CH642796A5 - Schaltungsanordnung fuer ein integrierbares elektronisches relais. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für ein integrierbares elektronisches Relais, dessen Eingang und Ausgang galvanisch entkoppelt sind.

Für hohe zu schaltende Spannungen ausgelegte elektronische Relais, bei denen der die hohe Spannung schaltende Teil auf einer integrierten Schaltung hergestellt werden muss,

müssen zwischen den elektronischen Schaltstrecken und dem Steuereingang des Relais eine galvanische Entkopplung aufweisen. Es ist bekannt, diese galvanische Entkopplung mittels opto-elektronisches Koppler oder Transformatoren zu errei-5 chen. Weder opto-elektronische Koppler noch Transformatoren aber können zusammen mit dem die hohe Spannung schaltenden Teil des Relais auf einem einzigen Chip integriert angeordnet werden, wie die bisherige MOS-Technik zeigt. Eine galvanische Entkopplung zwischen dem die hohe Span-10 nung schaltenden Teil und dem Steuereingang des elektronischen Relais ist sehr wichtig bei integrierter Bauweise, weil die hohe Spannung am Relaisausgang den Eingangsteil des Relais zerstören kann oder auch ein unbeabsichtigtes Schalten des Relais bewirken kann. Diese galvanische Entkopp-15 lung ist auch in manchen Anwendungsfällen erwünscht, beispielsweise in Teilnehmerleitungsanschlussschaltungen, bei denen ein erdfreier Bezugspunkt im Relais erforderlich ist.

Wie bereits erwähnt wurde, müssen opto-elektronische Koppler separat hergestellt werden; sie müssen mit den übri-20 gen Teilen des elektronischen Relais zusammengesetzt werden. Solche opto-elektronische Koppler weisen beispielsweise eine lichtemittierende Diode und Fototransistoren auf. An die lichtemittierende Diode wird eine Eingangsspannung angelegt. Das dadurch bewirkte Licht der Diode schaltet den 25 Fototransistor ein, wobei eine galvanische Entkopplung erreicht wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der die Eingangsschaltung und der die hohe Spannung schal-30 tende Teil des elektronischen Relais auf einem einzigen Chip integrierbar ist, ohne dass die hohe zu schaltende Spannung das Relais zerstören oder ein Fehlschalten des Relais bewirken kann.

Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 gekennzeich-35 neten Merkmalen gelöst. Die Erfindung kann vorzugsweise bei der MOS-Technik angewendet werden, die mit den bekannten dielektrischen Isolationsprozessen arbeitet. Besonders vorteilhaft ist die Herstellung des Relais in VMOS-Tech-nik, die an sich bekannt ist. Das Relais kann jedoch auch als 40 grossintegrierte Schaltung hergestellt werden. Mit Vorteil lässt sich das elektronische Relais gemäss der Erfindung auch in Fernsprechteilnehmeranschlussleitungen anwenden.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispieles und eines Anwendungsbeispieles näher erläutert.

Figur 1 zeigt eine Schaltungsanordnung für ein hohe Spannungen schaltendes elektronisches Relais gemäss der Erfindung, während Figur 2 eine vereinfachte Schaltungsanordnung für einen Signalgenerator vom Typ einer erdfreien, galvanisch entkoppelten Brückenschaltung, der in einer Teil-50 nehmerleitungsanschlussleitung verwendet wird, darstellt.

In Figur 1 ist die Gesamtheit der gestrichelt umrandeten Teile mit 10 bezeichnet. In einer logischen Eingangsschaltung 12 ist eine NAND-Schaltung 20 enthalten, deren einem Eingang eine rechteckförmige Wechselspannung mit der Fre-55 quenz von beispielsweise 5 MHz zugeführt wird. Die verstärkte Wechselspannung gelangt in einer Treiberschaltung 14 gegenphasig über zwei Kondensatoren 28,30 auf eine EXCLUSIV-ODER-Schaltung 36, die einen die hohe Spannung schaltenden Teil 16 des elektronischen Relais steuert. 60 Die Koppelkondensatoren 28,30 können beispielsweise eine Kapazität von 10 pF und eine Zeitkonstante von 10"4 s haben. Die Eingangsschaltung 12, die Treiberschaltung 14 und der Teil 16 können auf einem einzigen Silizium-Chip angeordnet werden, dem eingangsseitig ein Steuerpotential mittels eines 65 Schalters 18 zuführbar ist. Zu diesem Zweck ist der eine Eingang 24 der NAND-Schaltung 20 mit dem Schalter 18 verbunden. In der Aus-Stellung wird Erdpotential an den Eingang 24 gelegt. In der Ein-Stellung gelangt ein Potential von

45

3

642 796

+15 V an den Eingang 24, welches bewirkt, dass die Wechselspannung mit der Frequenz von 5 MHz verstärkt am Ausgang der NAND-Schaltung 20 erscheint. In der Stellung fs des Schalters 18 wird ein Fremdpotential an den Eingang 24 angelegt. Dieses Fremdpotential kann ein Wechselpotential mit einer Frequenz von 100 Hz sein. Im Aus-Zustand des Schalters 18 wird die NAND-Schaltung 20 gesperrt, so dass an ihrem Ausgang nicht die Wechselspannung mit der Frequenz von 5 MHz auftritt.

