DE2930176A1 - Mikroelektronische halbleiterschalteranordnung und damit ausgestattete optoelektronische steueranordnung - Google Patents
Mikroelektronische halbleiterschalteranordnung und damit ausgestattete optoelektronische steueranordnungInfo
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Description
Mikroelektronische Halbleiterschalteranordnung und damit ausgestattete optoelektronische
Steueranordung
Die Erfindung bezieht sich auf eine optoelektronische
Steueranordnung zum Anschälten einer Energieversorgungequelle an eine Last und insbesondere auf eine mikroelektronische
.Halbleiterschalteranordnung, die auf ein optisch erzeugtes
Kleinleistungs-Eingangssignal anspricht und bei
einem Spannungsabfall in Durchlaßrichtung von weniger als einem Volt eine Last mit einem Strom von 20 A schaltet.
Das Eingangssignal wird der Gate-Elektrode eines MOS-Leistungsschaltungselements
zugeführt, das einen bipolaren Ausgangstransistor ansteuert.
Zur Fernsteuerung von Schaltvorgängen benutzten die Automobilhersteller
bisher mechanische Relais. BLs vor kurzem wurde die zum Ansteuern eines elektromechanischen Relais
benötigte Leistung nicht als ein Problem angesehen. Außerdem
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waren die von mechanischen Relais erzeugten elektromagnetischen Störungen nicht besonders nachteilig. Derzeit
wird jedoch angestrebt, den Leistungsbedarf zur Ansteuerung ■von Fernschaltvorrichtungen zu reduzieren; außerdem können
elektromagnetische Störungen äußerst unangenehm werden,da
sie beispielsweise Fehlfunktionen anderer empfindlicher elektronischer Steuerorgane zur Folge haben können.
Die hier zu beschreibende Leistungsschalteranordnung ermöglicht eine direkte Kopplung mit einem Steuersignal
sehr kleiner Eingangsleistung, wie es für ein Kleinleistungs-Ausgangssignal eines Mikroprozessors typisch ist, das für
eine Glasfaseroptik bestimmt ist. Die Anordnung wird mittels eines Eingangssignals von etwa einem halben
Millivatt angesteuert; sie kann sowohl induktive als auch ohmsche Lasten bis zu einem Maximalwert von 20 A bei einem
Spannungsabfall in Durchlaßrichtung von nicht mehr als einem Volt steuern. Beispielsweise kann die Schalteranordnung
dazu benutzt werden, die Versorgungsenergie an Lastschaltungen wie einem Fensterhubmotor, einem Sitzhubmotor, einem
Scheibenwischermotor, Scheinwerfern und Fahrtrichtungsanzeigern zu schalten. DLe Schalteranordnung ist auch <für
Anwendungsfälle außerhalb des AutomobilSektors von Nutzen,
Eine Ausführung der Erfindung ist in einer mikroelektronischen Halbleiterschalteranordnung mit einem von einem MOS-Leistungstransistor
angesteuerten bipolaren Ausgangstransistor enthalten. Die Gate-Elektrode des MOS-Leistungstransistors
kann ein Eingangssteuersignal empfangen, während seine Source-Elektrode an Masse angelegt
werden kann; seine Drain-Elektrode ist mit der Basis des
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bipolaren Transistors verbunden. Der Emitter des bipolaren Transistors ist an die Energieversorgungsquelle anschließbar,
während sein Kollektor mit der Last verbunden werden kann, die ferngeschaltet werden soll.
Vorzugsweise liegt zwischen der Source-Elektrode und der
Gate-Elektrode des MOS-Leistungstransistors eine Zenerdiode, damit seine Gate-Elektrode gegen kurzzeitige
Spannungsspitzen geschützt wird.
Ferner wird vorzugsweise zwischen den Emitter und den Kollektor des bipolaren Transistors ein Gleichrichter
eingefügt, damit dieser Transistor gegen ein mögliches Anschließen der Energieveraorgungsquelle mit umgekehrter
Polarität geschützt wird.
Ferner wird vorzugsweise zwischen die Basis und den Emitter des bipolaren Transistors ein Widerstand eingefügt,
damit der bei hohen Temperaturen auftretende Leckstrom reduziert wird. Ein ebensolcher Ableitwiderstand kann
zwischen die Gate-Elektrode und die Source-Elektrode des MOS-Transistors eingefügt werden, damit ein Ableitweg
für einen externen Leckstrom geschaffen wird.
