DE3439366A1 - Darlington-transistorschaltung - Google Patents

Description

• Darlington-Transi stor schaltung
• Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer Darlington-Transistorschaltung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Derartige Transistorschaltungen werden als monolithisch planare Zündungsendstufen zur Ansteuerung von Transistorzündungen in Kraftfahrzeugen verwendet. Im Normalbetrieb treten am Ausgang der Zündungsendstufen zur Erzeugung der Zündfunken Spannungen von ca. 250 V bis 400 V auf, die als Primärspannungen an der jeweiligen Zündspule anliegen.
• Aus der DE-OS 3123667 @ PCT 82/00045 ist bereits eine Darlington-Transistorschaltung dieser Art bekannt, die jedoch den Nachteil hat, daß unzulässig hohe Klammer spannungen bei der Ruhestromabschaltung auftreten. Eine sichere Abschaltfunkenunterdrückung wird mit dieser Schal tu nicht gewährleistet.
• nicht gewährleistet. Bei der DE-OS 3324476 US-SN-511154 sind im Klammerkreis drei Transistorstufen wirksam. Damit wird, wie später erläutert wird, eine sichere Abschaltfunkenunterdrückung ermöglicht. Die hohe Stromverstärkung ergibt aber eine unerwünschte Neigung zu Schwingungen.
• Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Darlington-Transistorschaltung mit den Merkmalen des. Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß im Normalbetrieb der Klammer kreis zweistufig ist, während ein zusätzlicher Hilfstransistor als dritte Transistorstufe nur bei der Abschaltfunkenunterdrückung wirksam ist. Im Normalbetrieb arbeiten die Transistoren des Klammerkreises praktisch mit ihrer aktiven Verstärkung, wehalb ein verhältnismäßig kleiner Strom zur Aufsteuerung des Leistungstransistors über den Treibertransistor ausreicht. Bei der Abschaltfunkenunterdrückung dagegen sind wesentlich niedrigere Ausgangsspannungen erwünscht, die zur Folge haben, daß die Verstärkung der Transistoren des Klammerkreises geringer ist. Eine entsprechende Erhöhung des Ansteuerstroms würde unerwünschte Spannungsabfälle an den zwischen der Basis des Treiber transistors und der Zündspule liegenden Widerständen verursachen und eine zu hohe Ausgangsspannung zur Folge haben. Durch den in diesem Fall wirksamen Hilfstransistor kann jedoch der Ansteuerstrom und die Ausgangsspannung der Darlington-Transistorschaltung niedrig gehalten werden.
• Eine besonders. kostengünstige Realisierung der erfindungsgemäßen Darlington-Transistorschaltung kann durch eine monolithische Integration der Schaltung erhalten werden. Zusammen mit der Zündungsendstufe, die im wesentlichen aus einer dreistufigen Darlington-Transistorschaltung besteht, können der Hilfstransistor, die Zenerdiode und ein zweiter Spannungsteiler auf einem gemeinsamen Substrat integriert sein. Für den Bereich des Hilfstransistors erhält man eine besonders günstige Struktur dadurch, daß das mit dem gemeinsamen Kollektor verbundene schwach n-dotierte Grundmaterial an der Oberfläche U-förmig ein Gebiet umgibt, und daß in dem U-förmig umschlossenen Gebiet zwei im Abstand voneinander angeordnete rechteckige stark n-dotierte Zonen eindiffundiert sind. Zwischen den beiden stark n-dotierten Zonen befindet sich die Basis des Hilfstransistors und die am offenen Ende des U-förmigen Gebiets angeordnete rechteckige Zone bildet das Emittergebiet des Hilfstransistors. Diese Struktur läßt sich auf einfache Weise in einem planaren Prozeß zusammen mit den übrigen Schaltungselementen der Darlington-Transistorschaltung monolithisch integrieren.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
• Zeichnung Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 das elektrische Schaltbild der monolithisch integrierten Darlington-Transistorschaltung, Figur 2 einen Ausschnitt der monolithisch integrierten Schaltung nach Figur 1 in der Draufsicht und Figur 3 einen Schnitt nach der Linie AB der in Figur 2 dargestellten Anordnung.
• Beschreibung des Ausführungsbeispiels Die in Figur 1 dargestellte Schaltungsanordnung dient zur Ansteuerung einer Zündspule ZS, die primärseitig mit dem Ausgang einer Zündungsendstufe verbunden ist.
• Die Zündungsendstufe besteht aus einer dreistufigen Darlington-Transistorschaltung mit einem Vortransistor T1, einem Treibertransistor T2 und einem Leistungstransistor T3, denen drei Basis-Emitterwiderstände R1, R2 und R3 parallel zu den jeweiligen Basis-Emitterstrecken geschaltet sind. Die Zündspule ZS ist an ihrer dem Ausgang der Zündungsendstufe abgewandten Seite mit einer Klemme B+ verbunden, an der eine positive Betriebsspannung anliegt. An der Klemme B ist außerdem ein Widerstand R4 angeschlossen, der den Kollektorwiderstand eines Steuertransistors TO bildet. Der Emitter des Steuertransistors TO ist über eine an Masse angeschlossene Verbindungsleitung mit dem Emitter des Leistungstransistors T3 verbunden. Zur Ansteuerung der Zündungsendstufe ist der Kollektor des Steuertransistors TO mit der Basis des Vor transistors T1 verbunden.