Der Ausgang der NAND-Schaltung 20 ist einerseits über den Koppelkondensator 28 mit dem einen Eingang 40 der ODER-Schaltung 36 und andernseits mit dem Eingang eines Inverters 32 verbunden. Der Ausgang des Inverters 32 ist über den Kondensator 30 mit dem anderen Eingang 42 der ODER-Schaltung 36 gekoppelt. Die NAND-Schaltung 20 und der Inverter 32 erhalten ein Speisepotential von +15 V von einer Gleichspannungsquelle 22. Aufgrund des Zwischenschaltens des Inverters 32 sind die Wechselspannungen an den Eingängen 40 und 42 gegenphasig. Die Kondensatoren 28,30 dienen zur galvanischen Entkopplung. Mit den Eingängen 40,42 ist der Eingang einer Dioden-Brückenschaltung 34 verbunden, die aus vier Dioden besteht und die ausgangsseitig mit dem Speiseeingang der ODER-Schaltung 36 verbunden ist. Dem Speiseeingang der ODER-Schaltung 36 ist ein Kondensator 38 zur Glättung parallelgeschaltet. Die ODER-Schaltung 36 erhält ihre Speisung also von der Batterie 22 über die Koppelkondensatoren 28, 30 und die Dioden-Brückenschaltung 34. Zwischen dem Fusspunkt des Speiseeingangs der ODER-Schaltung 36 und den Eingängen 40,42 liegt jeweils ein Widerstand 56 bzw. 58. Der Ausgang der ODER-Schaltung 36 ist über eine Diode 44 mit den Gate-Elektroden zweier MOS-Transistoren 48, 50 verbunden, während der Fusspunkt des Speiseeingangs der ODER-Schaltung 36 mit den Source-Elektroden S dieser Transistoren verbunden ist. Den Steuerstrecken dieser Transistoren liegen ein Kondensator 46 und ein Widerstand 60 parallel. Die Schaltstrecken der Transistoren 48,50 liegen in Reihe an Ausgangsanschlüssen 52 und 54.

Eine Gleichspannung wird an den Gate-Elektroden der Transistoren 48,50 auf folgende Weise erzeugt: Der Ausgang der ODER-Schaltung 36 führt nur dann hohes Potential,

wenn die zwei Eingänge 40 und 42 gegenphasige Spannungen erhalten, d.h. wenn der eine Eingang ein hohes und der andere Eingang ein niedriges Potential aufweisen. Wenn der Ausgang der ODER-Schaltung 36 ein hohes Potential aufweist, dann gelangt dieses hohe Potential über die Diode 44 zum Kondensator 46, der geladen wird. Aufgrund der Spannung des Kondensators 46 werden die Transistoren 48, 50 eingeschaltet. Dadurch wird ein niederohmiger Weg zwischen den Ausgangsanschlüssen 52 und 54 hergestellt. Die Transistoren 48, 50 können als VMOS-Transistoren ausgebildet sein und beispeilsweise eine Durchbruchsspannung von 90 V aufweisen. Durch Änderung der Transistorparameter kann die Durchbruchsspannung aber auch auf 400 bis 500 V erhöht werden.

Die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung nach Figur 1 wird nun im folgenden erläutert. Vorausgesetzt sei zunächst, dass der Schalter 18 in der gezeigten Stellung ist. Für diesen Fall tritt am Ausgang der NAND-Schaltung 20 eine dauernde Gleichspannung von 15 V auf, die durch die Koppelkondensatoren 28,30 von der übrigen Schaltung ferngehalten wird. Die Restladung der Kondensatoren 28, 30 fliesst als Leckstrom über die Widerstände 56 und 58 ab. Der Kondensator 46 wird über den Widerstand 60 entladen, wonach sich an den Gate-Source-Strecken der Transistoren 48, 50 eine Spannung von 0 V einstellt, die diese Transistoren sperrt, so dass zwischen den Ausgangsanschlüssen 52,54 ein hoher Widerstand liegt.

