DE2850841C2 - Schaltungsanordnung für ein integrierbares elektronisches Relais - Google Patents
Schaltungsanordnung für ein integrierbares elektronisches RelaisInfo
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Description
pie Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für
ein integrierbares elektronisches Relais, dessen Eingang und Ausgang galvanisch entkoppelt sind.
Bekannte, 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.
Bekanntlichvwird diese galvanische Entkopplung mittels opto-elektronischer Koppler oder Transformatoren
erreicht. 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 Spannung schaltenden
Teil und dem Steuereingang des elektronischen Relais ist sehr wichtig bei integrierter Bauweise, weil die hohe
Spannung am Relaisausgang den Eingangsteil des Relais
ίο zerstören kann oder auch ein unbeabsichtigtes Schalten
des Relais bewirken kann. Diese galvanische Entkopplung ist auch in manchen Anwendungsfällen erwünscht,
beispielsweise in Teilnehmerleitungsanschlußschaltungen,
bei denen ein erdfreier Bezugspunkt im Relais
ι i erforderlich ist.
Wie bereits erwähnt wurde, müssen opto-elektronische Koppler separat hergestellt werden; sie müssen mit
den übrigen Teilen des elektronischen Relais zusammengesetzt werden. Solche opto-elektronischen Koppel
ler weisen beispielsweise eine lichtemittierende Diode und Fototransistoren auf. An die lichtemittierende
;■'■ ; Diode wird eine Eingangsspannung angelegt. Das
dadurch bewirkte Licht der Diode schaltet den 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 schaltende Teil des elektronischen Relais auf einem einzigen Chip integrierbar sind, ohne
daß die hohe zu schaltende Spannung das Relais zerstören oder ein Fehlschalten des Relais bewirken
kann.
Diese Aufgabe wird mit den im Anspruch I
'gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Die Erfindung kann vorzugsweise bei der MOS-Technik angewendet
.werden, die mit den bekannten dielektrischen Isolaitionsprozessen
arbeitet. Besonders vorteilhaft ist die Herstellung des Relais in VMOS-Technik, die an sich
40|bekanni ist. Das Relais kann jedoch auch als
/großintegrierte Schaltung hergestellt werden. Mit Vorteil läßt sich das elektronische Relais gemäß der
.Erfindung auch in Fernsprechteilnehmeranschlußleitun-%en
anwenden.
Die Erfindung wird nun an Hand eines Ausführungsbeispiels
und eines Anwendungsbeispiels näher erläutert.
F i g. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung für ein hohe Spannungen schaltendes elektronisches Relais gemäß
so der Erfindung, während
Fig.2 eine vereinfachte Schaltungsanordnung für einen Signalgenerator vom Typ einer erdfreien,
galvanisch entkoppelten Briickenschaltung, der in einer Teilnehmerleitungsanschlußschaltung verwendet wird,
darstellt.
In F i g. 1 ist die Gesamtheit der gestrichelt umrandeten
Teile mit 10 bezeichnet. In einer logischen Eingangsschaltung 12 ist eine NAND-Schaltung 20
enthalten, derem einen Eingang eine rechteckförmige
6ö Wechselspannung mit der Frequenz von beispielsweise
3 MHz zugeführt wird. Die verstärkte Wechselspannung gelangt in einer Treiberschaltung 14 gegenphasig
über zwei Kondensatoren 28, 30 auf eine exclusive ODER-Schaltung 36, die einen die hohe Spannung
schaltenden Teil 16 des elektronischen Relais steuert. Die Koppelkondensatoren 28,30 können beispielsweise
eine Kapazität von 10 pF und eine Zeitkonstante von 10—' see haben. Die Eingangsschaltung 12, die Treiber-
schaltung 14 und der Teil 16 können auf einem einzigen
Silizium-Chip angeordnet werden, dem eingangsseitig ein Steuerpotential mittels eines Schalters 18 zuführbar
ist. Zu diesem Zweck ist der eine Eingang 24 der NAND-Schaltung 20 mit dem Schaller 18 verbunden, in
der Aus-Stellung wird Erdpoiential an den Eingang 24 gelegt. In der Einstellung gelangt ein Potential von
+ 15V an den Eingang 24, welches bewirkt, daß die
Wechselspannung mit der Frequenz von 5 MHz verstärkt am Ausgang der NAND-Schaltung 20 iu
erscheint. In der Stellung fs des Schalters 13 wird ein Fremdpotential an den Eingang 24 angelegt. Dieses
Fremdpotential kann ein Wechselpoiential 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 andererseits mit dem Eingang eines Inverters 32 verbunden. Der A'isgang 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 ausgangssei tig mit dem Speiseeingang der ODER-Schaltung 36 verbunden ist. Dem Speiseeingang der
ODER-Schaltung 36 ist ein Kondensator 38 zur Glättung parallelgeschaitet. 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 aufweist. 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 beispielsweise
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
Fig. 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 lerngehalten wird. Die Restladung der Kondensatoren 28, 30 fli · als
Leckstrom über die Widerstände 56 und 58 a Der Kondensator 46 wird über den Widerstand 60 entladen,
wonach sich an den Gate-Source-Strecken der Transistoren 48, 50 eine Spannung von 0 Volt 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 Kondensatoren 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, iritt am Ausgang der exdusiven
^ODER-Schaltung 36 nur dann ein Signal auf, wenn zwei f'gegenphasige Spannungen an den Eingängen 40, 52
^anstehen; diese ODER-Schaltung ist unempfindlich /gegen gleichphasige Eingangsspannungen. Somit ist
^ersichtlich, daß die an den Ausgangsanschlüssen 52, 54 {auftretende hohe Spannung keinen Einfluß auf die
Arbeitsweise des elektronischen Relais hat, das nur fdann 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 Durchbruchsspannungswerte
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 einzigen Chip hergestellt werden. Auf
diese Weise kann an den Ausgangsanschlüssen 52, 54 eine erdfrei geschaltete Gleichspannung erreicht
werden.