Unter einem allgemeineren Gesichtspunkt ist die Erfindung in einer optoelektronischen Steueranordnung verwirklicht, mit
deren Hilfe die Energiezufuhr zu induktiven oder ohmschen Lasten geschaltet werden kann. Diese Anordnung enthält
dabei eine Vorrichtung zur Erzeugung eines optischen Eingangssignals, eine Vorrichtung zum Umsetzen des optischen Eingangssignals in ein elektrisches Signal und eine elektronische
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Vorrichtung, die abhängig von dem elektrischen Signal eine eine hohe Spannung abgebende Energieversorgungsquelle
an die Last anschaltet. Die Schaltervorrichtung enthält einen MOS-Leistungstransistor, dessen Gate-Elektrode das elektrische
Signal empfängt, dessen Source-Elektrode an Masse liegt und dessen Drain-Elektröde mit der Basis eine PNP.-Transistors
verbunden ist, dessen Emitter mit der Energieversorgungsquelle verbunden ist, während sein Kollektor an die Last
angeschlossen ist.
Diese Ausführungsform enthält vorzugsweise ebenfalls die Zenerdiode, den Gleichrichter und die Ableitwiderstände,
die oben erwähnt wurden.
Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:
Fig.1 ein Schaltbild der mikroelektronischen Halbleiterschalteranordnung
nach der Erfindung,
Fig.2 ein Schaltbild der optoelektronischen Steueranordnung
nach der Erfindung mit der Glasfaseroptikverbindung zur Erzeugung des Steuersignals sowie der Schalteranordnung,
der Energieversorgungsquelle und der Last, und
Fig.3 ein Schaltbild des Festkörper-Doppelschalters von
Fig.2.
Nach Fig.1 enthält die Schalteranordnung einen PNP-Transistor
11,der von einem MOS-Leistungstransistor 12 angesteuert wird.
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Der Transistor 11 kann beispielsweise ein bipolarer Transistor des Typs 2N5683 der Firma Texas Instruments
sein; der Transistor 12 kann ein VMOS-Leistungs-Feldeffekttransistor
des Typs 2N6657 der Firma Texas Instruments sein.
An der Anschlußklemme 1 empfängt die Schalteranordnung das Eingangssteuersignal; diese Klemme ist mit der Gate-Elektrode
des MOS-Transistors verbunden. Das Steuersignal an dieser Klemme versetzt den Transistor 12
in den leitenden Zustand. Der Transistor 11 wird dadurch ebenfalls in den leitenden Zustand versetzt, so daß
eine an die Anschlußklemme 2 angelegte Versorgungsenergie über die Klemme 3 an eine Lastschaltung angeschaltet
wird. Die Anschlußklemme 4 liegt an Masse.
Eine Zenerdiode 13 ist zwischen die Source-Elektrode und die Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors 12
eingefügt, damit dessen Gate-Elektrode gegen kurzzeitige Spannungsspitzen geschützt wird. Zwischen der
Gate-Elektrode und der Source-Elektrode des Feldeffekttransistors 12 liegt ein Ableitwiderstand 14, der einen
Ableitweg für externe Leckströme bildet.
Der Widerstand 14 hat einen Wert zwischen 5 und 200 Kiloohm; vorzugsweise liegt sein Wert zwischen 25 und 100 Kiloohm.
Bei Temperaturen unter -10°C wird der von diesem Widerstand
gebildete Stromweg wichtig, um die Schalteranordnung daran zu hindern, in den "Ein"-Zustand überzugehen.
Zwischen dem Emitter und dem Kollektor des Transistors liegt ein Gleichrichter 15 als Schutz gegen ein Anschließen
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der Energieversorgungsquelle an die Klemme 2 mit umgekehrter Polarität.
Ein zweiter Ableitwiderstand 16 liegt zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 11, damit die bei hohen
Temperaturen auftretenden Leckströme herabgesetzt werden.
In Fig.2 ist eine Doppel-Ein/Ausgabe-Anordnung dargestellt;
der Eingang A dient einer Drehung eines Fensterhubmotors im Uhrzeigersinn, und der Eingang B dient einer Drehung
dieses Motors gegen den Uhrzeigersinn, wie es für das Heben und das Senken des Fensters erforderlich ist.
Die Steuereinheit der Glasfaseroptik enthält eine Energieve rs orgung sque He 21, einen Schalter S1 für ein Drehen
im Uhrzeigersinn, einen Schalter S2 für ein Drehen gegen den Uhrzeigersinn sowie Widerstände 22 und 23.
Die Glasfaseroptikverbindung enthält Leuchtdioden 24 und 25, die mittels einer optischen Glasfaser, beispielsweise
einer Glasfaser des Typs Crofon der Firma DuPont, mit Phototransistoren 26 bzw. 27 gekoppelt
sind.
Das vom Phototransistor 26 erzeugte Signal wird das Signal für den Eingang A der für das Drehen im Uhrzeigersinn
zuständigen Hälfte des Festkörperschalters; das vom Phototransistor 27 erzeugte Signal ist das Eingangssignal
für den Eingang B der für das Drehen gegen den Uhrzeigersinn zuständigen Hälfte des Schalters.
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Die Energie aus der Batterie 28 wird abwechselnd an die für das Drehen im Uhrzeigersinn zuständige Hälfte des Hubmotors
29 und an die für das Drehen gegen den Uhrzeigersinn Euständige Hälfte dieses Motors angeschaltet.
