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Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiter-Relais-
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kreis unter Verwendung einer lichtaktivierten Vorrichtung wie eines
Thyristors und eines lichtaktivierten integrierten Kreises. Die Erfindung bezieht
sich insbesondere auf ein Halbleiterrelais mit sehr wenigen Teilen, das in der Lage
ist, ohmsche, induktive und kapazitive Lasten zuverlässig zu schalten.
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Bei bekannten Halbleiterrelais führt die extreme Empfindlichkeit von
Thyristoren im allgemeinen und lichtaktivierter Thyristoren im besonderen gegenüber
Leitungsrauschen und Einschwingvorgängen und der Wunsch, ihre Wirkung beim Einschalten
des Thyristors zu verringern, oft zu Konflikten mit dem Wunsch, einen Nullspannungs-Schaltvorgang
und einen minimalen Sperrstrom zu erreichen. Dieser Nachteil führt zwangsläufig
zu Konstruktionskompromissen, einem komplizierten Schaltungsaufbau, einer begrenzten
Anwendung und zur Notwendigkeit, in bestimmten Anwendungsfällen eine externe Schaltungsanordnung
hinzuzufügen. Druckschriften, die sich auf dieses Gebiet beziehen, sind die US-PS
3 708 762, 3 723 769 und 4 129 785.
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Ein solches Beispiel ist die Praxis einiger Hersteller von Halbleiterrelais
die empfindliche Steuerelektrode des Thyristors auf ein Potential von etwa 0 Volt
zu klemmen. Der Nachteil solch eines Kreises ist die Notwendigkeit eines höheren
Stroms zum Einschalten des Thyristors und der sich ergebende höhere Sperrstrom.
Eine weitere Technik, das Problem des Nullspannungs-Schaltvorganges zu lösen, besteht
darin, dem Nullspannungs-Schaltnetzwerk einen Kondensator zuzufügen und seine Anwendung
in der Schaltung zu steuern. Diese und andere bei der Konstruktion von Halbleiterrelais
auftretende Probleme werden in der folgenden Beschreibung behandelt.
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Es ist bekannt, bei der Kopplung von Opto-Isolatoren zwei gesonderte
Leitungsnetzwerke zu verwenden, was zu einem großen Materialaufwand und Schwierigkeiten
beim Abgleich führt. Andere Vorschläge führen zu einer komplizierten Kopplung durch
Einfügen eines elektrisch isolierten Materials zwischen Emitter und Detektor. Beim
Anmeldungsgegenstand werden ein einfaches Leitungsnetzwerk und eine einfache Kopplung
verwendet, was zu einer erheblichen Einsparung an Material- und Arbeitskosten führt.
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Durch die Erfindung wird somit ein Halbleiterrelais geschaffen, bei
dem zwei identische Kreise verwendet sind.
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Jede Hälfte der Wechselspannungsperiode wird unabhängig von dem jeweiligen
Kreis des Relais gesteuert, wobei jeder Kreis aus einer integrierten Schaltung und
einem elektrisch leitenden Element wie einem Thyristor besteht.
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Jeder der beiden Kreise wird von einem Lichtgenerator wie einer Lichtemissionsdiode
auf der Eingangsseite gesteuert. Das optische Signal der Lichtemissionsdiode wird
in zwei Signale gespalten, die Gleichströme in der integrierten Schaltung und der
Steuerelektrode des Thyristors erzeugen. Der in der integrierten Schaltung erzeugte
Strom leitet einen Schaltvorgang ein, der es der Steuerelektrode des Thyristors
ermöglicht, den erzeugten Strom aufzunehmen und den Thyristor einzuschalten.
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Die beiden Hauptfunktionen der integrierten Schaltung jedes Kreises
sind folgende: 1. Im gesperrten Zustand wird die Steuerelektrode des Thyristors
auf eine Spannung nahe 0 V geklemmt. Diese Klemmung macht den Thyristor für Einschaltstöße
bzw.
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Einschwingvorgänge weniger anfällig. Die integrierte Schaltung trägt
auch im gesperrten Zustand dazu bei, jede Energie, die durch Einschaltimpulse auf
der Wechselspannungsleitung erzeugt wird, von den Zuleitungen des Thyristors abzuhalten,
so daß ein
besserer Schutz gegen Stromstöße und Einschwingvorgänge
erreicht wird.
