CH619086A5 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezweckt, eine Speiseschaltung für eine induktive Last zu schaffen, die einfach und sicher arbeitet, die sich besonders gut zur Ausführung als integrierte Halbleiterschaltung eignet und die eine induktive Last mit relativ 150 hoher Spannung, beispielsweise 24 Volt, versorgen kann. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild eines Leistungsverstärkers Fig. 2 den Querschnitt durch eine integrierte Halbleitervor- 55 richtung

Wie erwähnt, treten bei Schaltvorgängen Übergangserscheinungen auf, wenn eine induktive Last unter Strom gesetzt oder insbesondere, wenn sie abgeschaltet wird. Dabei besteht die Gefahr, dass die Schaltung zerstört wird. Die am meisten «> gefährdeten Elemente sind dabei die Transistoren, die entweder durch direkten Durchschlag infolge der Überspannung oder indirekt durch einen Durchschlag zweiter Art infolge des Lawineneffektes zerstört werden. Die Verdichtung des elektrischen Stromes in einer begrenzten Zone der Basis des Transi- 65 stors, dessen Leitfähigkeit unterbrochen werden soll, erzeugt eine örtlich begrenzte Temperaturerhöhung, die lawinenartig eine weitere Verdichtung des Stromflusses mit sich bringt und dabei durch noch stärkere Erwärmung den Emitter-Basis-Über-gang des Transistors zerstört.

Diese Erscheinungen sollen vermieden werden, einerseits durch Ableitung der gefährlichen elektrischen Ladungen und andererseits durch günstige Aufteilung der entstehenden Überspannungen auf verschiedene Transistoren. Schaltungen zur Verwirklichung dieses Prinzips stützen sich vorteilhafterweise auf die Erkenntnis, dass planare Transistoren mit oben liegendem Emitter eine höhere Durchschlagsspannung aufweisen, als solche mit oben liegender Basis.

Die Fig. 1 zeigt eine nach diesem Prinzip aufgebaute Schaltung. Die induktive Belastung ist hier in Form der Relaisspule K dargestellt. Sie wird durch eine Schaltung gespiesen, die die beiden NPN-Transistoren TN 1 und TN2 umfasst. Die Spule K liegt zwischen dem positiven Pol V+ einer Stromversorgung und dem Kollektor von TN1. Der Emitter von TN 1 ist mit dem Kollektor von TN2 verbunden, dessen Emitter seinerseits an der Masse liegt. Die Basis von TN 1 ist mit einer Stromquelle verbunden, die aus dem PNP-Transistor TP und dem Spannungsteiler R1-R2 besteht, der die Basis von TP mit konstanter Spannungversorgt. Ein Belastungswiderstand R3 liegt zwischen dem positiven Pol V+ der Stromversorgung und dem Emitter von TP, um den Stromfluss durch TP auf einen vorbestimmten Wert zu begrenzen. Der Kollektor von TP ist mit der Basis von TN1 verbunden, sowie mit einer Quelle konstanter Spannung, die durch die Zener-Diode Z gebildet wird. Der andere Pol der Diode Z liegt an Masse. Das Eingangssignal, das bestimmt, ob die Wicklung K unter Strom steht, das heisst ob die Transistoren TN 1 und TN2 leiten, wird an die Basis von TN2 angelegt. Es kann dort direkt anliegen oder, wie vorliegend gezeigt, über den Verstärker TN3, R4. Schliesslich sind noch zwei Dioden vorgesehen, Dl und D2, deren eine zwischen Emitter und Basis von TN 1 und deren andere über die Anschlüsse der Spule K gelegt ist. Diese Dioden sind nicht unbedingt notwendig, verbessern aber, wie noch gezeigt wird, die Eigenschaften der Schaltung und erhöhen die Funktionssicherheit. Wenn an der Basis des Transistors TN3 eine positive Spannung anliegt, leitet dieser Transistor und die Spannung an der Basis von TN2 liegt in der Nähe des Erdpotentials. Dadurch ist der Transistor TN2 gesperrt, und es fliesst kein Strom durch die Spule K. Wenn der Transistor TN3 gesperrt wird, indem an seiner Basis ein tiefes Potential angelegt wird, steigt sein Kollektor-Potential und damit dasjenige an der Basis von TN2. TN2 wird dadurch leitend und da in die Basis von TN1 aus der Stromquelle TP ein Strom fliesst, wird auch TN 1 leitend, so dass ein Strom durch die Spule K fliesst. Soll der Strom wieder abgeschaltet werden, so wird TN3 durch ein positives Signal an seiner Basis veranlasst, zu leiten. Dadurch wird TN2 gesperrt und das Potential am Punkt A steigt bis es grösser ist als die Spannung VZ, bei welcher die Zener-Diode Z leitend wird. In der Praxis können zur richtigen Einstellung von VZ mehrere Zener-Dioden in Serie geschaltet sein. Wenn die Diode leitet, übernimmt sie den Strom der Stromquelle TP und erzeugt so eine Quelle niedriger Spannung. Daneben übernimmt die Diode aber auch den Basisstrom des Transistors TN 1 während dieser seinen Emitterstrom unterbricht. Auf diese Weise wird verhindert, dass in der Basis von TN1, die erwähnte lawinenartige thermische Ladungsballung stattfindet, die zur Zerstörung des Transistors führen kann. Die Abschaltspannung der induktiven Last K wird, wie dargelegt, auf mehrere in Serie geschaltete Transistoren, TN 1 und TN2, aufgeteilt. Zusätzlich werden die Transistoren jedoch vor Beschäftigung noch dadurch geschützt, dass ihre Basen beim Abschalten an eine Spannungsquelle niederer Impedanz, ZI, TN3, angeschlossen werden, so dass die von der abschaltenden Induktivität erzeugte Überspannung nicht am Transistor wirksam werden kann.