In Fig.3 sind die Einzelheiten des Doppel-Festkörperschalters von
Fig.2 dargestellt. Ein Signal am Eingang A gelangt zur Gate-Elektrode
des VMOS-Feldeffekttransistors 31 und schaltet dieses Bauelement in den leitenden Zustand, so daß der
Transistor 32 ebenfalls in seinen leitenden Zustand versetzt wird, in dem er die Versorgungsenergie zum Ausgang A
durchschaltet, damit der Hubmotor für ein Drehen im Uhrzeigersinn erregt wird.
Ein Signal am Eingang B, das zur Gate-Elektrode des Transistors 41 gelangt, schaltet dieses Bauelement in den leitenden
Zustand, so daß der Transistor 42 ebenfalls in seinen leitenden Zustand versetzt wird, in dem er die Versorgungsenergie zum Ausgang B durchschaltet, damit der Hubmotor
zum Drehen gegen den Uhrzeigersinn erregt wird.
Die hier beschriebene Schalteranordnung ist mit einer Internen
Temperaturkompensation ausgestattet. Dies bedeutet, daß der bipolare Transistor einen negativen Temperaturkoeffizienten
aufweist, während der Temperaturkoeffizient des Feldeffekttransistors positiv ist. Diese Eigenschaften wirken in einem
Temperaturbereich von beispielsweise -400C bis 125°t! gegeneinander.
In der Anordnung kann zwar irgendein MOS-Leistungsfeldeffekttransistor
benutzt werden, doch wird vorzugsweise ein VMOS-
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Feldeffekttransistor angewendet, da er einen niedrigen maximalen Spannungsabfall in Durchlaßrichtung und Kleinleistungs-Einschalteigenschaften
bei hoher Eingangsimpedanz aufweist.
Eine genaue Beschreibung eines VMOS-Bauelements kann einem
Aufsatz von Arthur D.Evans et al in der Zeitschrift "Electronics" vom 22.Juni 1978, Seiten I05 bis 112 entnommen
werden.
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Claims (10)
1. Mikroelektronische Halbleiterschalteranordnung, gekennzeichnet
durch einen MOS-Leistungstransistor, an dessen Gate-Elektrode eine Eingangsspannung anlegbar ist, dessen
Source-Elektrode an Masse anlegbar ist und an dessen Drain-Elektrode eine Steuervorrichtung einer
Energieversorgungsquelle angeschlossen ist, wobei diese Steuervorrichtung einen bipolaren Transistor
enthält, dessen Basis an die Drain-Elektrode angeschlossen ist, dessen Emitter an die Energieversorgungsquelle
anschließbar ist und dessen Kollektor an ein Lastelement anschließbar ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß
zwischen der Source-Elektrode und der Gate-Elektrode des MOS-Transistors eine Zenerdiode liegt.
3. Anordnung nach'Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
zum Schutz des bipolaren Transistors gegen ein mögliches
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Anschließen der Energieversorgungsquelle mit umgekehrter
Polarität zwischen den Emitter und den Kollektor dieses Transistors ein Gleichrichter eingefügt ist.
4. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine
Impedanzvorrichtung zwischen dem Emitter und der Basis des bipolaren Transistors.
5c Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Ab-Leitwiderstand
zwischen der Gate-Elektrode und der Source-Elektrode des MOS-Transistors.
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der MOS-Transistor ein MOS-Leistungsbauelement mit
V-Nut ist.
7. Optoelektronische Steueranordnung zum Schalten der einer induktiven oder ohmschen Last zugeführten Energie,
gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Erzeugung eines optischen Eingangssignals, eine Vorrichtung zum Umsetzen
des optischen Eingangssignals in ein elektrisches Signal und eine elektronische Schaltvorrichtung, die abhängig
von dem elektrischen Signal eine eine hohe Spannung abgebende Energieversorgungsquelle an die Last anschaltet,
wobei die Schaltvorrichtung einen MOS-Leistungstransistor enthält, dessen Gate-Elektrode das elektrische Signal
empfängt, dessen Source-Elektrode an Masse liegt und dessen Drain-Elektrode mit der Basis eine PNP -Transistors
verbunden ist, dessen Emitter mit der Energieversorgungsquelle
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verbunden ist und dessen Kollektor an die Last angeschlossen ist.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der MOS-Leistungstransistor eine VMOS-Struktur hat.
9. Anordnung nach Anspruch 8,gekennzeichnet durch eine
Zenerdiode, die zwischen der Source-Elektrode und der
Gate- Elektrode des MOS-Leistungstransistors liegt.
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
zum Schutz gegen ein Anschließen der Energieversorgungsquelle mit umgekehrter Polarität zwischen den Emitter
und den Kollektor des PNP-Transistors ein Gleichrichter eingefügt ist.
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