DE1219076B - Elektronische Schaltanordnung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOSk

Deutsche Kl.: 21 al-36/18

Nummer: 1219 076

Aktenzeichen: D 43872 VIII a/21 al

Anmeldetag: 13. März 1964

Auslegetag: 16. Juni 1966

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Schaltanordnung mit mindestens zwei in Reihe geschalteten und durch vorzugsweise kapazitive oder ohmsche Widerstände überbrückten Halbleiterelementen.

Bei einer bekannten Schaltanordnung dieser Art sind die Halbleiterelemente Transistoren. Die parallelgeschalteten Widerstände haben die Funktion, bestimmte Spannungsverhältnisse an der Reihenschaltung aufrechtzuerhalten.

Demgegenüber besteht die Erfindung darin, daß durch die Verwendung von Halbleiterschaltelementen, die beim Überschreiten eines Schwellenwertes der angelegten Spannung bzw. Feldstärke vom hochohmigen in den niederohmigen Zustand und beim Unterschreiten eines Haltestromes wieder zurückschalten, und durch eine derartige Bemessung der Impedanzen, daß in einem in den niederohmigen Zustand umgeschalteten Halbleiterschaltelement mindestens der Haltesitrom fließt, auch wenn die anderen Halbleiterschaltelemente noch hochohmig sind.

Mit diesem Schaltungsaufbau lassen sich verschiedene Probleme lösen, die bei Reihenschaltungen von Halbleiterschaltelementen auftreten. An erster Stelle steht hierbei die folgende Frage: Die bekannten Halbleiterschaltelemente werden zwar durch einen Steuerimpuls in den niederohmigen Zustand umgeschaltet, kehren aber sofort in den hochohmigen Zustand zurück, wenn der Steuerimpuls abklingt und sie in Reihe mit einem hochohmigen Halbleiterschaltelement liegen. Dieses hochohmige Halbleiterschaltelement verhindert, daß durch das vom Steuerimpuls beeinflußte Halbleiterschaltelement der zur Aufrechterhaltung des niederohmigen Zustandes erforderliche Haltestrom fließt. Reihenschaltungen von Halbleiterschaltelementen erforderten daher einen absoluten Synchronlauf der an die einzelnen Halbleiterschaltelemente zu legenden Steuerimpulse oder die Verwendung von Steuersignalen größerer Dauer, so daß sie schließlich zeitlich überlappen. Beide Forderungen sind bei vielen einfachen Steuerschaltungen nicht zu erfüllen; oftmals sind sie auch gar nicht beabsichtigt, z. B. bei logischen Schaltungen, bei denen die einzelnen Halbleiterschaltelemente der Reihe von verschiedenen, voneinander unabhängigen Steuerkreisen beeinflußt werden.

Mit Hilfe der Erfindung kann man aber ein beliebiges Halbleiterschaltelement der Reihe zu einem beliebigen Zeitpunkt mit einem ganz kurzen Steuerimpuls in den niederohmigen Zustand bringen, und es bleibt in diesem Zustand, weil es sich über die den übrigen Halbleiterschaltelementen parallelgeschalte-Elektronische Schaltanordnung

Anmelder:

Danfoss A/S, Nordborg (Dänemark)

Vertreter:

Dr.-Ing. U. Knoblauch, Patentanwalt,

Frankfurt/M. 1, Kühhornshofweg 10

Als Erfinder benannt:

Arne Jensen, Havnbjerg, Nordborg (Dänemark)

ten Widerstände mit dem erforderlichen Haltestrom versorgt. Die übrigen Halbleiterschaltelemente der Reihe können dann zu einem beliebigen anderen Zeitpunkt innerhalb der Halbwelle der Wechselspannung umgeschaltet werden. Nach Umschalten des letzten Halbleiterschaltelementes der Reihe ist der elektronische Schalter geöffnet.

Eine weitere Schwierigkeit bei Halbleiterschaltelementen-Reihenschaltungen besteht darin, daß Überspannungen aus dem Netz ungewollt den elektronischen Schalter in den leitenden Zustand bringen. Normalerweise haben nicht alle Halbleiterschaltelemente der Reihe den gleichen Widerstandswert, möglicherweise auch nicht den gleichen Schwellenwert. Daher kann bei einer solchen Netzüberspannung zunächst das Halbleiterschaltelement mit dem höchsten Widerstandswert, gemessen an seinem Schwellenwert, in den niederohmigen Zustand umschalten. Die anderen Halbleiterschaltelemente folgen dann, weil an ihnen alsdann ein entsprechend höherer Anteil der Netzspannung liegt.

