DE2360024A1

DE2360024A1 - Schaltung mit einem schalttransistor

Info

Publication number: DE2360024A1
Application number: DE19732360024
Authority: DE
Inventors: Malcolm John Kay
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1972-12-20
Filing date: 1973-12-01
Publication date: 1974-07-04
Also published as: FR2211818A1; FR2211818B1; IT1000522B; GB1432199A; JPS4998162A; NL7317142A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf

Schaltungen mit einem Schalttransistor, dessen Basis ein Schaltsignal von einer Schaltsignalquelle zugeführt wird-, urn den Schalttransistor in den leitenden Zustand zu bringen.

In einer· derartigen Schaltung soll dafür

gesox'gt werden, dass der verfügbare Basissteuerstrom dazu genügt, den S cha 11 tr ans i s t or voMständig unter den erforderlichen Betriebsbedingungen der .Schaltung, d.h. über den ganzen Temperaturbereich der Schaltung und über den ganzen Bereicli der 'errarteten Änderungen der Speisespannung und des Schaltsigiials, umzuschalten. Meistens soll der Schalttransistor zum vollständigen Umschalten in

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Sättigung ausgesteuert werden.

Bei den bekannten Schaltungen ergibt sich

die Schwierigkeit, dass diese Entwurfanforderungen einen unnötig hohen Basisstrom bei der Nennbetriebstemperatur und der Nenngrösse der Speisespannung und des Schaltsignals erfordern, was eine unnötig hohe Verlustleistung in der Basissteuerung zur Folge hat. Ausserdem sei bemerkt, dass die Temperaturzunahme gewöhnlich eine Herabsetzung des erforderlichen Basissteuerstroms für den Schalttransistor ergibt. Mit arideren Worten: bei einer Temperatur-Zunahme wird die Basis-Emitterspannung des Schalttransistors im Betriebszustand kleiner werden. Bei der bekannten Schaltung führt also eine Teinperaturzunahme eine Zunahme des Basissteuerstroms herbei, wahrend die Stromverstärkung des Schalttransistors im allgemeinen zunimmt, wodurch tatsächlich ein niedrigerer Basissteuerstrom benötigt wird. Venn die Basisstromsteuerschaltung einen

als Emitterfolger geschalteten Steuertransistor enthält, wird dieses Problem noch grosser.

Bei einer Schaltung nacli der Erfindung wird

das Schaltsignal des Schalttransistors von der Schaltsignalquelle über einen Verstärker mit einer stromdetektierenden Impedanz, die zwischen dem Verstärkerausgang und der Basis des Schalttransistors angeordnet ist, zugeführt, wobei sich der Verstärker in einem Gegenkopplungskreis befindet, in dem ein Gegenkopplungssignal dem Kollektor eines ein Gegenkopplungssignal liefernden Transistors

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entnommen wird, dessen Basis-Emitter-Ubergang auf derartige Ifeise übex" der stromdetektierenden Impedanz angeordnet ist, dass der Basisstrom für den Schalttransistor den Basis-Emitter-Ubergang des das Gegenkopplungssignal liefernden Transistors in der Durchlassrichtung polarisiert!

Die Schaltungselemente einer Schaltung nach der Erfindung sollen derart bemessen sein, dass über den erwarteten Bereich von. Betriebsbedingungen der Wert des als Reaktion auf das Schaltsignal dem Schalttransistor zugeführten Basisstroms gleich oder grosser als der für die Sättigung benötigte Strom ist.

Ausserdem müssen die genannten Schaltungselemente derart bemessen sein, dass über einen erheblichen Teil des genannten erwarteten Bereiches der Betrag des Basissteuerstroms, um den der für die Sättigung benötigte Strom überschritten wird, beträchtlich kleiner als der Überschuss ist, der auftreten würde, wenn der Gegenkopplungskreis am Kollektor des genannten das Gegenkopplungssignal liefernden Transistors unterbrochen werden würde.

