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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein
Verfahren zur Erzeugung eines Ansteuersignals für einen
Transistor, insbesondere einen MOS-Transistor.
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MOS-Transistoren,
wie z. B. IGBT oder MOSFET, können als elektronische Schalter
zum Schalten elektrischer Lasten eingesetzt werden. Bei Schaltvorgängen,
also beim Einschalten oder beim Ausschalten des Transistors, treten
an der Last, in Stromversorgungsleitungen zu dem Transistor und der
Last, in einer Verbindungsleitung zwischen dem Transistor und der
Last, sowie in dem Transistor selbst Spannungs- und Stromänderungen
auf. Die Geschwindigkeit bzw. Steilheit, mit der diese Spannungs-
und Stromänderungen auftreten, ist dabei abhängig
von der Schaltgeschwindigkeit des Transistors, also abhängig
davon, wie schnell der Transistor ein- oder ausschaltet.
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Die
beim Schalten eines Transistors auftretenden Spannungs- und Stromänderungen
können zu elektromagnetischen Störimpulsen führen.
Die Amplitude dieser Störimpulse ist zum Einen von der Schaltgeschwindigkeit
des Transistors und zum Anderen von der Beschaltung des Transistors
mit der Last, und dabei insbesondere von der Art und Länge der
Zuleitungen abhängig. Um die beim Schalten eines Transistors
auftretenden Störimpulse zu reduzieren, gibt es verschiedene
Verfahren, die Schaltgeschwindigkeit eines Transistors einzustellen.
Beispiele solcher Verfahren sind in der
DE 198 55 604 C1 , der
DE 102 17 611 A1 ,
der
DE 102 40 167
B4 , der
DE 10
2004 018 823 B3 , der
DE 103 46 307 B3 oder der
US 2007/025813 beschrieben.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur
variablen Ansteuerung eines Transistors, insbe sondere zur Ansteuerung
mit einstellbarer Schaltgeschwindigkeit, und ein Verfahren zur variablen
Ansteuerung eines Transistors, insbesondere zur Ansteuerung mit
einstellbarer Schaltgeschwindigkeit, zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch
1 und durch ein Verfahren nach Anspruch 15 gelöst.
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Ein
Beispiel einer Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Ansteuersignals
für einen Transistor umfasst: eine Steuerschaltung mit
einem Eingang zur Zuführung eines Schaltsignals und mit
wenigstens einem Ausgang; eine Treiberschaltung mit wenigstens einem
Eingang und mit einem Ausgang zur Bereitstellung des Ansteuersignals;
wenigstens einen Übertragungskanal, der zwischen den wenigstens
einen Ausgang der Steuerschaltung und den wenigstens einen Eingang
der Treiberschaltung geschaltet ist. Die Steuerschaltung dieser
Schaltungsanordnung ist dazu ausgebildet, abhängig von
dem Schaltsignal für jeden Schaltvorgang des Transistors eine
Schaltinformation und eine Schaltparameterinformation über
den Übertragungskanal an die Treiberschaltung zu übertragen,
und die Treiberschaltung ist dazu ausgebildet, das Ansteuersignal
abhängig von der Schaltinformation und abhängig
von der Schaltparameterinformation zu erzeugen.
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Ein
Beispiel eines Verfahrens zur Erzeugung eines Ansteuersignals für
einen Transistor umfasst für jeden Schaltvorgang des Transistors
die Schritte: Bereitstellen einer Schaltinformation und einer Schaltparameterinformation;
Erzeugen eines ersten Signalpegels des Ansteuersignals nach Bereitstellen der
Schaltinformation und Erzeugen eines zweiten Signalpegels des Ansteuersignals,
der von der Schaltparameterinformation abhängig ist, nach
Bereitstellen der Schaltparameterinformation.
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Verschiedene
Beispiele werden nachfolgend unter Bezugnahme auf Figuren erläutert.
Die Figuren dienen zur Erläuterung des Grundprinzips, so
dass lediglich die zum Verständnis dieses Grundprinzips notwendigen
Teile bzw. Bauelementzonen dargestellt. In den Figuren bezeichnen,
sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile
mit gleicher Bedeutung.
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1 zeigt
eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Ansteuersignals für
einen Transistor, der eine Steuerschaltung, einen Übertragungskanal
und eine Treiberschaltung aufweist.
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2 veranschaulicht
die Funktionsweise eines Beispiels der Schaltungsanordnung anhand zeitlicher
Signalverläufe.
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3 veranschaulicht
die Funktionsweise eines weiteren Beispiels der Schaltungsanordnung anhand
zeitlicher Signalverläufe.
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4 zeigt
ein erstes Beispiel eines Übertragungskanals.
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5 zeigt
ein zweites Beispiel eines Übertragungskanals.
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6 veranschaulicht
die Funktionsweise eines weiteren Beispiels einer Schaltungsanordnung anhand
zeitlicher Signalverläufe.
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7 veranschaulicht
anhand zeitlicher Signalverläufe die Funktionsweise eines
Beispiels einer Schaltungsanordnung im Fehlerfall.
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8 veranschaulicht
ein erstes Beispiel einer Informationsübertragung von der
Steuerschaltung zu der Treiberschaltung über den Übertragungskanal.
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9 veranschaulicht
ein zweites Beispiel einer Informationsübertragung.
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10 zeigt
ein Beispiel eines Übertragungskanals für die
Informationsübertragung gemäß 9.
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11 veranschaulicht
ein drittes Beispiel einer Informationsübertragung von
der Steuerschaltung zu der Treiberschaltung.
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12 veranschaulicht
ein viertes Beispiel einer Informationsübertragung von
der Steuerschaltung zu der Treiberschaltung.
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13 veranschaulicht
ein Beispiel eines Übertragungskanals für die
Informationsübertragung gemäß 12.
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14 veranschaulicht
ein Beispiel der Steuerschaltung anhand eines Blockschaltbildes.