• Der Kollektor des Leistungstransistors T3 ist über einen ersten Spannungsteiler, der aus den beiden Widerständen R5 und R6 besteht, mit Masse verbunden. Zwischen dem Abgriff dieses Spannungsteilers und dem mit Masse verbundenen Widerstand R6 ist ein Schalter S eingefügt, der vorzugsweise durch die Kollektor-Emitterstrecke eines Schalttransistors realisiert wird. Der Abgriff des ersten Spannungsteilers ist mit der Kathode einer Z-Diode ZD (Zener-Diode) verbunden, deren Anode über einen zweiten Spannungsteiler mit der Basis des Treibertransistors T2 verbunden ist. Der zweite Spannungsteiler besteht aus zwei Widerständen R7 und R8, an dessen Abgriff die Basis eines Hilfstransistors T4 angeschlossen ist.
• Der Gesamtwiderstand R7 und R8 ist dabei nicht frei wählbar, wenn man, wie in der DE-OS 3123667 beschrieben ist, den Temperaturgang der Klammer spannung k#ompensieren will. Der Kollektor des Hilfstransistors ist mit den Kollektoren der dreistufigen Darlington-Schaltung und dessen Emitter mit der Basis des Treibertransistors T2 verbunden. Sämtliche im Ausführungsbeispiel dargestellten Transistoren sind als npn-Transistoren ausgebildet.
• Die am Abgriff des ersten, aus den Widerständen R5 und R6 bestehenden Spannungsteilers angeschlossene Z-Diode ZD bricht bei der ausgangsseitig an der Zündungsendstufe auftretenden Klammer spannung durch, wobei die Transistoren T2 und T3 aufgesteuert werden. Auf diese Weise wird verhindert, daß der Leistungstransistor T3 durch energiereiche Spannungsspitzen im UcEO-Durchbruch Schaden nehmen kann. Der Schalter S ist im Normalbetrieb, also auch bei Erreichen der Klammer spannung geschlossen.
• Der durch die Z-Diode ZD fließende Strom 1Z steuert zwar den Transistor T2 auf, der Hilfstransistor T4 öffnet dabei jedoch nicht. Der Wert des Widerstandes R8 ist so gewählt, daß der Hilfstransistor T4 im Normalbetrieb gesperrt bleibt. Soll die am Kollektor des Leistungstransistors T3 auftretende Klammer spannung ungefähr 300 V betragen, so ergeben sich bei einer Durchbruchsspannung der Z-Diode ZD von ca 20 V ungefähr folgende Widerstandswerte: R2 = 15011; R5 = 2,4 kn; ~ R6 = 200Q ~ R7 = 400kl; R8 = lOOSS.
• Für den Betriebsfall, daß bei noch eingeschalteter Zündung der Motor zum Stillstand kommt, wird über den Steuertransistor TO die Darlington-Transistorschaltung abgeschaltet. Damit in diesem Betriebszustand kein unerwünschter Zündfunke auftritt, wird zum Zwecke der Abschaltfunkenunterdrückung der Schalter S geöffnet. Als maximale Kollektor-Emitterspannung ergibt sich dann die Summe der Durchbruchspannung der Z-Diode ZD, der Basis-Emitter-Flußspannungen der Transistoren T2 und T3 und des Spannungsabfalls von 1Z an den Widerständen RS, R7 und RS. Ohne den Hilfstransistor der vorliegenden Erfindung könnte Iz wegen der gegenüber dem Normalbetrieb verminderten Verstärkung der Transistoren T2 und T3 recht hoch werden. In dem erfindungsgemäßen Beispiel bleibt 1Z auf ca. 7 mA beschränkt, weil dann der Hilfstransistor T4 geöffnet wird. Die Kollektor-Emitter- spannung läßt sich so auf ca. 40 V begrenzen. Fehlzündungen bei der Ruhestromabschaltung werden durch diese Abschaltfunkenunterdrückung sicher verhindert.
