DD143190A1 - DYNAMICALLY CONTROLLED THRESHOLD SWITCH - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf einen Schwellwertschalter mit einem Schaltelement aus amorphem Halbleitermaterial und einem separaten Steuerkreis. Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Schwellwertschalters auf der Grundlage eines derartigen Schaltelements mit hoher Reproduzierbarkeit und Lebensdauer seiner Schalteigenschaften. Aufgabe der Erfindung ist es, die charakteristischen Uebergaenge des Schaltelementes vom hochohmigen in den niederrohmigen Zustand unter Beibehaltung seiner Kennwerte bzw. Arbeitspunkte ueber eine Impulssteuerung wahlweise ausloesen. Erfindungsgemaess wird dies erreicht, indem die Ansteuerimpulse ueber eine Impulsformerstufe am Schaltelement mit einer wiksamen Impulsbreite anliegen, die in einer ersten Einstellung der Impulsformerstufe kleiner und in einer zweiten Einstellung groesser als die Verzoegerungszeit des Schaltelementes ist. Die Erfindung ist fuer mechanisch-elektrische Wandler von Tastschaltern, Fuer Relais und Koppler verwendbar. -Fig.2-The invention relates to a threshold value switch with a switching element of amorphous semiconductor material and a separate control circuit. The aim of the invention is to provide a threshold switch on the basis of such a switching element with high reproducibility and lifetime of its switching properties. The object of the invention is to selectively trigger the characteristic transitions of the switching element from the high-impedance to the low-resistance state while maintaining its characteristic values or operating points via a pulse control. According to the invention this is achieved by applying the drive pulses via a pulse shaper on the switching element with a wiksamen pulse width, which is smaller in a first setting of the pulse shaper and in a second setting greater than the delay time of the switching element. The invention is applicable to mechanical-electrical converters of key switches, relays and couplers. -Fig.2-
Description
Titel der ErfindungTitle of the invention
Dynamisch gesteuerter SchwellwertschalterDynamically controlled threshold value switch
Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention
Die Erfindung betrifft einen durch einen separaten Steuerkreis dynamisch gesteuerten Schwellwertschalter mit einem Schaltelement aus amorphem zwischen hoher und niedriger Leitfähigkeit schaltbarem Halbleitermaterial. Er ist für mechanisch-elektrische Wandler von Tastschaltern, für Relais und Koppler sowie zum Aufbau einer Tastatur verwendbar.The invention relates to a dynamically controlled by a separate control circuit threshold value switch with a switching element of amorphous switchable between high and low conductivity semiconductor material. It can be used for mechanical-electrical converters of key switches, relays and couplers as well as for the construction of a keyboard.
Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions
Ein bekanntes sperrschichtfreies Halbleiterschaltelement wird vom Zustand niedriger in den Zustand hoher Leitfähigkeit geschaltet, indem die an ihm angelegte Impulsfolge in ihrer Frequenz bzw. Breite so lange erhöht wird, bis das Halbleiterschaltelement in den Zustand hoher Leitfähigkeit übergeht.A known semiconductor non-blocking switching element is switched from the lower state to the high-state state by increasing the frequency or width of the pulse train applied to it until the semiconductor switching element transitions to the high-conductivity state.
