DE3210509A1 - Schnelle elektronische koppeleinrichtung zur potentialfreien uebertragung digitaler elektrischer steuersignale - Google Patents

Description

• Schnelle elektronische Koppeleinrichtung zur potential-
• freien Übertragung digitaler elektrischer Steuersignale Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur unverzögerten und potentialfreien Übertragung elektrischer Signale, wie sie in digitalen Steuerschaltungen oder im Steuerkreis von Bauelementen der Leistungselektronik vorkommen. Die erforderliche Energie zum schnellen Auf- und Abbau oder zum Erhalt der Steuerspannung wird kurzzeitig einmal oder mehrmals periodisch übertragen, so daß Hilfsspannungsquellen nicht erforderlich sind.
• Zur potentialfreien Übertragung von Steuersignalen sind eine Reihe von Verfahren bekannt, die in der einschlägigen Literatur beschrieben sind (z.B. Siemens Components 20 (1982) Heft 1, Seite 8 bis 13). Es handelt sich um optische, piezoelektrische oder induktive Verfahren.
• Der Nachteil der bekannten Verfahren besteht darin, daß sie zu aufwendig oder nicht schnell genug sind oder/und Hilfsstromquellen benötigen. So begrenzen bekannte induktive (transformatorische) Koppler durch ihre Streuinduktivität entweder die Signaländerungsgeschwindigkeit, oder sie übertragen nur eine unzureichende Spannungszeitfläche, oder ihre Isolierfestigkeit ist nicht ausreichend. Außerdem ist ihr Einsatz auch aus Kostengründen oft nicht möglich.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine preiswerte Lösung zur potentialfreien Übertragung von Steuersignalen zu bieten, ohne daß Abstriche in Hinblick auf die Übertragungseigenschaften gemacht werden müssen.
• Das ist möglich durch eine Anordnung entsprechend Anspruch 1.
• Da Koppler mit den durch die Erfindung gegebenen Eigenschaften an zahlreichen Stellen benötigt werden, bietet es sich an, sie als Bauelemente unter Einsatz der integrierten Schaltkreistechnik vollständig oder in Teilen in Serie zu fertigen, um auf diese Weise vielseitig verwendbare, schnelle Signalkoppler, wie sie bisher nicht zur Verfügung stehen, preiswert anbieten zu können.
• Aufbau und Funktionsweise derartiger elektronischer Koppler werden nachfolgend anhand von Fig. 1 bis Fig. ii beschrieben. Die angeführten Schaltungsbeispiele sind beispielhaft zu bewerten. Sie schließen andere Ausführungen entsprechend den Patentansprüchen nicht aus.
• In dem Beispiel nach Fig. 1 soll eine Steuerspannung U3 für einen Feldeffekttransistor FT schnell auf- und abgebaut werden. Dies geschieht über den Ringkernübertrager Ü mit Hilfe der Z-Diode ZD, die als Bauelement mit richtungsabhängiger Durchlaßspannung wesentlicher Bestandteil der Erfindung ist. - Die Treiberstufe G weist an ihrem Ausgang die Spannung Ul auf, deren Zeitverlauf Fig. 2 zeigt. Eine sprunghafte Änderung der Spannung Ul führt zu einem Ladestromstoß durch Kondensator Cl, der vom Übertrager Ü übertragen wird und zu einer entsprechenden Spannungsänderung U3 am Kondensator C führt. Der Kondensator C kann in dem gewählten Beispiel auch allein aus der Kapazität der Steuerelektrode des Feldeffekttransistors bestehen. Da der Übertrager Ü nur eine verhältnismäßig kleine Spannungszeitfläche übertragen muß, kann seine Streuinduktivität entsprechend gering sein, so daß die Änderungsgeschwindigkeit von Spannung U3 in erster Linie durch den Innenwiderstand der Treiberstufe G begrenzt wird.
• Die Kapazität C der Steuerelektrode eines Hochspannungs-Leistungs-Feldeffekttransistors liegt z.B. unter Einbeziehung der wirksamen Rückwirkungskapazität-in der Grössenordnung von 5 nF. Wenn die Treiberstufe G einen Strom von 1 A zuläßt, wird daher zum Auf- und Abbau einer Steuerspannung von U3 = 10 V eine Zeit von etwa 50 ns benötigt -unter der Voraussetzung, daß das Übersetzungsverhältnis von Übertrager Ü den Wert 1 : 1 aufweist.
• Nach dem Auf- oder Entladen des Kondensators klingt die Magnetisierungsenergie des Übertragers im Widerstand R ab.