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15 veranschaulicht
ein Beispiel der Treiberschaltung anhand eines Blockschaltbilds.
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16 veranschaulicht
ein Beispiel einer Stromquellenschaltung der Treiberschaltung.
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1 veranschaulicht
anhand eines Blockschaltbilds ein Beispiel einer Schaltungsanordnung zur
Erzeugung eines Ansteuersignals S3 für einen Transistor
M. Diese Schaltungsanordnung weist eine Steuerschaltung 1,
eine Treiberschaltung 3 sowie einen zwischen der Steuerschaltung 1 und
der Treiberschaltung 3 angeordneten Übertragungskanal 2 auf. Die
Steuerschaltung 1 weist einen Eingang 11 zur Zuführung
eines Schaltsignals S sowie wenigstens einen Ausgang 12,
der an ein senderseitiges Ende des Übertragungskanals 2 gekoppelt
ist, auf. Die Treiberschaltung 3 weist wenigstens einen
Eingang 31, der an ein empfängerseitiges Ende
des Übertragungskanals 2 gekoppelt ist, sowie
einen Ausgang 32 zur Bereitstellung eines Ansteuersignals
S3 für den Transistor M auf.
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Zum
besseren Verständnis ist ein Transistor M in 1 ebenfalls
dargestellt. Dieser Transistor ist in dem dargestellten Beispiel
ein MOS-Transistor, speziell ein n-Kanal-MOSFET. Es sei darauf hingewiesen,
dass die Verwendung eines n-Kanal-MOSFET lediglich als Beispiel
zu verstehen ist. Die dargestellte Schaltungsanordnung eignet sich
zur Ansteuerung beliebiger MOS-Transistoren, das heißt
auch zur Ansteuerung von IGBT, oder auch zur Ansteuerung von Bipolartransistoren.
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Der
durch die Schaltungsanordnung angesteuerte Transistor M dient beispielsweise
zum Schalten einer Last Z, die in Reihe zu einer Laststrecke des
Transistors M zwischen Klemmen für ein positives Versorgungspotential
V+ und ein negatives Versorgungspotential bzw. Bezugspotential GND
geschaltet ist. Das Ansteuersignal S3 ist einem Steueranschluss
des Transistors M zugeführt. Bei dem in dem Beispiel dargestellten
MOSFET bildet dessen Drain-Source-Strecke D-S dessen Laststrecke,
und dessen Gateanschluss G den Steueranschluss.
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Der Übertragungskanal 2 dient
bei dieser Schaltungsanordnung zur Übertragung von Steuerinformationen
von der Steuerschaltung 1 an die Treiberschaltung 3.
Dieser Übertragungskanal 2 kann eine Potentialbarriere
aufweisen, was nachfolgend noch erläutert wird. Eine solche
Potentialbarriere ist dann sinnvoll, wenn das der Steuerschaltung 1 zugeführte
Schaltsignal S und das durch die Treiberschaltung 3 erzeugte
Ansteuersignal S3 auf unterschiedliche Bezugpotentiale bezogen sind.
Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn der durch die Schaltungsanordnung
anzusteuernde Transistor M ein MOS-Transistor ist, der als High-Side-Schalter
verschaltet ist. Ein MOS-Transistor ist bekanntlich ein spannungsgesteuertes
Bauelement und leitet oder sperrt abhängig von einer Spannung
zwischen dessen Gateanschluss G und dessen Sourceanschluss. Das
Bezugspotential, auf welches ein dem Transistor zugeführ tes
Ansteuersignal S3 bezogen ist, ist bei einem solchen High-Side-Transistor
dessen Sourcepotential. Dieses Sourcepotential variiert abhängig
von dem Schaltzustand des Transistors und kann bei leitendem Transistor
im Bereich des oberen Versorgungspotentials V+ und bei sperrendem
Transistor im Bereich des negativen Versorgungspotentials bzw. Bezugspotentials
GND liegen. Das der Steuerschaltung 1 zugeführte
Schaltsignal S kann hingegen auf ein konstantes Potenzial bezogen
sein, wie zum Beispiel Bezugspotenzial GND.
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Das
Schaltsignal S bestimmt den gewünschten Schaltzustand des
Transistors M, enthält also eine Information darüber,
ob der Transistor M leitend oder ob der Transistor M sperrend angesteuert
werden soll. Das Schaltsignal S kann insbesondere eine Information über
die Zeitpunkte enthalten, zu denen eine leitende oder sperrende
Ansteuerung des Transistors erfolgen soll. Das Schaltsignal S kann
ein beliebiges Signal sein, das geeignet ist, eine solche Einschaltinformation
und Ausschaltinformation an die Steuerschaltung 1 zu liefern.
Bezugnehmend auf 2 ist dieses Schaltsignal S
beispielsweise ein zweiwertiges Signal, das einen Einschaltpegel
und einen Ausschaltpegel annehmen kann, wobei der Transistor M jeweils
dann eingeschaltet werden soll, wenn das Schaltsignal S einen Einschaltpegel
annimmt, und ausgeschaltet werden soll, wenn das Schaltsignal S
einen Ausschaltpegel annimmt. Für die weitere Erläuterung
sei angenommen, dass der Einschaltpegel des Schaltsignals S ein
High-Pegel und der Ausschaltpegel des Schaltsignals S ein Low-Pegel
ist. Selbstverständlich können diese Signalpegel
auch entsprechend vertauscht werden. Bei einem solchen zweiwertigen
Schaltsignal ist die Schaltinformation für den Transistor
M in Pegelwechseln dieses Signals enthalten, wobei der Transistor
M dann eingeschaltet werden soll, wenn ein Pegelwechsel des Schaltsignals
S vom Ausschaltpegel zum Einschaltpegel vorliegt, und wobei der
Transistor M ausgeschaltet werden soll, wenn ein Pegelwechsel von
dem Einschaltpegel zu dem Ausschaltpegel des Schaltsignals S vorliegt.