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2. Im eingeschalteten Zustand wird die Einschaltung des Thyristors
zum richtigen Zeitpunkt reguliert, so daß eine richtige Umpolung der Last bei induktiver
und kapazitiver Belastung ermöglicht wird und der Thyristor bei minimalen Strömen
triggern kann.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis 5 beispielsweise
erläutert. Es zeigt: Figur 1 eine Darstellung der Hauptkomponenten des Halbleiterrelaiskreises
mit den beiden integrierten Schaltungen in Blockform, Figur 2 ein Schaltbild des
Kreises mit Einzelheiten der beiden integrierten Schaltungen, Figur 3 ein Schaltbild
einer der integrierten Schaltungen, Figur 4 den Aufbau eines Leitungsnetzwerkes
mit Emitter- und Detektorbereichen, und Figur 5 das Leitungsnetzwerk nach Zuschnitt
ung Herstellung von Verbindungen.
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Das Halbleiterrelais ist in Fig. 1 mit 10 bezeichnet und besteht aus
einem Paket 13 mit IC-Chips, die optische gekoppelt und in dem Paket 13 eingekapselt
sind, wie später anhand der Fig. 4 und 5 beschrieben wird. Das Relais 10 hat zwei
optische Generatoren 15 auf der Eingangsseite des Relais und einen Ausgang, der
vom Eingang elektrisch isoliert ist. Der Ausgang hat zwei identische Kreise 11 und
12, von denen jeder in Form eines IC-Chips ausgebildet ist und einen Thyristor 67
steuert. Jeder Kreis 11 und 12 enthält zwei Widerstände 61 und 62, eine Zenerdiode
72
und einen Kondensator 63, der die Basis 36 eines Transistors 69 ansteuert. Ein Spannungsteilernetzwerk
mit Widerständen 64 und 68 spannt einen Transistor 70 vor, dessen Kollektor 31 mit
der Steuerelektrode des Thyristors 67 (in Fig. 3 nicht gezeigt, jedoch in Fig. 2)
verbunden ist. Ein Kondensator 65 steuert die Basis 35 eines Transistors 73 an,
dessen Kollektor mit der Basis 34 eines Transistors 72 verbunden ist. Der Kollektor
des Transistors 72 ist mit der Basis 33 eines Transistors 71 und einem Widerstand
66 verbunden. Der Kollektor des Transistors 71 ist mit der Steuerelektrode des Thyristors
67 verbunden. Der Thyristor 67 ist kein Bestandteil der integrierten Schaltung,
kann jedoch als solcher ausgebildet sein.
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Die beiden Lichtgeneratoren 15 sind optisch mit den Kreisen 11 und
12 und mit dem Thyristor 67 so gekoppelt, daß an den Steuerelektroden der Thyristoren
67 und den Basen der Fototransistoren 72 der Kreise 11 und 12 Fotoströme erzeugt
werden, wie durch Hie Wellenlinien in Fig. 2 angegeben ist, wenn elektrische Ströme
durch die Lichtgeneratoren 15 flleRen.
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Da die Arbeitsweise beider Kreise gleich ist, wird im folgenden nur
die des einen Kreises näher erläutert.
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Bezugnehmend auf den Kreis 11 in Fig. 2 sei angenommen, daß die Leitung
2, dieses Kreises bezüglich der Leitung 22 des Kreises 1 positiv ist, Halbperiode
der Wechselspann@@@@@@@ung der Fall ist. Wenn dies eintritt, fließt am Strom über
die in Durchlaßrichtung vorgespannte Zenerd@@@@ 72 des Kreises 12 und hält den Spannungsabfall
von etwa 0,7 V zwischen den Zeitungen 22 und 30 des Kreises 1@ und über dem Widerstand
62 des Kreises 12 der als in DurchlaBrichtung vorgespannte Diode wirkt) aufrecht.
Die Widerstände 61 des Kreises 12 und die Widerstände
61 und 62
des Kreises 11 und die Zenerdiode 72 des Kreises 11 klemmen die Spannung zwischen
der Leitung 30 des Kreises 11 und der Leitung 22 des Kreises 11 auf etwa 6 bis 9
V.
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Bevor den Eingängen des Lichtgenerators 15 ein Strom zugeführt wird,
klemmt der Teil des Kreises If, der aus dem Widerstand 66 und dem Transistor 71
besteht, die Steuerelektrode 31 des Thyristors 67 auf die Spannung Null. Dies geschieht,
da über den Widerstand 66 der Basis des Transistors 71 Strom zugeführt wird, der
ihn in die Sättigung steuert, die nahe der Spannung Null liegt. Ein optisch aktivierter
Transistor 72 ist normalerweise im gesperrten Zustand. Wenn den Eingängen des Lichtgenerators
15 des Kreises 11 Strom zugeführt wird, wird ein Fotostrom bzw.