Diesem Übelstand kann gemäß der Erfindung dadurch begegnet werden, daß die Impedanzen der Widerstände etwa im Verhältnis der Schwellenwerte der zugehörigen Halbleiterschaltelemente zueinanderstehen. Die parallelgeschalteten Widerstände wirken daher als Spannungsteiler und verteilen die Überspannung gleichmäßig auf alle Halbleiterschaltelemente, so daß die Gefahr einer ungewollten Umschaltung wesentlich vermindert wird. Im übrigen kann diese Schaltung auch benutzt werden, um einen Steuerimpuls, der der gesamten Reihe auf einmal zugeführt wird, gleichmäßig auf die einzelnen Halbleiterschaltelemente zu verteilen.

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Ferner können diese parallelgeschalteten Widerstände auch dazu dienen, Störspannungen überhaupt an der Halbleiterschaltelementreihe vorbeizuleiten, beispielsweise, wenn sie als Kondensatoren ausgebildet sind.

Aus alledem ergibt sich, daß der Ausdruck »hohe Impedanz« in Verbindung mit den parallelgeschalteten Widerständen einen Wert meint, der kleiner ist als der Widerstandswert der Halbleiterschaltelemente im hochohmigen Zustand, jedoch so groß ist, daß die bei hochohmigen Halbleiterschaltelementen hierüber fließenden Ströme keine nennenswerte Belastung darstellen.

Besonders interessant ist in diesem Zusammenhang die Anwendung von neuartigen Halbleiterschaltelementen, die überwiegend aus Tellur mit Zusätzen aus Elementen der Gruppen IV und V des Periodischen Systems bestehen. Es handelt sich um sperrschichtfreie, absolut symmetrische Festkörperschalter, die hochbelastbar und sehr leicht herstellbar sind. Außerdem kann man ihren Schwellenwert durch Wahl des Mischungsverhältnisses oder durch die Dicke des Körpers nach Belieben einstellen. Als Beispiel sei ein Halbleiterschaltelement genannt, das aus 67,5% Tellur, 25% Arsen und 7,5% Germanium erzeugt ist. Die Herstellung kann durch Aufdampfen auf eine Metallplatte, durch Sintern, durch Erstarrenlassen einer Legierungsschmelze od. dgl. erfolgen.

Andererseits können in diesem Zusammenhang aber auch die bekannten, aus mehreren monokristalz. B. in Form einer Fünfschichtdiode, verwendet werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der Zeichnung. Es zeigt

F i g. 1 ein typisches Strom-Spannungs-Diagramm für ein erfindungsgemäß verwendbares Halbleiterschaltelement,

F i g. 2 die erfindungsgemäße Schaltanordnung mit einzelnen zu steuernden Halbleiterschaltelementen und

Fig. 3 die erfindungsgemäße Schaltanordnung mit gemeinsam zu steuernden Halbleiterschaltelementen.

In dem Diagramm der F i g. 1 ist der Strom / eines symmetrischen Halbleiterschaltelementes über der Spannung U aufgetragen. Unterhalb der Schwellenspannung + U_s ist der Strom nahezu Null, da der Schalter seinen hochohmigen Zustand eingenommen hat, bei dem sein Widerstand bis zu mehreren Megohm betragen kann (Kurve I). Sobald jedoch die Schwellenspannung U_s überschritten ist, springt das Halbleiterschaltelement in seinen niederohmigen Zustand (Kurve II) um, bei dem es einen Widerstand von 1 Ohm oder weniger hat. Den niederohmigen Zustand behält das Element bei, bis der hindurchfließende Strom einen Haltewert 1_H unterschreitet, der ziemlich in der Nähe des Nullpunktes liegen kann. Beim Unterschreiten von I₁₁ schaltet das Halbleiterschaltelement in den hochohmigen Zustand zurück.

In F i g. 2 soll in dem vom Netz 1 gespeisten Stromkreis durch den Belastungswiderstand 2 ein Strom fließen, wenn an allen Steuergeräten 3, 4, 5 über die zugehörigen Kopplungstransformatoren 6, 7, 8 ein Steuerimpuls abgegeben wird. Im Hauptstromkreis liegen in Reihe drei Halbleiterschaltelemente 9, 10', 11, denen jeweils ein Kondensator 12, 13, 14 parallel geschaltet ist. Jedes Halbleiterschaltelement kann seinen Steuerimpuls vom zugehörigen Steuergerät 3 bis 5 über eine bei polykristallinen Halbleiterschaltelementen verwendbare kapazitive Steuerelektrode 15,16, 17 erhalten.