In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass die Verwendung
eines zweiwertigen Signals als Schaltsignal S lediglich als Beispiel
zu verstehen ist. Selbstverständlich eignet sich jedes
beliebige Signal, das geeignet ist, Einschalt- und Ausschaltinformationen
für den Transistor M zu übertragen.
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Die
Funktionsweise der in 1 dargestellten Schaltungsanordnung
wird nachfolgend anhand zeitlicher Signalverläufe, die
in 2 dargestellt sind, näher erläutert.
Dargestellt sind in 2 ein zeitlicher Verlauf des
Schaltsignals S, ein zeitlicher Verlauf eines von der Steuerschaltung 1 an
die Treiberschaltung 3 über den Kanal 2 übertragenen
Informationssignals S1, ein durch die Treiberschaltung 3 erzeugtes
Ansteuersignal S3, sowie der aus diesem Ansteuersignal S3 resultierende
zeitliche Verlauf einer Ansteuerspannung VGS des
Transistors M. Das Ansteuersignal S3 ist in dem dargestellten Beispiel ein
Ansteuerstrom, der eine Gate-Source-Kapazität (nicht dargestellt)
des Transistors M lädt oder entlädt.
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In
dem in 2 dargestellten Beispiel liegt zum Zeitpunkt t1
eine Einschaltinformation in Form einer steigenden Flanke des Schaltsignals
S vor. Die Steuerschaltung 1 ist dazu ausgebildet, diese
in dem Schaltsignal S enthaltene Einschaltinformation zu detektieren
und eine entsprechende Schaltinformation In1 über den Übertragungskanal 2 an
die Treiberschaltung 3 zu übertragen. Zu Zwecken
der Erläuterung sei angenommen, dass die ein gewünschtes Einschalten
des Transistors M repräsentierende Schaltinformation ein
positiver Signalimpuls des Informationssignals S1 ist. Die Steuerschaltung 1 ist außerdem
dazu ausgebildet, außer der Schaltinformation eine Schaltparameterinformation
In2 über den Übertragungskanal 2 an die
Treiberschaltung 3 zu übertragen. Eine solche
Schaltparameterinformation In2 kann durch die Steuerschaltung 1 für
jeden Schaltvorgang des Transistors M übertragen werden.
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Die
Schaltparameterinformation In2 enthält eine Information
zum Ablauf des Schaltvorgangs. Die Schaltparameterinformation In2
kann beispielsweise eine Schaltgeschwindigkeitsinformation enthalten, die
angibt, mit welcher Geschwindigkeit, der Transistor M seinen Schaltzustand ändern
soll, und die damit die Steilheit der Schaltflanken beeinflusst.
Die Schaltparameterinformation In2 kann auch eine Information darüber
enthalten, welche maximale Amplitude eine Ansteuerspannung des Transistors
erreichen soll. Die Schaltparameterinformation In2 kann auch eine
Verzögerungsinformation enthalten, die beispielsweise eine
Wartezeit zwischen dem Vorliegen der Schaltinformation und dem Beginn
des Schaltvorgangs definiert.
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Als
einer der Schaltparameter, die durch die Schaltparameterinformation
In2 beeinflusst werden, sei nachfolgend insbesondere die Schaltgeschwindigkeit
betrachtet. Die Schaltgeschwindigkeit eines MOS-Transistors ist
unmittelbar abhängig von der Amplitude eines Ansteuerstroms,
das heißt bei einem Einschalten von der Amplitude eines
auf die Gate-Source-Kapazität fließenden Ladestroms
und beim Ausschalten von einem von der Gate-Source-Kapazität
fließenden Entladestroms. Die Schaltparameterinformation
In2 enthält in diesem Fall eine Information über
die gewünschte Amplitude des Ansteuersignals bzw. Ansteuerstroms
S3. Die Schaltparameterinformation In2 und die Schaltinformation
In1 können in einer beliebigen – definierten und
der Treiberschaltung bekannten – zeitlichen Abfolge an
die Treiberschaltung übertragen werden.
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Die
Schaltparameterinformation In2 kann – wie in 2 dargestellt – insbesondere
zeitlich nach der Schaltinformation In1 übertragen werden.
Abweichend davon besteht auch die Möglichkeit, die Schaltparameterinformation
In2 zeitlich vor der Schaltinformation In1 oder die Schaltinformation
eingebettet in die Schaltparameterinformation In2, d. h. zeitlich
zwischen zwei Sequenzen der Schaltparameterinformation In2, zu übertragen.
Wie nachfolgend noch erläutert werden wird, besteht auch
die Möglichkeit, die Schaltinformation In1 und die Schaltgeschwindigkeitsinformation
In2 gleichzeitig über zwei parallele Übertragungskanäle
an die Treiberschaltung 3 zu übertragen.
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Die
Schaltinformation In1 und die Schaltparameterinformation In2 bilden
eine Steuerinformation, die von der Steuerschaltung an die Treiberschaltung 3 übertragen
wird. Eine Zeitdauer, während der diese Steuerinformationen
In1, In2 übertragen werden, ist in den Figuren mit Tc bezeichnet.
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S1'
bezeichnet in 1 ein am empfängerseitigen
Ende des Übertragungskanals 2 zur Verfügung
stehendes Informationssignal. Bei störungsfreier Übertragung
entspricht dieses am empfängerseitigen Ende zur Verfügung
stehende Informationssignal S1' dem gesendeten Informationssignal
S1, und enthält damit die Schaltinformation In1 und die
Schaltparameterinformation In2In2. Bedingt durch Signallaufzeiten
in dem Übertragungskanal 2 kann das der Treiberschaltung 3 zugeführte
Informationssignal S1' gegenüber dem von der Steuerschaltung
gesendeten Informationssignal S1 zeitlich verzögert sein.