Irgendwelche Fehlströme, die von den Ausgangsanschlüssen 52, 54 zu den Kondenstoren 28,30 gelangen, ergeben die gleichen Spannungsverschiebungen an diesen Kondensatoren, d.h. es treten dadurch gleichphasige Signale an den Eingängen 40,42 auf. Wie bereits erwähnt worden ist, tritt am Ausgang der EXCLUSIVEN-ODER-Schaltung 36 nuir dann ein Signal auf, wenn zwei gegenphasige Spannungen an den Eingängen 40,42 anstehen; diese ODER-Schaltung ist unempfindlich gegen gleichphasige Eingangsspannungen. Somit ist ersichtlich, dass die an den Ausgangsanschlüssen 52, 54 auftretende hohe Spannung keinen Einfluss au die Arbeitsweise des elektronischen Relais hat, das nur dann eingeschaltet wird, wenn die Spannungen an den Eingängen 40, 42 gegenphasig sind. Die richtige Arbeitsweise des elektronischen Relais wird solange gewährleistet, wie die hohe Spannung an den Ausgangsanschlüssen 52, 54 nicht die Durch-bruchsspannungswerte für die Transistoren 48, 50 und der Kondensatoren 28,30 übersteigt. Diese Durchbruchsspannung kann bei 400 bis 500 V liegen. Da alle aktiven Elemente durch MOS-Transistoren gebildet werden können, die in bekannter Herstellungstechnik gefertigt werden können, beispielsweise durch die üblichen dielektrischen Isolationsprozesse, kann die ganze Schaltungsanordnung auf einem einzi- . gen Chip hergestellt werden. Auf diese Weise kann an den Ausgangsanschlüssen 52, 54 eine erdfreie geschaltete Gleichspannung erreicht werden.

Das Anwendungsbeispiel in Figur 2 zeigt eine erdfreie, galvanisch entkoppelte Brückenschaltung 100, die zur Anschaltung eines Signalgenerators an eine Fernsprechteil-nehmerleitungsanschlussschaltung an eine Teilnehmerleitung 102,104 dient. Es liegt hier ein sogenannter programmierbarer Signalgenerator vor. In der weiter nicht dargestellten Teilnehmeranschlussschaltung erscheinen ankommende analoge Signale an den Sprechadern 102, 104; diese werden erkannt, digitalisiert un von einem Mikroprozessor verarbeitet, der aus der digitalisierten Spannung ein moduliertes Steuersignal ableitet, das dann zum programmierbaren Signalgenerator zurückgekoppelt wird. Das rückgekoppelte Signal führt zur Erzeugung verschiedener Signale, beispielsweise zur Erzeugung der Rufspannung. Zu diesem Zweck muss der Signalgenerator von der übrigen Teilnehmeranschlussschaltung galvanisch entkoppelt werden, und zwar mit Hilfe eines Transformators 106, der einen Ferritkern aufweist. Da die Grösse des von dem programmierbaren Signalgenerator erzeugten Signals von Eingangssteuersignalen abhängig ist, die vom Mikroprozessor P stammen, wird der Signalgenerator als programmierbar bezeichnet.

Die Primärwicklung 108 des Transformators 102 liegt mit der Arbeitsstrecke eines Transistors 110 in Reihe an einer Gleichspannungsquelle Vcc. Die Sekundärwicklung 118 dieses Transformators ist über eine Diode 114 mit einem Kondensator 116 verbunden, der an den Eingang der aus vier elektronischen Relais S3 bis S5 gebildeten Brückenschaltung angeschlossen ist. Der Steuerelektrode s des Transistors 110 wird vom Mikroprozessor P eine Wechselspannung mit veränderlicher Impulslänge in der Grössenordnung von 50 bis 100 kHz zugeführt; die verstärkte Wechselspannung dient zur Erzeugung einer festen Gleichspannung an den Sprechadern 102,104. Die Impulslänge der an die Steuerelektrode des Transistors 110 angelegten Wechselspannung wird durch den Mikroprozessor P gemäss den an den Sprechadern 102,104 erkannten Laständerungen verändert; auf diese Weise wird beispielsweise dem Abheben des Handapparats Rechnung getragen.

Ausser der Brückenschaltung S3 und S6 sind noch zwei elektronische Relais SI, S2 vorhanden. Jedes Relais SI bis S6 wird durch ein Relais gemäss der Figur 1 gebildet, wobei die vom Mikroprozessor herkommenden Steuerleitungen (Fig. 2) mit den Fremdsteueranschlüssen fs (Fig. 1) dieses Relais ver5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

642 796

4

bunden sind. Die Relais SI, S2 werden zur Erdung der Leitungsadern 102,104 benutzt, wie es für Prüfzwecke erforderlich ist; die zwischen der Brückenschaltung S3 bis S6 und der Leitungsader 104 liegende Induktivität 112 vermeidet einen wechselstrommässigen Kurzschluss der Leitungsadern 102, 104 über den relativ niederohmigen Ausgangswiderstand des Signalgenerators.