Vorzugsweise soll die Verstärkung in dem

Gegenkopplungskreis derart hoch seih, dass der Gegenkopplungsstrom von dem Kollektor des das Gegenkopplungssignal liefernden Transistors her klein gegenüber dem Strom ist, der die stroradetektierende Impedanz durchfliesst*

Bei einer Ausführungsform der Er-findmig ist der vorerwähnte Verstärker als ein Steuertransistor aus- -geführtj der als Emittex-folger geschaltet ist, wobei das

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Gegenkopplungssignal, das dom Kollektor des das Gegenkopplungssignal liefernden Transistors entnommen -wird, der Basis des Steuertransistors zugeführt wird. In dieser Ausführung wird das Schaltsignal der Schaltsignalquelle auch der Basis des Steuertransistors über eine Reihenimpedanz zugeführt. Eine derartige Reihenimpedanz kann aber weggelassen werden, wenn die Impedanz der Schaltsignal— quelle dazu genügt, die erforderliche Schleifenverstärkung zu erreichen. . ■

Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert, wobei jeweils der Schalttransistor in seinem leitenden Zustand in Sättigung ausgesteuert werden muss. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer bekannten Schaltung des Typs, auf den sich die Erfindung bezieht, und

?ig. 2. ein Schaltbild der Schaltung nach der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 1 ist in dem Kollektorkreis eines

Schalttransistors TR1 eine Belastung L angeordnet, wobei der Transistor mittels eines Schaltsignals leitend gemacht wird, das von einer (nicht dargestellten) Signalquelle über die Klemme S, den stromverstärkenden Transistor TR2 und den Strombegrenzungswiderstand R der Basis des Transistors TR1 zugeführt wird.

Bei einem Schaltsignal einer bestimmten Grösse wird die Grosse des Basisstroms für den Transitor TRI im wesentlichen durch den Wert des Begrenzungswiderstandes

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R bestimmt, der derart gewählt werden muss, dass die Verlustleistung in der Schaltung minimal ist und dass zugleich der verfügbare Basisstrom dazu genügt, den Transistor TR1 bei allen Betriebstemperaturen und über den erwarteten Bereich von Änderungen des Wertes des Schaltsignals Und der Speisespannung in Sättigung zu bringen.

Es wird von einer Speisespannung von 6 V,

einer Signalquellenamplitude von 5 V und Basis-Emitterspannungen im leitenden Zustand der Transistoren TR1 und TR2 von 0,7 V bei der Nenntemperatur und bei einem Wert von 500 Π. des Widerstandes R ausgegangen, der derart in bezug auf die Kennlinien der Transistoren TR1 und TR2 gewählt ist, dass ein genügender Basisstrom geliefert wird, um den Transistor TR1 in Sättigung zu steuern und zugleich sicherzustellen, dass der Basisstrom nicht derart noch ist, dass eine zu hohe Verlustleistung in der Basissteuerschaltung erhalten wird. Bei diesen Werten kann berechnet werden, dass der auftretende Basisstrom des Transistors TR1 7»2 mA betragen wird.

Wenn nun die Temperatur die Nenntemperatur um 5O°C unterschreitet und angenommen wird, dass der Temperaturkoeffizient -2 mV/°C für die Basis-Emitterspannungen der Transistoren TR1 und TR2 beträgt, werden die Basis-Emitterspannungen der Transistoren TR1 und TR2 von ihrem Nennwert von 0,7 V auf 0,8 V zunehmen. Dies ergibt eine. Herabsetzung des BasisSteuerstroms von 7»2 mA auf 6,8 mA. Normalerweise wäreeine-derartige Herabsetzung

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an sich nicht von Bedeutung, aber dieser Effekt wird durch die Zunahme der benötigten Steuerung für den Transistor TR1 Ijei der niedrigeren Temperatur infolge der herabgesetzten Stromverstärkung dieses Transistors bei niedriger Temperatur verstärkt.

Wenn der Entwurf derartig ist, dass der

Transistor TR1 unter den beschriebenen Bedingungen gesättigt wird, ist es einleuchtend, dass bei der Nenntemperatur und t>ei diese Nenntemperatur überschreitenden Temperaturen der Basisstrom des Transistors TR1 höher als der für die Sättigung benötigte Strom sein wird, so dass eine zu hohe Verlustleistung bei hohen Temperaturen auftreten wird, wobei diese zu hohe Verlustleistung eben die grössten Schwierigkeiten bereitet, insbesondere wenn, die hier beschriebene Schaltung einen Teil einer integrierten Schaltung bildet.