Zur Vereinfachung der Darstellung sind solche zeitlichen Verzögerungen
bei der Übertragung über den Übertragungskanal 2 sowie
durch Signallaufzeiten innerhalb der Steuerschaltung 1 und
der Treiberschaltung 3 in den Figuren nicht berücksichtigt.
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Die
Treiberschaltung 3 ist dazu ausgebildet, das Ansteuersignal
S3 abhängig von der Schaltinformation In1 und abhängig
von der Schaltparameterinformation In2 zu erzeugen. In dem dargestellten
Beispiel, bei dem das Ansteuersignal S3 ein Ladestrom oder Entladestrom
für die Gate-Source-Kapazität des Transistors
M ist, bestimmt die Schaltinformation In1 das Vorzeichen des Ansteuersignals
S3 und die Schaltparameterinformation In2 dessen zeitlichen Verlauf,
und dabei insbesondere dessen Amplitude. Die Schaltparameterinformation
In2 kann in Form eines digitalen Datenwortes übertragen
werden, das in 2 lediglich schematisch dargestellt
ist.
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t2
bezeichnet in 2 einen Zeitpunkt, zu dem die
Schaltparameterinformation In2 vollständig an die Treiberschaltung 3 übertragen
ist. Die Treiberschaltung 3 ist in diesem Beispiel dazu
ausgebildet, den bisherigen Pegel des Ansteuersignals S3 bis zu diesem
Zeitpunkt t2 beizubehalten und den Signalpegel des Ansteuersignals
S3 zum Zeitpunkt t2 oder nach diesem Zeitpunkt t2 entsprechend der
Schaltparameterinformation In2 einzustellen. Der durch die Schaltparameterinformation
In2 für den Einschaltvorgang repräsentierte Signalpegel
ist in 2 mit L1 bezeichnet. Das Ansteuersignal S3 besitzt
in dem dargestellten Beispiel ab dem Zeitpunkt t2 ein positives
Vorzeichen, es fließt also ein Ladestrom auf die Gate-Source-Kapazität
des Transistors M, wodurch dessen Gate-Source-Spannung VGS ab dem Zeitpunkt t2 ansteigt.
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t5
bezeichnet in 2 einen Zeitpunkt, zu dem die
Schwellenspannung Vth des Transistors M erreicht ist, ab der der
Transistor M zu Leiten beginnt. Bedingt durch den bekannten Miller-Effekt
verbleibt die Ansteuerspannung VGS trotz
fließendem Ladestrom für eine Zeitdauer auf dem
Wert der Schwellenspannung Vth, um anschließend weiter
bis auf einen Maximalwert anzusteigen. Dieser Maximalwert ist im Wesentlichen
bestimmt durch die Eigenschaften einer Stromquelle (nicht dargestellt)
in der Treiberschaltung 3, die den Ansteuerstrom bzw. Ladestrom S2
bereitstellt. In diesem Zusammenhang sei noch angemerkt, dass der
zeitliche Verlauf der Ansteuerspannung VGS in 2 lediglich
schematisch dargestellt ist.
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t3
bezeichnet in 2 einen Zeitpunkt, zu dem das
Schaltsignal S1 eine Ausschaltinformation in Form einer fallenden
Flanke dieses Schaltsignals aufweist. Zu diesem Zeitpunkt wird eine
Schaltinformation In1 durch die Steuerschaltung 1 erzeugt
und an die Treiberschaltung 3 übertragen. Diese
Schaltinformation für ein Ausschalten des Transistors M
ist in dem dargestellten Beispiel ein negativer Signalimpuls des
Informationssignals S1. Anschließend an diese Schaltinformation
In1 wird eine Schaltparameterinformation In2 übertragen, die
die Amplitude des Ansteuersignals S3 für den Ausschaltvorgang
festlegt. Diese Amplitude für den Ausschaltvorgang kann sich
von der Amplitude für den Einschaltvorgang unterscheiden,
d. h. die Schaltparameterinformation für den Ausschaltvorgang
kann sich von der Schaltparameterinformation für Einschaltvorgang
unterscheiden. Die Steuerinformation ist in dem dargestellten Beispiel
zum Zeitpunkt t4 übertragen. Ab diesem Zeitpunkt stellt
die Treiberschaltung 3 das Ansteuersignal S3 auf den für
den Ausschaltvorgang gewünschten Wert ein. Das Ansteuersignal
S3 besitzt für den Ausschaltvorgang in dem dargestellten
Beispiel ein negatives Vorzeichen, es fließt also ein Entladestrom
von der Gate-Source-Kapazität, dessen Amplitude durch die
die nach dem Zeitpunkt t3 übertragene Schaltparameterinformation
In2 bestimmt ist. Die Ansteuerspannung VGS des
Transistors M sinkt nach dem Zeitpunkt t4 bedingt durch den Entladestrom
ab, verbleibt dann durch den Miller-Effekt für eine Zeitdauer
auf dem Wert der Schwellenspannung Vth, um anschließend
weiter bis auf Null abzusinken.
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Bei
dem anhand von 2 erläuterten Beispiel
beginnt ein Schaltvorgang des Transistor M erst nachdem die Schaltparameterinformation
In2 übertragen wurde, d. h. in dem dargestellten Beispiel
erst am Ende der Zeitdauer Tc, in der die Steuerinformationen übertragen
werden. Um die Schaltvorgänge zu beschleunigen, ist die
Treiberschaltung 3 bei einem weiteren Beispiel dazu ausgebildet,
unmittelbar nach Vorliegen einer Schaltinformation einen ersten Signalpegel
des Ansteuersignals S3 einzustellen, dessen Vorzeichen die jeweilige
Schaltinformation berücksichtigt, und erst nach Erhalt
der Schaltparameterinformation In2 den Pegel des Ansteuersignals S3
auf die durch die Schaltparameterinformation In2 repräsentierte
Amplitude einzustellen. Zugehörige zeitliche Signalverläufe
sind in 3 dargestellt.