Das Anwendungsbeispiel in Fi g. 2 zeigt eine erdfreie,
galvanisch entkoppelte ßrückenschaltung 100, die zur Anschaltung eines Signalgenerators an eine Fernsprechteilnehmerleitungsanschlußschaltung
an eine !Teilnehmerleitung 102, 104 dient. Es liegt hier ein
[sogenannter programmierbarer Signalgenerator vor. In [der weiter nicht dargestelltenTeilnehmeranschlußschal-
;tung erscheinen ankommende analoge Signale auf den (Sprechadern 102, 104; diese werden erkannt, digitalisiert
und von einem Mikroprozessor verarbeitet, der aus Üer 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 106 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 53 bis 55
gebildeten Brückenschaltung angeschlossen ist. Der Steuerelektrode s des Transistors 110 wird vom
Mikroprozessor feine Wechselspannung mit veränderlicher Impulslänge in der Größenordnung von 50 bis
JOOkHz 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 Laständerürtgen
verändert; auf diese Weise wird beispielsweise ;dem Abheben des Handapparats Rechnung getragen.
Außer der Brückenschaltung 53 bis 56 sind noch zwei elektronische Relais 51, 52 vorhanden, jedes
j Relais 51 bis 56 wird durch ein Relais gemäß der F ί g. 1
gebildet, wobei die vom Mikroprozessor herkommenden Steuerfeitungen (Fig.2) mit den Fremdsteueranschlüssen
fs(Fig. 1) dieser Relais verbunden sind. Die
■ Relais 51, 52 werden zur Erdung der Leiiungsadern ;102,104 benutzt, wie es für Prüfzwecke erforderlich ist;
die zwischen der Brückenschaftung 53 bis 56 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 = V2L/2. 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 53 bis 56, die VMOS-Transistoren
aufweisen können, werden von Trenntransformatorert
des Mikroprozessors gesteuert, denen Schaltimpulse zugeführt werden, Mit Hilfe dieser
Schaltsignale wird mittels des durch die Diode 114 gleichgerichteten Signals und der Relais 53 bis 56 ein
Wechselstromsignal erzeugt. Wenn die Relais 53 und 54 eingeschaltet sind, sind die Relais 55 und 56
ausgeschaltet und umgekehrt. Wenn die Relais 53 und 54 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 Entkopplung dieser
Relais aufrecht zu erhalten.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Schaltungsanordnung für ein integrierbares elektronisches Relais, dessen Eingang und Ausgang
galvanisch entkoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine NAND-Schaltung (20) mit
zwei Eingängen (5MHz, 24) zur steuerbaren Anschaltung einer Eingangswechselspannung mit
vorbestimmter Frequenz (5 MHz) an ihren Ausgang vorgesehen ist, wobei die Eingangswechselspannung
dem einen Eingang zugeführt und ein Steuerpotential (Erde, +!5V, fs) dem anderen Eingang
zuführbar ist, daß der Ausgang der NAND-Schaltung (20) mit dem einen Ende eines ersten
Kondensators (28) und mit dem Eingang eines Inverters (32) verbunden ist, dessen Ausgang an das
eine Ende eines zweiten Kondensators (30) angeschlossen ist, daß die anderen Enden der Kondensatoren
einerseits mit den zwei Eingängen (40, 42) einer exclusiven ODER-Schaltung (36) und andererseits
über eine Dioden-Brückenschaltung (34) mit den Speiseeingängen dieser ODER-Schaltung (36)
verbunden sind und daß ein elektronischer Schalter (48, 50) vorgesehen ist, dessen Steuerkreis mit dem
Ausgang der ODER-Schaltung (36) verbunden ist und dessen Schaltstrecke hohe Durchbruchsspannungswerte
und niedrige Durchlaßwiderstandswerte aufweist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare elektronische
Schalter (40, 50) durch zwei in Reihe liegende Schalttransistoren gebildet ist, die parallel gesteuert
werden.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalttransistoren (48, 50)
MOS-Transistoren sind.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die MOS-Transistoren VMOS-Transistoren
sind.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
NAND-Schaltung (20), der Inverter (32), die Kondensatoren (28, 30), die Dioden-Brückenschaltung
(34), die exclusive ODER-Schaltung (36) und der elektronische Schalter (48, 50) auf einem
einzelnen Silizium-Chip integriert sind.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch ihre Anwendung in
Fernsprechteilnehmerleitungsanschlußschaltungen
in der Weise, daß mittels mehrerer solcher elektronischer Relais (S3 bis 56) der Ausgang eines
Signalgenerators (100) mit der Teilnehmerleitung (102,104) verbindbar ist.
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