Es sei angenommen, daß das Steuergerät 3 bald nach Beginn einer Halbwelle der Netzspannung einen kurz dauernden Steuerimpuls abgibt. Dieser schaltet

ίο das Halbleiterschaltelement 9 in den niederohmigen Zustand um. Das Element würde sofort nach dem Abklingen des Steuerimpulses wieder in den hochohmigen Zustand zurückkehren, wenn nicht über die Kondensatoren 13, 14 ein Strom zugeführt würde, der zwar klein ist, aber über dem Haltestrom I_H liegt. Demnach bleibt das Halbleiterschaltelement 9 bis etwa zum Ende der Halbwelle, also bis der Strom wieder durch Null geht, im niederohmigen Zustand. Es spielt daher keine Rolle, zu welchem Zeitpunkt innerhalb dieser Halbwelle das Steuergerät 4 und 5 einen Steuerimpuls abgibt, um auch die Halbleiterschaltelemente 10 und 11 in den niederohmigen Zustand zu überführen. Erst wenn alle drei Halbleiterschaltelemente umgeschaltet sind, fließt durch die Belastung 2, z. B. in Form eines Meß- oder Anzeigeinsfruments, der das Ansprechen aller drei Steuergeräte 3 bis 5 nachweisende Strom.

In Fig. 3 liegt am Netz 18 ein Lastwiderstand 19, der aus Gründen eines hohen Isolationswiderstandes über eine Reihenschaltung von vier Halbleiterschaltelementen 20 bis 23 ein- und ausgeschaltet wird. Jedem Halbleiterschaltelement liegt ein ohmscher Widerstand 24 bis 27 parallel. Ein Steuergerät 28 ist über einen Kondensator 29 an die gesamte Reihenschaltung angelegt. Die Widerstände 24 bis 27 sind so bemessen, daß ihr Wert im Verhältnis der Schwellenwerte der zugehörigen Halbleiterschaltelemente 20 bis 23 zueinander steht. Da man bei sperrschichtfreien, insbesondere polykristallinen Festkörperschaltern diesen Schwellenwert sehr genau einstellen kann, demnach möglichst Halbleiterschaltelemente mit gleichem Schwellenwert verwendet, sind die Widerstände 24 bis 27 ebenfalls vorzugsweise gleich groß.
Wenn aus dem Netz eine Überspannung an die Halbleiterschaltelementreihe herangeführt wird, wird diese durch die Widerstände 24 bis 27 gleichmäßig auf die Halbleiterschaltelemente 20 bis 23 verteilt. Die Überspannung ist daher unschädlich, solange sie nicht den Wert des Steuerimpulses erreicht. Gegen zu hohe Überspannungsspitzen kann man sich aber durch andere Maßnahmen, z. B. eine Drossel 30 im Stromkreis, schützen, die gleichzeitig dafür sorgt, daß der Steuerimpuls des Steuergeräts 28 nicht über das Netz 18 läuft.

Abweichungen von den veranschaulichten Ausführungsbeispielen können in vielerlei Richtung vorgenommen werden, ohne daß der Grundgedanke der Erfindung verlassen wird. Beispielsweise können die Widerstände 24 bis 27 durch Kondensatoren ersetzt werden. Die Schaltung der Fig.2 ist nicht nur für logische Operationen geeignet; statt der drei Steuergeräte 3 bis 5 kann ein einziges Steuergerät verwendet werden, wobei aber keine Rücksicht darauf genommen zu werden braucht, ob in der anschließenden Steuerschaltung gewollt oder ungewollt Verzögerungen auftreten. Dargestellt sind Schaltungen, die mit Wechselspannung gespeist werden. Dies bedeutet, daß Steuerimpulse die Halbleiterschaltelemente

jeweils nur für eine Halbwelle in den niederohmigen Zustand umschalten, bzw. umgekehrt, daß in jeder Halbwelle Steuerimpulse abgegeben werden müssen, was man durch eine einfache Kopplung des Steuergeräts mit dem Hauptstromkreis erreichen kann. Selbstverständlich lassen sich die Stromkreise aber auch für Gleichspannungsbetrieb verwenden, wobei das Zurückschalten der Halbleiterschaltelemente in den hochohmigen Zustand durch irgendeine Stromunterbrechungsvorrichtung erfolgen kann.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Elektronische Schaltanordnung mit mindestens zwei in Reihe geschalteten und durch vorzugsweise kapazitive oder ohmsche Widerstände überbrückten Halbleiterelementen, gekennzeichnet durch die Verwendung von Halbleiterschaltelementen, die beim Überschreiten eines Schwellenwerts der angelegten Spannung bzw. Feldstärke vom hochohmigen in den niederohmigen Zustand und beim Unterschreiten eines Haltestromes wieder zurückschalten, und durch eine derartige Bemessung der Impedanzen, daß in einem in den niederohmigen Zustand umgeschalteten Halbleiterschaltelement mindestens der Haltestrom fließt, auch wenn die anderen Halbleiterschaltelemente noch hochohmig sind.

2. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzen der Widerstände etwa im Verhältnis der Schwellenwerte der zugehörigen Halbleiterschaltelemente zueinander stehen.

3. Schaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschaltelemente überwiegend aus Tellur mit Zusätzen aus Elementen der Gruppen IV und V des Periodischen Systems bestehen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 048 945,
274.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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