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t11
bezeichnet in 3 einen Zeitpunkt, zu dem die
Schaltinformation In1 in der Treiberschaltung 3 vorliegt.
Ab diesem Zeitpunkt stellt die Treiberschaltung 3 einen
ersten Signal pegel L2 des Ansteuersignals S3 ein. Das Vorzeichen
dieses Signalpegels berücksichtigt die jeweilige Schaltinformation.
In dem dargestellten Beispiel besitzt das Ansteuersignal S3 ein
positives Vorzeichen, wenn die Schaltinformation eine Einschaltinformation
ist, und ein negatives Vorzeichen, wenn die Schaltinformation eine Ausschaltinformation
ist. Der zweite Signalpegel L1 des Ansteuersignals entspricht dem
zuvor bereits anhand von 2 erläuterten Signalpegel
L1. Der erste Signalpegel L2 kann größer oder
kleiner als der zweite Signalpegel L1 sein. Bei einem Beispiel ist
vorgesehen, dass dieser erste Signalpegel L2 einem maximalen Signalpegel
entspricht, den das Ansteuersignal S3 für den jeweiligen
Schaltvorgang, d. h. den Einschaltvorgang oder den Ausschaltvorgang,
annehmen kann. Bei diesem Beispiel ändert sich die Ansteuerspannung
VGS des Transistors M bereits ab dem Zeitpunkt
t11, zu dem die Schaltinformation vorliegt. Bei dem ab dem Zeitpunkt
t1 dargestellten Einschaltvorgang steigt diese Ansteuerspannung
VGS ab dem Zeitpunkt t11 an. Die Gate-Source-Kapazität wird
dadurch vorgeladen, bevor zum Zeitpunkt t2 die Schaltparameterinformation
vorliegt und die Treiberschaltung 3 den Signalpegel des
Ansteuersignals S3 auf den durch die Schaltparameterinformation
In2 zweiten Wert einstellt. Das ”Vorladen” der
Gate-Source-Kapazität hat keine unmittelbare Auswirkung
auf die Schaltflanken eines durch den Transistor M geschalteten
Laststroms bzw. die über dem Transistor M oder der Last
Z anliegenden Spannungen, solange die Gate-Source-Spannung VGS während dieser Zeitdauer nicht
den Schwellenwert Vth erreicht. Der erste Signalpegel L2 und die
Zeitdauer Tc, während der die Steuerinformation übertragen
wird, sollten also so aufeinander abgestimmt sein, dass die Schwellenspannung
Vth des Transistors M nicht erreicht wird, bevor die Schaltparameterinformation
an die Treiberschaltung 3 übertragen wurde. t6
bezeichnet in 3 einen Zeitpunkt, zu dem die
Schwellenspannung Vth bzw. das Miller-Plateau erreicht ist.
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Ein
Abschaltvorgang des Transistors M funktioniert bei dem in 3 dargestellten
Beispiel entsprechend des Einschaltvorgangs. Zu einem Zeitpunkt
t31 liegt die Abschaltinformation in der Treiberschaltung 3 vor.
Die Treiberschaltung 3 stellt daraufhin einen ersten Signalpegel
L4 des Ansteuersignals S3 für den Abschaltvorgang ein,
bevor zu einem Zeitpunkt t4 die Schaltparameterinformation vorliegt
und die Treiberschaltung 3 den Signalpegel für
den Abschaltvorgang auf einen zweiten Pegelwert L3 einstellt, der
durch die Schaltparameterinformation In2 für den Abschaltvorgang
repräsentiert ist.
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Der Übertragungskanal 2 zwischen
der Steuerschaltung 1 und der Treiberschaltung 3 kann
ein beliebiger zur Signalübertragung geeigneter Übertragungskanal
sein. Dieser Übertragungskanal 2 kann – wie
bereits kurz erwähnt – insbesondere eine Potenzialbarriere – enthalten.
Ein Beispiel eines Übertragungskanals 2 mit einer
solchen Potenzialbarriere ist in 4 dargestellt.
Die Potenzialbarriere des Übertragungskanals 2 ist
in dem dargestellten Beispiel ein Transformator 22 mit
einer Primärwicklung 221 und einer
induktiv mit der Primärwicklung gekoppelten Sekundärwicklung 222 . Dieser Transformator 22 kann
insbesondere ein Transformator ohne Transformatorkern (Coreless
Transformer) bzw. Luftspulenübertrager sein. Solche Transformatoren
können Teil einer integrierten Schaltung sein, in der die
Steuerschaltung 1 und die Treiberschaltung 3 integriert
sein können. Der Übertragungskanal 2 umfasst
außerdem einen Modulator 21, dem das Informationssignal S1
von der Steuerschaltung 1 zugeführt ist, und der an
die Primärwicklung 221 abgeschlossen
ist. Dieser Modulator 21 ist dazu ausgebildet, das von
der Steuerschaltung 1 zur Verfügung gestellte
Informationssignal S1 auf ein zur Übertragung über
den Transformator 22 geeignetes Signal umzusetzen. In entsprechender
Weise ist an die Sekundärwicklung 222 ein Demodulator 23 angeschlossen,
der dazu ausgebildet ist, die von der Primärwicklung 221 an die Sekundärwicklung 222 übertragenen Signale in das
der Treiberschaltung 3 zugeführt Informationssignal
S1' umzusetzen. Solche Modulatoren 21 und Demodulatoren 23 zur
Signalübertragung über einen Transformator sind
hinlänglich bekannt, so dass auf weitere Ausführungen
hierzu verzichtet werden kann.
