DE3905163A1 - Gleichstromhalbleiterschalter - Google Patents

Gleichstromhalbleiterschalter

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Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichstromhalbleiterschalter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei herkömmlichen Gleichstromhalbleiterschaltern werden ge­ wöhnlich die folgenden drei Schaltstufen unterschieden:
  • a) Wird eine von einer Spannung zwischen einem Potential +U B und einem niedrigeren Potential U₀ gespeiste externe Last gegen das vorzugsweise auf 0 liegende niedrige Po­ tential U 0 geschaltet, so entspricht dies der sogenann­ ten high-aktiven Schaltstufe.
  • b) Wird die externe Last gegen das höhere Potential +U B ge­ schaltet, so spricht man von einer low-aktiven Schaltstu­ fe.
  • c) Wird die externe Last abwechselnd gegen das Potential U 0 und das Potential +U B geschaltet, so entspricht dies einer Gegentaktschaltstufe (Push-Pull-Schaltstufe).
Die Schaltungsvariante c) beinhaltet nicht die Varianten a) und b), da mit der Schaltungsvariante c) z. B. keine logi­ schen Ausgangsverknüpfungen wie bei den Varianten a) und b) möglich sind ("wired-or").
Die Anwender solcher Halbleiterausgänge müssen also eine an­ wendungsspezifische Auswahl treffen. Anwender, bei denen meh­ rere Varianten zum Einsatz gelangen, sind somit grundsätz­ lich dazu gezwungen, diese jederzeit bereitstellen zu können.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Gleichstromhalbleiterschalter der eingangs genannten Gattung zu schaffen, der nicht anwendungsbedingt ausgewählt werden muß, der jedoch in der Lage ist, allen bisherigen Schaltungs­ varianten selbsttätig zu genügen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird also ein Schaltausgang realisiert, der aus einem high-aktiven und einem low-aktiven Halbleiterschal­ ter besteht. Mit diesen beiden Grundelementen sind prinzi­ piell die obengenannten drei Schaltungsvarianten realisier­ bar. Da sich erfindungsgemäß diese drei Schaltungsvarianten selbsttätig einstellen, spricht man erfindungsgemäß nicht mehr von Schaltungsvarianten, sondern von verschiedenen Be­ triebsmoden des Schaltausganges.
Der erfindungsgemäße Schaltausgang schaltet sich also selbst­ tätig in den jeweils geforderten Betriebsmode um. Dies bedeu­ tet, daß die extern angeschlossene Last von dem Schaltaus­ gang selbst detektiert und bewertet wird. Das kann sowohl durch eine lastbedingte Pegelverschiebung am Ausgang als auch durch die sich einstellende, lastbedingte Stromflußrich­ tung am Ausgang erfolgen.
Die einzelnen praktischen Realisierungen des Erfindungsgedan­ kens sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:
Fig. 1 das Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Gleichstromhalbleiterschalters, bei dem die Er­ mittlung der externen Last durch Messung der Verschiebung des Spannungspegels an einer ersten Ausgangsklemme erfolgt,
Fig. 2 den zeitabhängigen Spannungsverlauf eines in dem Gleichstromschalter vorgesehenen Verzöge­ rungsgliedes,
Fig. 3 ein die verschiedenen Betriebsmoden des Gleich­ stromschalters veranschaulichendes Diagramm,
Fig. 4 das Blockschaltbild einer weiteren Ausgestal­ tung der Erfindung, bei der zur Ermittlung der externen Last die Stromflußrichtung in einer an der ersten Ausgangsklemme anliegenden Leitung ermittelt wird und die
Fig. 5a bis 5e Blockschaltbilder von verschiedenen Ausführungs­ formen der für die Ermittlung der Stromflußrich­ tung vorgesehenen Schaltungsteile.
Nach Fig. 1 können an einen Gleichstromhalbleiterschalter 1 über zwei Ausgangsklemmen 17, 18 Potentiale +U B bzw. U 0 (vor­ zugsweise=0 V) angelegt werden. Der Gleichstromhalbleiter­ schalter 1 umfaßt weiter eine erste Ausgangsklemme A, welche über Schalter 3, 5 mit dem Potential U B , d. h. der zweiten Ausgangsklemme 17, bzw. dem Potential U 0, d. h. der dritten Ausgangsklemme 18, verbunden ist. Als Schalter sind jeweils ein pnp-Transistor 3 und ein npn-Transistor 5 vorgesehen, deren Emitter an den Potentialen U B bzw. U 0 und deren Kollek­ toren an der ersten Ausgangsklemme A anliegen. Die Basis des jeweiligen Transistors 3 bzw. 5 wird von einer Steuerlogik 4 angesteuert.