Die Primärwicklung 108 speichert Energie gemäss der Beziehung E = l/i L i2. Wenn der Transistor 110 sich im leitenden Zustand befindet, dann befindet sich die Diode 114 im Sperrzustand. Befindet sich der Transistor 110 im Sperrzustand, so befindet sich die Diode 114 im leitenden Zustand, wobei der Kondensator 116 durch die in der Primärwicklung gespeicherte und zur Sekundärwicklung übertragene Energie geladen wird. Diese Energieübertragung wird durch den

Transistor 110 gesteuert, und zwar aufgrund des an seiner Steuerelektrode s wirksamen, impulslängenmodulierten Signals.

Die elektronischen Relais S3 bis S6, die VMOS-Transisto-5 ren aufweisen können, werden von Trenntransformatoren des Mikroprozessors gesteuert, denen Schaltimpulse zugeführt werden. Mit Hilfe dieser Schaltsignale wird mittels des durch die Diode 114 gleichgerichteten Signals und der Relais S3 bis S6 ein Wechselstromsignal erzeugt. Wenn die Relais S3 bis S6 10 eingeschaltet sind, sind die Relais S5 und S6 ausgeschaltet und umgekehrt. Wenn die Relais S3 und S4 eingeschaltet sind, gelangt negatives Potential vom Kondensator 116 zur Leitungsader 102 und positives Potential zur Leitungsader 104. Es ist wichtig, die Erdfreiheit und die galvanische Ent-15 kopplung dieser Relais aufrechtzuerhalten.

G

2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

642 796 PATENTANSPRÜCHE

1. Schaltungsanordnung für ein integriertes elektronisches Relais, dessen Eingang und Ausgang galvanisch entkoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine logische Eingangsschaltung (20) zur steuerbaren Anschaltung einer Eingangswechselspannung mit vorbestimmter Frequenz an ihren Ausgang vorgesehen ist, dass eine zweite Schaltung (28,30,32) vorgesehen ist, die die am Ausgang der Eingangsschaltung (20) auftretende Wechselspannung mit zwei Eingängen einer dritten Schaltung (36) kapazitiv derart koppelt, dass die Wechselspannungen an diesen Eingängen entgegengesetzte Phasenlage aufweisen, dass ferner die dritte Schaltung (36) derart ausgebildet ist, dass an ihrem Ausgang nur dann ein Signal auftritt, wenn ihren beiden Eingängen gegenphasige Wechselspannungen zugeführt werden, und dass ein elektronischer Schalter (48,50) vorgesehen ist, dessen Steuerkreis mit dem Ausgang der dritten Schaltung (36) verbunden ist und dessen Schaltstrecke hohe Durchbruchsspannungswerte und niedrige Durchlasswiderstandswerte aufweist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die logische Eingangsschaltung (20) durch eine NAND-Schaltung mit zwei Eingängen (24) gebildet ist, von denen dem einen Eingang die Eingangswechselspannung zugeführt ist und dem anderen Eingang ein Steuerpotential zuführbar ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schaltung (28,30,32) einen ersten, zwischen dem Ausgang der Eingangsschaltung und dem einen Eingang (40) der dritten Schaltung (36) angeordneten Kondensator (28), einen mit seinem Eingang an den Ausgang der Eingangsschaltung (20) angeschlossenen Inverter (32) und einen zweiten, zwischen dem Ausgang des Inverters und dem anderen Eingang (42) der dritten Schaltung (36) angeordneten Kondensator (30) aufweist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schaltung ferner eine Dioden-Brückenschaltung (34) aufweist, die eingangsseitig mit den zwei Eingängen und ausgangsseitig mit den Speiseeingängen der dritten Schaltung (36) verbunden sind.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schaltung (36) durch eine EXCLUSIV-ODER-Schaltung gebildet ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der steuerbare elektronische Schalter (48, 50) durch zwei in Reihe liegende Schalttransistoren gebildet ist, die parallel gesteuert werden.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalttransistoren (48, 50) MOS-Transistoren sind.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die MOS-Transistoren VMOS-Transi-storen sind.

9. Verwendung von mehreren Schaltungsanordnungen nach Anspruch 1 in Fernsprechanlagen zur Anschaltung von Tonsignalen an Teilnehmerleitungen, dadurch gekennzeichnet, dass mittels solcher Schaltungsanordnungen (S3 bis S6) der Ausgang eines Signalgenerators (100) mit der Teilnehmerleitung (102,104) verbunden wird.