Auch wird es dem Fachmann klar sein, dass, wenn beim Entwerfen extremen Werten der Signalquellen— grösse und der Speisespannungsgrösse Rechnung getragen wird, dies zu einer weiteren Vergrösserung de*· Verlustleistung bei dem Nennwert und diesen Nennwert überschreitenden Werten des Speisespannung und der Signalquellen— grösse führen wird.

Die Nachteile der Schaltung der Fig. 1 werden bei Anwendung der Schaltung nach Fig. 2 verringert.

In Fig. 2 sind entsprechende Teile mit den gleichen Ziffern und Buchstaben bezeichnet. Der wichtigste

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Unterschied zwischen der Schaltung nach Fig. 1 und der Schaltung nach.Fig. 2 besteht darin, dass,der, Widerstand R nun eher ,als Stromdetektor als als Strombegrenzer dient. Ausserdem^misst ein ein Gegenkopplungssignal liefernder Transistor TR3 den Spannungsabfall über .dem Widerstand R und liefert ein Gegenkopplungssignal über seinen Kollektor an die. Basis des Verstarkertransisto.rs T^-3 · Der Widerstand R₁ dient sowohl als Belastung für den Transistor TR3 als auch zur Kopplung der Klemme S^ mit. der Basis des Transistors TR2. .... . . _;.

. . _ Wieder sei. angenommen,_dass die Speisespannung 6 V ist, dass die Signalquellenamplitude 5 V ist und dass die Basis-Emitterspannung der Transistoren TRI, TR2 und TR3 4-^m leitenden Zustand 0,7 V beträgt, wenn die Nennteniperatur_ eingehalten wird und. der Widerstand R einen Wert von 120.fl. aufweist, der derart in bezug auf die Kennlinien der Transistoren TR1,,TR2 und TR3 gewählt'ist, dass ein genügender Ba sis si; euer strom geliefert wird, um den Transistor TRl in Sättigung zu steuern und zugleich sicherzustellen, dass der Basisstrom nicht derart gross ist, dass er eine zu hohe Verlustleistung in der Basis-

schaltung herbeiführt. Venn auch angenommen wird, dass die Transistoren TR1 und TR2 je eine Stromverstärkung von 50 aufweisen und dass der Widerstand R1 einen Wert von 10.000.il aufweist, wird bei einer die Nenntemperatur um 50°C unterschreitenden Temperatur der Transistor TR1 einen Basissteuerstrom von 6,8_; mA empfangen, wie dies bei der Schaltung nach Fig. 1 der Fall ist. Wonn jedoch die

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Nenntemperatur eingehalten wird, ifird der Bäsissteuerstrom auf 6,0 mA herabgesetzt, was mit Rücksicht auf die höhere Stromverstärkung des Transistors TR1 bei· der Kenntemperatur im Vergleich zu der Stromverstärkung¹ bei der niedrigen Temperatur (5O°C unterhalb der Nenntemperatur) noch genügend sein wird, um sicherzustellen, dass der Transistor TR1 in Sättigung gebracht wird, wobei jedoch die Verlustleistung nur 80 $> der Verlustleistung beträgt, die bei der Nenntemperatur der Schaltung nach Fig. 1 auftritt. Bei die Nenntemperatur "überschreitenden Temperaturen wird die Verlustleistung noch weiter herabgesetzt.

Die Herabsetzung des Basissteuerstroms bei Zunahme der Temperatur wird durch die Herabsetzung.der Basis-Emitterspannung des Transistors TR3 erzielt, an die der Spannungsabfall über dem Widerstand R durch die Gegenkopplungsschaltung angepasst wird, Selbstverständlxch bedeutet eine Herabsetzung des Spannungsabfalls über dem Widerstand R infolge einer Temperaturzunahme eine Herabsetzungdes über diesen Widerstand der Basis des Transistors TR1 zugeführten Stromes* Jeder Strom, der die Basis des Transistors TR1 über den Emitter des Transistors TR3 erreicht, ist klein im Vergleich zu dem Strom, der-die Basis des Transistors TR1 über den Widerstand R erreicht, wodurch die Änderung in diesem Teil der Basissteuerschalttmg ohne Bedeutung ist.

