DE3003849C2

DE3003849C2 - Anordnung zur Ansteuerung eines Leistungstransistors

Info

Publication number: DE3003849C2
Application number: DE19803003849
Authority: DE
Inventors: Klaus Jaeckel; Bernd W. Dipl.-Ing. 7410 Reutlingen Kalkhof
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1980-02-02
Filing date: 1980-02-02
Publication date: 1984-07-05
Also published as: DE3003849A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Anordnung zur Ansteuerung eines Leistungstransistors nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Aus der DE-OS 19 32 531 ist bereits eine dreistufige Transistorverbundschaltung bekannt, die aus drei Transistoren abwechselnden Leitungstyps besteht, von denen der die mittlere Stufe bildende zweite Transistor den Leitungstyp der Gesamtschaltung bestimmt. Bei dieser bekannten Transistorverbundschaltung wird ein konstanter Strom in die Basis des zweiten oder in die Basis des zweiten und des dritten Transistors eingespeist.

Aus Tictze-Schenk, Halbleiterschaltungstechnik, 4. Aufl., 1978, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, Seite 5b ff sind ferner DarlingtonschalUingen bekannt, die zur Erhöhung der Stromverstärkung dienen und mit denen weitere Verbraucher angesteuert werden können. Diese Darlinglonschallungcn haben den Nachteil, daß an ihrer Ausgangs-Kollcktor-Emitter-Strecke eine höhere Sättigungsspannung auftritt als dies bei einzelnen Transistoren der Fall ist. Bei sinkenden Betriebsspannungen bedeutet dies, daß ein immer höher werdender Anteil der zur Verfügung stehenden Spannung an der Ausgangs-Kollektor-Hniiiier-Strockc ties ^r. Darlingtonlransistors abfällt, so daß zum Betrieb des Endverbrauchers keine ausreichende Spannung oder kein ausreichender Strom mehr zur Verfugung steht.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß mit sinkender Betriebsspannung eine Stromquelle den Folgetransistor der Darlingtonschaltung ansteuert, so daß bei sinkender Betriebsspannung der Folgetransistor von der Stromquelle in die Sättigung gesteuert wird. Der Spannungsabfall an der Kollektoremit(erstrecke des Folgetransistors wird dann nicht mehr durch die Darlingtonschaltungsanordnung bestimmt, sondern durch die Sättigungsspannung des Folgetransistors. Der Spannungsabfall an der Kollektor-Emitter-Strecke des Folgetransistors ist also um den Spannungsabfall der Basis-Emitter-Strecke des ersten Transistors geringer, so daß auch bei niedrigen Betriebsspannungen ein ausreichender Strom oder eine ausreichende Spannung zur Ansteuerung des Verbrauchers zur Verfugung steht.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Anordnung möglich. So ist es besonders günstig, als Stromquelle eine Konstantstromquelle zu verwenden, die auch bei sich ändernder Betriebsspannung einen konstanten Strom abgibt. Besonders einfach herstellbar

J5 war dabei eine Stromspiegelanordnung insbesondere dann, wenn die Schaltung in integrierter Bauweise ausgeführt werden soll. Zur Erhöhung der Stromverstärkung ist es bei höheren Strömen vorteilhaft, der Stromspiegelanordnung eine weitere Stromspiegelanordnung nachzuschaltcn. Obwohl durch Wahl einer geeigneten Stromstärke der Einsatzpunkt der Wirkung der Stromquelle beliebig gelegt werden kann, ist es besonders günstig, den eingeprägten Strom so festzulegen, daß er bei minimaler Versorgungsspannung und bei einem ge-