Die beschriebene Energiesteuerung des Halbleiterschaltelementes beruht auf der Verschiebimg des Arbeitspunktes am Schaltelement. Der durch diese Arbeitspunktverschiebung erzielte Steuereffekt des Schaltprozesses ist nicht bauelementespezifisch, da es sich hierbei um die Ausnutzung des von der Frequenz bzw. von der Impulsbreite abhängigen Neu- und Wiederholungsschaltens handelt, das mit einem thermischen Überlastungseffekt zu vergleichen ist. InsbesondereThe energy control of the semiconductor switching element described is based on the Verschiebimg the operating point on the switching element. The control effect of the switching process achieved by this operating point shift is not component-specific, since this is the utilization of the new and repeated switching dependent on the frequency or pulse width, which is to be compared with a thermal overloading effect. In particular
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ergibt sich das aus dem angeführten hohen Sperrstrom und der Vorbelastungsfrequenz sowie aus dem im niederohmigen Zustand fließenden hohen Strom. Die Nutzung thermischer Überlastungseffekte ist zwangsweise mit einer Verschiebung der Schaltparameter des Schaltelementes und damit des Arbeitspunktes verbunden. Charakteristisch für diesen Belastungsfall sind erhöhte Streuungen der Kennwerte des Schaltelementes bei entsprechend unzureichender Reproduzierbarkeit und Lebensdauer der Bauelemente. Zusätzlich sei erwähnt, daß die Anwendung gesteuerter elektronischer Bauelemente in der Schaltungstechnik weitestgehend an eine mögliche Steuerung der Bauelementefunktionen durch einen getrennten Steuerkreis gebunden ist. Die Steuerung des bekannten Schaltelementes ist diesbezüglich unzweckmäßig, da eine vom Arbeitspunkt unabhängige Steuergröße mit einem separaten Steuerkreis fehlt(DE-OS 1927874).This results from the stated high reverse current and the preload frequency and from the high current flowing in the low-resistance state. The use of thermal overloading effects is necessarily associated with a shift in the switching parameters of the switching element and thus the operating point. Characteristic of this load case are increased variations in the characteristics of the switching element with correspondingly insufficient reproducibility and service life of the components. In addition, it should be mentioned that the application of controlled electronic components in circuit technology is largely tied to a possible control of the component functions by a separate control circuit. The control of the known switching element is impractical in this regard, since an independent from the operating point control variable with a separate control circuit is missing (DE-OS 1927874).
Ziel der ErfindungObject of the invention
Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Schwellwertschalters auf der Grundlage eines derartigen steuerbaren Schaltelementes mit hoher Reproduzierbarkeit und Lebensdauer seiner Schalteigenschaften.The aim of the invention is to provide a threshold switch on the basis of such a controllable switching element with high reproducibility and lifetime of its switching properties.
Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, die charakteristischen Übergänge des Schalt element es vom hoch ohmigen in den niederohmigen Zustand unter Beibehaltung seiner Kennwerte bzw. Arbeitspunkte über eine Impulsansteuerung wahlweise auszulösen.The object of the invention is to trigger the characteristic transitions of the switching element it from the high-impedance to the low-resistance state while maintaining its characteristics or operating points via a pulse control optional.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, indem Ansteuerimpulse über eine Impulsformerstufe am Schaltelement mit einer wirksamen Impulsbreite anliegen, die in einer ersten Einstellung der Inipulsformerstufe kleiner und in einer zweiten Einstellung größer als die Verzögerungszeit des Schaltelementes ist.According to the invention, this object is achieved by applying drive pulses via a pulse shaper on the switching element with an effective pulse width, which is smaller in a first setting of the Inipulsformerstufe and in a second setting greater than the delay time of the switching element.
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Ausführungsbeispielembodiment
In der Zeichnung zeigen:In the drawing show:
Figur 1: Spannungs- und Stromstärke-Zeit-Funktionen an amorphen Halbleitern,FIG. 1: Voltage and current-time functions on amorphous semiconductors,
Figur 2: das Schaltbild eines dynamisch gesteuerten Schwellwertschalters,FIG. 2: the circuit diagram of a dynamically controlled threshold switch,
Figur 3: ein weiteres Schaltbild dieses Schwellwertschalters undFigure 3: another circuit diagram of this threshold and
Figur 4 und 5:FIGS. 4 and 5:
Spannungs-Zeit-Funktionen innerhalb des dynamisch gesteuerten Schwellwertschalters in Abhängigkeit der Werte der Steuergröße.Voltage-time functions within the dynamically controlled threshold switch depending on the values of the control variable.
Gemäß Figur 2 besteht der erfindungsgemäße Schwellwertschalter .aus der Reihenschaltung eines Schaltelementes S amorphen Halbleitermaterials, eines Meßwiderstandes R^, eines Generators G und eines Widerstandes Ry. Ein Kondensator C überbrückt die Reihenschaltung von Schaltelement S und Meßwiderstand Rjjß. Kondensator C und Widerstand Ry bilden eine Impulsformerstufe.2, the threshold value switch according to the invention consists of the series connection of a switching element S of amorphous semiconductor material, a measuring resistor R 1, a generator G and a resistor Ry. A capacitor C bridges the series connection of switching element S and measuring resistor Rjjß. Capacitor C and resistor Ry form a pulse shaper stage.