Die Schaltung der Fig. 1 enthält einige zusätzliche Elemente, die ihre Eigenschaften verbessern. Die Diode Dl

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begrenzt den inversen Spannungsimpuls am Basis-Emitterübergang von TN 1, der dort durch kapazitive Übertragung entstehen kann. Diese Diode ist nur erforderlich, wenn der inverse Basisstrom von TN 1 sowie der laterale Widerstand der Basis so gross sind, dass die Durchschlagsspannung des Basis-Emitter- 5 Übergangs im Betrieb erreicht wird. Ist dies nicht der Fall, dann sollte die Diode nicht verwendet werden, da sie einerseits die Schaltgeschwindigkeit herabsetzt und andererseits die Verlustleistung von TN 1 erhöht.

Die Diode D2 dient dazu, eine Überspannung am Kollektor 10 von TN 1 beim Abschalten zu vermeiden. Sie liegt zwischen dem Kollektor und der Leitung V + der Stromversorgung. Praktisch wird diese Spannung bereits durch eine parasitäre Zener-Diode ZI begrenzt, die im integrierten Kreis des Transistors TN 1 entsteht. Das soll anhand der Fig. 2 dargelegt wer- 15 den.

Fig. 2 zeigt in bekannter Weise den Querschnitt durch einen planaren NPN Transistor, der in einem Substrat SUBS angeordnet ist. Das Substrat enthält mehrere Elemente in

Fächern, die, durch Isolationswände ISO voneinander getrennt, in einer epitaktischen Schicht angeordnet sind.

Bei der Fabrikation wird das geringfügig P leitende Substrat (P-) durch eine N leitende epitaktische Schicht bedeckt, die durch P-Diffusionen ISO in isolierte Fächer unterteilt wird. Eines dieser Fächer enthält den Transistor TN 1. In der Zeichnung ist innerhalb des isolierten Faches eine ausgedehnte N+ leitende Subkollektorschicht angeordnet, um den Kollektorwiderstand des Transistors zu vermindern. Die Herstellung solcher Schichten ist bekannt. Innerhalb des Faches wird auf bekannte Weise die Kollektorzone C, die schwach P dotierte Basiszone B und, darin eingeschlossen, die N+ dotierte Emitterzone E des Transistors angeordnet. Der NP-Übergang, der zwischen der epitaktischen Schicht und dem Subkollektor einerseits sowie dem Substrat und der Isolationswand ISO andererseits entsteht, bildet mit diesen zusammen eine Diode, wie es in der Zeichnung angedeutet ist. Da die Diode invers polarisiert ist, übernimmt sie in der Schaltung die Funktion der Zener-Diode ZI.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

619086 PATENTANSPRÜCHE

1. Integrierter Halbleiter-Leistungsverstärker, insbesondere zum Betrieb einer induktiven Last, mit mehreren in Serie geschalteten Transistoren (TN1, TN2) im Strompfad der Last (K), gekennzeichnet durch Mittel (Z, TN3) zur Überbrückung 5 des Basis-Kollektor-Überganges wenigstens eines Transistors beim Abschalten des Stromes.

2. Verstärker nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Überbrückung des Basis-Kollektor-Überganges eine Diode umfassen. ">

3. Verstärker nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode (Z) eine Zener-Diode ist.

4. Verstärker nach Patentanspruch 1, in welchem Mittel (TN3) vorgesehen sind, um einem der in Serie geschalteten Transistoren (TN2) ein Steuersignal zuzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis eines anderen der in Serie geschalteten Transistoren (TN 1) mit einer Stromquelle R3, TP) verbunden ist und dass die Stromquelle über eine Zener-Diode (Z) derart mit Erde verbunden ist, dass diese eine konstante Spannung festlegt, wenn der eine Transistor (TN2) blockiert ist. 20

5. Verstärker nach Patentanspruch 1, mit planar in Isolationsfächern angeordneten Transistoren (Fig. 2), dadurch gekennzeichnet, dass eine Zone eines NPN-Transistors mit der Isolationszone (ISO) zusammen eine parasitäre Zener-Diode (ZI) bildet. 25

Wenn ein elektrischer Strom durch eine induktive Belastung wie zum Beispiel eine Relaiswicklung geschickt wird,

oder wenn dieser Strom abgeschaltet wird, treten bekanntlich Abschaltspannungen auf, durch welche in den Schaltelementen Probleme entstehen können. So erzeugt die Induktivität beim " Abschalten des Stromes eine Überspannung, durch welche Transistoren im Steuerkreis beschädigt werden, das heisst durchschlagen können. Diese Probleme sind noch schwerwiegender, wenn die Steuerkreise integrierte Schaltungen bilden. Man ist daher bestrebt, Schaltungen zu schaffen, die eine zu 40 hohe Spannungsbelastung der Transistoren vermeiden.

Verschiedene Schaltungen wurden schon vorgeschlagen, um die Abschaltspannungen induktiver Lastkreise zu beherrschen. Überbrückungskondensatoren sind allgemein bekannt, auch die Serienschaltung mehrerer Transistoren wurde schon 45 versucht, weist aber ebenfalls Nachteile auf.