Parallel zu den Emitter-Kollektorstrecken der Transistoren 3, 5 sind hochohmige Widerstände R 1 bzw. R 2 geschaltet. Weiter können zwischen die Potentiale U B bzw. U 0 und die Aus­ gangsklemme A Lasten 8 und/oder 9 angelegt werden.
Die Steuerlogik 4 enthält eine Fühleinrichtung 2, die über eine Leitung 19 mit der ersten Ausgangsklemme A verbunden ist. Die Fühleinrichtung 2 umfaßt einen Spannungsfensterkom­ parator, welcher zwei parallel geschaltete Schwellwertschal­ ter 6 aufweist und auf Spannungspegelverschiebungen an der Ausgangsklemme A anspricht. Der Wert der Spannung an der Aus­ gangsklemme A bei nicht angelegten Lasten 8, 9 wird durch die einen Spannungsteiler darstellenden Widerstände R 1 und R 2 bestimmt. Besitzen die Widerstände R 1 und R 2 denselben Wi­ derstandswert, so liegt am Ausgang eine Spannung U B /2 an, falls keine externe Last 8 oder 9 zwischen der Ausgangsklem­ me A und dem höheren Potential U B oder zwischen der Ausgangs­ klemme A und dem niedrigeren Potential U 0 angelegt ist.
Die Steuerlogik 4 ist über einen Kondensator 7, welcher als Verzögerungsglied wirkt, mit dem Potential U 0 verbunden. Über eine Leitung 15 wird die Steuerlogik 4 angesteuert, d. h. hier werden die Schaltsignale zugeführt. Weiter ist die Steuerlogik 4 mit dem Potential U B über eine Aktivierungs­ schaltung (Power-On-Reset-Schaltung) 16 verbunden.
Im folgenden wird die Funktionsweise der beschriebenen Schal­ tung erläutert:
Beim Anlegen der Versorgungsspannung an +U B , U 0 an die Aus­ gangsklemmen 17, 18 zum Zeitpunkt t 0 erzeugt die Aktivie­ rungsschaltung 16 ein Signal, welches die Steuerlogik 4 akti­ viert. Die Halbleiterschalter 3 und 5 werden hierdurch in einen hochohmigen Zustand geschaltet. Gleichzeitig beginnt in der Steuerlogik 4 eine von dem Kondensator 7 abhängige Zeit t abzulaufen (Fig. 2). Vom Zeitpunkt t 0 des Anlegens der Versorgungsspannung steigt die Spannung U c am Kondensa­ tor 7 exponentiell an.
Zu einem Zeitpunkt t 1 wird die Fühleinrichtung 2 aktiviert. Die Fühleinrichtung 2 detektiert nun das Potential an der Ausgangsklemme A.
Liegt an der Ausgangsklemme A keine externe Last 8 oder 9 an, so stellt sich der Pegel der Spannung U am Ausgang auf den Wert U B /2 ein, wenn die Widerstandswerte der den Span­ nungsteiler bildenden Widerstände R 1 und R 2 gleich sind. Die Fühleinrichtung 2 detektiert die Spannung U B /2 an der Aus­ gangsklemme A und schaltet die Schalter 3, 5 des Gleichstrom­ halbleiterschalters 1 über die Steuerlogik 4 in einen Gegen­ taktbetriebsmode. In dem Gegentaktbetriebsmode werden die Schalter 3, 5 in Abhängigkeit von den bei 15 zugeführten L/O-Schaltsignalen abwechselnd geöffnet und geschlossen. Der Gegentaktbetrieb wird auch noch innerhalb eines um U B /2 her­ umliegenden Potentialbereiches 10 (Fig. 3) eingestellt, dessen Grenzen jedoch um einen deutlichen Betrag U unter­ halb bzw. oberhalb von U B bzw. U 0 liegen. Der die Schwellen­ wertschalter 6 enthaltende Spannungsfensterkomparator ist für die Schaffung des Gegentakt-Potentialbereiches verant­ wortlich.
Wird zwischen die Ausgangsklemme A und das Versorgungspoten­ tial +U B eine Last 8 geschaltet, so erhöht sich der von der Fühleinrichtung 2 gemessene Spannungspegel entsprechend dem zusätzlichen Stromfluß durch die Last 8, d. h., daß der Span­ nungspegel bei A sich in Richtung des Potentials +U B ver­ schiebt. Überschreitet der gemessene Spannungspegel den Schwellenwert U B - Δ U (Fig. 3), so schaltet die Fühlein­ richtung 2 über die Steuerlogik 4 den Gleichstromhalbleiter­ schalter 1 in einen low-aktiven Betriebsmode, dessen Detektierungsbereich 20 nach Fig. 3 zwischen den Potentialen U B und U B - Δ U liegt. In diesem Betriebsmode ist der Last 8 der Schalter 5 zugeordnet. Durch Betätigen des Schalters 5 kann die mit einem Pol ständig an U B liegende Last 8 mit ihrem anderen Pol wahlweise mit U 0 verbunden werden. Der Schalter 3 dagegen bleibt ständig geöffnet.
