DE2343565A1 - Vorrichtung zur erzeugung einer variablen ausgangsspannung - Google Patents

Description

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Anwaltsakte 2k 317 29. August 1973

Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Japan

Vorrichtung zur Urzeugung einer variablen Ausgangsspannung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer variablen Ausgangsspannung, und insbesondere eine Vorrichtung vom kontaktlosen Typ, die man überall dort einsetzen kann, wo eine Ausgangsspannung graduell variiert werden muß.

Bisher wurde im allgemeinen ein variabler Widerstand als Vorrichtung zur Urzeugung einer variablen Ausgangsspannung verwendet. Wegen der dabei nötigen mechanischen Kontakte sind jedoch bei einer solchen Vorrichtung häufig Schwierigkeiten aufgetreten; darüber hinaus kann eine solche Vorrichtung bei einigen Anwendungsgebieten nicht eingesetzt werden.

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Der Erfindung liegt deshalb unter anderem die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung einer variablen Ausgangsspannung zu schaffen, die die Nachteile der bereits bekannten Vorrichtungen nicht besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Kondensator zwischen Erde und dem Tor eines Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistors geschaltet ist, während die Basis eines n-p-n Transistors mit der Quelle des -Feldeffekttransistors und die Basis eines p-n-p Transistors mit der Senke des Feldeffekttransistors verbunden ist. Die Ausgangsspannung von der Vorrichtung nach der Erfindung kann zwischen zwei Klemmen abgenommen werden, von denen eine mit dem Kollektor des p-n-p Transistors und die andere mit dem Kollektor des n-p-n Transistors verbunden ist.

Wenn das Torpbtential des Feldeffekttransistors erhöht wird, wobei gleichzeitig der Kondensator geladen wird, wird das Potential an der Ausgangsklemme des p-n-p Transistors erhöht werden während das Potential an der Ausgangsklemme des n—p-n Transistors sinken wird. Wenn das Torpotential an dem Feldeffekttransistor gesenkt wird, dann werden die Potentiale an den jeweiligen Ausgangsklemmen in der umgekehrten Richtung, wie es oben beschrieben wurde, variiert werden. Daraus ergibt sich, daß die Variation im Ladungsniveau des erwähnten Kondensators zu einer Variation der zwischen den beiden Ausgangsklemmen auftretenden Spannung führen kann.

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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere darin, daü man eine Vorrichtung zur Erzeugung einer variablen Ausgangsspannung erhält, die auf vielen Anwendungsgebieten eingesetzt werden kann, einfach im Aufbau ist und sicher im Betrieb.

Die Erfindung schafft also eine Vorrichtung zur Erzeugung einer variablen Ausgangsspannung, bei der ein Kondensator zwischen Erde und dem Tor eines Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistors geschaltet ist, während die Basis eines n-p-n Transistors mit der Quelle des Feldeffekttransistors und die Basis eines p-n-p Transistors mit der Senke des Feldeffekttransistors verbunden ist. Wenn der Kondensator geladen und damit das Torpotential des Feldeffekttransistors erhöht wird, dann wird das totential an der Ausgangsklemme, die mit dem Kollektor des p-n-p Transistors verbunden ist, erhöht werden, während das Potential an der Ausgangsklemrae, die mit dem n-p-n Transistor verbunden ist, gesenkt werden wird. Λβηή das Torpotential des Feldeffekttransistors niedriger wird, dann wird das Potential an den oben erwähnten, jeweiligen Ausgangsklemmen in die umgekehrte Sichtung, als es oben beschrieben wurde, variiert werden, -daraus ergibt sich, daü die graduelle Variation in dem Ladungsniveau des Kondensators eine graduelle Variation der zwischen den beiden Ausgangsklemmen auftretenden -Spannung zur Folge hat.

-,'eitere Aufgeben, Merkmale und Vorteile der -Ej.find.ung werden aus der nun folgenden Beschreibung eines AusJührungsbeispiels ersichtlich, in der Jezug auf die beiliegenden Zeichnungen genommen wird.