4^r) gebenen Wert eines Kollektorwiderstandcs der Darlingtonschaltung den Folgetransistor in die Sättigung steuert. Dadurch wird erreicht, daß gera-Je am kritischsten Punkt, nämlich der minimalen Versorgungsspannung, die Stromquelle die Sättigungsspannung des FoI-getransistors herabsetzt. Günstig ist es ebenfalls, die Stromquelle durch das Eingangssignal der Gesamtschaltungsanordnung zu steuern. Dadurch ist es möglich, nicht nur den ursprünglichen Schallungszusland beizubehalten, sondern auch bei niedrigen Betricbsspannungen die Schaltung vollständig in funktionsfähigen Zustand zu erhalten. Zum Schütze der Stromquellen ist es weiterhin günstig, mittels einer Spannungs.konstanthaltungsanordnung die Versorgungsspannung der Stromquellen zu klammern, so daß sie gegen kurzzeitige

M) Überspannungen, Spannungsspitzen oder Schwingungen der Schaltungsanordnung geschützt ist. Als Nebencffckl tritt dabei noch auf,daß auch die Darlingloiischaltungsanordnung bei kurzfristigen Überspannungen keinen Schaden nehmen kann.

Zeichnung
Ausführungsbeispiclc der IZiTindung sind in der

Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert Es zeigt

Fi g. 1 die prinzipielle Schaltungsanordnung nach der Erfindung.

Fi g. 2 ein praktisches Ausführungsbeispiel mit einer Stromspiegelanordnung als Stromquelle,

F i g. 3 ein weiteres Ausführungsbcispiel mit zwei Stromspiegelanordnungen zur Erhöhung der Stromverstärkung,

Fig.4 ein Ausführungsbeitpicl mit Konstanistromeinspeisung.

Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 zeigt das Grundprinzip der Erfindung. An einem Eingang 1 wird ein Ansteuersignal, in der Zeichung durch ein Rechteckimpuls dargestellt, angelegt Das Eiwgangssignal gelangt an die Basis eines Transistors 2 und an die Basis eines weiteren Transistors 3. Während die Emitter der Transistoren 2 und 3 an eine gemeinsame Masseleitung 4 geführt sind, führt der Kollektor des Transistors 2 einerseits an die Basis eines ersten Transistors 5 einer Darlingtonschaltung 6, andererseits an einen Widerstand 7. Der erste Transistor 5 der Darlingtonschaltung 6 ist mit einem Folgetransistor 8 in der bei Darlingtonschaltungen üblichen Weise verbunden. Darlingtonschaltungen und ihre Funktion sind in dem Buch Tietze. Schenk, Halblciterschaltungstechnik, 4. Aufl., 1978, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, Seile 56 ff ausführlich beschrieben.

An eine Zuleitung 9 zwischen dem Emitter des ersten Transistors 5 und der Basis des Folgetransistors 8 ist eine Stromquelle 10 angeschlossen, die mit vom Kollektor des Transistors 3 ansteucrbar ist und mit der Spannungsleitung in Verbindung steht. Der Emitter des FoI- J5 gclransistors 8 führt einerseits zu dem einen Ende eines Widerstandes 11, der seinerseits wiederum mit der Masselcitung 4 in Verbindung steht, andererseits zur Basis eines als Verbraucher dienenden Leistungstransistors 12. Der Emitter des Leistungstransistors 12 führt über 4« einen Widerstand 13 zur gemeinsamen Masseleitung 4. Der Kollektor des Leistungstransistors 12 führt zu einem gestrichelt eingezeichneten Verbraucher 14. Dieser Verbraucher 34 kann beispielsweise ein Widerstand, eine Lampe, ein Relais oder eine andere elektrisch zu betätigende Einrichtung sein. Das andere Ende des Verbrauchers führt zur Versorgungsspannungsleitung 15. F.ine nicht eingezeichnete Versorgungsspannungsquelle wird zwischen die Versorgungsspannungsleitung 15 und die Masseleitung 4 geschaltet. An die Versorgungsspannungsleiuing 15 ist des weiteren eine Diode 16 in Durchlaßrichtung nachgeschaltet. Die Kathode der Diode 16 führt einerseits an das andere Ende des Widerstands 7, andererseits an das eine Ende eines Widerstandes 17. Das andere Ende des Widerstandes 17 führt zu den Kollektoren des Folgetransistors 8 und des ersten Transistors 5 der Darlingtonschaltung 6.

