatsache, daß, wann ate ta·!· des Transistor· Io «Ich auf ein« Pot «nt IaI Unterhalb trdpotential befindet, die Verbindungsteile zwi- «ahen ftdUer und Baal« 4·« Tran« 1«tor» 10 uegekehrt vorge-•pantit liird* Ümoso wird unter dieier Bedingung die Verbindungs- *fe«ll« *tfi«on«n leitter und Baal« da« Tranalatora 12 uasge-Itahrt vecfjaapannt

Wesm Jedoch an den Aneohlufl' A ein Eingang··ignal wie das dargestellte, angelegt wird, steigt das Potential an diesem Ansohluf auf einen genUgendfaberhalb Irdpotential liegenden Wert an, und dl· Terblndungestelle zwischen Baitter und Basis des Translator« 10 wird vorwürt« vorgespannt. Wenn der Transistor 10 mmienr leitet, beginnt das Potential seines Emitters Über Brdpotential zu steigen, so das die Verbindungsstelle twlsohen Emitter und Basis des Transistors 12 vorwärts vorgespannt wird und der Transistor 12 zu leiten beginnt. Der Transistor 10 bleibt bis su einem Sättigungewert des Kollektoretroma leitend.

Der Kollektorstrom fur den Transistor 10 1st in der Zeichnung mit I , und der Kollektorstron für den Transistor mit I_e2 bezeichnet, wobei der Oesamtstrom I die Summe der vorgenannten beiden Ströme ist. Der Emitterstrom für den Transistor 10 ist selbstverständlich gleich dem Basisstrom

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ORIGINAL

I ü OO

des Transistors 12, mit der Ausnahme, daß der Strom durch den Widerstand 14 fließt.

Der Transistor 12, welcher den Hauptteil des Ausgangsstroms I₀ zuführt, wird nicht bis zur Sättigung getrieben. Dies ergibt sich aus der Kopplung zwischen denTransistoren und 12. Der Transistor 12 kann den Sättigungszustand nicht erreichen, weil seine Basis-zu-Kollektor-Spannung niemals kleiner als die Kollektor-zu-Emitter-Spannung des ihn antreibenden Transistors 10 werden kann.

Die Transistoren 10 und 12 stellen, wenn sie beide leiten, den Ein-Zustand des Stromkreises 1 dar, und in diesem Zustand ist die Zenerdiode 16, welche direkt an die Basis und den Kollektor des Transistors 12 angeschlossen ist, unwirksam, um ihre aktive Punktion auszuüben. In anderen Worten ausgedrückt, bildet sie lediglich eine parallel zu diesen Elektroden des Transistors 12 liegende hohe Impedanz, da die Speisespannung +V nicht so groß wie die Durchbruchsspannung der Zenerdiode 16 ist.

Wenn jedoch der Eingangsimpuls endigt, so daß die Spannung am Anschluß A sinkt und dadurch der Stromkreis 1 abgeschaltet wird, wird die Zenerdiode 16 wirksam, um ihre beabsichtigte aktive Punktion auszuüben. Daher tritt, wenn der Stromkreis sich abzuschalten sucht, an der induktiven Komponentenbelastung L eine induzierte EMK mit der angedeuteten Polarität, d.h. eine Gegen-EMK auf, die versucht, den Strom I , der geflossen ist, aufrechtzuerhalten. Diese Gegen-EMK

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• wirkt in Reihe mit der Speisespannung, und die Durchbruchspannung der Zenerdiode 16 wird überschritten. Daraufhin

16 fließt ein Lawinensteuerstrom durch die Zenerdiode hindurch in die Basis-zu-Emitter-Steueranschlüsse des Transistors 12. Der Steuerstrom der Zenerdiode 16 wird durch die Verstärkung des Transistors 12 erhöht. Demgemäß geht die gespeicherte Energie in Form von Strom von der induktiven Komponentenbelastung L über die Hauptverbindungsstelle zwischen Kollektor und Emitter des Transistors 12 zur Erde. Es ist weiterhin zu