Wird zwischen U 0 und A eine Last 9 angelegt, so wird an der Ausgangsklemme A gemäß Fig. 3 eine Spannung U 0 < U < (U 0 + Δ U) detektiert. Die Steuerlogik 4 schaltet nunmehr einen high-aktiven Betriebsmode ein, dessen Detektierungsbereich 21 nach Fig. 3 zwischen U 0 und U 0 + Δ U liegt. Jetzt ist der Schalter 3 der Last zugeordnet. Der Schalter 5 ist in diesem Betriebsmode immer offen.
Werden die Lasten 8 und 9 gleichzeitig angeschlossen, so stellt sich an der Ausgangsklemme A ein Spannungspegel im Detektierungsbereich 10 (Fig. 3) ein. Die Steuerlogik 4 stellt somit den Gegentaktbetriebsmode ein.
Die Widerstände R 1 und R 2 des Spannungsteilers müssen hier­ bei möglichst hochohmig gewählt werden, da ihr Widerstands­ wert ein Maß für die maximal detektierbare Lastimpedanz an der Ausgangsklemme A des Gleichstromhalbleiterschalters 1 darstellt.
Die Widerstände R 1 und R 2 müssen nicht gleich groß sein. Bei unterschiedlichen Widerstandswerten wäre die Fühleinrichtung 2 entsprechend anzupassen.
Nach Ablauf der Zeit t 1 (Fig. 2) wird der detektierte Be­ triebsmode eingeschrieben. Zu einer etwas späteren Zeit T wird der Schaltausgang von der Steuerlogik 4 entsprechend dem detekierten und eingeschriebenen Betriebsmode aktiviert.
Fig. 4 zeigt eine andere Ausgestaltung des Gleichstromhal­ bleiterschalters gemäß der Erfindung. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Bauteile wie in Fig. 1. Im Gegensatz zur Ausführungsform nach Fig. 1 entfallen die Widerstände R 1, R 2 und die Fühleinrichtung 2 stellt die extern anliegende Last 8 bzw. 9 über einen Meßstrom fest.
Die in Fig. 4 nur schematisch angedeutete Fühleinrichtung 2 kann dabei gemäß Fig. 5a aus je einer einen Widerstand R A bzw. R B , Schaltern S 2 bzw. S 1 sowie eine Stromquelle (I 2) und eine Stromsenke (I 1) umfassenden Reihenschaltung beste­ hen, wobei der Verbindungspunkt von (I 1) und (I 2) mit der Ausgangsklemme A und die freien Enden der Widerstände R A bzw. R B mit dem Potential +U B bzw. dem niedrigeren Potential U 0 verbunden sind. Die Anordnungen der Widerstände R A bzw. R B , der Schalter S 2 bzw. S 1 und der Stromquelle (I 2) bzw. der Stromsenke (I 1) sind untereinander vertauschbar.
Fig. 5b zeigt eine andere Schaltung zur Feststellung der Stromflußrichtung. Hierbei sind die als Transistoren ausge­ bildete Schalter 3, 5 selbst als Stromquelle bzw. -senke ge­ schaltet.
Nach Fig. 5c werden die Lasten 8 und/oder 9 an der Ausgangs­ klemme A selbst als Stromquelle bzw. -senke benutzt. Über die zuschaltbaren Widerstände R A und R B und die Fühleinrichtung wird die Stromrichtung erfaßt.
In Fig. 5d wird der lastbedingte Strom sowie die Stromrich­ tung in der Leitung 19 durch einen Widerstand R und einen diesem parallel geschalteten Operationsverstärker 27 detek­ tiert. Die wieder als Transistoren ausgebildeten Schalter 3, 5 schalten durch die Steuerlogik 4 den zu messenden Strom. Der Widerstand R muß so klein sein, daß er die Funktion der Lasten 8 und/oder 9 nicht beeinträchtigt.
Fig. 5e zeigt eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der der lastbedingte Strom sowie die Stromrichtung über Optokoppler 11 und 13 detektiert werden. Die Photodioden 14 stellen den Meßstrom fest.