Zur besseren Verständlichkeit der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung sei diese mit Hilfe eines konkreten Zahlenbeispiels erläutert. Diese Zahlen haben w> beispielhaften Charakter. Die Schaltungsanordnung sei so dimensioniert, daß bei einer Ncnnvcrsorgungsspaniiiing von 12 Volt, die zwischen der Versorgungsleitung 15 und der Massclciiung 4 anliegen, die Schaltungsanordnung optimal dimensioniert ist. Der Widerstand 7 ist t>^r> dabei so dimensioniert, daß der Fototransistor 8 in Abhängigkeit von dem am Eingang I einliegenden Signal in die Sättigung gesteuert werden kann und die Darlingtonschaltungsanordnung 6 dann als solche arbeitet. Die Sättigungsspannung, die dann zwischen Kollektor und Emitter des Transistors 8 abfällt, beträgt in etwa 1 Volt und setzt sich zusammen aus der X-ollektor-Emitter-Sättigungsspannung des ersten Transistors 5 von etwa 0,7 Volt und der Basis-Emilter-Sätligungsspannung des Folgetransistors 8 von etwa 0,3 Volt. Zur vollen Aussteuerung des Transistors 12 muß an dessen Basis eine Spannung von 2,5 Volt zur Verfugung stehen. Diese Spannung fällt an der Basis-Emitter-Strecke des Leistungstransistors 12 und an dem Schutzwiderstand 13 ab, wenn durch den Verbraucher 14 ein Strom von etwa 5 Ampere fließt. Der Strom durch die Basis des Transistors 12 bestimmt sich bei gegebenen Kollektorstrom aus der Stromverstärkung des Transistors. Dieser maximale Basisstrom ermöglicht nun eine Berechnung des optimalen Wertes des Widerstandes 17, da der Spannungsabfall am Widerstand 17 bekannt ist. Bei einer Versorgungsspannung von 12 Volt wird die Spannung auf der einen Seite des Widerstandes 17 durch den Spannungsabfall an der Diode 16 um 0,7 Volt vermindert, soweit es sich bei der Diode 16 um eine Siliziumdiode handelt. Die auf der einen Seite des Widerstandes 17 anliegende Spannung beträgt also 11,3 Volt. Auf der anderen Seite des Widerstandes 17 setzt sich die Spannung aus der Basisspannung von 2,5 Volt und der Sättigungsspannung von 1 Volt zusammen, so daß diese Spannung bei voller Aussteuerung mindestens 3,5 Volt beträgt. Aus der Spannungsdifferenz von 7,8 Volt und dem maximal erforderlichen Strom läßt sich der Widerstand 17 optimal berechnen.

Bricht nun die Betriebsspannung auf 5,5 Volt zusammen, so steht nach der Diode 16, also auf der einen Seite des Widerstandes 17 nur noch eine Spannung von etwa 4,8 Volt an. Andererseits bleibt jedoch die Spannung auf der anderen Seite des Widerstandes mit 3,6 Volt konstant. Bei einem optimal dimensionierten Widerstand 17 reicht der dann bei einem Spannungsabfall von 1,2 Volt fließende Strom durch den Widerstand nicht mehr aus, um den Leistungstransistor 12 voll durchzusteuern. Gelingt es nun, in die Basis des Folgetransistors 8 einen zusätzlichen Strom einzuspeisen, kann der Folgetransistor 8 voll sättigen, so daß die Sättigungsspannung nur noch 0,3 Volt beträgt, d. h. die am Widerstand 17 zur Verfügung stehende Spannung nunmehr 1,9VoIt statt 1,2VoIt beträgt. Der Ansteuerstrom ist dann ausreichend.