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Transformatoren,
insbesondere kernlose Transformatoren sind in der Lage die Steuerinformationen
In1, In2 in einer für den Schaltvorgang erforderlichen
Geschwindigkeit zu übertragen. Soll beispielsweise die
Steuerinformation innerhalb einer Zeitdauer von 100 ns übertragen
werden und umfasst die Steuerinformation beispielsweise 5 Bit, so ist
eine Übertragungsrate von 50 MBaud erforderlich, die durch
kernlose Transformatoren problemlos gewährleistet werden
kann. Eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit der Steuerinformation
ist insbesondere dann erforderlich, wenn – wie bei dem
Beispiel gemäß 3 – der
Schaltvorgang des Transistors M bereits eingeleitet wird, noch bevor
die Schaltparameterinformation In2 vorliegt. In diesem Fall sollte, wie
bereits erwähnt, sichergestellt sein, dass die Schaltparameterinformation
in der Treiberschaltung 3 vorliegt, noch bevor der Transistor
M seine Schwellenspannung Vth erreicht und beginnt seinen Schaltzustand
zu ändern.
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Bezugnehmend
auf 5 kann anstelle eines Transformators auch ein
Optokoppler 25 zur Potentialtrennung in dem Übertragungskanal 2 vorgesehen
sein. Senderseitig ist an diesen Optokoppler 25 ein Modulator 24 angeschlossen,
der das Informationssignal S1 in Signal umsetzt, die zur Übertragung über
den Optokoppler 25 geeignet sind. Empfängerseitig
ist an den Optokoppler 25 ein Demodulator 26 angeschlossen,
der dazu ausgebildet ist, die über den Optokoppler 25 übertragenen
Signale in das der Treiberschaltung zugeführte Informationssignal
S1' umzusetzen. Optokoppler, sowie zugehörige Modulatoren
und Demodulatoren sind hinlänglich bekannt, so dass auf
weitere Ausführungen hierzu verzichtet werden kann.
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6 veranschaulicht
ein weiteres Beispiel einer Schaltungsanordnung anhand zeitlicher
Signalverläufe. Dargestellt sind in 6 die Signalverläufe für
einen Einschaltvorgang des Transistors M. Der Ausschaltvorgang funktioniert
entsprechend. Die Steuerschaltung 6 ist bei diesem Beispiel
dazu ausgebildet, die zum Zeitpunkt t1 erstmalig übertragene Schaltinformation
In1 aufzufrischen, d. h. zu einem späteren Zeitpunkt wenigstens
einmal nochmals zu übertragen, sofern zwischenzeitlich
keine neue Schaltinformation in dem Schaltsignal S vorliegt. Tr bezeichnet
in 6 den zeitlichen Abstand zwischen dem erstmaligen Übertragen
einer Schaltinformation In1 und einem ersten erneuten Übertragen
der Schaltinformation In1. Wie in 6 gestrichelt
dargestellt ist, kann diese Schaltinformation In1 in regelmäßigen Zeitabständen
Trp übertragen werden, kann jedoch auch in unregelmäßigen
Zeitabständen erneut übertragen werden, solange
keine neue Schaltinformation in dem Schaltsignal S vorliegt, solange
sich – bezogen auf das dargestellte Beispiel – der
Signalpegel des Schaltsignals S also nicht ändert.
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Für
die erstmalige Übertragung der Schaltinformation In1 zum
Zeitpunkt t2 und die Übertragung der Schaltparameterinformation
In2, sowie die Erzeugung des Steuersignals S3 aus diesen während der
Zeitdauer Tc übertragenen Steuerinformationen gelten die
zuvor gemachten Ausführungen. Die Treiberschaltung 3 kann
das Steuersignal S3 also entsprechend der Ausführungen
zu 2, was in 6 als durchgezogene
Linie dargestellt ist, oder entsprechend der Ausführungen
zu 3 erzeugen, was in 6 durch
die durchgezogene und strichpunktierte Linie dargestellt ist.
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Bei
einem Beispiel ist vorgesehen, dass die Steuerschaltung ab einem
Zeitpunkt t7, zu dem zum ersten Mal die Schaltinformation In1 erneut übertragen
wird, den Signalpegel des Ansteuersignals S3 ändert und
insbesondere erhöht. Dies ist in 6 anhand
einer gepunkteten Linie veranschaulicht. Die Treiberschaltung 3 kann
beispielsweise dazu ausgebildet sein, ab diesem Zeitpunkt t7 einen
für den jeweiligen Schaltvorgang maximalen Signalpegel
des Ansteuersignals S3 auszugeben. Der zeitliche Abstand zwischen
dem erstmaligen Übertragen der Schaltinformation und dem
ersten wiederholten Übertragen der Schaltinformation sollte
dabei so groß sein, dass zu dem Zeitpunkt t7, zu dem sich
der Pegel des Ansteuersignals ändert, der Schaltvorgang
im Wesentlichen abgeschlossen ist, so dass die Änderung
des Signalpegels des Ansteuersignals S3 keine Auswirkungen mehr
auf die Schaltgeschwindigkeit bzw. die Steilheit der Schaltflanken
hat.
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7 erläutert
die Funktionsweise eines weiteren Beispiels der Treiberschaltung 3 anhand zeitlicher
Signalverläufe. Diese Treiberschaltung ist dazu ausgebildet,
den Transistor M sperrend anzusteuern, wenn nach Ablauf einer Wartezeit
Tw nach Erhalt der ersten Schaltinformation In1 keine erneute Übertragung
der Schaltinformation ermittelt wird. In diesem Fall wird von einem
Fehler in der Steuerschaltung 1 oder dem Übertragungskanal 2 ausgegangen,
so dass der Transistor M aus Sicherheitsgründen gesperrt
wird. Dies ist in 7 dadurch dargestellt, dass
das Ansteuersignal S3 nach Ablauf der Wartezeit Tw auf einen Ausschaltpegel
wechselt, also auf einen Pegel, bei dem der Transistor M sperrend
angesteuert wird.