(daß dieser f

bemerken,V"eine gespeicherte Energie darstellende Abgabestrom ^ durch den beträchtlich schwächeren Lawinensteuerstrom kontinuierlich überwacht und gesteuert wird, der parallel durch die Zenerdiode 16 gemäß vorstehender Beschreibung fließt. Weiterhin wird zufolge der Schwellencharakteristik der Zenerdiode,16, die durch die Verstärkung des Transistors 12 verbessert ist, während des Abschaltvorganges eine im wesentlichen konstante Spannung zwischen Kollektor und Basis und zwischen Kollektor und Emitter des Transistors 12 sowie zwischen Kollektor und Emitter des Transistors 10 aufrechterhalten. i

Die in gesteuerter Weise als Strom abgegebene gespeicherte Energie verursacht die Beendigung des Lawinensteuerstroms und die Rückkehr der Zenerdiode 16 in ihren Zustand hoher Impedanz, wodurch bewirkt wird, daß die BasLs-Emitter-Steueranschlüsse des Transistors 12 einen nicht-leitenden Vorspannungszustand über den Basis-Emitter-Widerstand 14 einnehmen. Demgemäß wird der Transistor 12 ähnlich dem Transistor 10 in

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- ίο -

einen nicht-leitenden Zustand zurückgeführt.

Nachstehend werden für die praktische Durchführung der Erfindung einige Werte gegeben:

Speisespannung +V = + 48 Volt

Induktivität L - 2,ο mH mit R_dc» 10 Ohm

Widerstand 14 - 100 Ohm

I_n etwa 4,7 A

I_b (im Einzustand) ^ 5 mA.

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Claims (1)

1. Patentansprüche.

   (Ί\ Energieantrlebsstromkreis zum Einführen eines hohen Stroms in «ine Belastung» mit wenigstens einem Transistor, gekennzeichnet durch eine Belastung» die eine induktive Komponente und eine an die AusgangsanschlUsse des Stromkreises angelegt« Speisespannung umfaßt, und eine den Transistor beim Abschalten des Stromkreises schützende Vorrichtung, die einen Lawinendurohbruchregler aufweist, welcher derart zwischen den Kollektor und die Basis des Transistors und an die Speisespan- μ nung geschaltet ist, dafl der Regler bei eingeschaltetem Stromkreis eine hohe Impedanz schafft und daß beim Abschalten des Stromkreises die Durohbruchspannung des Reglers überschritten und von ihm die gespeicherte Energie der induktiven Belastungskomponente absorbiert wird.

   2. Stromkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lawinendurchbruchregler eine Zenerdiode 1st.

   3. Stromkreis nach Anspruch 1 oder 2, in dem zwei Transistoren vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Lawinendurchbruchregler zwischen den Kollektor und die Basis des ' zweiten Transistors und an die Speisespannung geschaltet ist.

   *l·. Stromkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des ersten Transistors mit der Basis des zweiten Transistors verbunden ist und daß ein Widerstand parallel zu der Emitter-Basis-Verbindungsstelle des zweiten Transistors geschaltet ist.

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   5. Stromkreis nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Aus-Zustände des Stromkreises übereinstimmenden leitenden bzw. nicht-leitenden Zuständen der Transistoren entsprechen und daß für die Transistoren eine gemeinsame induktive Belastung und eine Speisespannung vorgesehen sind, die an die Ausgangsanschlüsse des Stromkreises angelegt ist.

   6. Stromkreis nach einem der Ansprüche J5 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektoren der beiden Transistoren miteinander und mit der induktiven Belastungskomponente und der Speisespannung verbunden sind und daß im wesentlichen der gesamte Belastungsstrom des ersten Transistors durch die Emitter-Basis-Verbindungsstelle des zweiten Transistors hindurchfließt, wenn sich der Stromkreis im Ein-Zustand befindet,

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