DE2553764A1 - Nulldurchgangsdetektor - Google Patents
NulldurchgangsdetektorInfo
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Description
Licentia Patent-Verwaltungs-GrnbH ^ ^ O O I Ό Η
6 Frankfurt/Main, Theodor-Stern-Kai 1
Heilbronn, den 27.11.1975 PT-Ma/sr - HN 75/20
Nulldurchgangsdetektor
Die Erfindung betrifft einen Nulldurchgangsdetektor für bipolare Schaltungen aus zwei so mit Transistoren versehenen,
parallel geschalteten Strompfaden, daß in der einen Halbwelle des Wechselstromsignals ein Gleichstrom über den einen
Strompfad und in der anderen Halbwelle ein Gleichstrom über den anderen Strompfad abfließt und nur in den Nulldurchgangsphasen
des Wechselstromsignals beide Strompfade gesperrt sind.
Nulldurchgangsdetektoren werden beispielsweise zur Ansteuerung von Zweiwegthyristoren (Triac) verwendet. Der Triac soll während
des Nulldurchganges eines Wechselstromsignals angesteuert werden, um die durch das Schalten verursachten Störungen im
Wechselstromnetz auf ein Minimum zu reduzieren. Außerdem benötigt man Nulldurchgangsdetektoren etwa auch für Phasenanschnittssteuerschaltungen
zur Synchronisation von Sägezahngeneratoren.
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.5-
Bisher wurde ein Nulldurchgangsdetektor benutzt, wie er in der Figur 1 dargestellt ist. Bei diesem Detektor ist der
Transistor T1 mit seiner Basiselektrode an den Signaleingang
für das Wechselstromsignal I /ν angeschlossen. Die Emitter-Kollektorstrecke
des Transistors ist zusammen mit einem Kollektorwiderstand R1 zwischen die Pole einer Gleichspannungsquelle
geschaltet.
Parallel zur Kollektor-Emitterstrecke des Transistors T.
ist die Emitter-Kollektorstrecke des Transistors T„ geschaltet,
für den der Widerstand R1 den Emitterwiderstand bildet.
Die Basis dieses Transistors T„ ist an den Kollektor eines Transistors T3 angeschlossen, dessen Emitter mit dem Signaleingang
verbunden ist. Die Basis des Transistors T3 ist an Masse angeschlossen. Die Transistoren T, und T3 sind pnp-Transistoren,
während der Transistor T_ ein npn-Transistor ist.
Die beschriebene Schaltung arbeitet wie folgt:
In der negativen Halbwelle des Wechselstromsignals wird der Transistor T1 durchgesteuert, sobald der von der Wechselstromquelle
gelieferte Strom den zur Durchsteuerung des Transistors T1 erforderlichen Basistrom liefert. Der Transistor T1 bleibt
dann bis zum Nulldurchgang des Wechselstromsignals leitend, so daß während dieser Zeit am Widerstand R1 die Spannung Uß
abfällt.
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In der^ positiven Halbwelle, wird der Transistor T„ durchgeschaltet,
der seinerseits den als Emitterfolger geschalteten Transistor T„ mitzieht, so daß auch in der positiven Halbwelle
am Widerstand R^ die Spannung U„ abfällt.
Nur in den Nulldurchgangsphasen, d. h. in der Zeit während der das Wechselstromsignal noch nicht den für die Durchsteuerung
der Transistoren erforderlichen Stromwert erreicht hat, sind beide Strompfade über T. bzw. T_ und T3 gesperrt,
so daß am Kollektor des Transistors T. und am Emitter von
Tp das Potential vom Massepotential auf r;UB abfällt.
Die beschriebene Schaltung hat aber den wesentlichen Nachteil,
daß die Ausgangsimpulse, in ihren auf die positive und negative Halbwelle des Wechselstromsignals entfallenden Teilen unsymmetrisch
sind. Dies beruht darauf, daß der Strom, der zur Durchschaltung des einen Strompfades erforderlich ist, wesentlich
kleiner als der zur Durchschaltung des anderen Strompfades notwendige Strom ist. So wird in der negativen Halbwelle der
Transistor T. in Emitterschaltung betrieben, so daß die gesamte
Stromverstärkung des Transistors T1 in den DurchSteuerungsvorgang eingeht. Andererseits wird in der"positiven Halbwelle
der Transistor T3 in Basisschaltung betrieben, die keine Stromverstärkung
ergibt. Hieraus ergibt sich zwangsläufig, daß die Impulsbreite auf die beiden Halbwellen des Wechselstromsignals
unsymmetrisch verteilt ist.
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Die Unsymmetrie ist in vielen Fällen unerwünscht und soll daher beseitigt werden. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine hierfür geeignete Schaltung anzugeben.