• Wenn die Z-Spannung (Spannung in Sperrichtung) der Diode ZD richtig bemessen ist, bleibt die Ladung des aufgeladenen Kondensators C nach dem Aufladevorgang erhalten. Durch einen Impuls entgegengesetzter Polarität, wie er mit der fallenden Flanke der Signalspannung Ul gegeben ist, kann der Kondensator über die Z-Diode ebenso schnell entladen werden, wie er zuvor aufgeladen wurde. Hierzu muß nur die Höhe der Spannung der Höhe der Spannung U3 entsprechen (Fig. 2). In dieser Möglichkeit des kurzzeitigen, potentialfreien Auf- und Entladens von Steuerelektroden oder mit Steuerelektroden verbundenen Kondensatoren liegt die erfindungsgemäße Neuerung.
• Z-Dioden sind oft nicht schnell genug. Fig. 3 zeigt, wie man eine Z-Diode mit zwei schnellen Dioden Dl, D2 kombinieren kann. Durch eine solche Maßnahme wird der Sperrverzug der Z-Diode bedeutungslos.
• Fig. 4 zeigt den Querschnitt durch einen geeigneten Impulsübertrager. Wenige Windungen der Wickeldrähte 2 und 3 sind bifilar auf einen preiswerten Ferrit-Ringkern 1 aufgebracht. Dies führt zu einer ausreichend kleinen Streuinduktivität. Die Wickeldrähte 2, 3 sind mit einem ausreichenden Isolierüberzug versehen (4, 5). Das Muster eines solchen Übertragers mit 2 mal 6 Windungen auf einem Ferrit-Ringkern mit 10 mm Außendurchmesser weist eine Spannungsfestigkeit (Prüfspannung) von 10 kV auf. Versuche haben gezeigt, daß sich damit Signalkoppler verwirklichen lassen, deren Verzögerung kleiner ist als die eines normalen C-MOS-Gatters oder eines Leistungs-Feldeffekttransistors. Wegen der sehr kurzen Stromflußzeiten von unter 1 gs können dabei preiswerte und schnelle Kleinleistungsbauelemente (Dioden, Transistoren) auch noch bei hohen Signalfrequenzen Verwendung finden.
• Die auf dem Kondensator C gespeicherte Steuerspannung U3 (Fig. 1) hält sich naturgemäß nur eine begrenzte Zeit, da die Z-Diode ZD, der Transitor FT sowie andere Schaltungsteile Leckströme aufweisen. Sind nur jeweils kurze Impulse einer Richtung zu erwarten, wie das oft der Fall ist, so kann ein Widerstand R2 entsprechend Fig. 5 für eindeutige Spannungsverhältnisse sorgen. R2 dient hier jedoch nicht wie in bekannten ähnlichen Schaltungen zur Sicherstellung der Rückflanke des Steuersignals.
• Bei der Schaltungsanordnung entsprechend Fig. 1 muß zwischen Vor- und Rückflanke des Steuersignals eine gewisse Zeit vergehen, während der der Kondensator Cl umgeladen wird. Dadurch kann eine Mindestlänge der Steuerimpulse nicht unterschritten werden. - Für die Anordnung entsprechend Fig. 6 bestehen solche Einschränkungen nicht. Zum Ein- und Ausschalten des Steuersignals wird jeweils eine der beiden gegensinnigen Primärwicklungen des Übertragers Ü über die Transistoren Tl oder T2 kurzzeitig (z.B. 100 ns) an Spannung gelegt. Dies bewirkt die angegebene Schaltung aus je 2 NOR-Gattern bei der entsprechenden Flanke des Ejnanssignals. Wegen der kurzen Impulse können die Transitoren Tl, T2 unmittelbar mit den Kurzschluß-Ausgangsströmen der Gatter betrieben werden. Auch gibt es integrierte Schaltungen mit entsprechend leistungsfähigen Ausgangstransistoren, die Tl und T2 ersetzen können.
• Bei Signalen, die während längerer Zeit ihren Zustand nicht ändern oder bei einer Ausgangsbelastung der Koppeleinrichtung müssen Impulse gleicher Polarität periodisch wiederholt werden, bis mit Impulsen entgegengesetzter Polarität der schnelle Wechsel des Ausgangs-Steuersignals bewirkt wird. Eine dafür geeignete Schaltung zeigt Fig. 7 am Beispiel der Steuerung eines Bipolartransistors BT. Eine positive Spannung Ul oder U2 führt zu periodisch wiederholten, kurzen Stromimpulsen durch Transistor Tl oder T2. Anstelle der Z-Diode in den zuvor beschriebenen Schaltungen wird der Speicherkondensator C hier über die Reihenschaltung von vier Dioden entladen, deren Flußspannung eine positive Spannung U3 ermöglicht. Durch ein entsprechendes Verhältnis der Windungszahlen des Übertragers wird erreicht, daß zur Einleitung der Sperrphase des Transistors BT dessen Steuerspannung schnell umgepolt wird, so daß der Ausschaltvorgang beschleunigt vonstatten geht. Das Beispiel zeigt, daß die Ausgangspannung des Kopplers keinesfalls unipolar sein muß. Wichtig ist dabei jedoch in jedem Fall der Widerstand zur Übernahme des Magnetisierungsstromes des Übertragers.