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Die
von der Steuerschaltung 1 an die Treiberschaltung 3 über
den Kanal 3 übertragenen Steuerinformationen können
auf beliebige Weise kodiert werden. Beispiele möglicher Übertragungsverfahren en
werden nachfolgend erläutert. Bezugnehmend auf 8 können
die Steuerinformationen als binär kodierte Daten über
einen einzigen Übertragungskanal übertragen werden,
wobei positive Signalimpulse des Informationssignals S1 einen ersten
Wert, beispielsweise eine logische ”1”, und negative
Signalimpulse einen zweiten Wert, beispielweise eine logische ”0”,
der zu übertragenden binären Daten repräsentieren.
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Zur
Erhöhung der Übertragungssicherheit besteht bezugnehmend
auf 9 auch die Möglichkeit, die zu übertragenden
binären Daten differenziell kodiert zu übertragen.
In diesem Fall sind zwei Übertragungskanäle zwischen
der Steuerschaltung 1 und der Treiberschaltung 3 vorhanden, über
die jeweils komplementäre Signalimpulse übertragen
werden. Die Treiberschaltung 3 kann in diesem Fall dazu
ausgebildet sein, nur komplementäre Impulse auf den beiden
Kanälen als Informationsimpulse zu akzeptieren. Störimpulse,
die sich als Gleichtaktimpulse auf beiden Kanälen auswirken
würden, können so nicht fälschlicherweise
zu einer Änderung des Schaltzustands des Transistors M
führen. S1 bezeichnet in 9 das Informationssignal
und S11, S12 bezeichnen
die über die beiden Kanäle übertragenen
ersten und zweiten Informationssignale, von denen in dem Beispiel
eines S11 dem Informationssignal S1 entspricht.
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Ein
Beispiel eines Übertragungskanals für die anhand
von 9 erläuterte Übertragung ist
in 10 dargestellt. Dieser Übertragungskanal
umfasst in dem dargestellten Beispiel zwei Transformatoren 221 , 222 mit
je einer Primärwicklung 2211 , 2221 und einer Sekundärwicklung 2212 , 2222 .
An jeden dieser Transformatoren 221 , 222 ist senderseitig ein Modulator 211 , 212 und
empfängerseitig ein Demodulator 231 , 232 angeschlossen. Das Informationssignal S1
ist einem ersten 211 dieser Modulatoren
unmittelbar und einem zweiten 212 dieser
Modulatoren über einen Inverter 27 invertiert
zugeführt, so dass über die beiden Kanäle
den Transformatoren 221 , 222 jeweils komplementäre Informationssignale übertragen werden.
Am Ausgang dieses Übertragungskanals 2 stehen
entsprechend zwei komplementäre Informationssignale S11' und S12' zur Verfügung,
die durch die Treiberschaltung 3 in erläuterter
Weise weiterverarbeitet werden.
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Die
bisher erläuterten Verfahren erfordern Modulatoren, die
in der Lage sind, sowohl positive als auch negative Signalimpulse über
den jeweiligen Kanal zu übertragen. Bei einem weiteren Übertragungsverfahren,
das in 11 dargestellt ist, sind zwei Übertragungskanäle
vorhanden, über die jeweils ein Informationssignal S11, S12 übertragen
wird. Einer dieser Ka näle dient dabei zur Übertragung
der Bits mit der logischen 1 und der andere der Kanäle
dient zur Übertragung der Bits mit logischen 0 der Steuerinformation.
In diesem Fall können über jeden dieser Kanäle
nur positive Signalimpulse übertragen werden.
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Bezugnehmend
auf 12 ist bei einem weiteren Beispiel vorgesehen,
die Schaltinformation In1 und die Schaltparameterinformation In2
zeitlich parallel über zwei parallele Übertragungskanäle
zu übertragen. Ein erstes Informationssignal S11, das von der Steuerschaltung 1 an
die Treiberschaltung 3 übertragen wird, enthält
in diesem Fall die Schaltinformationen, und ein zweites Informationssignal
S12, das von der Steuerschaltung 1 an
die Treiberschaltung 3 übertragen wird, enthält
in diesem Fall die Schaltparameterinformationen In2.
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13 veranschaulicht
ein Beispiel eines Übertragungskanals 2 für
eine solche Übertragung der Steuerinformationen. Dieser Übertragungskanal 2 umfasst
entsprechend des anhand von 10 erläuterten Übertragungskanals
zwei Transformatoren 221 , 222 , zwei Modulatoren 211 , 212 und zwei Demodulatoren 231 , 232 .
Die Steuerschaltung 1 erzeugt bei diesem Beispiel zwei
Informationssignale S11, S12 an zwei
Ausgängen 121 , 122 , von denen das erste Informationssignal
die Schaltinformation und das zweite Informationssignal die Schaltparameterinformation enthält.
Entsprechend stehen am Ausgang des Kanals 2 zwei Informationssignale
S11', S12' zur Verfügung,
die zwei Eingängen 311 , 312 der Treiberschaltung 3 zugeführt
sind.
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Die
Treiberschaltung 3 kann dazu ausgebildet sein, die über
der Übertragungskanal 2 erhaltene Schaltparameterinformation
In2 direkt umzusetzen, d. h. die erhaltenen Informationen ohne weiteres
umzusetzen. Damit sind abhängig von der Schaltparameterinformation
In2 beliebige Änderungen der Schaltparameter von Schaltvorgang
zu Schaltvorgang möglich. Bei einem weite ren Beispiel ist
die Treiberschaltung 3 dazu ausgebildet, von Schaltvorgang
zu Schaltvorgang keine beliebigen Änderungen der Schaltparameter
zuzulassen, sondern diese Änderungen zu begrenzen. Dem
liegt die Überlegung zugrunde, dass starke Änderungen
von Schaltvorgang zu Schaltvorgang der durch die Treiberschaltung 3 empfangenen
Schaltparameter durch Fehler bei der Übertragung bedingt
sein können. Die Treiberschaltung kann beispielsweise dazu
ausgebildet sein, eine Änderung des Ansteuerstroms S3 von Schaltvorgang
zu Schaltvorgang auf einen vorgegebenen Maximalwert zu begrenzen.