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Licht erzeugt und zum optisch aktivierten Transistor 72 des Kreises
11 übertragen. An der Basis 34 des Transistors 72 wird ein Strom erzeugt, der diesen
einschaltet, so daß dieser den Transistor 71 aus der Sättigung steuert. Dadurch
kann die Steuerelektrode 31 des Thyristors 67 des Kreises 12 den anderen Teil des
Fotostroms aufnehmen, um den Thyristor einzuschalten.
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Der Kondensator 65 und der Thyristor 73 verhindern, daß auf der Leitung
21 auftretende Stromstöße den Thyristor 67 fehlerhaft triggern. Dies ist darauf
zurückzuführen, daß beim Auftreten eines Impulses auf der Leitung 21 des Kreises
12, der über die Leitung 30 des Kreises 11 über tragen wird, bewirkt'drd'daßderKondensator
65 des Kreises 12 diesen Impuls kurzschließt. Der gleiche Kondensator erscheint
über der Basis 34 und dem Emitter 22 des Transistors 72, wobei seine Kapazität durch
den Miller-Effekt vervielfacht wird, der seinen anscheinenden Wert auf ein Vielfaches
seines tatsächlichen Wertes erhöht; dadurch wird die Basis des Transistors 72 während
des Auftreten des Impulses kurzgeschlossen und momentan verhindert, daß der Transistor
72 geöffnet wird. Dies erleichtert das
Klemmen d# Steuerelektrode
des Thyristors 67.
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Die Widerstände 64 und 68 bilden ein Spannungsteilernetzwerk, das
die Basis 32 des Transistors 70 immer dann während der Periode in den leitenden
Zustand vorspannt, wenn die Spannung an der Basis 32 etwa 0,7 V überschreitet. Wenn
der Transistor 70 des Kreises 12 leitet, verhindert er, daß die Steuerelektrode
31 des Thyristors 67 des Kreises 12 ein Signal aufnimmt, um den Thyristor einzuschalten.
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Die Widerstände 64 und 68 und der Transistor 70 bilden somit ein Nullspannungs-Schaltnetzwerk.
Die Zufügung des Kondensators 63 und des Transistors 69 erleichtert die Umschaltfunktion
des Kreises 11.
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Die vorherige Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt: Wenn der Kreis
11 benutzt wird, um entweder eine induktive oder eine kapazitive Last zu schalten,
wird der Thyristor 67 des Kreises 12 gesperrt, wenn der Strom durch ihn Null wird,
jedoch könnte an diesem Punkt und vor dem Einschalten des Thyristors 67 des Kreises
11 eine Spannung auf der Leitung 32 auftreten, die den Transistor 70 des Kreises
11 einschaltet, der wiederum die Steuerelektrode 31 des Thyristors 67 des Kreises
11 am Einschalten hindert. Der Kondensator 63 des Kreises 11 wirkt jedoch als Kurzschluß
für solch ein plötzliches Auftreten der Spannung, und über den Miller-Vervielfältigungseffekt
erscheint ein weit größerer Kapazitätswert zwischen der Basis 32 und dem Emitter
des Transistors 70, so daß er nicht eingeschaltet werden kann, während der scheinbare
große Kondensator an seiner Basis 32 geladen wird, so daß der Thyristor 67 richtig
schalten kann.
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Ein wichtiges Merkmal jedes der Kreise 11 und 12 besteht darin, daß,
wenn sie in IC-Technik hergestellt sind, wie zuvor erläutert wurde, sie mit einer
hohen Wechselspannung arbeiten können. Die meisten bekannten integrierten Schaltungen
arbeiten mit niedrigen Gleichspannungen. Um eine
integrierte Schaltung
mit hohen Wechselspannungen zu betreiben, sind zwei ondere Widerstände vorgesehen.
Der Widerstand 61 ist ein Masse-(Bulk)-Widerstand, z.B. ein Epitaxialwiderstand,
der bei positiver Vorspannung gegenüber dem Substrat als Widerstand bei niedriger
Spannung und als Konstantstromquelle bei hoher Spannung und bei negativer Vorspannung
gegenüber dem Substrat als eine in Durchlaßrichtung vorgespannte Diode arbeitet.
Der Widerstand 62 ist als Dünnfilmwiderstand auf das Substrat aufgebracht. Der Vorteil
davon liegt darin, daß, wenn bei extrem hohen Spannungen an der integrierten Schaltung
ein Durchschlag auftritt, der Dünnfilmwiderstand, der durch Spannungsänderungen
nicht beeinflußt wird, als Strombegrenzungswiderstand wirkt, der eine Zerstörung
der integrierten Schaltung verhindert.