Die genannte Aufgabe wird bei einem Nulldurchgangsdetektor
der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß eine Konstantstromquelle vorgesehen ist, deren Ausgangsgleichstrom I„ während der beiden Halbwellen wechselseitig
über einen der beiden Strompfade abgeführt wird, und daß in jedem Strompfad ein als Stromspiegel ausgebildeter
Transistor T. bzw. T_ angeordnet und so ausgebildet und geschaltet
ist, daß sowohl in der positiven als auch in der negativen Halbwelle des Wechselstromsignals stets beim gleichen
Stromwert der von der Konstantstromquelle gelieferte Strom über den einen bzw. den anderen Strompfad abgeleitet wird.
Da bei der genannten Schaltung der von der Konstantstromquelle
gelieferte Strom sowohl in der positiven als auch in der negativen Halbwelle des Wechselstromsignals stets beim gleichen
Stromwert über den einen bzw. den anderen Strompfad abgeleitet wird, ist sichergestellt, daß die Impulsbreite der Ausgangsimpulse
gleichmäßig auf die positive und negative Halbwelle des Wechselstromsignals verteilt ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen ·
Schaltung sind die beiden Transistoren T und T~, die als
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Stromspiegelschaltungen ausgeführt sind, so ausgebildet und in die Strompfade geschaltet, daß jeder der Transistoren in
der ihm zugeordneten Halbwelle des Wechselstromsignals bei einem Stromwert durchschaltet, der doppelt so groß ist wie
der von der Konstantstromquelle gelieferte Strom.
Die als Stromspiegelschaltung ausgeführten Transistoren sind vorzugsweise Transistoren mit mehreren Kollektoren und einem
gemeinsamen Emitteranschluß. Bei diesen Transistoren muß aus Symmetriegründen über alle Kollektoren der gleiche Strom
fließen.
Die Erfindung und ihre weitere vorteilhafte Ausgestaltung soll
im weiteren noch anhand eines Ausführungsbeispieles gemäß der Figur 2 näher erläutert werden.
Die Schaltung enthält eine Konstantstromquelle K, deren Aufbau in einzelnen nicht dargestellt ist, da solche Schaltungen hinreichend
bekannt sind. Die Konstantstromquelle liefert einen Strom TK, der über drei verschiedene Strompfade abfließen kann«
Der eine Strompfad führt über den Transistor T1. Dieser Transistor
T. besitzt drei Kollektoren, von denen der eine K.'
mit der Konstantstromquelle verbunden ist. Die beiden anderen Kollektoren K.'', K'11 sind mit der Basis des Transistors
kurzgeschlossen und an den Signaleingang für den Wechselstrom angeschlossen. Der Emitter des Transistors- ist, -'da es sich
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um einen pnp-Transistor handelt, mit Masse verbunden. Die Konstantstromquelle ist dagegen an den -UR Pol der Gleichspannungsquelle
angeschlossen. Der zweite Strompfad führt über den Transistor T3. Dieser weist zwei Kollektoren auf,
von denen der eine K~' an die Konstantstromquelle angeschlossen
ist. Derzweite Kollektor K^'' ist mit der Basis kurzgeschlossen
und mit Masse verbunden, während der Emitter E-. an den Signaleingang
angeschlossen ist.
Der dritte Strompfad, der für die Auskopplung des Signals in den Nulldurchgangsphasen vorgesehen ist, führt über den
Transistor Tp. Dieser Transistor Tp weist zwei Kollektoren auf,
von denen der eine Kp11 mit der Basis kurzgeschlossen und an
die Konstantstromquelle angeschlossen ist. Der andere Kollektor K„· ist über einen Kollektorwiderstand R? mit dem negativen
Pol -U der Gleichspannungsquelle verbunden. Der Emitter Ep ist
wiederum an Masse angeschlossen.
Bei allen Transistoren handelt es sich um pnp-Transistoren. Das Schaltprinzip kann jedoch in sinngemäßer Weise auch mit
npn-Transistoren realisiert werden.
Die Schaltung arbeitet wie folgt:
In der negativen Halbwelle des Wechselstromsignals I /v/ wird
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• 4ο·
der Strom I„ über den Kollektor K.' des Transistors T..
i\ i i
abgeführt. Es sei angenommen, daß der Strom I.. = 10 ,uA groß
ist. Dann muß aus Symmetriegründen bei der Durchsteuerung des Transistors T. über alle drei Kollektoren ein Strom von 10 ,uA
fließen. Der Transistor T schaltet daher dann durch, wenn I i">j den Wert 20 ,uA (zuzüglich des zunächst vernachlässigbaren
Wertes für ID) erreicht hat.
In der positiven Halbwelle muß über E3 des Transistors T3
gleichfalls ein Strom von 20 ,uA fließen, damit über die Kollektoren
K3 1 und K3'' je 10 ,uA fließen können. Somit wird in der
positiven Halbwelle der über K3' führende Strompfad für den
Strom I„ dann durchgeschaltet, wenn I S"* den Wert 20 ,uA
erreicht hat.
Bei" Stromwerten, die betragsmäßig größer als 20 ,uA sind,
ist daher stets einer der beiden Strompfade über Ί' bzw. T3
durchgeschaltet, während der Transistor T„ gesperrt bleibt.