• Fig. 9 zeigt, wie man anstelle einer Z-Diode einen Transistor einsetzen kann, um beim Signalwechsel die Schnellentladung des Kondensators zu gewährleisten. Je nach Signalwechsel oder Signalzustand fließt der Aufladestrom Il oder der Entladestrom I2. Der Vorteil dieser Anordung bbsteht darin, daß von der speisenden Seite aus (Spannung Ul) weniger Impulsenergie geliefert werden muß. Nachteilig ist der zusätzlich erforderliche Wicklungsanschluß.
• Fig. 10 zeigt eine Anordnung für bipolares Ausgangssignal.
• Die Ausgangsspannung U3 ist entweder positiv oder negativ (Fig. 11). In dem gezeigtenBeispiel muß der Scheitelwert der übertragenen Impulsspannung etwa doppelt so groß sein wie die Amplitude der Ausgangsspannung U3, während die Durchlaßspannung der Diodenanordnung der Ausgangs spannung entsprechen muß. U.U. kann man auch zwei Dioden einsparen und mit zwei gegensinnig in Reihe geschalteten Z-Dioden auskommen.
• Durch Variation der Windungszahlen des Impulsübertragers läßt sich zwischen Ein- und Ausgangspegel der Koppeleinrichtung ein beliebiges Verhältnis erreichen, so daß die Koppeleinrichtung auch als Pegelumsetzer verwendet werden kann mit dem Vorteil, daß sich Ausgangspegel erzielen lassen, die größer sind als die Betriebsspannung oder daß sich Ausgangströme erzielen lassen, die größer sind als die Eingangsströme.
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Claims (8)

1. Patentansprüche (ff1. Schnelle elektronische Koppeleinrichtung zur potentialfreien Übertragung digitaler elektrischer Steuersignale, dadurch gekennzeichnet, daß die Zustandsänderungen und bei länger andauernden Signalen auch die Zustände der zu übertragenden Signale in Form kurzer Impulse mit einem einfachen Impuistrarisformator induktiv übertragen werden und daß diese Impulse einen Speicherkondensator dem Signalzustand entsprechend schnell auf- u n d entladen oder umladen, wobei geeignete elektronische Bauelemente mit nichtlinearer Strom-Spannungs-Charakteristik und verstärkenden oder nichtverstärkenden Eigenschaften erstens das Auf- und Entladen oder das Umladen des Kondensators und zweitens den Erhalt der Ladung nach Abklingen des übertragenen Impulses gewährleisten.
2. 2. Elektronische Koppeleinrichtung entsprechend Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kopplung ein Impulstransformator mit wenigen Windungen isolierten Drahtes, geringer Streuinduktivität, geringer Koppelkapazität und ausreichender Isolationsfestigkeit verwendet wird.
3. 3. Elektronische Koppeleinrichtung entsprechend Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlinearen Bauelemente Bauelemente mit stromrichtungsabhängiger Durchlaßspannung sind, z.B. Z-Dioden oder Z-Dioden in Verbindung mit anderen Dioden.
4. 4. Elektronische Koppeleinrichtung entsprechend Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlinearen Bauelemente Bauelemente mit höherer Durchlaßspannung für beide Stromrichtungen sind und daß die übertragene Impulsspannung jeweils höher ist als diese Durchlaßspannung, um auf diese Weise ein bipölares Ausgangssignal zu erzielen (Ausgangsspannung entweder positiv oder negativ).
5. 5. Elektronische Koppeleinrichtung entsprechend Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlinearen Bauelemente ein Transistor und eine Diode sind, die bei geeigneter Verbindung mit dem Impulstransformator ein schnelles Auf- und Entladen des Kondensators gewährleisten.
6. 6. Elektronische Koppeleinrichtung entsprechend Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Impulstransformator mit beliebigen Windungszahlen versehen sein kann und dadurch die Koppeleinrichtung auch zur Pegelumsetzung geeignet ist.
7. 7. Elektronische Koppeleinrichtung entsprechend Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Signalen längerer Dauer oder/und einem entsprechenden Ausgangsstrom die Kondensatorladung dem Signalzustand entsprechend periodisch erneuent wird.
8. 8. Elektronische Koppeleinrichtung entsprechend Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung insgesamt in Form einer integrierten Schaltung ausgeführt ist oder daß wesentliche Teile von ihr in integrierter Technik ausgeführt sind.