Ist diese maximal zulässige Änderung beispielsweise ΔS3max und ist diese maximal zulässige Änderung
kleiner als eine Differenz zwischen einem minimal möglichen
Ansteuerstrom S3min und einem maximal möglichen
Ansteuerstrom S3max, so sind mehrere Schaltvorgänge notwendig
bis der Ansteuerstrom S3 ausgehend von dem Minimalwert S3min auf den Maximalwert S3max ansteigen
kann, und umgekehrt.
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Die 14 und 15 zeigen
Blockschaltbilder von Beispielen der Steuerschaltung 1 und
der Treiberschaltung 3. Die Steuerschaltung 1 weist
in dem Beispiel eine Signalverarbeitungsschaltung 13 auf,
der das Schaltsignal S zugeführt ist, und die das wenigstens
eine Informationssignal S1 aus dem Schaltsignal S erzeugt. Die Schaltparameterinformationen
In2 sind in einem Speicher 14, wie z. B. einem Register 14,
abgespeichert, das an die Signalverarbeitungsschaltung 13 angeschlossen
ist. Dieser Speicher kann herstellerfertig fest programmiert sein. Der
Speicherinhalt kann jedoch auch durch den Anwender fest programmiert
sei, oder auch während des Betriebs verändert
werden, was in 14 gestrichelt dargestellt ist. Über
den Inhalt dieses Speichers besteht insbesondere die Möglichkeit,
die Schaltgeschwindigkeit über mehrere Schaltvorgänge
des Transistor M adaptiv einzustellen. Adaptive Verfahren zur Einstellung
der Schaltgeschwindigkeit eines Transistors sind grundsätzlich
bekannt, so dass auf weitere Ausführungen hierzu verzichtet
werden kann.
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Die
Steuerschaltung 1 kann weitere Speicher 15, 16 umfassen,
in denen beispielsweise die Zeitdauer Tr gespeichert ist, ab der
zum ersten Mal die Schaltinformation erneut übertragen
werden soll, oder in denen eine Periodendauer Trp gespeichert ist,
mit welcher die Schaltinformation periodisch wiederholt werden soll.
Die Steuerschaltung 1 kann insbesondere als Mikrocontroller
realisiert sein.
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Die
Treiberschaltung 3 weist bezugnehmend auf 15 eine
Signalverarbeitungsschaltung 33 auf, der das wenigstens
eine Informationssignal S1' zugeführt ist. Am Ausgang dieser
Signalverarbeitungsschaltung 33 steht ein Steuersignal
S33 zur Verfügung, das eine Stromquellenanordnung 35 ansteuert,
die das Steuersignal S3 zur Verfügung stellt. Das Stromsteuersignal
S33 bestimmt dabei sowohl die Stromrichtung als auch die Amplitude
des durch die Stromrichtung des durch die Stromquellenanordnung 35 bereitgestellten
Stromes S3. Die Treiberschaltung 3 kann einen Speicher 34 enthalten,
in dem eine Information über die Übertragungszeit
Tc gespeichert ist, innerhalb derer die Steuerinformationen übertragen
werden. Die Signalverarbeitungsschaltung 33 kann diese
Information nutzen, um nach Erhalt eines ersten Signalimpulses von
der Steuerschaltung 1 das Ende der Übertragungsdauer
der Steuerinformationen zu ermitteln und abhängig von diesem
Ende der Übertragungsdauer Vorzeichen und Amplitude des
Ansteuersignals S3 einzustellen.
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Bezüglich
der im Zusammenhang mit den 14 und 15 erläuterten
Speicher sei noch erwähnt, dass diese Speicher auch als
Speicher realisiert werden können, deren Speicherinhalt
durch eine äußere Beschaltung, z. B. mit Widerständen, vorgegeben
ist. Der Speicherinhalt ist in diesem Fall allerdings nur durch Änderung
der Beschaltung veränderbar.
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16 zeigt
ein Beispiel einer Stromquellenanordnung 35 der Treiberschaltung 3.
Diese Stromquellenanordnung 35 weist eine Anzahl Stromquellen 361 , 362 , 36n , 381 , 382 , 38n von
denen eine erste Gruppe 361 , 362 , 36n parallel
zueinander und zwischen eine Klemme für ein erstes Versorgungspotenzial
und den Ausgang 32 und von denen eine zweite Gruppe 381 , 382 , 38n parallel zueinander und zwischen eine
Klemme für ein zweites Versorgungspotenzial, in dem Beispiel
das Sourcepotenzial des Transistors M, und den Ausgang 32 geschaltet
sind. Diese Stromquellen sind einzeln durch eine Steuerschaltung 40,
der das Stromsteuersignal S33 zugeführt ist, aktivierbar
oder deaktivierbar. Zur Aktivierung oder Deaktivierung der einzelnen
Stromquellen sind in dem dargestellten Beispiel Schalter 371 , 372 , 37n , 391 , 392 , 39n vorgesehen,
von denen jeweils einer in reihe zu einer der Stromquellen geschaltet
ist und die durch die Steuerschaltung 40 angesteuert sind.
Die Aktivierung oder Deaktivierung der Stromquellen erfolgt abhängig
von dem Steuersignal S33 mit dem Ziel, die Stromrichtung des Ansteuerstromes S3
und dessen Amplitude einzustellen. Zur leitenden Ansteuerung des
Transistors M werden eine oder mehrere Stromquellen 361 , 362 , 36n der ersten Gruppe und zur sperrenden
Ansteuerung des Transistors M werden eine oder mehrere Stromquellen 381 , 382 , 38n der zweiten Gruppe angesteuert. Die
von den einzelnen Stromquellen gelieferten Ströme können jeweils
gleich sein, können sich jedoch auch unterscheiden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19855604
C1 [0003]
- - DE 10217611 A1 [0003]
- - DE 10240167 B4 [0003]
- - DE 102004018823 B3 [0003]
- - DE 10346307 B3 [0003]
- - US 2007/025813 [0003]