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Es zeigen:

Fig. 1 eine elektrische Schaltung einer Vorrichtung zur Erzeugung einer variablen Ausgangsspannung, wie sie in einer Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;

Fig. 2 ein Diagramm, in dem die Beziehung zwischen der Spannungsänderung und den Torspannungen des Metalloxidhalbleiter-Peldeffekttransistors an den in Fig. 1 gezeigten Punkten A und B dargestellt ist;

Fig. $ ein Diagramm mit einer Charakteristik eines p-n-p Transistors, wobei der Kollektorstrom über dem Basisstrom aufgetragen ist;

Fig. 4- ein Diagramm einer Charakteristik eines n-p-n Transistors, wobei der Kollektorstrom über dem Basisstrom aufgetragen ist; und

Fig. 5 ein Diagrammen dem die an den Ausgangsklemmen auftretende Spannungsänderung dargestellt wird, wenn die Torspannung an dem Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor in der Schaltung nach Fig. 1 variiert wird.

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In Fig. 1 sind bei 1 und 2 eine positive und eine negative Klemme dargestellt, die mit positiven bzw· negativen (nicht gezeigtem) elektrischen Energiequellen verbunden sind. Mit 3 ist ein Zentralpol bezeichnet, der entweder im Kontakt mit den oben erwähnten Klemmen 1 und 2 sein oder von ihnen getrennt werden kann. Bei 4 ist ein Eingangswiderstand dargestellt, der sich zwischen dem Zentralpol und dem Tor eines Metalloxidhalb— leitejS-Feldeffelcttransistors (MOS Typ FET) 5 befindet. Mit 6 ist ein nicht-polarer Kondensator bezeichnet, von dem ein Ende mit dem Tor des oben erwähnten ^elcfeffekttransistors 5 und das andere Ende mit Erde verbunden ist. Bei 7 ist ein Entladewiderstand dargestellt, der zwischen eine Gleichstrom liefernde elektrische Energiequelle V_D und die Senke des Transistors 5 geschaltet ist, und bei 8 ist ein Ausgangswiderstand zwischen die Quelle des Transistors 5 und Erde geschaltet. Bei 9 ist ein n-p-n Transistor dargestellt, dessen Basis durch einen Widerstand 10 mit der Quelle des Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistors verbunden ist, während sein Kollektor durch einen Widerstand 11 an die oben erwähnte, Gleichstrom liefernde elektrische Energiequelle V_D angeschlossen und sein Emitter geerdet ist. Mit 12 ist ein p-n-p Transistor bezeichnet, dessen Basis durch einen Widerstand 13 mit der Senke des Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistors verbunden ist, während sein Emitter an die Gleichstrom liefernde elektrische Energiequelle V_D angeschlossen ist; sein Kollektor ist über einen Widerstand 14 geerdet. Mit 15 ist eine auf der Kollektorseite des Transistors 9

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vorgesehene Ausgangsklemme bezeichnet, und 16 ist eine auf der Kollektorseite des Transistors 12 vorgesehene Ausgangsklemme.

Wenn beim Betrieb der Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor 5 im kurzgeschlossenen Zustand bleibt, wird das Potential am Punkt A auf der Senkenseite des Transistors 5 das Potential auf der Spannung der Gleichstromquelle Vj₃ sein, da durch den Widerstand 7 kein Strom fließt. Andererseits wird das Potential am Punkt B auf der Quellenseite des Transistors 5 Null sein, weil kein Strom durch den Widerstand 8 fließt.

Wenn anschließend der Zentralpol 3 Bit der positiven Klemme 1 verbunden und so die Spannung +Ψ, auf den Schaltkreis gegeben wird, dann wird der Kondensator 6 durch den Eingangswiderstand 4 aufgeladen werden. Wenn der Kondensator 6 geladen wird, d.h., wenn die Torspannung des Hetalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistors 5 erhöht wird, dann wird der Strom von der Senkenseite des Transistors 5 zu seiner Quellenseite fließen, und zwar in gleicher Höhe wie die erzeugte Torspannung. Aufgrund des von dem Stroadurchfluß durch den Widerstand 7 verursachten Spannungs abfalls wird als Ergebnis davon das Potential im Punkt A auf der Senkenseite des Feldeffekttransistors 5 unter das Potential an der Gleichstrom liefernden elektrischen Energiequelle Vp gesenkt werden. Aufgrund des Stromdurchflusses durch den Widerstand 8 wird inzwischen das Potential an dem Punkt B auf der Quellenseite des Feldeffekttransistors 5 von Null auf ein höheres Niveau gehoben werden. Wenn der Zentralpol 3 unter sol-

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chen Bedingungen bei beliebiger zeitlicher Einteilung in einen abgeschalteten Zustand gebracht wird, dann wird der Stromdurchfluß durch den Widerstand unterbrochen werden, wodurch man die elektrische Ladung konstant hält, die bis dahin in dem Kondensator angesammelt worden ist. Mit anderen Worten hält man damit die Potentialdifferenz zwischen den Punkten A und B auf einem konstanten Wert.