Der Generator G erzeugt Ansteuerimpulse mit dem in Figur 1 gezeigten Spannungsverlauf Uq, deren Amplituden über der für das Schaltelement S geltenden Schwell spannung Ug für das Umschalten in den Zustand hoher Leitfähigkeit liegen. Hierbei ist die Zeit, in welcher sich die Amplitude des Spannungsverlaufes Uq oberhalb oder nahe der Schwellspannung U„ befindet, als die wirksame Impulsbreite tj- bezeichnet. Die Ansteuerimpulse liegen über den Widerstand Ry am Schaltelement S gemäß dem Spannungsverlauf U^1 der Fig. 1 an. Nach Erreichen der Schwellspannung Uq am Schaltelement S vergeht die Verzögerungszeit tp bis zur Umschaltung in den niederohmigen Zustand (Umschaltzeit t,), die mit einem Anstieg des durch das Schaltelement S fließenden Stromes 1™ gemäß Figur 1 gekennzeichnet ist. Fach Ablauf der Zeit t, geht das SchaltelementThe generator G generates drive pulses with the voltage waveform shown in Figure 1 Uq whose amplitudes are above the valid for the switching element S threshold voltage Ug for switching to the high conductivity state. Here, the time in which the amplitude of the voltage waveform Uq is above or near the threshold voltage U "is referred to as the effective pulse width tj-. The drive pulses are applied via the resistor Ry to the switching element S according to the voltage curve U ^ 1 of FIG. After reaching the threshold voltage U q on the switching element S, the delay time tp elapses until it is switched to the low-resistance state (switching time t,), which is characterized by an increase in the current I ™ flowing according to FIG. Trace time t, the switching element goes
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S infolge des Abfallens des Spannungsverlaufes Up innerhalb einer Rückschaltzeit tg in den hochohmigen Zustand zurück. Die genannten Abläufe'setzen voraus, daß der Kondensator C von der Reihenschaltung des Meßwiderstandes R.r und des Schaltelementes S abgeschaltet ist. Dies entspricht der zweiten Einstellung der Impulsformerstufe Ry, C. Bildet der Schwellwertschalter nach Figur 2 die Grundlage einer Taste, so würde der abgeschaltete Kondensator C der gedrückten Taste zwecks Erzeugung eines Impulses am Ausgang A entsprechen (Spannungsverlauf U™ in Fig. 4). Die soeben beschriebenen Spannungsverläufe der Figur 1 sind im oberen Teil der Figur 4 als Zusammenstellung gezeigt. Hierbei ist die wirksame Impulsbreite tj- größer als die Verzögerungszeit tp. Auf die Beschreibung der Vorrichtung zur An- und Abschaltung des Kondensators C wird hier verzichtet. Die An- und Abschaltung beinhaltet ebenfalls die Vergrößerung und die Verkleinerung der Kapazität bzw. die Kopplung und Entkopplung des Kondensators C.S due to the fall of the voltage curve Up within a switchback time tg in the high-impedance state. The Abläufe'setzen mentioned requires that the capacitor C of the series connection of the measuring resistor R. R and switching element S is switched off. This corresponds to the second setting of the pulse shaper Ry, C. If the threshold switch according to FIG. 2 forms the basis of a key, the switched-off capacitor C would correspond to the pressed key to generate a pulse at the output A (voltage waveform U ™ in FIG. 4). The voltage waveforms of Figure 1 just described are shown in the upper part of Figure 4 as a compilation. Here, the effective pulse width tj- is greater than the delay time tp. On the description of the device for switching on and off of the capacitor C is omitted here. The connection and disconnection also includes the enlargement and reduction of the capacitance or the coupling and decoupling of the capacitor C.