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Ein weiteres Merkmal des Kreises besteht darin, daß es möglich ist,
das Relais stets an der gleichen Stelle der Wechselspannungsperiode einzuschalten.
Dies ist auf die Unabhängigkeit der beiden Kreise 11 und 12 des Relais und seinen
Steuerkreis zurückzuführen und wird durch eine Anfangsverzögerung beim Einschalten
an einem der Lichtgeneratoren 14 und 15 erreicht.
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Das Paket 13 mit den Chips für die Generatoren 15 und die Kreise 11
und 12 werden auf einem Leitungsnetzwerk bzw.
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-rahmen 100 (Fig. 4) gebildet, der parallele Seitenschienen 102 hat.
Ein typischer Leitungsrahmen hat eine Kapazität von 20 Paketen 13; der Leitungsrahmen
ist in Fig. 4 nur teilweise gezeigt.
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Der Leitungsrahmen hat Emitterpolster 104 und Detektorpolster 106
nahe den Emitterpolstern 104. Die Polster 104 und 106 sind durch Vorsprünge 108
mit den Schienen 102 verbunden, wobei Leitungen bzw. Anschlüsse 110 mit den Polstern
104 und 106 einstückig ausgebildet sind. An irgendeiner Stelle längs des Leitungsrahmens
100 sind
vitar Emitt##pclsi-£r 104 nahe vier Detektorpolstern 106
vcrhanuen, wie Fig. 4 zeigt. Die Polster 104 und 106 sind anfangs koplanar.
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Der Leitungsrahmen wird typischerweise wie folgt bearbeitet: Der Leitungsrahmen
wird zuerst so gebildet, daß sich die Emitterpolster 104 außerhalb der Ebene des
Leitungsrahmens befinden, jedoch parallel zu dieser Ebene sind.
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Statt der Emitterpolster könnten auch die Detektorpolster 106 auf
diese Weise gebildet werden. Die Emitterpolster werden zuerst längs einer ersten
Linie 112 mit einem bestimmten Winkel bis zu 900, dann längs einer zweiten Linie
114 mit einem Winkel so gebogen, daß die Polster 104 zur Ebene des Leitungsrahmens
parallel sind.
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Der nächste Schritt ist die Befestigung der Emitter-Chips an den Unterseiten
(die in Fig. 4 nicht gezeigten Seiten) der Emitterpolster 104 durch Übliche Befestigungstechniken.
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Die Chips sind in Fig. 4 gestrichelt gezeigt, um anzugeben, daß sie
sich an der Unterseite der Emitterpolster befinden. Die Chips werden dann mit den
benachbarten Bereichen 116 des Emitterteils des Leitungsrahmens durch Draht verbunden.
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Der Leitungsrahmen wird dann um 1800 um seine zentrale Längsachse
118 gedreht und dann werden die Detektorchips, d.h. die Chips für die Kreise 11
und 12, an den jeweiligen Detektorpolstern 106 befestigt und durch Draht mit den
benachbarten Bereichen 120 des L)etektorteils des Leitungsrahmens verbunden.
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Nach den Bef#s#i#W#j:s- und Verbindungsschritten durch Durchtrennen
der Vorsprünge 108 an beiden Seiten des Leitungsrahmens längs Linien 122 und 124
in zwei Teile geteilt. Dadurch hat eine Seite der Schienen 102 alle Emitterteile
und die andere Seite der Schienen 102 alle Detektorteile. Die beiden Teile werden
dann verbunden, nachdem der die Emitterteile aufweisende Teil eine kurze
Strecke
in Längsrichtung soweit verschoben wurde, bis die Stücke 108a der Vorsprünge 108
mit Nuten 126 in den Schienen 102 übereinstimmen und eingesetzt sind. Fig. 5 zeigt
die relative Lage der beiden Leitungsrahmenteile, wenn die Stücke 108 in den Nuten
126 aufgenommen sind.
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Wenn dies der Fall ist, liegen die Emitterpolster 104 über den Detektorpolstern
106 und die Chips auf diesen Polstern sind optisch gekoppelt.
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Danach wird zwischen die Emitter- und Detektorteile ein Verbindungsmaterial
eingebracht, das eine Übertragung von Lichtenergie von den Emitterchips aus und
zum Empfang durch die Detektorchips ermöglicht. Wenn das Verbindungsmaterial erhärtet
ist, bilden die beiden Hälften des Leitungsrahmens ein Teil, das durch Vergießen
oder dergleichen umhüllt wird, um mehrere Packungen 13 (Fig. 1) zu bilden. Der Leitungsrahmen
wird dann geschnitten, um die Packungen 13 abzutrennen.
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