Wenn bei dem anschließenden Schritt der Zentralpol mit der negativen Klemme 2 verbunden und damit eine Spannung -V. auf den Stromkreis gegeben wird, dann wird die elektrische Ladung in dem Kondensator 6 gesenkt werden, d.h. die Torspannung an dem Metalloxidhalbleiter-Felaeffekttransistor 5 wird niedriger werden, während der Strom in der Größe gesenkt werden wird, bis der Transistor 5 in cLen kurzgeschlossenen Zustand gebracht wird. -Das hat zur Folge, daß das Potential am Punkt A bis auf die Höhe der Spannung V_D an der Gleichstrom liefernden elektrischen Energiequelle ansteigt, während das Potential an den|punkt B sich bis _auf das Null-Potential senkt. Wenn bei einer beliebigen zeitlichen Einteilung während des oben zusammengestellten Verlaufs des Betriebs der Zentralpol 3 in den abgeschalteten Zustand gebracht wird, dann werden die Potentiale an den Punkten A und B auf bestimmten Werten gehalten werden, und zwar in gleicher Höhe wie die so erzeugten Spannungen.

Daraus ergibt sich nun, daß der Senkenstrom in eine Lage zwi-

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sehen dem kurzgeschlossenen Zustand und dem gesättigten Zustand des Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistors 5 gebracht werden kann, indem man eine Spannung von +V. oder -V. an den Zentralpol 5 anlegt oder indem man den Zentralpol 3 in den abgeschalteten Zustand bringt. Nimmt man nun an, daß die Widerstandswerte der Widerstände 7 und 8 gleich R^ und Rg von gleichem Betrag sind, und nimmt man weiter an, daß der innere Widerstand (r) zur Zeit der zwischen der Senke und der Quelle des Metalloxidhalbleiter-Feideffekttransistors 5 erzeugten Sättigung gleich r«IL = Rg,dann kann die Spannung V. an dem Punkt A auf der Senkenseite des Feldeffekttransistors 5 und die Spannung V₃ an dem Punkt B auf seiner Quellenseite durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden, wobei noch der Vorbehalt zu machen; ist »daß öler Feldeffekttransistor 5 sich im Sättigungszustand befindet:

R₇Vp

^VA ^{= V}D β/,+r+Ro · ^VB " Η,Γ,+r+Hg

Da ^D 8 D ' D

R„+r+

folgt: V_D ^ V_A ^ -§- , tP- =■ V_B = 0.

Auf diese Weise kann V. und V_B in dem oben angegebenen Bereich variieren. Mit dieser Verbindung zeigt Fig. 2 die Beziehung von V. und Vg mit der Torspannung des Feldeffekttransistors 5· Hier wird die Spannung V. gesenkt, wenn die Torspannung wachst,

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während die Spannung Vg damit erhöht wird.

Anschließend werden die oben erläuterten Spannungen V. und Vg auf die Basen des p-n-p Transistors 12 bzw. des n-p-n Transistors 9 gegeben. Die .H¹Ig. 3 und 4- zeigen Charakteristiken des p-n-p Transistors 12 und des n-p-n Transistors 9» wobei der Kollektorstrom über dem Basisstrom aufgetragen ist. Wenn der Metalloxidhalbleiter-J?eldeffekttransistor 5 im kurzgeschlossenen Zustand bleibt, wird die Spannung V. am Punkt A +V-q sein,' während die Spannung Vg am Punkt B auf dem Nullpotential sein wird. Zu dieser Zeit wird kein Stromdurchfluß durch den Widerstand 14 erfolgen, da sich das Potential am Emitter des p-n-p Transistors 12 auf einem Niveau mit seiner Basis befindet, so daß kein Stromflüß erfolgen kann. Andererseits wird kein Strom durch den Widerstand 11 fließen, da sich das Potential an dem Emitter des n-p-n Transistors 9 auf einem Niveau mit seiner Basis befindet, so daß auch hier kein Strom fließen kann; daraus ergibt sich, daß das Potential an der Ausgangsklemme +V^ sein wird.