Im folgenden wird die Funktionsweise der in Fig. 4 in Verbin­ dung mit Fig. 5a dargestellten Ausgestaltung der Erfindung näher erläutert:
Die Aktivierung der Steuerlogik 4 beim Anlegen einer Span­ nung erfolgt in analoger Weise zur Ausgestaltung nach Fig. 1 und 2. Die Stromquelle (I 2) und die Stromsenke (I 1) werden zur Detektierung der Last abwechselnd über S 2 und S 1 von der Steuerlogik 4 zugeschaltet. Wird an der Ausgangsklemme A in Fig. 4 keine externe Last 8 oder 9 betrieben, so kann kein Meßstrom I 1 oder I 2 fließen. In diesem Fall bewirkt die Fühl­ einrichtung 2 durch die Steuerlogik 4, daß der Gegentaktbe­ triebsmode eingestellt wird.
Wird lediglich die Last 8 zwischen +U B und A angelegt, so wird ein in Fig. 4 durch eine punktierte Linie angedeuteter Meßstrom I 1 erfaßt, solange S 1 geschlossen ist. Die Fühlein­ richtung 2 stellt somit durch den detektierten Meßstrom I 1 die Last 8 fest. Zur Einstellung der low-aktiven Schaltstufe wird der Schalter 5 der Last 8 zugeordnet. Der Schalter 3 ist ständig geöffnet.
Liegt eine Last 9 nur zwischen dem Ausgang A und dem Poten­ tial U 0 vor, so wird ein durch die strichpunktierte Linie in Fig. 4 angedeuteter und entgegengesetzt zur Richtung des Meß­ stromes I 1 gerichteter Meßstrom I 2 gemessen, sofern S 2 ge­ schlossen ist. Zur Einstellung des high-aktiven Betriebsmo­ des wird hier der Schalter 3 der Last 9 zugeordnet. Der Schalter 5 ist ständig offen.
Liegen beide externen Lasten 8 und 9 an der Ausgangsklemme A an, so werden beide Meßströme I 2 und I 1 abwechselnd detek­ tiert mit der Folge, daß die beiden Schalter 3 und 5 den je­ weiligen Lasten 8 und 9 antivalent zugeordnet werden. Dies entspricht dem Gegentaktbetriebsmode.
Liegt weder eine Last 8 noch eine Last 9 an, so kann weder der Meßstrom I 1 noch I 2 fließen. Hierbei wird ebenfalls der Gegentaktbetriebsmode aktiviert.
Die Lasten 8 und/oder 9 können nach der selbsttätigen Ein­ stellung des jeweiligen Betriebsmodes über die Ansteuerlei­ tung 15 geschaltet werden, ohne daß zuvor vom Anwender eine anwendungsbedingte Vorwahl getroffen werden muß. Der automa­ tisch gewählte Betriebsmode bleibt solange erhalten, wie die Versorgungsspannung anliegt. Die automatische Betriebsmoden­ auswahl wiederholt sich bei jeder neuen Inbetriebnahme (Anle­ gen der Versorgungsspannung an die Klemmen 17, 18). Damit ist es möglich, nach jedem Trennen der Schaltstufe von ihrer Versorgungsspannung die Lastkonfiguration zu verändern, wobei sich der Schaltausgang dann erneut auf die Ausgangsbe­ dingung einstellt.

Claims (16)

1. Gleichstromhalbleiterschalter mit einem low-aktiv, einem high-aktiven sowie einem Gegentaktschaltausgang und einer Steuerlogik, welche zur Durchführung des Schaltvor­ ganges mit Schaltsteuersignalen ansteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Schalter (3) eine erste Ausgangsklemme (A) mit einer auf höherem Potential (U B ) liegenden zwei­ ten Ausgangsklemme (17) und ein zweiter Schalter (5) die erste Ausgangsklemme (A) mit einer auf einem niedrigeren Potential (U 0) liegenden dritten Ausgangsklemme (18) ver­ bindet, daß eine Fühleinrichtung (2) vorgesehen ist, welche das Vorhandensein einer externen Last (8, 9) ent­ weder zwischen der ersten und der zweiten oder zwischen der ersten und dritten Ausgangsklemme (A, 17 oder A, 18) oder sowohl zwischen der ersten und zweiten als auch zwi­ schen der ersten und dritten Ausgangsklemme (A, 17 und A, 18) feststellt, und daß jeweils der zwischen der ersten Ausgangsklemme (A) und der zweiten bzw. dritten Ausgangsklemme (17, 18) liegende Schalter (3, 5) der zwi­ schen der ersten Ausgangsklemme (A) und der dritten bzw. der zweiten Ausgangsklemme (18, 17) angeordneten Last (9, 8) zugeordnet ist, so daß in Abhängigkeit vom Vorhan­ densein einer Last (8, 9) zwischen der ersten Ausgangs­ klemme (A) und der zweiten und/oder dritten Ausgangsklem­ me (17 und/oder 18) der high-aktive, der low-aktive oder der Gegentaktbetriebsmode selbsttätig einschaltbar ist.
2. Gleichstromhalbleiterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den Schaltern (3, 5) hochohmige Wider­ stände (R 1, R 2) geschaltet sind und daß die erste Aus­ gangsklemme (A) über eine Leitung (19) mit dem Eingang der Fühleinrichtung (2) verbunden ist.
3. Gleichstromhalbleiterschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühleinrichtung (2) zwei parallelgeschaltete Schwellenschalter (6) aufweist.
4. Gleichstromhalbleiterschalter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Widerstände (R 1, R 2) gleich sind.
5. Gleichstromhalbleiterschalter nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Widerstände (R 1, R 2) der detektierba­ ren Lastimpedanz angepaßt ist.
6. Gleichstromhalbleiterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten Ausgangsklemme (A) und der Fühl­ einrichtung (2) der Steuerlogik (4) eine Leitung (19) vorgesehen ist und die Fühleinrichtung (2) auf die Rich­ tung des Stromflusses in der Leitung (19) anspricht.
7. Gleichstromhalbleiterschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühleinrichtung (2) zwei die erste Ausgangsklem­ me (A) jeweils mit dem höheren Potential (U B ) bzw. dem niedrigeren Potential (U 0) verbindende, von der Steuerlo­ gik (4) über Meßschalter (S 2, S 1) abwechselnd zuschaltba­ re Widerstände (R A bzw. R B ) aufweist und ein vom Vorhan­ densein einer oder zweier Lasten (9 bzw. 8) ausgelöster Meßstrom (I 2 bzw. I 1) über den Spannungsabfall an den Wi­ derständen (R A bzw. R B ) feststellbar ist.
8. Gleichstromhalbleiterschalter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Schalter (3, 5) als Meßschalter verwendet werden.
9. Gleichstromhalbleiterschalter nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß den Widerständen (R B , R A ) je eine Stromsenke (I 1) bzw. eine Stromquelle (I 2) zugeordnet ist.
10. Gleichstromhalbleiterschalter nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühleinrichtung (2) aus einem Fühlwiderstand (R) und einem Operationsverstärker (17) besteht und daß der Operationsverstärker (17) den von der Anordnung der Lasten (8, 9) abhängigen Strom im Fühlwiderstand (R) de­ tektiert.
11. Gleichstromhalbleiterschalter nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühleinrichtung (2) zwei Reihenschaltungen umfaßt, welche je eine Stromquelle (I 2) bzw. eine Stromsenke (I 1) und je einen aus Lumineszenzdiode (12) und Photodiode (14) bestehenden Optokoppler (11, 13) aufweisen und jeweils die erste Ausgangsklemme (A) mit dem höheren Potential (U B ) bzw. dem niedrigeren Potential (U₀) verbinden, wobei die Detektierung der Lasten (8, 9) über das Verhältnis der Meßströme (I 1, I 2) bestimmt wird.
12. Gleichstromhalbleiterschalter nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßströme (I 1 bzw. I 2) ein Maß für die detektier­ bare Lastimpedanz sind.
13. Gleichstromhalbleiterschalter nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerlogik (4) mit einem Verzögerungsglied (7) ausgestattet ist, welches dafür sorgt, daß der von der Fühleinrichtung (2) und der Steuerlogik (4) detektierte Betriebsmode erst nach einer vorbestimmten Zeit (t 1) nach dem Anlegen der Versorgungsspannung (+U B , U 0) einge­ schrieben wird.
14. Gleichstromhalbleiterschalter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzögerungsglied (7) weiter dafür sorgt, daß der detektierte Betriebsmode zu einer Zeit (T) nach dem Einschreiben des Betriebsmodes (t 1) aktiviert wird.
15. Gleichstromhalbleiterschalter nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aktivierungsschaltung (16) vorgesehen ist, welche beim Anlegen einer Versorgungsspannung (U B , U 0) die Steuerlogik (4) in einen normierten Zustand schal­ tet, wodurch die vorzugsweise als Halbleiter ausgebilde­ ten Schalter (3, 5) in den hochohmigen Zustand geschal­ tet werden.
16. Gleichstromhalbleiterschalter nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter zwei Transistoren (3, 5) sind, deren Basis jeweils von der Steuerlogik (4) angesteuert wird.
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