In der ersten Einstellung der Impulsformerstufe Ry, C ist der Kondensator C an die Reihenschaltung von Schaltelement S und Meßwiderstand HL· angeschaltet gemäß Figur 2. Dies würde beim oben genannten Einsatzbeispiel einer nichtgedrückten Taste entsprechen. Der Spannungsverlauf U& der Ansteuerimpulse liegt dann als Spannungsverlauf U-g entsprechend Figur 5 am Schaltelement S an. Der Kondensator C verringert in Verbindung mit dem Widerstand Ry den Spannungsanstieg am Schaltelement S, so daß die Schwellspannung Ug zu einem späteren und für das Schaltelement S nicht wirksamen Zeitpunkt erreicht wird. Dies bedeutet eine Verkleinerung der wirksamen Impulsbreite tj- auf einen Wert, der unter der elementspezifischen Verzögerungszeit t2 liegt. Bei geeigneter Y/ahl des Kondensators C wird durch die Zeitverschiebung nicht nur die Verzögerungszeit't2 sondern auch die Schwellspannung Ug unterschritt en. Das Schaltelement SIn the first setting of the pulse shaper Ry, C, the capacitor C is connected to the series connection of switching element S and measuring resistor HL · according to Figure 2. This would correspond in the above-mentioned application example of a non-pressed key. The voltage curve U & the drive pulses is then applied as a voltage curve Ug according to Figure 5 on the switching element S. The capacitor C, in conjunction with the resistor Ry decreases the voltage rise at the switching element S, so that the threshold voltage Ug is reached at a later and for the switching element S not effective time. This means a reduction of the effective pulse width tj- to a value that lies below the element-specific delay time t 2 . With a suitable Y / ahl of the capacitor C is not only the delay time't 2 but also the threshold voltage U g undercut by the time shift s. The switching element S
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kann nicht in den niederohmigen Zustand umschalten, die Ansteuerimpulse des Generators lösen keine Impulse am Ausgang A aus.can not switch to the low-resistance state, the drive pulses of the generator trigger no pulses at the output A.
Eine andere Ausführung des erfindungsgemäßen Schwellwertschalters ist in Figur 3 gezeigt. Die Impialsformerstufe Ry, C ist als Parallelschaltung ausgeführt, welche die Reihenschaltung von Schaltelement S, Meßwiderst and IL, und Ausgangskreis des Generators G überbrückt. Diese Schaltungsvariante ergibt die analoge Umkehrung des für Figur 2 beschriebenen Effektes. Die Anschaltung des Kondensators C ergibt den größeren Anstieg des Spannungsverlaufes U™ am Schaltelement S und damit eine wirksame Impulsbreite tj-, die größer als die Verzögerungszeit t2 des Schaltelementes S ist (zweite Einstellung der Impulsformerstufe Ry, G). Die Abschaltung des Kondensators C ergibt den kleineren Anstieg des Spannungsverlaufes υπ am Schaltelement S und damit eine wirksame Impulsbreite tj-, die kleiner als die Verzögerungszeit tp des Schaltelementes S ist. Das entspricht der ersten Einstellung der Impulsformerstufe Ry, C. Die Ansteuerimpulse des Generators G lösen am Ausgang A keinen Impuls aus·Another embodiment of the threshold switch according to the invention is shown in FIG. The Impialsformerstufe Ry, C is designed as a parallel circuit, which bridges the series connection of switching element S, Meßwiderst and IL, and output circuit of the generator G. This circuit variant results in the analogous reversal of the effect described for FIG. The connection of the capacitor C results in the larger increase of the voltage curve U ™ at the switching element S and thus an effective pulse width tj-, which is greater than the delay time t 2 of the switching element S (second setting of the pulse shaper Ry, G). The shutdown of the capacitor C gives the smaller increase of the voltage curve υ π at the switching element S and thus an effective pulse width tj-, which is smaller than the delay time tp of the switching element S. This corresponds to the first setting of the pulse shaper Ry, C. The drive pulses of the generator G trigger at the output A no pulse ·
Das Schaltelement S kehrt in den hochohmigen Zustand zurück, sobald auf Grund des Spannungsverlaufs U« der Ansteuerimpulse der durchfließende Strom unter einem Haltewert absinkt.The switching element S returns to the high-resistance state as soon as, due to the voltage curve U "of the drive pulses, the current flowing through falls below a holding value.
Mittels der beschriebenen Schaltungsanordnung werden die Arbeitspunkte eines Schaitelementes auf der Grundlage amorphen Halbleitermaterials durch thermische Überlastung nicht verschoben, seine Lebensdauer ist dadurch größer. Die su steuernde Größe ist die wirksame Impulsbreite der angelegten Ansteuerimpulse, der Einfluß der Streuung der Kennwerte auf das Schaltverhalten des Schaltelementes wird daher auf einem Minimum gehalten.By means of the described circuit arrangement, the operating points of a Schaitelementes based on amorphous semiconductor material are not displaced by thermal overload, its life is thus greater. The su controlling size is the effective pulse width of the applied drive pulses, the influence of the dispersion of the characteristic values on the switching behavior of the switching element is therefore kept to a minimum.
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