Wenn als nächstes die Torspannung an dem Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor 5 erhöht wird, senkt sich die Spannung V., während sich die Spannung Vg statt dessen erhöhen wird. Dadurch wird ein niedrigeres Basispotential an dem p-n-p Transistor 12 verursacht, wodurch ein Strom durch den Emitter und die Basis fließen wird. Daraus ergibt sich, daü eip Strom durch den. Wider-

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stand 14 fließt, und das Potential Vq,, an der Ausgangsklemme wird erhöht werden. Das hat weiterhin eine Erhöhung der Basisspannung an dem n-p-n Transistor 9 zur Folge, wodurch ein Strom durch seinen Emitter und seine Basis fließen kann. Weiterhin ergibt sich hieraus, daß ein Strom durch den Widerstand 11 fließt, wodurch das Potential Vq~ an der Ausgangsklemme 15 gesenkt wird. Dazu gilt noch folgendes: Wenn der Widerstand 13 und der Widerstand 10 so eingestellt werden, daß der p—n—p Transistor 12 und der n-p-n Transistor 9 gesättig sind, wenn der Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor 5 gesättigt ist, dann werden die Potentiale Vq^ und Vq^ an den Ausgangsklemmen 16 und 15 den Verlauf haben, wie er in lig. 5 dargestellt ist.

Wenn der Zentralpol 3 mit der positiven Klemme 1 oder der negativen Klemme 2 verbunden wird, dann kann man der hier gegebenen Erläuterung folgende Wirkungsweise entnehmen: Das Potential an einer Ausgangsklemrae wird, von Null ansteigend erhöht werden, und das Potential an der anderen Klemme wird,von +V₀ abfallend, gesenkt werden. Hieraus ergibt sich, dau die Aufladung oder Entladung des Kondensators 6 eine Spannung eines beliebigen Wertes zwischen den beiden Klemmen erzeugen kann. Darüberhinaus kann die zwischen den beiden Klemmen erzeugte Ausgangsspannung mit beliebiger zeitlicher Einteilung auf einem bestimmen Wert gehalten werden.

Wie man der Beschreibung entnehmen kann, ermöglicht die Vor-

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richtung zur Erzeugung einer Variablen Ausgangsspannung nach der vorliegenden Erfindung, den Einsatz in einem größeren Feld von Anwendungsgebieten. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung die gleichen Betriebsarten wie bei den Vorrichtungen vom konventionellen Typ mit einm variablen Widerstand zuläßt, wobei jedoch jetzt ein kontaktloses Verfahren angewandt wird.

Es versteht sich von selbst, daß die obige Beschreibung nur zur Erläuterung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient. Zusätzliche Modifikationen und Verbesserungen, die den Lösungsgedanken der vorliegenden Erfindung verwenden, können von dem Fachmann auf diesem Gebiet leicht der vorliegenden Offenbarung der Erfindung entnommen werden; solche Modifikationen und Verbesserungen liegen jedoch regelmäß im Bereich der Erfindung, wie er durch die nun folgenden Ansprüche definiert wird.

Patent ansprüche

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Claims (2)

1. Patentansprüche

   zur Erzeugung einer Variablen Ausgangs spannung, gekennzeichnet durch einen Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (5)i einen zwischen Erde und dem Tor des Transistors (5) angeordneten nicht-polaren Kondensator (6), einen p-n-p Transistor (12), dessen Basis mit der Senke des Feldeffekttransistors (5) verbunden ist, und durch einen n-p-n Transistor (9), dessen Basis mit der Quelle des Feldeffekttransistors (5) verbunden ist, wobei die zwischen Ausgangsklemmen (15» 16), die mit den Kollektoren des p-n-p Transistors bzw. n-p-n Transistors verbunden sind, auftretende Spannung aufgrund der Entladung des Kondensators (6) beliebig variierbar ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine positive Klemme (1) mit einer positiven elektrischen Energiequelle, eine negative Klemme (2) mit einer negativen elektrischen Energiequelle, und daß ein Zentralpol (3) mit dem Tor des Feldeffekttransistors (5) durch einen Widerstand (4·) verbunden ist.

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