Dieser Zusatzstrom wird von einer betriebsspannungsunabhängigen Stromquelle 10 erzeugt. Der Strom der Stromquelle 10 ergibt sich aus der Forderung, daß der Folgetransistor 8 bei der niedrigsten möglichen Versorgungsspannung, hier beispielsweise 5,5 Volt, und bei gegebenen Strom durch den Widerstand 17 und minimaler Stromverstärkung des Folgetransistors 8 diesen sättigen kann. Der vom Widerstand 7 zu liefernde Strom wird so dimensioniert, daß bei einer Versorgungsspannung von hier 12 Volt, d. h. der Nennversorgungsspannung, die Transistoren 5 und 8 als Darlingtonschaltung arbeiten. Entsprechend der Streuung der Stromverstärkungen der Transistoren 5 und 8 wird der Übergangsbereich Darlingtonbetrieb-Einzeltransistorbetrieb ebenfalls in Abhängigkeit von der Stromverstärkung variieren. Der Übergang geschieht also nicht plötzlich sondern fließend. Die Ansteuerung der Schaltungsanordnung erfolgt bei Nennbetriebsspannung durch den Transistor 2, der auf die Darlingtonschaltungsanordnung 6 einwirkt. Bei sehr niedriger Betriebsspannung wird die Schaltunesanordnune durch den Transistor λ

angesteuert, der auf die Stromquelle JO wirkt. In diesem Falle wird direkt der Folgetransistor 8 angesteuert, was zu einer geringeren Sättigungsspannung zwischen Kollektor und Emitter des Transistors 8 führt.

Fig. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung, bei der die Stromquelle durch einen Stromspiegel ausgeführt ist. Diese Schaltungsanordnung ist besonders vorteilhaft integrierbar auszuführen. Gleiche Bauelemente sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen. Das Eingangssignal gelangt wiederum vom Eingang 1 an die Basis des Transistors 2 bzw. des Transistors 3. Die Emitter der beiden Transistoren 2 und 3 sind auf die gemeinsame Masseleitung 4 geführt. Der Kollektor des Transistors 2 steht einerseits mit der Eiasis des ersten Transistors 5 der Darlingtonschaltung 6 andererseits mit der einen Seile des Widerstandes 7 in Verbindung. Der Foigetransistor 8 ist mit dem ersten Transistor 5 in einer Darlingtonschaltung verknüpft. D'er Emitter des Folgetransistors 8 führt einerseits zu der einen Seite des Widerstandes ti andererseits zur Basis des Transistors 12, der hier ebenfalls als Darlingtontransistor ausgebildet ist. Der Emitter des Leistungstransistors 12 ist über den Widerstand

13 zur Masseleitung 4 geführt. An die Masseleitung 4 ist außerdem die andere Seite des Widerstandes 11 angeschlossen. Der Kollektor des Letstungstransistors 12 führt über den gestrichelt eingezeichneten Verbraucher