Nur in den Nulldurchgangsphasen, in denen der Stromwert des Wechselstromsignals betragsmäßig unter 20 ,uA liegt, steuert
der Strom IR den Transistor T„ durch. Dann fließt über K?' f
und somit aus Symmetriegründen auch über K„· ein Strom von 10 ,uA und das Potential am Kollektor von K„' wird auf den
Wert R2.10 AiA angeboben. Es sei darauf hingewiesen, daß die
angeführten Stromwerte von 10 bzw. 20 ,uA nur beispielhaft
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genannt wurden und die Funktionsweise der Schaltung für jeden von der Konstantstromquelle gelieferten Strom gleich ist.
Es sei aber erwähnt, daß der an sich vernachlässigbar kleine
Basisstrom der Transistoren beim Transistor T. größer ist
als beim Transistor T^. Dies rührt daher, daß beim Transistor
T. der Gesamtkollektorstrom 3 χ I und beim Transistor
T^ nur 2 χ T„ beträgt. Will man die sich daraus ergebende,
extrem kleine Unsymmetrie noch kompensieren, so kann dies durch eine entsprechende geometrische Aufteilung der Teilkollektoren
von T. erfolgen. Bei einer Stromverstärkung von B = 30 ergibt sich, daß eine absolute Symmetrie dann erreicht
wird, wenn die Gesamtfläche der beiden Kollektoren K1'' und
K ''· das 1,96 fache der Fläche des Kollektors K · beträgt.
Auch die Kollektoren von T_ und T3 sind mit K ' flächengleich.
Dieses Flächenverhältnis ergibt sich aus der Gleichung
2B
B + 1
wobei F„ die Fläche des jeweiligen Kollektors bei Ausführung
als Multikollektor pnp-Transistor bedeutet.
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Λ.
Leerseite
Claims (6)
- Patentansprüche/ DyNulldurchgangsdetektor für integrierte bipolare Schaltungen aus zwei so mit Transistoren versehenen, parallel geschalteten Strompfaden, daß in der einen Halbwelle des Wechselstromsignals ein Gleichstrom über den einen Strompfad und in der anderen Halbwelle ein Gleichstrom über den anderen Strompfad abfließt und nur in den Nulldurchgangsphasen des Wechselstromsignals beide Strompfade gesperrt sind, dadurch gekennzeichnet, daß eim Konstantstromquelle vorgesehen ist, deren Ausgangsgleichstrom I., während der beiden Halbwellen wechselseitig über einen der beiden Strompfade abgeführt wird, und daß in jeäem Strompfad ein als Stromspiegel ausgebildeter Transistor T. bzw. T3 angeordnet und so ausgebildet und geschaltet ist, daß sowohl in der positiven als auch in der negativen Halbwelle des Wechselstromsignals stets beim gleichen Stromwert der von der Konstantstromquelle gelieferte Strom über den einen bzw. den anderen Strompfad abgeleitet wird.
- 2) Nulldurchgangsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Transistoren die gleiche Zonenfolge aufweisen.709822/0591ORIGINAL INSPECTED- 1*0 -
- 3) Nulldurchgangsdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Transistoren (T., T„) so ausgebildet und geschaltet sind, daß jeder der Transistoren in der ihm zugeordneten Halbwelle des Wechselstromsignals bei einem Stromwert durchschaltet, der doppelt so groß wie der von der Konstantstromquelle gelieferte Strom ist.
- 4) Nulldurchgangsdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor T. im einen Strompfad drei Kollektoren aufweist, von denen der eine (K')'-mit der Konstantstromquelle und die beiden anderen (K.·', K ' " ) mit der Basis kurzgeschlossen und mit dem Signaleingang I verbunden sind, während der Emitter (E.) mit dem einen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden ist, und daß der Transistor T~ im anderen Strompfad zwei Kollektoren aufweist, von denen der eine (K..1) mit der Konstantstromquelle und der andere (K..'') mit der Basis kurzgeschlossen und mit dem genannten Pol der Gleichspannungsquelle verbunden ist, während der Emitter (E-) dieses Transistors an den Signaleingang angeschlossen ist.
- 5) Nulldurchgangsdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auskopplung des Signals ein dritter Transistor (Tp) an die Konstantstromquelle709822/0591angeschlossen ist, über den in den Nulldurchgangsphasen des Wechselstromsignals der von der Konstantstromquelle gelieferte Strom I„. fließt.
- 6) Nulldurchgangsdetektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Auskoppeltransistor (T„) zwei Kollektoren aufweist, von denen der eine (K '·) mit der Basis kurzgeschlossen und an die Konstantstromquelle angeschlossen ist, während der zweite Kollektor (K ') über einen Ausgangswiderstand (R^) an den zweiten Pol (-Un) und der Emitter an den eien Pol derGleichspannungsquelle angeschlossen ist.709822/0591
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Family Applications (1)
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