• Der in Figur 2 dargestellte Ausschnitt einer monolithisch integrierten Schaltung zeigt die Umgebung des Hilfstransistors T4 mit der Z-Diode ZD. In den Zonen 1 und 2 tritt das schwach n-dotierte Grundmaterial der npn-Transistoranordnung an die Oberfläche. Die nicht schraffierten Gebiete sind p-dotiert. Sie werden gleichzeitig mit den Basisgebieten der Transistoren hergestellt. Die Zonen 3, 4, 5 sind stark n-dotiert. Sie sind gleichzeitig mit den Emittergebieten der Transistoren T1 bis T3 herzustellen. Die Zone 5 stellt das n-Gebiet der Z-Diode ZD dar, welches über eine Öffnung 6 im Oxid mit einer Metallelektrode verbunden ist. Die Zone 3 bildet das Emittergebiet des Hilfstransistors T4 welches über eine Metallisierung 7 mit der Basis 8 des Treibertransistors T2 verbunden ist. Die beiden Streifen zwischen den Zonen 1 und 4 bilden den Widerstand R7, die Streifen zwischen den Zonen 1 und 3 den Widerstand R8. Aus Gleichlaufgründen ist es zweckmäßig, die Widerstände R7 und R8 ebenso wie den hier nicht dargestellten Widerstand R2 gleichartig auszulegen. Die Zone 2 dient zur Verhinderung eines. parasitären npn-Lateraltransistors, der sich, wenn die Zonen 3 und 4 zu dicht benachbart sind, bei bestimmten Betriebszuständen störend auswirken könnte.
• Das mit dem gemeinsamen Kollektor verbundene schwach n-dotierte Grundmaterial tritt in etwa U-förmig als Zone 1 an der Oberfläche hervor. Innerhalb dieser U-förmig ausgebildeten Zone 1 befindet sich das Basis-Gebiet 9 des Hilfstransistors T4 in unmittelbarer Umgebung der Zone 2.
• Figur 3 zeigt einen Schnitt nach der Linie AB der in Figur 2 dargestellten Halbleiteranordnung. Die Bedeutung der hier eingetragenen Bezugszahlen stimmt mit denen von Figur 2 überein. Ergänzend ist in Figur 3 die in Figur 2 nicht dargestellte Oxidschicht 10 eingezeichnet.

Claims (7)

1. Ansprüche Darlington-Transistorschaltung, die wenigstens dreistufig ausgebildet ist und einen Vortransistor (T1), einen Treibertransistor (T2) und einen Leistungstransistor (T3) umfaßt, und mit einem aus zwei Widerständen (R5, R6) bestehenden ersten, zwischen Kollektor und Emitter des Leistungstransistors (T3) angeordneten Spannungsteiler, an dessen Abgriff die Kathode einer Z-Diode (ZD) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode der Z-Diode (ZD) über zwei integrierte, einen zweiten Spannungsteiler bildende Widerstände (R7, R8) mit der Basis des Treibertransistors (T2) verbunden ist; daß der Abgriff des zweiten Spannungsteilers (R7, R8) mit der Basis eines Hilfstransistors (T4) verbunden ist, dessen Emitter mit der Basis des Treibertransistors (T2) und dessen Kollektor mit den den Ausgang der Endstufe bildenden Kollektoren der Darlington-Transistorschaltung verbunden ist; und daß zwischen dem Abgriff des ersten Spannungsteilers (R5, R6) und dem mit dem Emitter des Leistungstransistors (T3) verbundenen Widerstand (R6) ein elektrischer Schalter (S) angeordnet ist.
2. 2. Darlington-Transistorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei geschlossenem Schalter (S) die Basis-Emitterspannung am Hilfstransistor (T4) unterhalb der Basis-Emitter-Durchlaßspannung bleibt.
3. 3. Darlington-Transistorschaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfstransistor (T4) bei erhöhtem Bedarf an Ansteuerstrom für die Darlington-Transistorschaltung geöffnet wird.
4. 4. Darlington-Transistorschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kollektor-Emitterstrecke den Schalter (S) bildet, der im Normalbetrieb geschlossen und zur Abschaltfunkenunterdrückung geöffnet ist.
5. 5. Darlington-Transistorschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfstransistor (T4), die Z-Diode (ZD) und der zweite Spannungsteiler (R7, R8) mit den übrigen Schaltungselementen der Darlington-Transistorschaltung auf einem gemeinsamen Substrat integriert sind.
6. 6. Darlington-Transistorschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das mit dem gemeinsamen Kollektor verbundene schwach n-dotierte Grundmaterial (1) an der Oberfläche U-förmig ein p-Gebiet umgibt, daß in dem U-förmig umschlossenen Gebiet zwei im Abstand voneinander angeordnete rechteckige Zonen (3, 4) stark n-dotiert sind, daß zwischen diesen stark n-dotierten Zonen (3, 4) p-dotiertes Gebiet (9) die Basis des Hilfstransistors (T5) bildet, und daß sich am offenen Ende des U-förmigen Gebietes (1) das p-dotierte Basisgebiet (8) des Treibertransistors (T2) befindet.
7. 7. Darlington-Transistorschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den stark n-dotierten rechteckigen Zonen (3, 4) in dem p-dotierten Basisgebiet (9) des Hilfstransistors (T4) ein schwach n-dotiertes Gebiet (2) belassen wird.