14 zur Versorgungsspannungsleitung 15. Von der Versorgungsspannungsleitung 15 geht außerdem die in Durchlaßrichtung geschaltete Diode 16 ab, die einesteils mit der einen Seite des Widerstandes 17 verbunden ist, der andererseits an den Kollektor des Folgetransistors 8 und des ersten Transistors 5 geführt ist. Von der Kathode der Diode 16 geht außerdem noch ein Widerstand 19 ab, dessen andere Seite wiederum an den Widerstand 7 führt. In einer Stromspiegelschaltungsanordnung sind Transistoren 21,22 angeordnet, wobei zwischen Kollektor des Transistors 2t uind der Masseleitung 4 ein Widerstand 23 geschaltet ist. Der Kollektor des Transistors 22 ist ebenso wieder Kollektor des Transistors 3 mit der Verbindungsleitung 9 verbunden. Stromspiegelschaltungsanordnungen sind bekannt und beispielsweise in Tietze, Schenk, Halbleiterschaltungstechnik, 4. Aufl., 1978, S. 55, beschrieben. Die Stromspiegelanordnung dient dazu, auch bei schwankender Betriebsspannung einen konstanten Strom in die Basis des Transistors 8 einzuspeisen. Der Stromspiegel ist ein praktisches Ausführungsbeispiel der Stromquelle 10 von F i g. 1, die besonders einfach in integrierter Schaltungstechnik auszuführen ist. Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach F i g. 2 ist die gleiche wie in F i g. 1 ausführlich beschrieben. Um die Verlustleistung der Stromquelle klein zn halten, ist es insbesondere bei der Schaltung in integrierter Form günstig;, eine Obersetzung des Stromspiegels zu bewirken, so daß die am Widerstand 23 abfallende Verlustleistung gering bleibt.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel aufgezeigt, das ebenfalls leicht integrierbar ist und sich auch für höhere Ströme eignet. Der Eingang 1 der Schaltungsanordnung führt wiederum an die Basis des Transistors 2 sowie an die Basis des Transistors 3 und eines weiteren Transistors 25. Die Emitier der Transistoren 2, 3 und 25 sind wiederum mit der gemeinsamen Masseleitung 4 verbunden. Der Kollektor des Transistors 2 führt einerseits an die Basis des Transistors 5 der Darlingtonschaltung 6, andererseits an die eine Seite des Widerstandes 7. Der erste Transistor 5 ist mit dem Folgetransistor 3 in der üblichen Darlingtonschaltung verbunden. Der Emitter des Folgetransistors 8 ist einerseits mit der Basis des als Darlingtontransistor ausgebildeten Leistungstransistors 12 verbunden, andererseits mit der einen Seite des Widerstandes 11, der seinerseits an die Masseleitung 4 geführt ist. Der Emitter des Transistors 12 ist über den Widerstand 13 mit der Masseleitung 4 verbunden, während der Kollektor über den gestrichelt gezeichneten Verbraucher 14 an die Versorgungsspannungsleitung 15 geführt ist. An die Versorgungsspannungsleitung angeschlossen ist die in Flußrichtung gcpolte Diode 16, an deren Kathode über den Widerstund 17 der Kollektor des Folgetransistors 18 anliegt. Ebenfalls mit der Kathode der Diode 16 verbunden ist die eine Seite des Widerstandes 19, deren andere Seite einerseits mit dem Widersland 7 andererseits mit der Ka-5 thode einer Zenerdiodc 26 verbunden ist. Die Anode der Zenerdiode 26 ist mit der gemeinsamen Mussclcitung 4 verbunden. Zwischen Kollektor des Folgctransi.stors 8 und der Verbindungsleitung der beiden Widerstände 7 und 19 ist eine in Flußrichtung gepolte Diode 27 angeordnet. Des weiteren sind mit der Verbindungsleitung der Widerstände 7 und 19 die Emitter der Stromspiegeltransistoren 21 und 22 verbunden, wobei der Kollektor des Transistors 21 über den Widerstand 23 mit der Masseleitung 4 in Verbindung steht. An den Kollektor des Transistors 22 ist eine weitere Stromspiegelschaltung mit Transistoren 29 und 28 angeschlossen, wobei diese Transistoren die entgegengesetzte Polarität der Transistoren 21 und 22 haben. Zur Ansteuerung des ersten Stromspiegels steht der Kollektor des Transistors 3 sowohl mit den Basen der Transistoren 29 und 28 als auch mit dem Kollektor des Transistors 22 in Verbindung. Der zweite Stromspiegel mit den Transistoren 29 und 28 wird über den Transistor 25 angesteuert. Zu diesem Zweck ist der Kollektor des Transistors 28 mit der Vcrbindungsleitung zwischen den Widerständen 7 und 19 verbunden, während der Emitter des Transistors 28 und der Emitter des Transistors 29 sowie der Transistor 25 mit der Zuleitung 9 verbunden sind.