Da der Basissteuerstrom für den Transistor TR1 im wesentlichen über· den Widerstand R zugeführt wird

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und der Spannungsabfall über diesem Widerstand an die Basis-Emitterspannung des Transistors TR3 abgepasst ist, ist es einleuchtend, dass der.der Basis des Transistors TR1 zugeführte Strom in hohem Masse von Speisespannungs-

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• änderungen oder Änderungen der Grosse der Signalquelle unabhängig ist, obgleich ein gewisser Nebeneffekt infolge des kleinen Stroms auftreten wird, der die Basis des Transistors TR1 über den Emitter des Transistors TR3 erreicht,

Es wird dem Fachmann klar sein, dass viele

Abwandlungen der an Hand der Fig. 2 beschriebenen Ausführungsform und alternative Ausführungsformen dieser Schal-

tung möglich sind. Bei einer Abwandlung werden z.B. zusätzliche Schaltungselemente, wie ein Leckwiderstand, an die Basis-Elektrode des Schalttransistors angeschlossen, um entgegengesetzte Basisströme beim Umschalten von dem leitenden in den nichtleitenden Zustand zu neutralisieren. Es versteht sich, dass bei der Bemessung einer Schaltung nach der Erfindung der von derartigen zusätzlichen Schaltungselementen aufgenommene Strom berücksichtigt werden soll. Bei einer anderen Abwandlung ist die Stromdetektionsimpedanz nicht als ein Widerstand ausgeführt. Derartige Abwandlungen und alternative Ausführungsformen liegen ebenfalls im Rahmen der vorliegenden Erfindung.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE .

Schaltung mit einem Schalttransistor, dessen Basis ein Schaltsignal von einer Schaltsigiialquelle zugeführt wird, um den Schalttransistor leitend zu machen, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltsignal dem Schalttransistor von der genannten Quelle über einen Verstärker zugeführt wird, wobei eine stromdetektierende Impedanz zwischen dem Verstärkerausgang und der Basis des Schalttransistors angeordnet ist, und wobei der Verstärker in einer Gegenkopplungsschleife aufgenommen ist, in der ein Gegenkopplungssignal dem Kollektor eines ein Gegenkopplungssignal liefernden Transistors entnommen wird, dessen Basis-Emitter-Übergang derart an die stromdetektierende Impedanz angeschlossen ist, dass der Basisstrom für den Schalttransistor den Basis-Emitter-Ubergang des Gegenkopplungstransistors in der Durchlassrichtung polarisiert.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn-r

zeichnet, dass die Schaltungselemente der Schaltung derart bemessen sind, dass über den erwarteten Bereich der Betriebsbedingungen der Wert des als Reaktion auf das Schaltsignal dem Schalttransistor zugeführten Basisstroms gleich oder grosser als der' für die Sättigung benötigte Basisstrom ist,
3· Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekenivr

zeichnet, dass die genannten Schaltungselemente derart bemessen sind, dass über einen erheblichen Teil des genannten erwarteten Bereiches der· Betrag des Basissteuer-

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stroms, um den der für .die Sättigung benotigte Strom überschritten wird» erheblich geringer als der Überschuss ist, der auftreten würde, wenn die Gegenkopplungsschleife an dem.Kollektor des zuvor erwähnten ein Gegenkopplungssignal lief ernden Transistors unterbrochen werde α würde«
4. . Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung© in der.Gegenkopplungsschleife derart hoch gewählt ist, dass _der Gegenkopplungsstrom von dem Kollektor des genannten ein Gegenkopplungssignal liefernden Transistors her klein in bezug auf den Strom ist, der die genannte stromdetektierende Impedanz durchfliesst.
5. Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Verstärker als ein Steuertransistor in Emitterfolgerschaltung ausgeführt ist, wobei das Gegenkopplungssignal, das dem Kollektor des genannten ein Gegenkopplungssignal liefernden Transistors entnommen wird, der Basis des Steuertransistors zugeführt wird.
6. . _ Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltsignal der genannten. Schaltsignalquelle der Basis des genannten Steuerstransistoi-s über eine Reihenimpedanz zugeführt wird.

7· . Schaltung nach einem der vorangehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte •stromdetektierende Impedanz als; ein Widerstand ausgeführt ist» . .

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