Diese Schaltungsanordnung mit dem doppelten

Stromspiegel, der ebenfalls wiederum eine Übersetzung erhalten kann, hat den Vorteil, daß damit auch einfach und ohne Verlustleistung höhere Ströme erzeugt werden können. Die Stromverstärkung von pnp-Transistoren in Standardbipolartechnologie ist nämlich sehr gering, so daß die Stromübersetzung besser mit npn-Transistoren vorgenommen wird. Mit dieser Anordnung lassen sich also auch hohe Ströme erreichen, ohne daß die Verlustleistung im Widerstand 24 nennenswert zunimmt. Zum Schutz gegen die der Versorgungsspannung überlagerten kurzzeitigen Überspannungen wird die Schaltungsanordnung mit der Zenerdiode 26 geklammert. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn es sich um eine integrierte Schaltung handelt, deren Spannungsfestigkeil begrenzt ist. Diese Klammerung schützt die Transistoren des Stromspiegels vor Beschädigungen. Um auch die Dnrlingtonschaliimgsanordnung vor kurzzeitigen Überspannungen zu schützen, wird der Kollektor des Folgetransislors 9 mit der Diode 27 an das von der Zenerdiode 26 erzeugte Potential geklammert.

Dadurch wird die gesamte Ansteuerungsanordnung besonders betriebssicher. Auch diese Schaltungsanordnung läßt sich auf einfache Art und Weise integriert ausführen.

In Fig.4 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt,

f>5 bei der der Widerstand 24 der Schaltungsanordnung nach F i g. 3 durch eine Konsianlstromeinspeisung ersetzt isL Statt des Widerstandes 24 ist an den Kollektor des Transistors 2t der Kollektor eines weiteren Transi-

7 8 I

stors 32 angeschlossen, dessen Kmitler über einen Wi- ^;:

derstand 34 an die gemeinsame Masseleitung 4 geführt Jj

ist. Von einem Teilkollektor des Transistors 22 führt !$

eine Leitung zur Basis des Transistors 32. Zwischen Ba- ψ

sis und Kollektor des Transistors 32 ist ein Widerstand ^r> '|

Xi geschaltet. Weiterhin führen von der Basis des Tran- E?

sistors 32 die Diode 30 und 31 in Rußriohiung gegen die '{■

gemeinsame Masscleitung 4. Die übrige Sehaltungsan- S

Ordnung entspricht der der I·' i g. 3. |

Diese .Schaltungsanordnung, die leicht integrierbar to |j|

ist, gewährleistet einen von der Betriebsspannung völlig
unabhängigen Strom. Der Strom wird durch den Widerstand 34 und die Emitterspannung am Transistor 32 bestimmt. Letztere ist durch den Spannungsabfall an den
Dioden 30 und 31 festgelegt, die durch den Kollektor !5
des Transistors 32 versorgt werden. Beim Anlegen der
Betriebsspannung dient der hochohmige Widerstand 33
zu einem definierten Start der Schaltung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 20

JO

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Ansteuerung eines Leistungstransistors (12) mittels einer Darlingtonschaltung (6). dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Emitter eines ersten Transistors (5) der Darlingtonschaltung (6) und der Basis eines Folgetransistors (8) der Darlingtonschaltung (6) ein konstanter Strom eingespeist wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einspeisung des konstanten Stroms eine Konstantstromquelle (10) Verwendung findet.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantstromquelle (10) in Stromspiegelanordnung geschaltet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Stromverstärkung der Stromspiegelanordnung eine weitere Stromspiegelanordnung nachgeschaltet ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der eingespeiste Strom bei minimaler Versorgungsspannung und bei gegebenem Wert eines Kollektorwiderstandes (17) der Darlingtonschaltung den Folgetransistor (8) in die Sättigung steuert.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (10) durch das Eingangssignal der Gesamtschaltungsanordnung gesteuert wird.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung mittels Transistoren (2, 3,25) erfolgt.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannung der Stromquelle mittels einer Spannungskonstanthaltungsanordnung(26) geklammert ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als KonUantstromquelle (10) eine betriebsspannungsunabhängige Konstantstromquelle Verwendung findet.